CN110018460B - 星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差的远场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差的远场测量方法。本发明的方法包括如下步骤：第一步，根据天线子阵尺寸及几何排布确定远场测试条件并建立星地连接状态；第二步，获取单TR定标数据；第三步，对获取的定标数据进行脉冲压缩和脉冲间相干积累，获得峰值点幅度和相位；第四步，剔除奇异值数据，并进行相位解缠绕。第五步，相位数据处理，得到板间相位差的估计值。本发明对地面设备的要求简单，能够在少量星上操作的情况下，快速获取板间相位差，克服了天线进场测试对测试条件和测试设备要求高、测试周期长、风险高等缺点。

Description

星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差的远场测量方法

技术领域

本发明涉及星载电子技术领域的天线板间相位差测试方法，具体涉及一种星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差的远场测量方法。

背景技术

合成孔径雷达，Synthetic Aperture Radar,SAR，是一种高分辨率成像雷达，可以在能见度极低的气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像。利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效天线孔径的雷达，也称综合孔径雷达。合成孔径雷达的特点是分辨率高，能全天候工作，能有效地识别伪装和穿透掩盖物。所得到的高方位分辨力相当于一个大孔径天线所能提供的方位分辨力。

合成孔径雷达利用一个小天线沿着长线阵的轨迹等速移动并辐射相参信号,把在不同位置接收的回波进行相干处理,从而获得较高分辨率的成像雷达，可分为聚焦型和非聚焦型两类。作为一种主动式微波传感器,合成孔径雷达具有不受光照和气候条件等限制实现全天时、全天候对地观测的特点,甚至可以透过地表或植被获取其掩盖的信息。合成孔径雷达因其全天时全天候高分辨率对地观测能力在民用领域得到了广泛的应用，如农业普查及地形测绘等。星载合成孔径雷达天线一般采用平面有源相控阵体制，天线尺寸一般在几米到十几米之间，由于运载火箭整流罩包络有限，SAR天线在结构上一般划分成几个子板，地面收拢在星体上，入轨后展开，子板间成像信号和定标信号等高频信号通过板间柔性高频电缆连接。

对于小平台雷达卫星，没有独立的载荷舱，天线要在整星阶段进行最终集成，天线的集成会进行板间电缆拆装操作，从而引入最高达几十度的板间相位。对于有独立载荷舱的大平台，虽然天线在载荷研制单位集成并进行暗室测量后与载荷舱整体运输到整星集成，无板间电缆拆装问题，但整星测试阶段会进行天线的多次展开和收拢，此过程也会引入板间电缆相位差，并且在整星阶段必要时会进行部组建拆装，也会涉及板间电缆拆装操作引入较大的板间相位差。板间相位差会使天线方向图发生畸变，导致天线旁瓣性能恶化，主瓣相位平坦度下降。

目前板间相位差测试一般在暗室中利用平面近场测试系统进行测试，但国内整星总装总测单位一般不具备该条件。而且即使具备这样的条件，在测试过程中，也需要天线收拢、吊装、运输、翻转、展开和测试系统精度调整的复杂卫星操作，造成卫星进度上的压力以及技术上的风险。因此，亟需发明一种卫星操作少，地面设备简单，测试时间短的星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差远场测试方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差的远场测量方法，其试验设备简单，耗时短，对卫星操作少，能够快速在整星阶段实现板间相位差测量。

根据本发明提供的星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差的远场测量方法，其包括以下步骤：

步骤一，确定远场测试条件并建立星地连接状态；

步骤二，整星加电后，数传分系统和雷达分系统加电正常工作，上注指令，使雷达分系统工作于单TR循环定标工作模式，待雷达关机后，完成数据下传，卫星断电；

步骤三，利用地面软件，提取单TR发射定标数据，同时，提取单TR接收定标数据，发射定标数据与接收定标数据分别处理，处理步骤一致：

进行脉冲压缩，然后脉冲间进行相干积累，提取峰值点相位和幅度数据；

步骤四，对幅度数据进行方向图补偿，补偿后剔除幅度差异在1dB以上的相位数据，剔除后进行相位解缠绕；

步骤五，建立数据模型，利用最小二乘估计的方法，计算板间相位差；

步骤六，检测喇叭天线是否遍历所有位置。

优选地，步骤一中，根据天线子阵尺寸、波长、天线子阵间隔、天线折叠次数、厂房空间，确定远场测试条件。

优选地，步骤三，每一帧数据进行脉冲压缩后，同一TR组件的定标数据不同帧间采用脉冲积累，脉冲积累后，提取峰值点幅度和相位，用以提高信噪比。

优选地，步骤四中，按TR组件阵面的相对位置对幅度和相位数据进行整理，形成数据矩阵。

优选地，步骤一包含以下步骤：

步骤一十一，卫星侧躺，天线展开，断开内定标器与天线阵面的定标高频电缆；阵面定标高频电缆接匹配负载，内定标器与喇叭测试天线之间利用地面高频电缆串接可调衰减器，并根据电平计算结果设置可调衰减器的衰减值；

