CN112014838A - 一体化设计的高度计辐射计系统 - Google Patents

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CN112014838A CN202010922982.5A CN202010922982A CN112014838A CN 112014838 A CN112014838 A CN 112014838A CN 202010922982 A CN202010922982 A CN 202010922982A CN 112014838 A CN112014838 A CN 112014838A
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何静
卢护林
商远波
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陈斌
苏皎阳
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Abstract

本发明公开了一种一体化设计的高度计辐射计系统，包括：天馈子系统，其用于实现高度计及辐射计射频信号的发射和接收；与天馈子系统连接的高度计，所述高度计采用Ku+Ka双频高度计；与天馈子系统连接的辐射计，所述辐射计采用Ku+K+Ka三频辐射计；时序与信息处理单元，其用于根据高度计及辐射计的回波信号同时完成所述高度计的测高功能和所述辐射计的测量功能。本发明的采用双频高度计与三频辐射计一体化设计，提高了测量精度的同时降低了系统的总重量及总功耗，此外，本发明的高度计与辐射计由同一时序与信息处理单元控制信号同步，可以有效避免高度计发射信号对辐射计接收信号的干扰，避免了分开设计带来的天线副瓣泄露的问题。

Description

一体化设计的高度计辐射计系统
技术领域
本发明涉及卫星测高技术领域，尤其涉及一种一体化设计的高度计辐射计系统。
背景技术
卫星测高是随着卫星遥感测量技术而发展起来的一种空间遥感技术，搭载的主要载荷为高度计辐射计。其中高度计用于向海面发射雷达信号，雷达信号经过海面反射后回到高度计的接收天线，通过测量脉冲往返时间来确定卫星到星下点的距离，继而计算得到星下点的海面高度，辐射计用于辅助高度计校正雷达信号经过湿对流层时由水汽产生的延迟误差，湿对流层造成的延迟量最大可以达到40cm左右，而高度计的海面高度测量精度一般要求为2cm～5cm，因此必须要对湿对流层造成的延迟进行修正，必须利用一同搭载的水汽校正辐射计进行实测，因此校正辐射计是高度计卫星的标配。
卫星测高技术发展至今，测高技术与方法主要分为两种，第一种为高度计与辐射计独立设计、协同工作。由于高度计和辐射计对天线指标要求不同，辐射计对天线主波束效率指标要求高，高度计更注重天线增益指标的设计。在上世纪90年代前，同时兼顾高效率和高增益的大口径天线设计、加工手段并不成熟，故星载高度计和辐射计采用独立设计、协同工作的方式。而高度计和校正辐射计均需配备大口径反射面天线，天线口径在1.0m、1.2m左右不等，高度计与辐射计独立设计在天线指向一致性保证、整星布局等方面会带来一些困难。此外，高度计和辐射计独立设计，与卫星平台有各自独立的接口，增加总线容量，并且由于高度计为主动探测，辐射计为被动探测且探测频段与高度计接近，天线旁瓣对发射信号的泄漏增大了对电磁兼容的设计要求。
