CN113687446A - 一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，属于空间微波遥感技术领域；建立综合孔径微波辐射计模拟系统；反推出各天线单元在天线本体坐标系下的等效相位中心P_i(x_pi,y_pi,z_pi)；反推出外定标天线在天线本体坐标系下的等效相位中心P_o(x_o,y_o,z_o)；计算任意一个天线单元与外定标天线的距离D_0i；计算任意2个天线单元相对于外定标天线的相位误差ΔP_kj；计算这2个天线单元的近场条件下外部辐射源的可见度V_kj；计算这2个天线单元的远场条件下外部辐射源的可见度

完成综合孔径微波辐射计模拟系统的近场外定标；本发明通过在地面上提前测试天线的幅相方向图以及补偿近场效应，获取等效于远场的条件，实现在轨对综合孔径微波辐射计系统的近场外定标。

Description

一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法

技术领域

本发明属于空间微波遥感技术领域，涉及一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法。

背景技术

综合孔径微波辐射计系统通过每两个单元天线的干涉测量对视场内辐射亮温分布的空间频率域进行采样，得到可见度函数，然后对可见度函数测量结果进行亮温反演重建亮温图像。

目前，尚无公开报道的应用于综合孔径微波辐射计的近场外定标方法。传统星载微波辐射计都是实孔径，其外定标手段是在系统天线口面外有一个热源和冷源(冷空)，通过周期转动天线来对系统进行实时的两点定标，校正系统的亮温误差。

欧空局SMOS卫星的L波段综合孔径微波辐射计用于对海洋盐度的探测，系统采用综合孔径体制，用多个单元天线组成一个大的天线阵列，因此不能够采用传统的两点定标对系统进行外定标，其在轨是用分步定标的手段从而达到系统定标的目的，通过定标子系统对接收系统的幅相误差进行定标，对天线误差的校正则是测量实际单元天线方向图来校正天线方向图的误差。

定标子系统是一种内部定标方法，内定标方法的缺点是会给系统带来繁多的校正硬件，包括噪声源、噪声注入开关、噪声分布网络等，而且校正硬件的规模会随系统阵列规模的增加而迅速增加。而这些额外的硬件开销会导致硬件复杂度更高，从而引入更多的系统误差。同时，随着系统阵列规模的扩大，这一现象会更加严重。

华中科技大学针对内部定标方法的这些缺陷，开展了外定标方法的研究，提出一种单外部辐射源校正法，这种方法采用放置在系统外部的辐射源作为先验信息来校正通道的系统误差，显示出良好的效果，但是外部的辐射源需要在这个天线阵的远场条件(≥2·D²/λ)，对于SMOS卫星天线阵，远场条件大约为240m，在实际的星载综合孔径微波辐射计系统中，只有在地面或者卫星间来发射外部定标信号，但是根据无线电管理条例，这种方法是不允许的，因此存在一些实现的困难。

现有内外定标测试方法的缺点在于：第一，外定标需要满足整个天线阵的远场条件(≥2·D²/λ)，星载是很难实现的；第二，内定标极大的增加了系统硬件的规模和复杂度，同时没有包含天线的误差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，通过在地面上提前测试天线的幅相方向图以及补偿近场效应，获取等效于远场的条件，实现在轨对综合孔径微波辐射计系统的近场外定标。

本发明解决技术的方案是：

一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，包括如下步骤：

步骤一、建立综合孔径微波辐射计模拟系统，包括卫星平台、阵列天线、外定标天线和采集系统；其中，阵列天线包括n个相同的天线单元；采集系统包括n个接收链路、定标子系统和采集模块；

步骤二、将综合孔径微波辐射计模拟系统放入地面的暗室中，并测试各天线单元的幅度图和相位方向图；并根据各天线单元的3dB波束宽度，反推出各天线单元在天线本体坐标系下的等效相位中心P_i(x_pi,y_pi,z_pi)；i为天线单元的序号；

步骤三、测试外定标天线的幅度图和相位方向图；反推出外定标天线在天线本体坐标系下的等效相位中心P_o(x_o,y_o,z_o)；

步骤四、计算任意一个天线单元与外定标天线的距离D_0i；

步骤五、根据任意一个天线单元与外定标天线的距离D_0i，计算任意2个天线单元相对于外定标天线的相位误差ΔP_kj；

步骤六、计算这2个天线单元的近场条件下外部辐射源的可见度V_kj；

步骤七、计算这2个天线单元的远场条件下外部辐射源的可见度

完成综合孔径微波辐射计模拟系统的近场外定标。

在上述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，所述步骤一中，阵列天线和外定标天线均设置在卫星平台的外侧壁上；采集系统设置在卫星平台的内部；各接收链路的一端分别通过电缆与对应的一个天线单元连通；各接收链路的另一端分别与采集模块连通；定标子系统与n个接收链路连通；实现对n个接收链路的参数统一标定；各接收链路实现对对应天线单元增益的传输，并传输至采集模块进行显示记录。

