CN111929651B - 一种综合孔径辐射计系统相位残差标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种综合孔径辐射计系统相位残差标定方法,根据每个单元天线以及辐射源发射天线的相位方向图、定标网络的S参数和接收通道的S参数、天线阵列中每个单元天线几何中心位置与辐射源发射天线几何中心位置的距离与位置关系以及第一相关矩阵、第二相关矩阵和第三相关矩阵,得到每个接收链路的相位残差,通过系统外部辐射源发射天线在综合孔径辐射计系统观测视场中发射射频信号,系统接收信号,结合测量的天线方向图信息及定标网络周期性的定标结果,计算出系统相位残差,提升了综合孔径辐射计系统的相位标定精度,为高精度的亮温获取提供了方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种综合孔径辐射计系统相位残差标定方法,属于空间微波遥感技术领域。
背景技术
综合孔径辐射计系统的相位信息是综合孔径辐射计系统能否获取观测场景的高精度亮温信息的关键。传统的综合孔径辐射计系统对接收链路的相位误差采用分步标定,即首先通过天线方向图测量手段获取天线阵列中每个单元天线的相位信息,再通过定标网络对接收通道输入高温源和常温源实现对接收通道的相位信息进行标定。然而,系统每个接收链路间由于天线方向图测量精度的问题以及单元天线与接收通道间连接电缆、接插器件等的不理想性,导致分步定标方法对接收链路间相位信息进行标定后仍然存在残留误差,使得综合孔径辐射计系统在地球遥感等星载应用中精度受限,不能满足应用需求。
发明内容
本发明解决的技术问题为:克服上述现有技术的不足,提供一种综合孔径辐射计系统相位残差标定方法,通过系统外部辐射源发射天线在综合孔径辐射计系统观测视场中发射射频信号,系统接收信号,结合测量的天线方向图信息及定标网络周期性的定标结果,计算出系统相位残差,提升了综合孔径辐射计系统的相位标定精度,为高精度的亮温获取提供了方法。
本发明解决的技术方案为:一种综合孔径辐射计系统相位残差标定方法,步骤如下:
(1)在球面近场对综合孔径辐射计系统的天线阵列中每个单元天线以及辐射源发射天线进行测试,得到所有天线的相位方向图;
(2)通过矢量网络分析仪对综合孔径辐射计系统中的定标网络以及所有接收通道的输入端口进行S参数的标定,得到定标网络的S参数和接收通道的S参数;
(3)将辐射源发射天线和综合孔径辐射计系统置于微波暗室中,将辐射源发射天线放置于综合孔径辐射计系统的观测视场中,通过经纬仪测量发射天线几何中心位置相对于辐射计系统天线阵列中每个单元天线几何中心位置的距离与位置关系;
(4)接收通道开关切换到天线端口,综合孔径辐射计系统的天线阵列接收辐射源发射天线发射的射频信号,送至接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第一相关矩阵;
(5)接收通道开关切换到定标端口,并通过定标网络的开关切换热源,热源通过功分器功分成多路射频信号后,分别送至各接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第二相关矩阵;再通过定标网络的开关切换常温源,常温源通过功分器功分成多路射频信号后,分别送至各接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第三相关矩阵;
根据步骤(1)得到的每个单元天线以及辐射源发射天线的相位方向图、步骤(2)得到的定标网络的S参数和接收通道的S参数、步骤(3)得到的天线阵列中每个单元天线几何中心位置与辐射源发射天线几何中心位置的距离与位置关系以及第一相关矩阵、第二相关矩阵和第三相关矩阵,得到每个接收链路的相位残差。
优选的,(6)通过转台在俯仰和方位向的旋转来改变辐射源发射天线发射信号在综合孔径辐射计系统观测视场中的位置,重复步骤(3)-(5),获得各位置下接收链路相位残差,对其进行平均,得到最终的相位残差。
优选的,通过经纬仪测量辐射源发射天线几何中心位置相对于辐射计系统天线阵列中每个单元天线几何中心位置的距离与位置关系;其中位置关系是指辐射源发射天线位于综合孔径辐射计系统坐标系下的俯仰角和方位角信息。
优选的,综合孔径辐射计系统,包括:天线阵列、接收通道、定标网络、数字相关器;
天线阵列,包括:多个单元天线,每个单元天线对应一个接收通道;
一个单元天线与其对应的接收通道以及接收通道开关形成一个接收链路;
各个接收通道的输入端口,通过其对应的接收通道开关,能够选择连接定标网络的输出或天线阵列的输出,天线阵列的输出作为天线端口;定标网络的输出作为定标端口;
天线阵列接收观测场景的辐射亮温,输出射频信号,送至接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出相关矩阵,作为综合孔径辐射计系统的输出;