第二种方法为单频高度计与双频辐射计一体化设计。目前高增益、高效率、大口径天线的设计、加工技术已日益成熟，随着处理器设计和加工能力的逐步提升，基于DSP、FPGA等嵌入式处理器的高速信号处理平台，在计算能力、控制逻辑、存储容量等方面已经能够满足一体化设计的条件。因此，一体化设计方案具有可行性。采用高度计与辐射计一体化设计的测高卫星有GFO卫星与SARAL卫星，但其高度计均仅有一个频点(Ku或Ka频段)，辐射计均仅有两个频点(Ka和K频段)，即目前的一体化设计只有两种频段三个频点的一体化，其湿对流层延时改正精度比传统的三频辐射计差。
发明内容
本发明提出了一种一体化设计的Ku+Ka双频高度计与Ku+K+Ka三频辐射计系统，采用Ku+Ka双频高度计可保证测高精度的同时降低雨衰的影响，采用Ku+K+Ka三频辐射计可显著提高湿对流层延迟校正精度，同时，高度计和辐射计一体设计可以保证波束指向性一致的同时，减少系统尺寸重量、提高载荷间时序协调性。
为了达到上述目的，本发明提出了一体化设计的高度计辐射计系统，包括：
天馈子系统，其用于实现高度计及辐射计射频信号的发射和接收；
与天馈子系统连接的高度计，所述高度计采用Ku+Ka双频高度计；
与天馈子系统连接的辐射计，所述辐射计采用Ku+K+Ka三频辐射计；
分别与高度计、辐射计连接的时序与信息处理单元，其用于根据高度计及辐射计的回波信号同时完成所述高度计的测高功能和所述辐射计的测量功能。
进一步，所述天馈子系统包含：
反射面天线及馈源，所述馈源与所述反射面天线协同工作以形成Ku+Ka双频高度计及Ku+K+Ka三频辐射计的天线波束，且所述高度计与所述辐射计的天线波束照射方向始终指向星下点。
进一步，所述高度计包含：
微波收发组合，其用于实现高度计两个频段信号的发射及接收，所述微波收发组合包括Ka波段收发通道及Ku波段收发通道；
以及，共用多路频综，可减少硬件复杂度。
进一步，所述辐射计包含：
接收通道组合，其用于实现辐射计三个频段信号的接收，所述接收通道组合包括Ku波段接收通道、K波段接收通道及Ka波段接收通道；
与接收通道组合连接的定标单元，其用于实现辐射计三个频段信号的标校，所述定标单元包含与Ku波段接收通道、K波段接收通道、Ka波段接收通道一一对应连接的Ku波段冷空喇叭、K波段冷空喇叭、Ka波段冷空喇叭。
进一步，所述时序与信息处理单元包含：
接口与通信单元，其用于完成系统与星上数据的交互、指令的接收与解码；
时序控制与波形产生单元，其产生多路时序信号用于控制所述高度计及所述辐射计的工作；
高度计数据处理单元，其用于根据高度计的回波信号完成高度计的测高功能；
辐射计数据处理单元，其用于完成辐射计在轨内标校，及根据辐射计回波信号完成辐射计的测量功能。
进一步，所述时序控制与波形产生单元用于控制所述高度计及辐射计的工作模式、工作波形、工作状态。
进一步，所述反射面天线及馈源均要适应Ku+Ka双频高度计及Ku+K+Ka三频辐射计的三种频段五个频点。
进一步，所述反射面天线采用单偏置抛物面天线形式，所述馈源采用波纹喇叭。
进一步，所述反射面天线的口径D为：
D＝(33.2-1.55SL)·λ/θ3dB
其中，SL为旁瓣电平，λ为波长，θ3dB为半功率波束宽度；
所述反射面的偏置角θ0的计算公式为：
Figure BDA0002667357770000031
其中，H为反射面天线的偏置高度，F为反射面天线的焦距；
所述馈源的边缘照射角θ*的计算公式为：
Figure BDA0002667357770000041
进一步，所述馈源内包括正交模耦合器，所述正交模耦合器通过正交极化方式将Ku+Ka双频高度计及Ku+K+Ka三频辐射计极化分离，防止所述高度计与所述辐射计之间的信号干扰。
进一步，所述高度计中的微波收发组合中的Ka波段收发通道及Ku波段收发通道内部均设置有多级滤波器，所述辐射计中的接收通道组合中的Ku波段接收通道、K波段接收通道及Ka波段接收通道内部均设置有多级滤波器，以实现高度计以及辐射计五个频点所对应的接收通道之间的隔离。