在上述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，所述外定标天线与各天线单元的距离均满足大于等于

其中，D为天线单元的口径；λ为天线单元接收电磁波的波长。

在上述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，所述n个天线单元呈Y型或环形均匀分布；n为正整数，且n不小于6。

在上述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，所述步骤二中，所述天线本体坐标系的x轴，y轴，z轴的方向任意，满足两两相互垂直；获得各天线单元在天线本体坐标系下的相对坐标即可。

在上述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，所述步骤四中，距离D_0i的计算方法为：

在上述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，所述步骤五中，相位误差ΔP_kj的计算方法为：

式中，λ为天线单元接收电磁波的波长；

k、j为任意2个天线单元的序号，且0＜j＜k≤n。

在上述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，所述步骤六中，近场条件下外部辐射源的可见度V_kj的计算方法为：

式中，G_kj为2个天线单元对应接收链路增益的比值；

T_ns为外部噪声源的输出亮温；

e^-j为复数。

在上述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，所述步骤七中，远场条件下外部辐射源的可见度

的计算方法为：

式中，u＝(x_pk-x_pj)/λ为波长归一化后2个单元天线x方向的间距；

v＝(y_pk-y_pj)/λ为波长归一化后2个单元天线y方向的间距；

ξ为x方向系数；

η为y方向系数。

在上述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，所述x方向系数ξ的计算方法为：

y方向系数η的计算方法为：

式中，θ为噪声源对应其中2个单元天线的俯仰角；

为噪声源对应其中2个单元天线的方位角。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明相比单外部辐射源的外定标方法，大大缩短了外部辐射源到整个天线阵的距离，使其能在星上实现；

(2)本发明相比内定标方法，极大的减少硬件规模及复杂度；

(3)本发明校正过程包含端到端的过程，减少系统误差来源，提高了精度。

附图说明

图1为本发明近场外标定系统示意图；

图2为本发明近场外标定流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，通过在地面上提前测试天线的幅相方向图以及补偿近场效应，获取等效于远场的条件，实现在轨对综合孔径微波辐射计系统的近场外定标。

基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤一、建立综合孔径微波辐射计模拟系统，包括卫星平台、阵列天线、外定标天线和采集系统，如图1所示。其中，阵列天线包括n个相同的天线单元；采集系统包括n个接收链路、定标子系统和采集模块；阵列天线和外定标天线均设置在卫星平台的外侧壁上；采集系统设置在卫星平台的内部；各接收链路的一端分别通过电缆与对应的一个天线单元连通；各接收链路的另一端分别与采集模块连通；定标子系统与n个接收链路连通；实现对n个接收链路的参数统一标定；各接收链路实现对对应天线单元增益的传输，并传输至采集模块进行显示记录。

外定标天线与各天线单元的距离均满足大于等于

其中，D为天线单元的口径；λ为天线单元接收电磁波的波长。n个天线单元呈Y型或环形均匀分布；n为正整数，且n不小于6。

综合孔径微波辐射计模拟系统由卫星平台、阵列天线、外定标天线和采集系统组成，SMOS卫星的综合孔径微波辐射计通过定标子系统对所有的接收链路注入相干噪声进行幅相误差的校正，对天线误差的校正则是测量实际单元天线方向图来校正天线方向图的误差。

步骤二、将综合孔径微波辐射计模拟系统放入地面的暗室中，并测试各天线单元的幅度图和相位方向图；并根据各天线单元的3dB波束宽度，反推出各天线单元在天线本体坐标系下的等效相位中心P_i(x_pi,y_pi,z_pi)；i为天线单元的序号；天线本体坐标系的x轴，y轴，z轴的方向任意，满足两两相互垂直；获得各天线单元在天线本体坐标系下的相对坐标即可。

步骤三、测试外定标天线的幅度图和相位方向图；反推出外定标天线在天线本体坐标系下的等效相位中心P_o(x_o,y_o,z_o)。

步骤四、计算任意一个天线单元与外定标天线的距离D_0i；距离D_0i的计算方法为：

步骤五、在地面经过多次的展开精度测试以及通过在同一坐标系下标校和计算外定标源的相位中心到天线阵列每个天线单元的相位中心的距离，根据任意一个天线单元与外定标天线的距离D_0i，计算任意2个天线单元相对于外定标天线的相位误差ΔP_kj；相位误差ΔP_kj的计算方法为：