定标网络能够向各接收通道发送定标信号,实现对各接收通道幅度和相位进行周期性标定。
优选的,对综合孔径辐射计系统相位残差标定,采用综合孔径辐射计系统的残差标定系统;
综合孔径辐射计系统的残差标定系统,包括:辐射源发射天线、支架、转台、微波暗室、经纬仪;
辐射源发射天线、支架、转台、综合孔径辐射计系统,设置于微波暗室中;
综合孔径辐射计系统置于转台上,转台能够带动综合孔径辐射计系统升降、旋转;
辐射源发射天线与综合孔径辐射计系统中的天线阵列相对设置;辐射源发射天线设置于支架上
经纬仪能够测量辐射源发射天线相对于辐射计系统天线阵列中每个单元天线几何中心位置的距离与位置关系。
优选的,定标网络,包括:发射源、衰减器、功分器、定标网络的开关;
定标网络的开关为单刀双掷开关,包括:两个不动端和一个动端;
发射源产生热源,一路通过衰减器衰减后得到常温源,送至定标网络的开关的一个不动端,另一路直接送至定标网络的开关的另一个不动端,定标网络的开关的动端连接功分器的输入;功分器的输出分别连接各个接收通道对应的接收通道开关;
接收通道开关为单刀双掷开关,包括:两个不动端和一个动端;
接收通道开关的动端连接接收通道输入端口,接收通道开关的两个不动端分别连接天线阵列中对应的单元天线和功分器的一路输出。
优选的,一种综合孔径辐射计系统相位残差标定系统,包括:天线测试模块、参数标定模块、测量模块、控制模块
天线测试模块,在球面近场对综合孔径辐射计系统的天线阵列中每个单元天线以及辐射源发射天线进行测试,得到所有天线的相位方向图;
参数标定模块,通过矢量网络分析仪对综合孔径辐射计系统中的定标网络以及所有接收通道的输入端口进行S参数的标定,得到定标网络的S参数和接收通道的S参数;
测量模块,将辐射源发射天线和综合孔径辐射计系统置于微波暗室中,将辐射源发射天线放置于综合孔径辐射计系统的观测视场中,通过经纬仪测量发射天线几何中心位置相对于辐射计系统天线阵列中每个单元天线几何中心位置的距离与位置关系;
控制模块,将接收通道开关切换到天线端口,综合孔径辐射计系统的天线阵列接收辐射源发射天线发射的射频信号,送至接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第一相关矩阵;
控制模块,将接收通道开关切换到定标端口,并通过定标网络的开关切换热源,热源通过功分器功分成多路射频信号后,分别送至各接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第二相关矩阵;再通过定标网络的开关切换常温源,常温源通过功分器功分成多路射频信号后,分别送至各接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第三相关矩阵;
根据天线测试模块得到的每个单元天线以及辐射源发射天线的相位方向图、参数标定模块得到的定标网络的S参数和接收通道的S参数、测量模块得到的天线阵列中每个单元天线几何中心位置与辐射源发射天线几何中心位置的距离与位置关系以及控制模块输出的的第一相关矩阵、第二相关矩阵和第三相关矩阵,得到每个接收链路的相位残差。
优选的,控制模块,通过转台在俯仰和方位向的旋转来改变辐射源发射天线发射信号在综合孔径辐射计系统观测视场中的位置,重复以下:
测量模块,将辐射源发射天线和综合孔径辐射计系统置于微波暗室中,将辐射源发射天线放置于综合孔径辐射计系统的观测视场中,通过经纬仪测量发射天线几何中心位置相对于辐射计系统天线阵列中每个单元天线几何中心位置的距离与位置关系;
控制模块,将接收通道开关切换到天线端口,综合孔径辐射计系统的天线阵列接收辐射源发射天线发射的射频信号,送至接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第一相关矩阵;
控制模块,将接收通道开关切换到定标端口,并通过定标网络的开关切换热源,热源通过功分器功分成多路射频信号后,分别送至各接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第二相关矩阵;再通过定标网络的开关切换常温源,常温源通过功分器功分成多路射频信号后,分别送至各接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第三相关矩阵;
根据天线测试模块得到的每个单元天线以及辐射源发射天线的相位方向图、参数标定模块得到的定标网络的S参数和接收通道的S参数、测量模块得到的天线阵列中每个单元天线几何中心位置与辐射源发射天线几何中心位置的距离与位置关系以及控制模块输出的的第一相关矩阵、第二相关矩阵和第三相关矩阵,得到每个接收链路的相位残差;
从而获得各位置下接收链路相位残差,对其进行平均,得到最终的相位残差。
优选的,通过经纬仪测量辐射源发射天线几何中心位置相对于辐射计系统天线阵列中每个单元天线几何中心位置的距离与位置关系;其中位置关系是指辐射源发射天线位于综合孔径辐射计系统坐标系下的俯仰角和方位角信息。