进一步，所述时序与信息处理单元的总体时序以所述辐射计的一个观测周期对应的时间为系统的一个周期，所述辐射计的一个观测周期包括10个辐射计积分周期，所述每个辐射计积分周期包含所述高度计的4个跟踪周期，使得所述高度计发射簇信号期间，所述高度计及辐射计均不接受信号，所述高度计发射簇结束后，所述高度计及辐射计均接收信号。
本发明具有以下优势：
本发明将高度计与辐射计一体化设计，所述高度计及辐射计共用一个反射面天线及馈源，保证了所述高度计及辐射计波束指向的一致性，同时较少了硬件的使用量，降低了系统的总重量及总功耗；所述的馈源将所述高度计及辐射计的极化方式进行差异化设计，防止所述高度计及辐射计信号之间的相互干扰。
本发明的高度计与辐射计由同一时序与信息处理单元控制信号的同步，提高了载荷间时序的协调性，可以有效避免高度计发射信号对辐射计接收信号的干扰，避免了分开设计带来的天线副瓣泄露的问题。
本发明的高度计采用Ku+Ka双频段，由于Ka频段较高，提高了测高精度，Ku频段用于在雨衰较大情况下使用以减小雨衰影响。辐射计采用了Ku+K+Ka三个频段分别用于测量风、水汽与液态水的辐射量，进而修正由风、水汽与液态水引入的信号路径延迟，且高度计与辐射计频点相互错开，Ku+K+Ka三频辐射计相比于双频辐射计可将湿对流层延迟校正精度提高约40％，从而海面高度的测量精度相应得到提高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一体化设计的高度计辐射计系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一体化设计的高度计辐射计系统的示意图；
图3为本发明实施例提供的天馈子系统中的反射面天线的几何结构示意图；
图4为本发明实施例提供的高度计射频发射链路的框图；
图5为本发明实施例提供的一体化设计的高度计辐射计系统的总体时序示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种一体化设计的高度计辐射计系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1-2所示，本发明提出了一种一体化设计的高度计辐射计系统，包括：
天馈子系统，其用于实现高度计及辐射计射频信号的发射和接收；
与天馈子系统连接的高度计，所述高度计采用Ku+Ka双频高度计；
与天馈子系统连接的辐射计，所述辐射计采用Ku+K+Ka三频辐射计；
分别与高度计、辐射计连接的时序与信息处理单元，其用于根据高度计及辐射计的回波信号同时完成所述高度计的测高功能和所述辐射计的测量功能。
所述天馈子系统包含：
反射面天线及馈源，所述馈源与所述反射面天线协同工作以形成Ku+Ka双频高度计及Ku+K+Ka三频辐射计的天线波束。
进一步，所述反射面天线为Ku+Ka双频段高度计与Ku+K+Ka三频段辐射计共用反射面，该反射面天线需适应高度计的Ku、Ka频段以及辐射计的Ku、K、Ka频段，所述馈源也要适应高度计的Ku、Ka频段以及辐射计的Ku、K、Ka频段。所述馈源与所述反射面天线协同工作以形成Ku+Ka双频高度计及Ku+K+Ka三频辐射计的天线波束，且保证高度计与辐射计的波束照射方向始终指向星下点。
所述反射面天线采用单偏置抛物面天线形式，所述馈源采用喇叭馈源，优选地，所述馈源采用波纹喇叭馈源，较佳地，所述馈源采用轴向槽波纹喇叭馈源。
