CN113534078B - 一种连续波雷达在轨标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续波雷达在轨标定方法，步骤如下：1、在地面模拟收发天线的隔离度，获取泄露信号的回波频谱；2、在轨7500N发动机开机时连续波雷达开机工作，获取在轨真实环境下泄露信号的回波频谱；3、分别计算步骤1和步骤2中泄露信号的泄噪比，根据泄噪比差值计算得到在轨真实环境下收发天线的隔离度；4、对在轨真实环境下获取的泄露信号回波频谱进行分析，评估振动对系统的影响。本发明可以在探测器整器真实环境下进行收发天线隔离度的测试，在隔离度评估的同时，可以对振动的影响进行评估，是一种利用地面和在轨相结合的方法来获取隔离度和振动评估的方法。

Description

一种连续波雷达在轨标定方法
技术领域
本发明涉及一种连续波雷达在轨标定方法，属于深空探测微波着陆雷达领域。
背景技术
微波测距测速敏感器是深空探测着陆器导航、制导与控制(GNC)分系统的重要敏感器之一，在着陆下降段为GNC分系统提供探测器相对月球表面的距离、速度信息，确保着陆精度和安全。微波测距测速敏感器中的测速采用连续波体制雷达，由于微波测距测速敏感器工作在动力下降段，其7500N发动机的振动对敏感器的影响则必须考虑，避免由于振动带来测速的异常。
由于连续波体制雷达的固有的隔离度问题，同时在地面整器状态下无法开展隔离度测试，只能在地面采用模拟的一部分舱板，将天线安装以后测试一对收发天线之间的隔离度，此时得到的隔离度测试值与整器真实状态下的隔离度会有一定差异。
雷达在轨标定就是要获得雷达在轨真实环境下的隔离度以及振动对测速的影响。但是由于在地面无法准确获取隔离度和振动的量级大小，因此需要发明一种利用地面和在轨相结合的方法来获取隔离度和振动评估。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种连续波雷达在轨标定方法，获得探测器在轨真实环境下时连续波雷达收发天线的隔离度，以及评估振动对系统的影响。
本发明的技术解决方案是：
一种连续波雷达在轨标定方法，包括步骤如下：
(1)在地面模拟收发天线的隔离度，获取泄露信号的回波频谱；
(2)在轨7500N发动机开机时连续波雷达开机工作，获取在轨真实环境下泄露信号的回波频谱；
(3)分别计算步骤(1)和步骤(2)中泄露信号的泄噪比，根据泄噪比差值计算得到在轨真实环境下收发天线的隔离度；
(4)对在轨真实环境下获取的泄露信号回波频谱进行分析，评估振动对系统的影响。
所述步骤(3)中，利用如下公式计算地面获取泄露信号的泄噪比SNRg：
Sg(n)：表示地面获取的泄露信号的回波频谱，其中n＝1,2,...,64表示频谱远端的噪声部分，n＝65,66,...,512表示频谱零频左侧192点、零频以及零频右侧255点的泄露信号回波频谱。
所述步骤(3)中，利用如下公式计算在轨真实环境下获取的泄露信号的泄噪比SNRo：
So(n)：表示在轨真实环境下获取的泄露信号的回波频谱，其中n＝1,2,...,64表示频谱远端的噪声部分，n＝65,66,...,512表示频谱零频左侧192点、零频以及零频右侧255点的泄露信号回波频谱。
所述步骤(3)中，利用如下公式计算在轨真实环境下收发天线的隔离度Io：
Io＝Ig-(SNRg-SNRo)
Ig:表示地面测试时的隔离度。
所述步骤(4)中，利用如下公式计算在轨真实环境下获取的泄露信号回波频谱中每一个点的信噪比SNR：
如果每个点的信噪比均小于检测门限，则得出振动对系统无影响，否则就对系统有影响。
所述检测门限为12dB。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明是根据地面已知隔离度条件下进行泄露回波频谱获取以及在轨真实环境下泄露回波频谱获取，通过二者频谱泄噪比的差异计算得到在轨真实的隔离度，同时根据在轨实际的泄露频谱，分析频谱的泄噪比大小，评估振动对测速的影响。本发明可以在探测器整器真实环境下进行收发天线隔离度的测试，在隔离度评估的同时，可以对振动的影响进行评估，是一种利用地面和在轨相结合的方法来获取隔离度和振动评估的方法。
附图说明
图1是连续波测速雷达系统组成示意图；
图2是本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的工作原理和工作过程：
