CN112986700A - 静止轨道电大尺寸天线热变形方向图在轨实时修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种静止轨道电大尺寸天线热变形方向图在轨实时修正方法，包括：基于摄影测量技术获取天线反射面的热变形数据，处理热变形数据以将形面误差转换为波前相位误差；基于最小二乘法，采用zernike多项式拟合波前相位误差，得到拟合系数；基于拟合系数建立单项zernike分布函数作用下的天线主波束效率影响因子表、增益影响因子表和波束指向影响因子表；建立天线主波束效率、增益、半功率波束宽度、波束指向与拟合系数之间的函数关系式，以计算天线热变形方向图；将计算天线热变形方向图的方法集成于在轨定标方法中，以根据天线在轨不同工作环境下的形面测量数据，进行天线方向图在轨实时、高精度定标修正。

Description

静止轨道电大尺寸天线热变形方向图在轨实时修正方法

技术领域

本发明涉及微波辐射计天线定标技术领域，特别涉及一种静止轨道电大尺寸天线热变形方向图在轨实时修正方法。

背景技术

电大尺寸天线是静止微波轨道微波辐射计重要组成部分，天线物理尺寸达到5m，最短工作波长为0.7mm，电尺寸高达7000倍波长，远大于我国现有星载微波辐射计天线最大电尺寸，天线主要功能是在多个特定的频率上接收来自星下圆盘指定区域的大气和地表微波辐射。静止轨道微波辐射计将静止轨道遥感探测的高时效性优势和微波对云雨大气独具的穿透性探测能力相结合，有力提升对快速变化的台风、暴雨等灾害性天气系统的监测预警能力。静止轨道微波辐射计在轨运行时能否获取有价值的探测资料，得到定量化的应用和真正的业务使用，主要取决于微波辐射计探测仪资料的精度和时效性。

静止轨道微波辐射计采用馈电口面秒级周期定标，天线不参与定标路径，天线反射面在轨工作时，外热流环境复杂，反射面形面因温度的剧烈变化发生大尺度热变形，严重影响天线主波束效率、增益、半功率波束宽度和波束指向等指标，使辐射计探测数据产生较大误差。为监测天线在轨工作时的反射面形面状态，运用摄影测量法的全场测量技术，获取天线热变形误差。天线热变形方向图的传统计算方法是物理光学法，但是对于多频段、电大尺寸天线，物理光学法至少需要10小时时间，难以满足秒级定标要求。根据反射面表面均方根(RMS)误差，基于经典Ruze公式可快速获取天线增益值，但是此方法无法获得辐射计定标所需的主波束效率、波束指向、半功率波束宽度等重要参数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种静止轨道电大尺寸天线热变形方向图在轨实时修正方法，以解决传统物理光学法的时效性无法满足辐射计定标所需的时间要求、经典Ruze公式无法获取完整天线方向图参数的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种静止轨道电大尺寸天线热变形方向图在轨实时修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基于摄影测量技术获取天线反射面的热变形数据，处理所述热变形数据以将形面误差转换为波前相位误差；

S2：基于最小二乘法，采用预定义的zernike多项式拟合所述波前相位误差，得到拟合系数；

S3：基于所述拟合系数建立单项zernike分布函数作用下的天线主波束效率影响因子表、增益影响因子表和波束指向影响因子表；

S4：基于所述天线主波束效率影响因子表、增益影响因子表和波束指向影响因子表，建立天线主波束效率、增益、半功率波束宽度、波束指向与拟合系数之间的函数关系式，以计算天线热变形方向图；

S5：将所述计算天线热变形方向图的方法集成于在轨定标方法中，以根据天线在轨不同工作环境下的形面测量数据，进行天线方向图在轨实时、高精度定标修正。

较佳地，设置天线的最短工作波长为0.7mm，电尺寸为7000倍波长，采用高精度红外摄影测量设备，实时获取不同环境温度下的所述天线反射面的热变形数据(x，y，Δz)，其中，x为直角坐标系下的抛物面x坐标值，y为直角坐标系下的抛物面y坐标值，Δz为直角坐标系下的抛物面轴向变形量。