优选的,综合孔径辐射计系统,包括:天线阵列、接收通道、定标网络、数字相关器;
天线阵列,包括:多个单元天线,每个单元天线对应一个接收通道;
一个单元天线与其对应的接收通道以及接收通道开关形成一个接收链路;
各个接收通道的输入端口,通过其对应的接收通道开关,能够选择连接定标网络的输出或天线阵列的输出,天线阵列的输出作为天线端口;定标网络的输出作为定标端口;
天线阵列接收观测场景的辐射亮温,输出射频信号,送至接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出相关矩阵,作为综合孔径辐射计系统的输出;
定标网络能够向各接收通道发送定标信号,实现对各接收通道幅度和相位进行周期性标定。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明对综合孔径辐射计系统相位组成及不确定性进行了分析,为不同相位误差开展针对性的研究奠定基础。
(2)本发明提出了一种系统相位残差标定的试验方案,弥补了综合孔径辐射计系统传统分步定标方法的不足,能够实现对综合孔径辐射计系统接收链路进行一体化的标定。
(3)本发明通过系统测量与分步测量方法之间的差值,计算出系统的相位残差,能够提升综合孔径辐射计系统对观测场景亮温的测量精度。
(4)本发明建立了一种新型的系统级综合孔径辐射计相位残差的标定方法,通过系统外部辐射源发射天线在综合孔径辐射计系统观测视场中多个位置发射射频信号,系统接收信号,结合测量的天线方向图信息及定标网络周期性的定标结果,计算出系统接收链路的相位残差。
附图说明
图1本发明综合孔径辐射计系统组成框图;
图2本发明综合孔径辐射计系统的残差标定系统示意图;
图3本发明综合孔径辐射计系统观测相位示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种综合孔径辐射计系统相位残差标定方法,(1)在球面近场对综合孔径辐射计系统的天线阵列中每个单元天线以及辐射源发射天线进行测试,得到所有天线的相位方向图;(2)通过矢量网络分析仪对综合孔径辐射计系统中的定标网络以及所有接收通道的输入端口进行S参数的标定,得到定标网络的S参数和接收通道的S参数;(3)将辐射源发射天线和综合孔径辐射计系统置于微波暗室中,将辐射源发射天线放置于综合孔径辐射计系统的观测视场中,通过经纬仪测量发射天线几何中心位置相对于辐射计系统天线阵列中每个单元天线几何中心位置的距离与位置关系;(4)接收通道开关切换到天线端口,综合孔径辐射计系统的天线阵列接收辐射源发射天线发射的射频信号,送至接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第一相关矩阵;(5)接收通道开关切换到定标端口,并通过定标网络的开关切换热源,热源通过功分器功分成多路射频信号后,分别送至各接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第二相关矩阵;再通过定标网络的开关切换常温源,常温源通过功分器功分成多路射频信号后,分别送至各接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第三相关矩阵;根据步骤(1)得到的每个单元天线以及辐射源发射天线的相位方向图、步骤(2)得到的定标网络的S参数和接收通道的S参数、步骤(3)得到的天线阵列中每个单元天线几何中心位置与辐射源发射天线几何中心位置的距离与位置关系以及第一相关矩阵、第二相关矩阵和第三相关矩阵,得到每个接收链路的相位残差。
区别于传统的辐射计,综合孔径辐射计系统无需进行圆锥扫描,一次测量就能获取高分辨率、宽观测视场的辐射亮温,克服了高分辨率对大口径天线工程研制的难题,成为微波遥感领域的研究热点,但该系统接收链路相位的标定直接决定了综合孔径辐射计的测量精度。综合孔径辐射计通过星载的手段,对地球进行观测,能够实现对大气、海洋、极区等地球场景的测量,本方法发明了一种综合孔径辐射计系统相位残差标定方法,能够提升系统的测量精度,高精度测量结果将为气象预报、海洋环境监测、灾害预报等提供重要的信息,对提高短期极端天气以及长期气候预测的准确性有着非常重要的作用,对我国的国防建设和国民生活有着极其重要的意义。
综合孔径辐射计系统的高精度观测需要准确获得所有接收链路间的相对相位关系。通过天线相位方向图的测试可以获得阵列中所有单元天线带来的相位影响;通过对天线阵列中每个单元天线位置的测量,可以获得单元天线之间对系统测量带来的相位分量;同时利用定标网络对接收通道进行周期性的相位标定。
如图1所示,综合孔径辐射计系统,包括:天线阵列、接收通道、定标网络、数字相关器;
天线阵列,包括:多个单元天线,每个单元天线对应一个接收通道;
一个单元天线与其对应的接收通道以及接收通道开关(即开关1)形成一个接收链路;