连续波雷达设计有在轨标定模式，在标定模式下，可以将回波频谱零频左右的512个点进行遥测下传，同时下传的遥测数据包括频谱远端噪声频谱。由于连续波雷达在回波ADC采样前进行了直流对消处理，此时的回波频谱的零频处被对消掉，因此回波频谱的零频的信噪比大小不能反应泄露信号的强弱，但是泄露信号回波的相位噪声，此时比噪声大，因此可以选择零频附近一定区域的频谱功率估计与频谱远端噪声功率估计值来计算泄噪比。
连续波雷达在地面已知收发天线隔离度的情况下，获得的泄露信号的泄噪比后，在轨在未知收发天线隔离度的情况下，当获取了泄露信号的回波频谱，此时计算零频附近对应区域的频谱功率估计与频谱远端噪声功率估计值来计算泄噪比，此泄噪比与地面测试的泄噪比的差异，反应了隔离度的差异，因此通过该方法可以得到在轨真实环境下的隔离度值。同时在轨得到泄露信号回波频谱后，可按照测速的算法进行处理，判断是否可检测到目标。此时由于只有泄露信号回波，因此正常是不应该检测到目标，如果此时检测到目标，则说明在轨的隔离度和振动对系统有影响，则需上注参数调整软件参数。
为了验证在轨真实状态下的连续波雷达的隔离度，并对振动进行评估，本发明提出了一种在轨标定的方法。该方法利用在轨探测器变轨时7500N发动机点火的时机，将连续波雷达开机工作，由于此时探测器距离月面距离较远，接收到月面的回波非常微弱，接收到的主要信号就是发射天线泄露到接收天线的信号。将泄露回波信号接收后进行回波频谱分析，将此时的频谱与地面已知隔离度条件下的泄露回波频谱进行对比，利用泄噪比差异来准确计算在轨隔离度与已知隔离度的差异，获得在轨的隔离度，同时可评估振动的影响。
如图1所示，连续波雷达由发射天线、接收天线、三功分器、发射通道、接收通道、测速信号处理器和控制配电器组成。雷达加电后启动接收外部输入控制信号开始工作，发射信号经发射机上变频至射频频率并放大经天线发射出去。发射信号通过空间耦合，泄露到接收天线，被接收天线接收后，经接收机进行低噪声放大、滤波、下变频，送给信号处理器进行模数变换，频谱分析，并通过遥测下传。
微波测距测速敏感器系统组成如图1所示，采用收发天线分置，三个发射天线共用一个发射机，发射的连续波信号由发射机产生、放大，经三功分器功分后由三个发射天线同时向三个波束方向发射射频信号，发射信号经过月面散射后回到三个接收天线，接收天线接收后由接收机进行低噪声放大、混频、滤波，最后由测速信号处理器进行模数转换，傅里叶变换，获得三个波束的回波频谱，然后对回波频谱进行检测、波束中心求取得到三个波束向的速度测量。在标定模式下，在得到三个波束的回波频谱后进行遥测下传，供地面进行分析和计算。
如图2所示，连续波测速雷达在轨标定方法，包括步骤如下：
(1)地面已知隔离度条件下的标定频谱获取
连续波测速雷达在地面根据天线安装于模拟舱上后测试得到的收发天线的隔离度测试值，然后将连续波测速雷达的发射机输出根据隔离度大小耦合到接收机的输入端，然后测速信号处理器正常工作，对接收到的信号进行AD采样和其他处理，同时将回波频谱的零频附近的频谱通过遥测进行下传，以及频谱远端的噪声功率估计值，最后计算频谱近端一定区域信号的泄噪比。
地面获取泄露信号的泄噪比SNRg满足：
Sg(n)：表示地面获取的泄露信号的回波频谱，其中n＝1,2,...,64表示频谱远端的噪声部分，n＝65,66,...,512表示频谱零频左侧192点、零频以及零频右侧255点的泄露信号回波频谱。
(2)在轨真实环境下的标定频谱获取
连续波测速雷达在轨发射后，等待探测器达到月球轨道后，择机利用变轨时7500N发动机开机的时机，在发动机开机的同时，让连续波雷达开机工作，对接收到的信号进行AD采样和其他处理，同时将回波频谱的零频附近的频谱通过遥测进行下传，以及频谱远端的噪声功率估计值，最后计算频谱近端一定区域信号的泄噪比。
在轨真实环境下获取的泄露信号的泄噪比SNRo满足：
So(n)：表示在轨真实环境下获取的泄露信号的回波频谱，其中n＝1,2,...,64表示频谱远端的噪声部分，n＝65,66,...,512表示频谱零频左侧192点、零频以及零频右侧255点的泄露信号回波频谱。
对在轨与地面已知隔离度条件下的泄噪比进行比对，计算得到在轨真实环境下的收发天线的隔离度。
利用如下公式计算在轨真实环境下收发天线的隔离度Io：