较佳地，所述预定义的zernike多项式为：

其中，r是归一化径向坐标，范围是0到1；θ是方位角分量，范围是0到2π；n和m分别为径向阶数和方位角频率，m′＝m，j为多项式数。

较佳地，所述步骤S2包括：

S21：根据热变形数据Δz、工作波长λ和每个测量点的入射角θ₀，获取所述波前相位误差δ(r，θ)：

其中，r为归一化径向坐标，范围是0到1；θ为方位角分量，范围是0到2π；

S22：由于反射面投影口面为非规则形状，将所述波前相位误差插值到圆形区域；

S23：基于最小二乘法，运用预定义的N阶zernike多项式Z_i(r，θ)拟合所述波前相位误差，获取拟合系数c_i：

其中，i为zernike多项式的阶数。

较佳地，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31：建立单项zernike分布函数作用下的天线主波束增益影响因子

表；

S32：建立单项zernike分布函数作用下的天线主波束效率影响因子

表；

S33：建立单项zernike分布函数作用下的天线波束指向影响因子δ_pi表；

较佳地，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41：建立天线增益G与i阶拟合系数ci、增益影响因子

之间的关系式：

其中，G0为无热变形误差时的增益值；Ai为幅值系数，与反射面边缘照射电平有关；

S42：建立天线主波束效率η与拟合系数c_i、效率影响因子

之间的关系式：

其中，η₀为无热变形误差状态下的主波束效率值；

S43：建立天线波束指向P_i与拟合系数c_i、指向影响因子δ_pi之间的关系式：

其中，P₀为无热变形误差状态下的天线波束指向；i＝2对应n＝1、m＝1；i＝3对应n＝1、m＝-1；i＝7对应n＝3、m＝1；i＝8对应n＝3、m＝-1；

S44：建立半功率波束宽度θ_3dB、天线增益G和天线主波束效率η之间的关系，获取天线半功率波束宽度：

其中，θ_3dB0为理想状态下的半功率波束宽度值。

较佳地，将计算天线热变形方向图对应的算法接口设置为开放接口，以集成辐射计在轨定标算法，实现天线方向图在轨实时、高精度定标修正。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明实施例静止轨道电大尺寸天线热变形方向图在轨实时修正方法，具有快速、准确的技术特点，可在秒级时间内完成7000倍波长的电大尺寸天线热变形方向图计算，获取天线主波束效率、半功率波束宽度、波束指向和增益值，满足了静止轨道微波辐射计秒级实时定标的要求。

2、本发明实施例电大尺寸天线热变形方向图在轨实时定标修正方法具有一定的通用性，不仅可以用于星载微波辐射计天线热变形方向图定标修正，还可广泛应用于地基微波辐射计天线重力变形方向图定标修正。

附图说明

图1为本发明方法整体流程图；

图2为本发明实施例的电大尺寸天线示意图。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

参考图1所示，本实施例提供的一种静止轨道电大尺寸天线热变形方向图在轨实时修正方法，包括以下步骤：

S1：基于摄影测量技术获取天线反射面的热变形数据，处理热变形数据以将形面误差转换为波前相位误差；

S2：基于最小二乘法，采用预定义的zernike多项式拟合波前相位误差，得到拟合系数；

S3：基于拟合系数建立单项zernike分布函数作用下的天线主波束效率影响因子表、增益影响因子表和波束指向影响因子表；

S4：基于天线主波束效率影响因子表、增益影响因子表和波束指向影响因子表，建立天线主波束效率、增益、半功率波束宽度、波束指向与拟合系数之间的函数关系式，以计算天线热变形方向图；

S5：将计算天线热变形方向图的方法集成于在轨定标方法中，以根据天线在轨不同工作环境下的形面测量数据，进行天线方向图在轨实时、高精度定标修正。

该方法基于天线反射面热变形数据，基于最小二乘法运用zernike多项式拟合天线反射面波前相位误差，获取多项zernike拟合系数，建立天线主波束效率、增益、波束指向、半功率波束宽度与拟合系数之间的函数关系式，将方向图算法集成于辐射计在轨定标算法，根据天线在轨不同工作环境下的形面测量数据，可以快速、准确计算天线热变形方向图，进而实现天线方向图在轨实时、高精度定标修正。

进一步的，本实施例中，首先进行天线热变形方向图的在轨实时计算。包括以下步骤：

A、获取天线热变形数据：

首先，获取天线反射面热变形数据。

设置天线的最短工作波长为0.7mm，电尺寸为7000倍波长。在获取天线反射面的热变形数据时，获取不同工作环境下的5m口径天线反射面热变形数据：(x，y，Δz)，其中，x为直角坐标系下的抛物面x坐标值，y为直角坐标系下的抛物面y坐标值，Δz为直角坐标系下的抛物面轴向变形量。采用高精度红外摄影测量设备，实时获取不同环境温度下的所述天线反射面的热变形数据(x，y，Δz)。