截取标准前馈抛物面上半空间的部分区域即可得到单偏置抛物面天线，如图3所示，以标准前馈抛物面的焦点O为坐标原点建立单偏置抛物面直角坐标系xyz，再以焦点O为原点，焦点与单偏置抛物面天线中心点的连线为Zf建立馈源直角坐标系，馈源坐标系可以看做偏置抛物面直角坐标系绕一定的角度旋转后得到的。单偏置抛物面天线可以由三个参数描述：焦距F，其为标准前馈抛物面焦点到标准前馈抛物面顶点的距离；偏置角θ0，其为单偏置抛物面直角坐标系的Z轴与馈源直角坐标系Zf轴的夹角；边缘照射角θ*，其为单偏置抛物面上下边缘顶点与焦点的连线与馈源坐标系Zf轴的夹角。
反射面天线波束的波束宽度和副瓣电平对反射面天线的口径D的选取起到主要作用，反射面天线的口径的计算公式为：
D＝(33.2-1.55SL)·λ/θ3dB
其中，SL为旁瓣电平，λ为波长，θ3dB为半功率波束宽度。
反射面天线的偏置角θ0的计算公式为：
Figure BDA0002667357770000061
馈源的边缘照射角θ*的计算公式为：
Figure BDA0002667357770000062
通常反射面天线采用的焦径比的范围F/D＝0.6～2.0，F/D越大，交叉极化分量越小，但是F/D过大，天线的纵向尺寸过大，所以要结合实际应用背景选择合适的结构参数。综合考虑天线增益、共频馈源、极化和载体安装约束等多个因素，本实施例中，反射面天线的口径D设为1.2m，焦距F设为0.84m，偏置高度H设为0.12m。相应的，馈源的边缘照射角度设为34°，以保证馈源在各个频段具有尽量一致的辐射相心。
所述高度计与所述辐射计两者共用天馈子系统共同工作，需要加强高度计与辐射计的隔离设计以防止所述高度计与所述辐射计信号之间的相互干扰。在馈源内设置正交模耦合器，通过正交极化方式将所述高度计与所述辐射极化分离。本实施例中，高度计采用V极化，辐射计采用H极化，将高度计与辐射计的极化方向互异设计可使所述高度计与所述辐射计通道之间的隔离度提高20dB左右。如表1所示，天馈子系统极化隔离设计及结果：
中心频率 高度计Ku 辐射计Ku 辐射计K 辐射计Ka 高度计Ka
极化方式 V H H H V
增益 41.5 / / / 49.8
隔离度(与高度计Ka通道) / ＜-30dB ＜-30dB ＜-25dB /
隔离度(与高度计Ku通道) / ＜-25dB ＜-30dB ＜-30dB /
所述高度计为主动探测设备，其包含：
微波收发组合，其用于实现高度计两个频段信号的发射及接收；所述微波收发组合包括Ka波段收发通道及Ku波段收发通道，所述Ka波段收发通道包含Ka波段发射通道及Ka波段接收通道，所述Ku波段收发通道包括Ku波段发射通道及Ku波段接收通道；
以及，共用多路频综，可减少硬件复杂度。
所述辐射计为被动接收设备，其包含：
接收通道组合，其用于实现辐射计三个频段信号的接收；所述接收通道组合包括Ku波段接收通道、K波段接收通道及Ka波段接收通道，所述三个波段的接收通道均包括与其波段对应的接收单元及定标单元；
以及与接收通道组合连接的定标单元，其用于实现辐射计三个频段信号的标校，所述定标单元包含与Ku波段接收通道、K波段接收通道、Ka波段接收通道一一对应连接的Ku波段冷空喇叭、K波段冷空喇叭、Ka波段冷空喇叭。
所述高度计中的微波收发组合中的Ka波段收发通道及Ku波段收发通道内部均设置有多级滤波器，所述辐射计中的接收通道组合中的Ku波段接收通道、K波段接收通道及Ka波段接收通道内部也都设置有多级滤波器，以实现高度计以及辐射计五个频点所对应的接收通道之间的隔离。
具体地，高度计的每个频点的波段收发通道都对应一条发射链路，对每条发射链路分别在中频段、L频段和Ka/Ku频段进行三级滤波确保高度计发射信号、谐波、射频杂波等处在辐射计工作通带外。图4为高度计射频信号发射链路的框图。Ka频段发射链路中，DDS中频输入信号为S频段，带宽为500MHz，第一级本振输入f1为L频段，第二级本振输入f2为Ka频段，三级滤波指标分别为：