各个接收通道的输入端口,通过其对应的接收通道开关,能够选择连接定标网络的输出或天线阵列的输出,天线阵列的输出作为天线端口;定标网络的输出作为定标端口;
天线阵列接收观测场景的辐射亮温,输出射频信号,送至接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出相关矩阵,作为综合孔径辐射计系统的输出;
定标网络能够向各接收通道发送定标信号,实现对各接收通道幅度和相位进行周期性标定。
对综合孔径辐射计系统相位残差标定,采用综合孔径辐射计系统的残差标定系统;
如图2所示,综合孔径辐射计系统的残差标定系统,包括:辐射源发射天线、转台、微波暗室、经纬仪;
辐射源发射天线、转台、综合孔径辐射计系统,设置于微波暗室中;
综合孔径辐射计系统置于转台上,转台能够带动综合孔径辐射计系统旋转;
辐射源发射天线置于支架上,与综合孔径辐射计系统中的天线阵列相对设置;
经纬仪能够测量辐射源发射天线相对于辐射计系统天线阵列中每个单元天线几何中心位置的距离与位置关系。
如图1所示,定标网络,包括:发射源、衰减器、功分器、定标网络的开关;
定标网络的开关(即开关2)为单刀双掷开关,包括:两个不动端和一个动端;
发射源产生热源,一路通过衰减器衰减后得到常温源,送至定标网络的开关的一个不动端,另一路直接送至定标网络的开关的另一个不动端,定标网络的开关的动端连接功分器的输入;功分器的输出分别连接各个接收通道对应的接收通道开关;
接收通道开关为单刀双掷开关,包括:两个不动端和一个动端;
接收通道开关的动端连接接收通道输入端口,接收通道开关的两个不动端分别连接天线阵列中对应的单元天线和功分器的一路输出。
本发明一种综合孔径辐射计系统相位残差标定方法,优选方案步骤如下:
(1)在球面近场对综合孔径辐射计系统的天线阵列中每个单元天线以及辐射源发射天线进行测试,得到天线阵列中N个单元天线的相位方向图,优选方案具体如下:
综合孔径辐射计系统天线阵列坐标系xyz定义为以天线阵列中心单元的几何中心单元为原点,x轴和y轴位于天线阵列平面上,面对天线阵列时右边为x轴,垂直于天线阵列平面并指向与系统观测视场中心点为z轴,通过右手法则建立坐标系xyz,辐射源发射天线的坐标系x'y'z'定义为以发射天线的几何中心位置为原点,z'轴垂直于天线口面,面对天线时右手边为x'轴,通过右手法则建立坐标系x'y'z'。
优选方案为:测试获得天线阵列中每个单元天线的相位方向图为以及辐射源发射天线的相位方向图所有天线的相位方向图/>其中(θi,θi′)∈[0:1:180],/>每隔1°取一个值;/>如图2所示,表示xyz坐标系下空间某点与z轴的交角为θi(即俯仰角),该点与坐标系原点的连线投影到xy平面上与正x轴的夹角为/>(即方位角),F表示在该点的相位值;优选方案具体如下:综合孔径辐射计N个天线的相位方向图F,辐射源发射天线的相位方向图Fˊ球面近场,具体为天线测量领域的一种有效方法,主要是用一种可以理解的方法表示球面测试技术的理论和实践,在机械臂上安装多个探头进行发射信号,被测件置于机械臂规定的中心靶点处,通过电扫描式实现测量被测天线在空间各点的相位方向图,该测试方法测试精度非常高。
对综合孔径辐射计系统的天线阵列中每个单元天线以及辐射源发射天线进行测试,优选方案具体为将系统的天线阵列中心单元几何位置中心放置于球面近场机械臂规定的中心靶点,通过电扫的方式旋转和移动球面近场的机械臂,获得综合孔径辐射计系统天线阵列每个单元天线的相位方向图;将辐射源发射天线中心单元几何位置中心放置于球面近场机械臂规定的中心靶点,通过电扫的方式旋转和移动球面近场的机械臂,通过与基准信号的比较以获得辐射源发射天线的相位方向图;
相位方向图,优选为天线产生辐射电场矢量的相位在空间相对于基准信号相位的分布。
备注:为了方便表达,定义综合孔径辐射计系统中天线阵列的单元天线个为N,功分器的输出端口数量为N,接收通道的个数为N,数字相关器的输出的相关矩阵为N×1。
(2)通过矢量网络分析仪对综合孔径辐射计系统中的定标网络以及所有接收通道的输入端口进行S参数(散射参数)的标定,得到定标网络的S参数(即SD):和接收通道的S参数(接收通道天线端口的S参数为SA,接收通道定标端口的S参数为SC);优选方案具体如下:
优选方案为:通过矢量网络分析仪对综合孔径辐射计系统中的定标网络进行S参数的标定,具体为:由矢量网络分析仪输出一路信号至功分器的输入端,功分器的N路分别输出至矢量网络分析仪的输入端,分析仪通过对比分析分析仪的1路输出端的信号与其N路输入就可以获得定标网络的S参数SD(1×N的向量);
优选方案为:通过矢量网络分析仪对综合孔径辐射计系统中所有接收通道的输入端口进行S参数的标定,具体为:由矢量网络分析仪输出一路信号至所有接收通道的定标端,由接收通道的输出端送至矢量网络分析仪的输入端,分析仪通过对比分析分析仪的N路输出与相对应的N路输入的信号就可以获得接收通道定标端的S参数SC(N×1的向量);由矢量网络分析仪输出一路信号至所有接收通道的天线端,由接收通道的输出端送至矢量网络分析仪的输入端,分析仪通过对比分析分析仪的N路输出与相对应的N路输入的信号就可以获得接收通道天线端的S参数SA(N×1的向量)