步骤一十二，喇叭测试天线放置于天线两块子板的中心位置，其中，喇叭测试天线到阵面的距离d₀的定位精度优于0.01m；

步骤一十三，雷达天线到喇叭测试天线的两侧和地面铺设吸波材料；

其中，上述步骤一十二中，

(1)将喇叭天线设于方位向至少8个天线子阵方向图的主瓣范围内；

(2)将喇叭天线设于距离向至少4个天线子阵方向图的主瓣范围内；

(3)将喇叭天线设于天线子阵的远场区；

(4)设置相邻两个天线子阵到喇叭天线的距离差小于一个波长λ；

即d₀要满足如下不等式组，其中D_a、D_r分别为天线子阵方位向和距离向尺寸，L_a、L_r为天线子阵方位向和距离向间距；

优选地，步骤四包含以下步骤：

步骤四十一，按阵面辐射单元的布局，对幅度数据和相位数据进行重新排列：根据步骤一十二的约束条件可知，N≥4且M≥4，

步骤四十二，根据喇叭测试天线的方向图和天线子阵方向图以及位置关系，对幅度数据A进行方向图补偿，并计算A的均值

若A中元素有超过

在1dB以上者，认为该通道存在问题，则剔除相位数据Φ中对应位置的测试值；

步骤四十三，对Φ数据进行解相位解缠绕处理，得到：

优选地，步骤五包含以下步骤：

步骤五十一，建立数据模型：

其中x_Lij和y_Lij是在天线坐标系中天线子阵的两轴坐标,i＝1,...,M，j＝1,...,N，x_T和y_T是喇叭测试天线在天线坐标系中的位置；

步骤五十二，利用最小二乘法，估计系数a，b，c，d，e；

步骤五十三，根据估计的系数，得到估计向量：

步骤五十四，重复步骤五十一到步骤五十三的方法，可以得到估计向量：

步骤五十五，计算板间相位差的估计矩阵：

步骤五十六，板间相位差Δ的测试值为对矩阵Θ的所有元素取平均：

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的测试设备仅包括喇叭测试天线、可调衰减器、测试电缆等少量简易测试设备，并且仅需要卫星翻身、天线展开和高频电缆连接等卫星常规动作，克服了平面近场测试方法系统复杂、测试时间长、风险大的缺点；

2、本发明解决了整星阶段板间相位差测量的问题，减少了测试时间，降低了测试风险；

3、本发明对有源平面相控阵天线SAR卫星整星阶段板间相位差测试具备普适性；

4、本发明试验设备简单，耗时短，对卫星操作少，能够快速在整星阶段实现板间相位差测量，克服了天线进场测试对测试条件和测试设备要求高、测试周期长、风险高等缺点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明卫星状态及星地连接图。

图3为实施例中相位数据解缠绕之后的结果图。

图4为实施例中两次测试喇叭测试天线位置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在一个实施例中，如附图1所示，本发明星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差的远场测量方法，所使用的测试设备仅包括喇叭测试天线、可调衰减器、测试电缆等少量简易测试设备，仅需要卫星翻身、天线展开和高频电缆连接等卫星常规动作，克服了平面近场测试方法系统复杂、测试时间长、风险大的缺点，其包括以下步骤：

步骤一，确定远场测试条件并建立星地连接状态；

步骤二，整星加电后，数传分系统和雷达分系统加电正常工作，上注指令，使雷达分系统工作于单TR循环定标工作模式，待雷达关机后，完成数据下传，卫星断电；

步骤三，利用地面软件，提取单TR发射定标数据，同时，提取单TR接收定标数据，发射定标数据与接收定标数据分别处理，处理步骤一致：

进行脉冲压缩，然后脉冲间进行相干积累，提取峰值点相位和幅度数据；

步骤四，对幅度数据进行方向图补偿，补偿后剔除幅度差异在1dB以上的相位数据，剔除后进行相位解缠绕；

步骤五，建立数据模型，利用最小二乘估计的方法，计算板间相位差；

步骤六，检测喇叭天线是否遍历所有位置。

为了进一步解释本实施例，需要说明的是，步骤一中，根据天线子阵尺寸、波长、天线子阵间隔、天线折叠次数、厂房空间，确定远场测试条件。

为了进一步解释本实施例，需要说明的是，步骤三，每一帧数据进行脉冲压缩后，同一TR组件的定标数据不同帧间采用脉冲积累，脉冲积累后，提取峰值点幅度和相位，用以提高信噪比。