其次，计算波前相位误差。

根据热变形数据Δz、工作波长λ和每个测量点的入射角θ0，计算获取波前相位误差δ(r，θ)：

其中，r为归一化径向坐标，范围是0到1；θ是方位角分量，范围是0到2π。在本实施例中，波长λ＝5.5mm。

B、定义zernike多项式：

Zernike多项式是在单位圆上定义的一组完整正交多项式，多项式以极坐标(r，θ)表示为角函数和径向多项式的乘积。本实施例中预定义的zernike多项式为：

其中，r是归一化径向坐标，范围是0到1；θ是方位角分量，范围是0到2π；n和m分别为径向阶数和方位角频率，m′＝m，j为多项式数。

C、获取拟合系数和建立影响因子表

则步骤S2中，在获取波前相位误差后，还包括：由于反射面投影口面为非规则形状(参见附图2)，将波前相位误差插值到圆形区域(参见附图2的圆形区域)；及基于最小二乘法，运用预定义的N阶zernike多项式Z_i(r，θ)拟合所述波前相位误差，获取拟合系数c_i：

其中，i为zernike多项式的阶数。这里的N的取值为55。

进一步的，步骤S3中，在建立单项zernike误差分布函数作用下的影响因子表：具体包括：

S31：建立单项zernike分布函数作用下的天线主波束增益影响因子

表；

具体地，建立幅值为λ/50的前55阶单项zernike误差分布函数作用下的增益影响因子

表：

其中，G_i、G₀分别表示单项zernike误差分布下的增益和理想状态下的增益。

S32：建立单项zernike分布函数作用下的天线主波束效率影响因子

表；

建立幅值为λ/50的前55阶单项zernike误差分布函数作用下的主波束效率影响因子

表：

其中，η_i、η₀分别表示单项zernike误差分布下的主波束效率和理想状态下的主波束效率。

S33：建立单项zernike分布函数作用下的天线波束指向影响因子δ_pi表；

建立幅值为λ/50的前55阶单项zernike误差分布函数作用下的波束指向影响因子δ_pi表：

D、建立天线主波束效率η、波束指向P、增益G、半功率波束宽度θ_3dB与拟合系数之间的函数关系式，则步骤S4具体包括以下步骤：

S41：建立天线增益G与i阶拟合系数ci、增益影响因子

之间的关系式：

其中，G0为无热变形误差时的增益值；Ai为幅值系数，与反射面边缘照射电平有关；本实施例中，反射面边缘照射电平为-20dB，A_i取4.8。

S42：建立天线主波束效率η与拟合系数c_i、效率影响因子

之间的关系式：

其中，η₀为无热变形误差状态下的主波束效率值；

S43：建立天线波束指向P_i与拟合系数c_i、指向影响因子δ_pi之间的关系式：

其中，P₀为无热变形误差状态下的天线波束指向；i＝2对应n＝1、m＝1，i＝3对应n＝1、m＝-1，i＝7对应n＝3、m＝1，i＝8对应n＝3、m＝-1，实施例中δ_p2，3＝1.15，δ_p17，8＝16.68，δ_p27，8＝0.02646，δ_p37，8＝0.03292。

S44：建立半功率波束宽度θ_3dB、天线增益G和天线主波束效率η之间的关系，获取天线半功率波束宽度：

其中，θ_3dB0为理想状态下的半功率波束宽度值。

E、天线热变形方向图计算结果分析

这里根据10组热变形形面数据，采用上述方法快速计算天线方向图数据，并与物理光学法计算结果进行比对分析，计算结果如表1，主波束效率、增益、波束宽度和波束指向的两种方法计算结果一致，证明该方法合理可行。

表1天线方向计算结果

F、天线热变形方向图定标修正量

天线热变形方向图引起的主波束效率降低，旁瓣升高，该旁瓣值均属于近旁瓣，由于静止轨道微波辐射计波束窄，天线热变形方向图的旁瓣波束基本落在地球，其对系统定标精度的影响量可采用下式表示：