第一级带通范围：S频段，带宽为500MHz，抑制≥30dB，本振抑制≥20dB，带内平坦度优于0.2dB；
第二级带通范围：S频段，带宽为500MHz，抑制≥25dB，带内平坦度优于0.2dB；
第三级带通范围：Ka频段，带宽为500MHz，抑制≥25dB，带内平坦度优于0.2dB。
Ku频段发射链路中，DDS中频输入信号为S频段，带宽为320MHz，第一级本振输入f1为L频段，第二级本振输入f2为X频段，三级滤波指标分别为：
第一级带通范围：S频段，带宽为320MHz，抑制≥30dB，本振抑制≥20dB，带内平坦度优于0.2dB；
第二级带通范围：C频段，带宽为320MHz，抑制≥25dB，带内平坦度优于0.2dB；
第三级带通范围：Ku频段，带宽为320MHz，抑制≥25dB，带内平坦度优于0.2dB。
经过三级滤波控制，可以确保高度计的Ka、Ku频段发射链路内杂散信号低于辐射功率70dB以上，在辐射计频带内的Ku、K、Ka信号抑制70dB以上。
辐射计的每个频点对应一个接收链路，对每条接收链路，分别在射频段、中频段进行两级滤波，从而实现对三个频点的多级滤波。同时，辐射计内部也含有窄带滤波器，能够滤除带外杂波信号。
所述时序与信息处理单元包含：
接口与通信单元，其用于完成系统与星上数据的交互、指令数据的通信、工作状态与遥测参数输出并上传、指令的接收与解码等；
遥感遥测采集单元，其用于完成系统工作状态、遥测参数的采集；
时序控制与波形产生单元，其产生4路DDS高稳定度宽带调频信号，用于控制高度计微波收发组合的发射和接收，产生多路时序信号，用于控制雷达高度计/辐射计工作模式、工作波形、工作时序、工作状态，同时具备接收并同步控制计算机时间的功能，并对工作参数实时计算的功能；
数据采集与预处理单元，其用于采集高度计/辐射计的回波信号及回波信号预处理；
高度计数据处理单元，其与数据采集与预处理单元连接，用于完成高度计回波数据的频谱分析、波束锐化、多普勒参数估计、延迟校正、距离压缩、重跟踪等处理；
辐射计数据处理单元，与数据采集与预处理单元连接，用于完成辐射计在轨内标校，及根据辐射计回波信号完成辐射计的测量功能；
程控增益控制单元，其用于根据接收的回波信号的强度以及数据处理的结果，对接收链路的增益进行自适应控制；
自主任务规划单元，其用于根据卫星平台提供的经纬度数据，结合先验的数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)地图信息，解算卫星飞行轨迹和地-海/海-地转换区域进入时间，并依此完成提供给高度计时序控制与波形产生单元，以提供雷达高度计搜索和工作效率。
本发明中高度计与辐射计采用同一时序控制单元控制信号同步，以确保两者的控制信号相参。结合高度计、辐射计信号的收发、定标工作过程，一体化设计的高度计辐射计系统的总体时序以辐射计一个观测周期对应的时间为系统的一个周期。如图5所示，辐射计一个观测周期包含10个辐射计积分周期，其中1个热定标、1个冷定标和8个遥感周期。每个辐射计积分周期包含高度计的4个跟踪周期，即图5中C1～C4。高度计采用簇发、簇收的信号收发模式，图5中TB1/TB2分别表示频段1发射簇/频段2发射簇；RB1/RB2分别表示频段1接收簇/频段2接收簇，4个簇周期为一个跟踪周期。
由于辐射计为被动探测，通过时序设计使得高度计发射簇信号期间，所述高度计及辐射计均不接受信号，高度计发射簇结束后，所述高度计及辐射计均接收信号，可以有效避免高度计发射信号对辐射计接收信号的干扰，避免了高度计/辐射计分开设计带来的天线副瓣泄露的问题。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一体化设计的高度计辐射计系统，其特征在于，包括：