定标网络的S参数,优选定义为定标网络中功分器的输入输出射频信号的比值,表征信号经过功分器后的幅度和相位变化;
接收通道的S参数,优选定义为接收通道定标端到接收通道输出端信号的比值,表征信号从定标端经过接收通道的幅度和相位变化,接收通道天线端到接收通道输出端信号的比值,表征信号从天线端经过接收通道的幅度和相位变化;
(3)将辐射源发射天线和综合孔径辐射计系统置于微波暗室中,将辐射源发射天线放置于综合孔径辐射计系统的观测视场中,通过经纬仪测量发射天线相对于辐射计系统天线阵列中每个单元天线的距离与位置关系;优选方案具体如下:
微波暗室,优选方案具体为:能够方便排除外界电磁干扰的环境,达到屏蔽其他电磁信号的干扰的目的,优选要求空间大于10×5×5(长×宽×高);
将辐射源发射天线和综合孔径辐射计系统置于微波暗室中,具体为:综合孔径辐射计系统置于转台上,辐射源发射天线置于支架上,以相对应的状态置于微波暗中;
将辐射源发射天线放置于综合孔径辐射计系统的观测视场中,优选方案具体为:通过经纬仪测量发射天线几何中心位置相对于辐射计系统天线阵列中每个单元天线几何中心位置的距离与位置关系,并调整辐射源发射天线与系统的天线阵列,使得辐射源发射天线置于辐射计系统天线阵列的俯仰方位角为0的位置(即),同时通过经纬仪输出发射天线与天线阵列中心单元天线几何中心位置的距离r。
(4)接收通道开关切换到天线端口,综合孔径辐射计系统的天线阵列接收辐射源发射天线发射的射频信号,送至接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第一相关矩阵V;优选方案具体如下:
数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第一相关矩阵,优选方案具体为:自相关为接收通道输出信号的平方和,互相关是对两两接收通道输出信号分别作复数共轭的反向平移并使其相乘的无穷积分。
(5)接收通道开关切换到定标端口,并通过定标网络的开关切换热源,热源通过功分器功分成多路射频信号后,分别送至各接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第二相关矩阵VH;再通过定标网络的开关切换常温源,常温源通过功分器功分成多路射频信号后,分别送至各接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第三相关矩阵VW;
根据步骤(1)得到的每个单元天线以及辐射源发射天线的相位方向图、步骤(1)得到的定标网络的S参数和接收通道的S参数、步骤(3)得到的天线阵列中每个单元天线的距离与位置关系以及第一相关矩阵、第二相关矩阵和第三相关矩阵,得到每个接收链路的相位残差。优选方案具体如下:
通过对热源与常温源测量相关矩阵进行处理,可以得到接收通道的不一致性,同时需要考虑定标网络的S参数SD,由此可以得到通道i与通道j在定标端口的不一致性优选通过如式(1)所示。
表示接收通道在定标端时的不一致性,SDi、SDj分别为定标网络功能器端口i和j的S参数,其中| |表示取绝对值,*表示取共轭,Vij H、Vij W分别为观测热源和常温源时第二相关矩阵、第三相关矩阵第i行j列的值,VHi、VWi分别为观测热源和常温源时第二相关矩阵、第三相关矩阵第i行i列的值。
将接收通道定标端的不一致性转换到天线端,得到天线端的接收通道不一致性优选通过如式(2)所示:
SAi、SAj分别为接收通道i与j在接收通道天线端的S参数,SCi、SCj分别为接收通道i与j在接收通道定标端的S参数。
求解式(2)的相位,获得接收通道i与j之间的相位差优选通过如式(3)所示。
如图3所示,综合孔径辐射计系统接收链路i的相位组成包括:辐射源发射天线位于的相位/>辐射源发射天线发射的射频信号传输到系统天线口面的路程(λ为综合孔径辐射计的波长,ri为辐射源发射天线与天线阵列中天线i的几何中心位置的距离),辐射计单元天线在位于/>的相位/>以及接收通道相位;系统接收链路j的相位组成包括:辐射源发射天线位于/>的相位/>辐射源发射天线发射的射频信号传输到系统天线口面的路程/>辐射计单元天线在位于/>的相位以及接收通道相位。
通过分步测量方法获得的综合孔径辐射计系统接收链路i与j的相位差优选通过如式(4)所示;
通过第一相关矩阵第i行j列的值Vij辐射计系统接收链路i与j的实测相位差值优选通过如式(5)所示;
angle表示计算Vij的相位,此时计算得到的相位差与分布测量方法获得的相位差/>之间存在差异,该差异是由于电缆、端口连接等非理想性因素导致的。通过两种方法获得的相位差的差值,获得了辐射计系统接收链路i与j相位差的残差φij,同时也表示接收链路i与j残差的相位差(分步定标方法没有解决的相位误差为残差),优选通过如式(6)所示,:
式(6)改写成矩阵形式,优选通过如式(7)所示:
通过最小二乘法求解上式法,可以解得N个接收链路的相位残差φ(N×1的向量)。在辐射源天线位于系统天线阵列的位置为获得的接收链路相位残差记为φ(1)。优选还包括步骤(6),(6)通过转台在俯仰和方位向的旋转来改变辐射源发射天线发射信号在综合孔径辐射计系统的观测视场中的位置,重复步骤(3)-(5),获得在五个不同位置下所有接收链路的相位残差,对其进行平均,得到最终的相位残差,进一步的优选方案具体如下:
转台旋转在的基础上方位向顺时针旋转10°,辐射源发射天线置于辐射计系统天线阵列的俯仰角10°、方位角为0的位置(即/>),重复步骤(3)-(5),获得的接收链路相位残差记为φ(2);通过转台在/>的基础上旋转在方位向逆时针旋转10°,辐射源发射天线置于辐射计系统天线阵列的俯仰角-10°、方位角为180的位置(即/>),重复步骤(3)-(5),获得的接收链路相位残差记为φ(3);通过转台在的基础上旋转在俯仰向上旋转10°,辐射源发射天线置于辐射计系统天线阵列的俯仰角10°、方位角为90的位置(即/>),重复步骤(3)-(5),获得的接收链路相位残差记为φ(4);通过转台在/>的基础上旋转在俯仰向下旋转10°,辐射源发射天线置于辐射计系统天线阵列的俯仰角10°、方位角为270的位置(即/>),重复步骤(3)-(5),获得的接收链路相位残差记为φ(5);
对多次测量结果进行平均,得到最终的相位残差如式(8)所示:
通过五次的测量对测得的相位残差进行有效约束,能够有效的降低测量过程中由于不确定性、偶然因素等原因对获得的综合孔径辐射计相位残差造成的影响,有利于有效信息的获取,实现提高系统相位残差标定精度的进一步方案。在此基础上,能够提升综合孔径辐射计系统对观测场景亮温的测量精度。
Claims (10)
1.一种综合孔径辐射计系统相位残差标定方法,其特征在于步骤如下:
(1)在球面近场对综合孔径辐射计系统的天线阵列中每个单元天线以及辐射源发射天线进行测试,得到所有天线的相位方向图;
(2)通过矢量网络分析仪对综合孔径辐射计系统中的定标网络以及所有接收通道的输入端口进行S参数的标定,得到定标网络的S参数和接收通道的S参数;
(3)将辐射源发射天线和综合孔径辐射计系统置于微波暗室中,将辐射源发射天线放置于综合孔径辐射计系统的观测视场中,通过经纬仪测量发射天线几何中心位置相对于辐射计系统天线阵列中每个单元天线几何中心位置的距离与位置关系;
(4)接收通道开关切换到天线端口,综合孔径辐射计系统的天线阵列接收辐射源发射天线发射的射频信号,送至接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第一相关矩阵;
(5)接收通道开关切换到定标端口,并通过定标网络的开关切换热源,热源通过功分器功分成多路射频信号后,分别送至各接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第二相关矩阵;再通过定标网络的开关切换常温源,常温源通过功分器功分成多路射频信号后,分别送至各接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第三相关矩阵;
根据步骤(1)得到的每个单元天线以及辐射源发射天线的相位方向图、步骤(2)得到的定标网络的S参数和接收通道的S参数、步骤(3)得到的天线阵列中每个单元天线几何中心位置与辐射源发射天线几何中心位置的距离与位置关系以及第一相关矩阵、第二相关矩阵和第三相关矩阵,得到每个接收通道的相位残差;具体包括:
计算通道i与通道j在定标端口的不一致性如下:
表示接收通道在定标端时的不一致性,SDi、SDj分别为定标网络功能器端口i和j的S参数,其中||表示取绝对值,*表示取共轭,/>分别为观测热源和常温源时第二相关矩阵、第三相关矩阵第i行j列的值,VHi、VWi分别为观测热源和常温源时第二相关矩阵、第三相关矩阵第i行i列的值;
将接收通道定标端的不一致性转换到天线端,得到天线端的接收通道不一致性如下:
SAi、SAj分别为接收通道i与j在接收通道天线端的S参数,SCi、SCj分别为接收通道i与j在接收通道定标端的S参数;
求解的相位,获得接收通道i与j之间的相位差/>如下:
设综合孔径辐射计系统接收通道i的相位组成包括:辐射源发射天线位于的相位辐射源发射天线发射的射频信号传输到系统天线口面的路程/>其中λ为综合孔径辐射计的波长,ri为辐射源发射天线与天线阵列中天线i的几何中心位置的距离,辐射计单元天线在位于/>的相位/>以及接收通道相位;系统接收通道j的相位组成包括:辐射源发射天线位于/>的相位/>辐射源发射天线发射的射频信号传输到系统天线口面的路程/>辐射计单元天线在位于/>的相位/>以及接收通道相位;通过分步测量方法获得综合孔径辐射计系统接收通道i与j的相位差/>如下:
通过第一相关矩阵第i行j列的值Vij,辐射计系统接收通道i与j的实测相位差值如下:
angle表示计算Vij的相位;
通过以下两种方法获得的相位差的差值,获得了辐射计系统接收通道i与j相位差的残差φij,同时也表示接收通道i与j残差的相位差:
φij=φi-φj
其中,φi、φj分别表示接收通道i的相位残差与接收通道j的相位残差。
2.根据权利要求1所述的一种综合孔径辐射计系统相位残差标定方法,其特征在于:(6)通过转台在俯仰和方位向的旋转来改变辐射源发射天线发射信号在综合孔径辐射计系统观测视场中的位置,重复步骤(3)-(5),获得各位置下接收链路相位残差,对其进行平均,得到最终的相位残差。
3.根据权利要求1所述的一种综合孔径辐射计系统相位残差标定方法,其特征在于:通过经纬仪测量辐射源发射天线几何中心位置相对于辐射计系统天线阵列中每个单元天线几何中心位置的距离与位置关系;其中位置关系是指辐射源发射天线位于综合孔径辐射计系统坐标系下的俯仰角和方位角信息。
4.根据权利要求1所述的一种综合孔径辐射计系统相位残差标定方法,其特征在于:综合孔径辐射计系统,包括:天线阵列、接收通道、定标网络、数字相关器;
天线阵列,包括:多个单元天线,每个单元天线对应一个接收通道;
一个单元天线与其对应的接收通道以及接收通道开关形成一个接收链路;
各个接收通道的输入端口,通过其对应的接收通道开关,能够选择连接定标网络的输出或天线阵列的输出,天线阵列的输出作为天线端口;定标网络的输出作为定标端口;
天线阵列接收观测场景的辐射亮温,输出射频信号,送至接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出相关矩阵,作为综合孔径辐射计系统的输出;
定标网络能够向各接收通道发送定标信号,实现对各接收通道幅度和相位进行周期性标定。
5.根据权利要求1所述的一种综合孔径辐射计系统相位残差标定方法,其特征在于:对综合孔径辐射计系统相位残差标定,采用综合孔径辐射计系统的残差标定系统;
综合孔径辐射计系统的残差标定系统,包括:辐射源发射天线、支架、转台、微波暗室、经纬仪;
辐射源发射天线、支架、转台、综合孔径辐射计系统,设置于微波暗室中;
综合孔径辐射计系统置于转台上,转台能够带动综合孔径辐射计系统升降、旋转;
辐射源发射天线与综合孔径辐射计系统中的天线阵列相对设置;辐射源发射天线设置于支架上;
经纬仪能够测量辐射源发射天线相对于辐射计系统天线阵列中每个单元天线几何中心位置的距离与位置关系。
6.根据权利要求5所述的一种综合孔径辐射计系统相位残差标定方法,其特征在于:定标网络,包括:发射源、衰减器、功分器、定标网络的开关;
定标网络的开关为单刀双掷开关,包括:两个不动端和一个动端;
发射源产生热源,一路通过衰减器衰减后得到常温源,送至定标网络的开关的一个不动端,另一路直接送至定标网络的开关的另一个不动端,定标网络的开关的动端连接功分器的输入;功分器的输出分别连接各个接收通道对应的接收通道开关;
接收通道开关为单刀双掷开关,包括:两个不动端和一个动端;
接收通道开关的动端连接接收通道输入端口,接收通道开关的两个不动端分别连接天线阵列中对应的单元天线和功分器的一路输出。
7.一种综合孔径辐射计系统相位残差标定系统,其特征在于包括:天线测试模块、参数标定模块、测量模块、控制模块;
天线测试模块,在球面近场对综合孔径辐射计系统的天线阵列中每个单元天线以及辐射源发射天线进行测试,得到所有天线的相位方向图;
参数标定模块,通过矢量网络分析仪对综合孔径辐射计系统中的定标网络以及所有接收通道的输入端口进行S参数的标定,得到定标网络的S参数和接收通道的S参数;
测量模块,将辐射源发射天线和综合孔径辐射计系统置于微波暗室中,将辐射源发射天线放置于综合孔径辐射计系统的观测视场中,通过经纬仪测量发射天线几何中心位置相对于辐射计系统天线阵列中每个单元天线几何中心位置的距离与位置关系;
控制模块,将接收通道开关切换到天线端口,综合孔径辐射计系统的天线阵列接收辐射源发射天线发射的射频信号,送至接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第一相关矩阵;
控制模块,将接收通道开关切换到定标端口,并通过定标网络的开关切换热源,热源通过功分器功分成多路射频信号后,分别送至各接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第二相关矩阵;再通过定标网络的开关切换常温源,常温源通过功分器功分成多路射频信号后,分别送至各接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第三相关矩阵;