ΔT＝η_SΔT_SB，

其中，η_s是天线旁瓣效率，ΔT_SB旁瓣亮温不确定度取值为20K，天线热变形方向图在轨定标修正量见表2。

表2天线热变形方向图在轨定标修正量

进一步地，本实施例中，将计算天线热变形方向图对应的算法接口设置为开放接口，以集成辐射计在轨定标算法，实现天线方向图在轨实时、高精度定标修正。

上述方法中并不限于本实施例提出的5m口径天线热变形方向图计算，同样地，zernike多项式不限于55阶。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种静止轨道电大尺寸天线热变形方向图在轨实时修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基于摄影测量技术获取天线反射面的热变形数据，处理所述热变形数据以将形面误差转换为波前相位误差；

S2：基于最小二乘法，采用预定义的zernike多项式拟合所述波前相位误差，得到拟合系数；

S3：基于所述拟合系数建立单项zernike分布函数作用下的天线主波束效率影响因子表、增益影响因子表和波束指向影响因子表；

S4：基于所述天线主波束效率影响因子表、增益影响因子表和波束指向影响因子表，建立天线主波束效率、增益、半功率波束宽度、波束指向与拟合系数之间的函数关系式，以计算天线热变形方向图；

S5：将所述计算天线热变形方向图的方法集成于在轨定标方法中，以根据天线在轨不同工作环境下的形面测量数据，进行天线方向图在轨实时、高精度定标修正。

2.根据权利要求1所述的静止轨道电大尺寸天线热变形方向图在轨实时修正方法，其特征在于，设置天线的最短工作波长为0.7mm，电尺寸为7000倍波长，采用高精度红外摄影测量设备，实时获取不同环境温度下的所述天线反射面的热变形数据(x，y，Δz)，其中，x为直角坐标系下的抛物面x坐标值，y为直角坐标系下的抛物面y坐标值，Δz为直角坐标系下的抛物面轴向变形量。

3.根据权利要求1所述的静止轨道电大尺寸天线热变形方向图在轨实时修正方法，其特征在于，所述预定义的zernike多项式为：

其中，r是归一化径向坐标，范围是0到1；θ是方位角分量，范围是0到2π；n和m分别为径向阶数和方位角频率，m′＝m，j为多项式数。

4.根据权利要求1或2或3所述的静止轨道电大尺寸天线热变形方向图在轨实时修正方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21：根据热变形数据Δz、工作波长λ和每个测量点的入射角θ₀，获取所述波前相位误差δ(r，θ)：

其中，r为归一化径向坐标，范围是0到1；θ为方位角分量，范围是0到2π；

S22：由于反射面投影口面为非规则形状，将所述波前相位误差插值到圆形区域；

S23：基于最小二乘法，运用预定义的N阶zernike多项式Z_i(r，θ)拟合所述波前相位误差，获取拟合系数c_i：

其中，i为zernike多项式的阶数。

5.根据权利要求4所述的静止轨道电大尺寸天线热变形方向图在轨实时修正方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31：建立单项zernike分布函数作用下的天线主波束增益影响因子

表；

S32：建立单项zernike分布函数作用下的天线主波束效率影响因子

表；

S33：建立单项zernike分布函数作用下的天线波束指向影响因子δ_pi表；

6.根据权利要求4所述的静止轨道电大尺寸天线热变形方向图在轨实时修正方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41：建立天线增益G与i阶拟合系数c_i、增益影响因子

之间的关系式：

其中，G0为无热变形误差时的增益值；Ai为幅值系数，与反射面边缘照射电平有关；

S42：建立天线主波束效率η与拟合系数c_i、效率影响因子

之间的关系式：

其中，η₀为无热变形误差状态下的主波束效率值；

S43：建立天线波束指向P_i与拟合系数c_i、指向影响因子δ_pi之间的关系式：

其中，P₀为无热变形误差状态下的天线波束指向；i＝2对应n＝1、m＝1；i＝3对应n＝1、m＝-1；i＝7对应n＝3、m＝1；i＝8对应n＝3、m＝-1；

S44：建立半功率波束宽度θ_3dB、天线增益G和天线主波束效率η之间的关系，获取天线半功率波束宽度：

其中，θ_3dB0为理想状态下的半功率波束宽度值。

7.根据权利要求1所述的静止轨道电大尺寸天线热变形方向图在轨实时修正方法，其特征在于，将计算天线热变形方向图对应的算法接口设置为开放接口，以集成辐射计在轨定标算法，实现天线方向图在轨实时、高精度定标修正。

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