天馈子系统，其用于实现高度计及辐射计射频信号的发射和接收；
与天馈子系统连接的高度计，所述高度计采用Ku+Ka双频高度计；
与天馈子系统连接的辐射计，所述辐射计采用Ku+K+Ka三频辐射计；
分别与高度计、辐射计连接的时序与信息处理单元，其用于根据高度计及辐射计的回波信号同时完成所述高度计的测高功能和所述辐射计的测量功能。
2.如权利要求1所述的一体化设计的高度计辐射计系统，其特征在于，所述天馈子系统包含反射面天线及馈源，所述馈源与所述反射面天线协同工作以形成Ku+Ka双频高度计及Ku+K+Ka三频辐射计的天线波束，且所述高度计与所述辐射计的天线波束照射方向始终指向星下点。
3.如权利要求1所述的一体化设计的高度计辐射计系统，其特征在于，所述高度计包含：
微波收发组合，其用于实现高度计两个频段信号的发射及接收，所述微波收发组合包括Ka波段收发通道及Ku波段收发通道。
4.如权利要求1所述的一体化设计的高度计辐射计系统，其特征在于，所述辐射计包含：
接收通道组合，其用于实现辐射计三个频段信号的接收，所述接收通道组合包括Ku波段接收通道、K波段接收通道及Ka波段接收通道；
与接收通道组合连接的定标单元，其用于实现辐射计三个频段信号的标校，所述定标单元包含与Ku波段接收通道、K波段接收通道、Ka波段接收通道一一对应连接的Ku波段冷空喇叭、K波段冷空喇叭、Ka波段冷空喇叭。
5.如权利要求1所述的一体化设计的高度计辐射计系统，其特征在于，所述时序与信息处理单元包含：
接口与通信单元，其用于完成系统与星上数据的交互、指令的接收与解码；
时序控制与波形产生单元，其产生多路时序信号用于控制所述高度计及所述辐射计的工作；
高度计数据处理单元，其用于根据高度计的回波信号完成高度计的测高功能；
辐射计数据处理单元，其用于完成辐射计在轨内标校，及根据辐射计回波信号完成辐射计的测量功能。
6.如权利要求2所述的一体化设计的高度计辐射计系统，其特征在于，所述馈源内包括正交模耦合器，所述正交模耦合器通过正交极化方式将Ku+Ka双频高度计及Ku+K+Ka三频辐射计极化分离，防止所述高度计与所述辐射计之间的信号干扰。
7.如权利要求2所述的一体化设计的高度计辐射计系统，其特征在于，所述反射面天线采用单偏置抛物面天线形式，所述馈源采用波纹喇叭。
8.如权利要求7所述的一体化设计的高度计辐射计系统，其特征在于，
所述反射面天线的口径D的计算公式为：
D＝(33.2-1.55SL)·λ/θ3dB
其中，SL为旁瓣电平，λ为波长，θ3dB为半功率波束宽度；
所述反射面天线的偏置角θ0的计算公式为：
Figure FDA0002667357760000021
其中，H为反射面天线的偏置高度，F为反射面天线的焦距；
所述馈源的边缘照射角θ*的计算公式为：
Figure FDA0002667357760000022
9.如权利要求3和4所述的一体化设计的高度计辐射计系统，其特征在于，所述高度计中的微波收发组合中的Ka波段收发通道、Ku波段收发通道，以及所述辐射计中的接收通道组合中的Ku波段接收通道、K波段接收通道与Ka波段接收通道内部均设置有多级滤波器，以实现所述高度计与所述辐射计五个频点所对应的接收通道之间的相互隔离。
10.如权利要求5所述的一体化设计的高度计辐射计系统，其特征在于，所述时序与信息处理单元的总体时序以所述辐射计的一个观测周期对应的时间为系统的一个周期，所述辐射计的一个观测周期包括10个辐射计积分周期，所述辐射计积分周期包含所述高度计的4个跟踪周期。
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