为了进一步解释本实施例，需要说明的是，步骤四中，按TR组件阵面的相对位置对幅度和相位数据进行整理，形成数据矩阵。

为了进一步解释本实施例，需要说明的是，步骤一包含以下步骤：

步骤一十一，卫星侧躺，天线展开，断开内定标器与天线阵面的定标高频电缆；阵面定标高频电缆接匹配负载，内定标器与喇叭测试天线之间利用地面高频电缆串接可调衰减器，并根据电平计算结果设置可调衰减器的衰减值；

步骤一十二，喇叭测试天线放置于天线两块子板的中心位置，其中，喇叭测试天线到阵面的距离d₀的定位精度优于0.01m；

步骤一十三，雷达天线到喇叭测试天线的两侧和地面铺设吸波材料；

其中，上述步骤一十二中，

(1)将喇叭天线设于方位向至少8个天线子阵方向图的主瓣范围内；

(2)将喇叭天线设于距离向至少4个天线子阵方向图的主瓣范围内；

(3)将喇叭天线设于天线子阵的远场区；

(4)设置相邻两个天线子阵到喇叭天线的距离差小于一个波长λ；

即d₀要满足如下不等式组，其中D_a、D_r分别为天线子阵方位向和距离向尺寸，L_a、L_r为天线子阵方位向和距离向间距；

为了进一步解释本实施例，需要说明的是，步骤四包含以下步骤：

步骤四十一，按阵面辐射单元的布局，对幅度数据和相位数据进行重新排列：根据步骤一十二的约束条件可知，N≥4且M≥4，

步骤四十二，根据喇叭测试天线的方向图和天线子阵方向图以及位置关系，对幅度数据A进行方向图补偿，并计算A的均值

若A中元素有超过

在1dB以上者，认为该通道存在问题，则剔除相位数据Φ中对应位置的测试值；

步骤四十三，对Φ数据进行解相位解缠绕处理，得到：

为了进一步解释本实施例，需要说明的是，步骤五包含以下步骤：

步骤五十一，建立数据模型：

其中x_Lij和y_Lij是在天线坐标系中天线子阵的两轴坐标,i＝1,...,M，j＝1,...,N，

x_T和y_T是喇叭测试天线在天线坐标系中的位置；

步骤五十二，利用最小二乘法，估计系数a，b，c，d，e；

步骤五十三，根据估计的系数，得到估计向量：

步骤五十四，重复步骤五十一到步骤五十三的方法，可以得到估计向量：

步骤五十五，计算板间相位差的估计矩阵：

步骤五十六，板间相位差Δ的测试值为对矩阵Θ的所有元素取平均：

接下来对本发明进行详细的描述。

本发明实施例中卫星天线由三块子板组成。天线尺寸为4.8m×0.7m；天线子阵数量分布情况为方位向24个、距离向32个；天线子阵方位向尺寸为0.2m，天线子阵距离向尺寸为0.01m；雷达中心频率9.65GHz。仿真中，喇叭测试天线位置误差为0.1m，单TR通道相位误差在1σ，帧间脉冲积累后为5°,-X与中板板间相位差为30°、中板与+X板板间相位为-20°。

根据步骤一，计算可得喇叭天线到阵面的距离d₀要求不小于10.15m，留有一定余量并综合考虑厂房测试条件等因素，可取d₀＝12m。卫星状态以及星地连接如附图2所示。由于卫星分为三块子板，则需要两次测试才能完成两个板间相位差的测试。两次试验喇叭测试天线的位置示意图如附图4所示，图中位置1对应-X板与中板板间相位差测试，位置2对应中板与+X板板间相位差测试。

根据步骤四，相位解缠绕的结果如附图3所示，采用最小二乘法估计的数据模型系数如表1所示，板间相位差估计误差估计结果如表1所示。从结果可以看出板间相位差的估计值与真实值偏差在5°以内，能够满足使用要求。