根据天线测试模块得到的每个单元天线以及辐射源发射天线的相位方向图、参数标定模块得到的定标网络的S参数和接收通道的S参数、测量模块得到的天线阵列中每个单元天线几何中心位置与辐射源发射天线几何中心位置的距离与位置关系以及控制模块输出的第一相关矩阵、第二相关矩阵和第三相关矩阵,得到每个接收通道的相位残差;具体包括:
计算通道i与通道j在定标端口的不一致性如下:
表示接收通道在定标端时的不一致性,SDi、SDj分别为定标网络功能器端口i和j的S参数,其中||表示取绝对值,*表示取共轭,/>分别为观测热源和常温源时第二相关矩阵、第三相关矩阵第i行j列的值,VHi、VWi分别为观测热源和常温源时第二相关矩阵、第三相关矩阵第i行i列的值;
将接收通道定标端的不一致性转换到天线端,得到天线端的接收通道不一致性如下:
SAi、SAj分别为接收通道i与j在接收通道天线端的S参数,SCi、SCj分别为接收通道i与j在接收通道定标端的S参数;
求解的相位,获得接收通道i与j之间的相位差/>如下:
设综合孔径辐射计系统接收通道i的相位组成包括:辐射源发射天线位于的相位辐射源发射天线发射的射频信号传输到系统天线口面的路程/>其中λ为综合孔径辐射计的波长,ri为辐射源发射天线与天线阵列中天线i的几何中心位置的距离,辐射计单元天线在位于/>的相位/>以及接收通道相位;系统接收通道j的相位组成包括:辐射源发射天线位于/>的相位/>辐射源发射天线发射的射频信号传输到系统天线口面的路程/>辐射计单元天线在位于/>的相位/>以及接收通道相位;通过分步测量方法获得综合孔径辐射计系统接收通道i与j的相位差/>如下:
通过第一相关矩阵第i行j列的值Vij,辐射计系统接收通道i与j的实测相位差值如下:
angle表示计算Vij的相位;
通过以下两种方法获得的相位差的差值,获得了辐射计系统接收通道i与j相位差的残差φij,同时也表示接收通道i与j残差的相位差:
φij=φi-φj
其中,φi、φj分别表示接收通道i的相位残差与接收通道j的相位残差。
8.根据权利要求7所述的一种综合孔径辐射计系统相位残差标定系统,其特征在于:控制模块,通过转台在俯仰和方位向的旋转来改变辐射源发射天线发射信号在综合孔径辐射计系统观测视场中的位置,重复以下:
测量模块,将辐射源发射天线和综合孔径辐射计系统置于微波暗室中,将辐射源发射天线放置于综合孔径辐射计系统的观测视场中,通过经纬仪测量发射天线几何中心位置相对于辐射计系统天线阵列中每个单元天线几何中心位置的距离与位置关系;
控制模块,将接收通道开关切换到天线端口,综合孔径辐射计系统的天线阵列接收辐射源发射天线发射的射频信号,送至接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第一相关矩阵;
控制模块,将接收通道开关切换到定标端口,并通过定标网络的开关切换热源,热源通过功分器功分成多路射频信号后,分别送至各接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第二相关矩阵;再通过定标网络的开关切换常温源,常温源通过功分器功分成多路射频信号后,分别送至各接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出第三相关矩阵;
根据天线测试模块得到的每个单元天线以及辐射源发射天线的相位方向图、参数标定模块得到的定标网络的S参数和接收通道的S参数、测量模块得到的天线阵列中每个单元天线几何中心位置与辐射源发射天线几何中心位置的距离与位置关系以及控制模块输出的第一相关矩阵、第二相关矩阵和第三相关矩阵,得到每个接收链路的相位残差;
从而获得各位置下接收链路相位残差,对其进行平均,得到最终的相位残差。
9.根据权利要求7所述的一种综合孔径辐射计系统相位残差标定系统,其特征在于:通过经纬仪测量辐射源发射天线几何中心位置相对于辐射计系统天线阵列中每个单元天线几何中心位置的距离与位置关系;其中位置关系是指辐射源发射天线位于综合孔径辐射计系统坐标系下的俯仰角和方位角信息。
10.根据权利要求7所述的一种综合孔径辐射计系统相位残差标定系统,其特征在于:综合孔径辐射计系统,包括:天线阵列、接收通道、定标网络、数字相关器;
天线阵列,包括:多个单元天线,每个单元天线对应一个接收通道;
一个单元天线与其对应的接收通道以及接收通道开关形成一个接收链路;
各个接收通道的输入端口,通过其对应的接收通道开关,能够选择连接定标网络的输出或天线阵列的输出,天线阵列的输出作为天线端口;定标网络的输出作为定标端口;
天线阵列接收观测场景的辐射亮温,输出射频信号,送至接收通道,进行下变频输出中频信号,送至数字相关器,数字相关器完成所有接收通道输出信号的自相关和互相关运算,输出相关矩阵,作为综合孔径辐射计系统的输出;
定标网络能够向各接收通道发送定标信号,实现对各接收通道幅度和相位进行周期性标定。
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