Io＝Ig-(SNRg-SNRo)
Ig:表示地面测试时的隔离度。
对在轨真实环境下获取的泄露信号回波频谱进行分析，评估振动对系统的影响。
利用如下公式计算在轨真实环境下获取的泄露信号回波频谱中每一个点的信噪比SNR：
如果每个点的信噪比均小于检测门限12dB，则得出振动对系统无影响，否则就对系统有影响。
本发明一种连续波体制测速雷达在轨标定方法，是在一种软件模式，当转入标定模式后，将接收到的回波信号进行FFT变换后，将其中零频左右的一定点数的频谱进行遥测下传，以及频谱远端的噪声功率估计值。通过计算频谱近端信号的泄噪比来反应泄露信号的大小，即隔离度大小，然后对比在轨未知隔离度时的泄噪比以及地面已知隔离度时的泄噪比来定量计算得到在轨真实环境下的隔离度，同时根据频谱近端的泄噪比大小，评估振动对系统的影响。
本发明技术应用于深空探测微波着陆雷达中针对在轨收发天线隔离度的标定以及发动机振动对系统影响的评估，是根据地面已知隔离度条件下进行泄露回波频谱获取以及在轨真实环境下泄露回波频谱获取，通过二者频谱泄噪比的差异计算得到在轨真实的隔离度，同时根据在轨实际的泄露频谱，分析零频附近512点的频谱泄噪比大小，评估振动对测速的影响。本发明可以在探测器整器真实环境下进行收发天线隔离度的测试，在隔离度评估的同时，可以对振动的影响进行评估，是一种利用地面和在轨相结合的方法来获取隔离度和振动评估的方法。
本发明通过在轨探测器环月变轨时7500N发动机点火过程中，将连续波雷达开机工作，获取振动环境下的泄露信号回波频谱，通过与地面已知收发天线隔离度时的泄露信号回波频谱进行对比，可以定量获得在真实环境下的收发天线的隔离度以及定量评估振动对回波信号杂波的影响。目前该技术已应用于探月工程三期嫦娥五号微波测距测速敏感器系统设计应用。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种连续波雷达在轨标定方法，其特征在于包括步骤如下：
(1)在地面模拟收发天线的隔离度，获取泄露信号的回波频谱；
(2)在轨7500N发动机开机时连续波雷达开机工作，获取在轨真实环境下泄露信号的回波频谱；
(3)分别计算步骤(1)和步骤(2)中泄露信号的泄噪比，根据泄噪比差值计算得到在轨真实环境下收发天线的隔离度；
(4)对在轨真实环境下获取的泄露信号回波频谱进行分析，评估振动对系统的影响；
利用如下公式计算在轨真实环境下获取的泄露信号回波频谱中每一个点的信噪比SNR：
如果每个点的信噪比均小于检测门限，则得出振动对系统无影响，否则就对系统有影响；
So(n)：表示在轨真实环境下获取的泄露信号的回波频谱，n＝65,66,...,512表示频谱零频左侧192点、零频以及零频右侧255点的泄露信号回波频谱；m＝1,2,...,64表示频谱远端的噪声部分。
2.根据权利要求1所述的一种连续波雷达在轨标定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，利用如下公式计算地面获取泄露信号的泄噪比SNRg：
Sg(n)：表示地面获取的泄露信号的回波频谱，其中n＝1,2,...,64表示频谱远端的噪声部分，n＝65,66,...,512表示频谱零频左侧192点、零频以及零频右侧255点的泄露信号回波频谱。
3.根据权利要求1所述的一种连续波雷达在轨标定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，利用如下公式计算在轨真实环境下获取的泄露信号的泄噪比SNRo：
So(n)：表示在轨真实环境下获取的泄露信号的回波频谱，其中n＝1,2,...,64表示频谱远端的噪声部分，n＝65,66,...,512表示频谱零频左侧192点、零频以及零频右侧255点的泄露信号回波频谱。
4.根据权利要求1所述的一种连续波雷达在轨标定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，利用如下公式计算在轨真实环境下收发天线的隔离度Io：
Io＝Ig-(SNRg-SNRo)
Ig:表示地面测试时的隔离度。
5.根据权利要求1所述的一种连续波雷达在轨标定方法，其特征在于，所述检测门限为12dB。
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