表1最小二乘估计法数学模型系数及板间相位差估计值统计表

通过上述实施例可知，本发明提供的星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差的远场测量方法，至少实现了如下的有益效果：本发明的测试设备仅包括喇叭测试天线、可调衰减器、测试电缆等少量简易测试设备，并且仅需要卫星翻身、天线展开和高频电缆连接等卫星常规动作，克服了平面近场测试方法系统复杂、测试时间长、风险大的缺点；本发明解决了整星阶段板间相位差测量的问题，减少了测试时间，降低了测试风险；本发明对有源平面相控阵天线SAR卫星整星阶段板间相位差测试具备普适性；本发明试验设备简单，耗时短，对卫星操作少，能够快速在整星阶段实现板间相位差测量，克服了天线进场测试对测试条件和测试设备要求高、测试周期长、风险高等缺点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差的远场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，确定远场测试条件并建立星地连接状态；

步骤二，整星加电后，数传分系统和雷达分系统加电正常工作，上注指令，使雷达分系统工作于单TR循环定标工作模式，待雷达关机后，完成数据下传，卫星断电；

步骤三，利用地面软件，提取单TR发射定标数据，同时，提取单TR接收定标数据，发射定标数据与接收定标数据分别处理，处理步骤一致：

进行脉冲压缩，然后脉冲间进行相干积累，提取峰值点相位数据和幅度数据；

步骤四，对幅度数据进行方向图补偿，补偿后剔除幅度数据中差异在1dB以上的相位数据，剔除后进行相位解缠绕；

步骤五，建立数据模型，利用最小二乘估计的方法，计算板间相位差；

步骤六，检测喇叭天线是否遍历所有位置。

2.如权利要求1所述的星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差的远场测量方法，其特征在于，所述步骤一中，根据天线子阵尺寸、波长、天线子阵间隔、天线折叠次数、厂房空间，确定远场测试条件。

3.如权利要求1所述的星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差的远场测量方法，其特征在于，所述步骤三，每一帧数据进行脉冲压缩后，同一TR组件的定标数据不同帧间采用脉冲积累，脉冲积累后，提取峰值点幅度和相位，用以提高信噪比。

4.如权利要求1所述的星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差的远场测量方法，其特征在于，所述步骤四中，按TR组件阵面的相对位置对幅度和相位数据进行整理，形成数据矩阵。

5.如权利要求4所述的星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差的远场测量方法，其特征在于，所述步骤一包含以下步骤：

步骤一十一，卫星侧躺，天线展开，断开内定标器与天线阵面的定标高频电缆；阵面定标高频电缆接匹配负载，内定标器与喇叭测试天线之间利用地面高频电缆串接可调衰减器，并根据电平计算结果设置可调衰减器的衰减值；

步骤一十二，喇叭测试天线放置于天线两块子板的中心位置，其中，喇叭测试天线到阵面的距离d₀的定位精度优于0.01m；

步骤一十三，雷达天线到喇叭测试天线的两侧和地面铺设吸波材料；

其中，所述步骤一十二中，

(1)将喇叭天线设于方位向至少8个天线子阵方向图的主瓣范围内；

(2)将喇叭天线设于距离向至少4个天线子阵方向图的主瓣范围内；

(3)将喇叭天线设于天线子阵的远场区；

(4)设置相邻两个天线子阵到喇叭天线的距离差小于一个波长λ；

即d₀要满足如下不等式组，其中D_a、D_r分别为天线子阵方位向和距离向尺寸，L_a、L_r为天线子阵方位向和距离向间距；

6.如权利要求5所述的星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差的远场测量方法，其特征在于，所述步骤四包含以下步骤：

步骤四十一，按阵面辐射单元的布局，对幅度数据和相位数据进行重新排列：根据步骤一十二的约束条件可知，N≥4且M≥4，

其中，A为幅度数据，Φ为相位数据，下角标L与R分别表示左与右；

步骤四十二，根据喇叭测试天线的方向图和天线子阵方向图以及位置关系，对幅度数据A进行方向图补偿，并计算A的均值

若A中元素有超过

在1dB以上者，认为该TR组件存在问题，则剔除相位数据Φ中对应位置的测试值；

步骤四十三，对Φ数据进行解相位解缠绕处理，得到：

7.如权利要求6所述的星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差的远场测量方法，其特征在于，所述步骤五包含以下步骤：步骤五十一，建立数据模型：

其中x_Lij和y_Lij是在天线坐标系中天线子阵的两轴坐标,i＝1,...,M，j＝1,...,N，x_T和y_T是喇叭测试天线在天线坐标系中的位置；

步骤五十二，利用最小二乘法，估计系数a，b，c，d，e；

步骤五十三，根据估计的系数，得到估计向量：

步骤五十四，重复步骤五十一到步骤五十三的方法，可以得到估计向量：

步骤五十五，计算板间相位差的估计矩阵：

步骤五十六，板间相位差Δ的测试值为对矩阵Θ的所有元素取平均：

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