式中，λ为天线单元接收电磁波的波长；

k、j为任意2个天线单元的序号，且0＜j＜k≤n。

步骤六、计算这2个天线单元的近场条件下外部辐射源的可见度V_kj；近场条件下外部辐射源的可见度V_kj的计算方法为：

式中，G_kj为2个天线单元对应接收链路增益的比值；

T_ns为外部噪声源的输出亮温；

e^-j为复数。

步骤七、计算这2个天线单元的远场条件下外部辐射源的可见度

远场条件下外部辐射源的可见度

的计算方法为：

式中，u＝(x_pk-x_pj)/λ为波长归一化后2个单元天线x方向的间距；

v＝(y_pk-y_pj)/λ为波长归一化后2个单元天线y方向的间距；

ξ为x方向系数；

η为y方向系数。

其中，x方向系数ξ的计算方法为：

y方向系数η的计算方法为：

式中，θ为噪声源对应其中2个单元天线的俯仰角；

为噪声源对应其中2个单元天线的方位角。

通过远场外定标的幅相误差校正方法，可见度函数等效于采集系统输出的相关矩阵，通过对角线元素求出幅度误差，非对角线元素求出相位误差，通过上述公式完成综合孔径微波辐射计模拟系统的近场外定标。

近场外定标方法是在阵列天线的近场放置一个外定标源，如图1所示，通过在近场条件下，利用点源对综合孔径微波辐射计系统的幅相误差进行校正，通过计算近场路径时延补偿近场效应，获取等效于远场的条件，其中，获取外定标源到阵列天线的近场路径是关键，这种方法需要在卫星平台上用支撑机构伸出一个外定标天线，外定标天线需要对每个天线单元满足远场条件(≥2·D²/λ),而不需要对整个天线阵满足远场条件，对于L波段的单元天线，其远场条件大约为0.5m，同时支撑结构需要很高的精度，确保地面测试时和天线的相对位置关系与星上保持一致，同时外定标天线不需要在综合孔径天线的视场内，不会影响综合孔径辐射计系统对地面的观测时间，在轨运行时通过时序控制即可以对接收系统的幅相误差进行实时的定标。

阵列天线为了避免方向图出现栅瓣，阵中单元天线隔间都比较近，因此各单元天线间的互耦会比较严重，幅度和相位方向图受到互耦以及边界条件的影响会出现畸变，因此需要在暗室内进行方向图的测量。

通过在地面上提前测试天线的幅相方向图以及补偿近场效应，获取等效于远场的条件，实现在轨对综合孔径微波辐射计系统的近场外定标。

综合孔径微波辐射计系统为了能实现高的分辨率，一般都有几十，几百乃至几千个天线单元组成的天线阵列，每一个天线单元后面接对应的接收链路，同时每一路接收链路还有对应的定标网络对其进行内定标，系统规模大且复杂。因此需要一种近场外定标的方法来实现综合孔径系统端到端的定标，可以极大地减少了系统误差。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、建立综合孔径微波辐射计模拟系统，包括卫星平台、阵列天线、外定标天线和采集系统；其中，阵列天线包括n个相同的天线单元；采集系统包括n个接收链路、定标子系统和采集模块；

步骤二、将综合孔径微波辐射计模拟系统放入地面的暗室中，并测试各天线单元的幅度图和相位方向图；并根据各天线单元的3dB波束宽度，反推出各天线单元在天线本体坐标系下的等效相位中心P_i(x_pi,y_pi,z_pi)；i为天线单元的序号；

步骤三、测试外定标天线的幅度图和相位方向图；反推出外定标天线在天线本体坐标系下的等效相位中心P_o(x_o,y_o,z_o)；

步骤四、计算任意一个天线单元与外定标天线的距离D_0i；

步骤五、根据任意一个天线单元与外定标天线的距离D_0i，计算任意2个天线单元相对于外定标天线的相位误差ΔP_kj；

步骤六、计算这2个天线单元的近场条件下外部辐射源的可见度V_kj；

步骤七、计算这2个天线单元的远场条件下外部辐射源的可见度

完成综合孔径微波辐射计模拟系统的近场外定标。

2.根据权利要求1所述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，其特征在于：所述步骤一中，阵列天线和外定标天线均设置在卫星平台的外侧壁上；采集系统设置在卫星平台的内部；各接收链路的一端分别通过电缆与对应的一个天线单元连通；各接收链路的另一端分别与采集模块连通；定标子系统与n个接收链路连通；实现对n个接收链路的参数统一标定；各接收链路实现对对应天线单元增益的传输，并传输至采集模块进行显示记录。

3.根据权利要求2所述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，其特征在于：所述外定标天线与各天线单元的距离均满足大于等于

其中，D为天线单元的口径；λ为天线单元接收电磁波的波长。

4.根据权利要求3所述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，其特征在于：所述n个天线单元呈Y型或环形均匀分布；n为正整数，且n不小于6。

5.根据权利要求1所述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，其特征在于：所述步骤二中，所述天线本体坐标系的x轴，y轴，z轴的方向任意，满足两两相互垂直；获得各天线单元在天线本体坐标系下的相对坐标即可。

6.根据权利要求1所述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，其特征在于：所述步骤四中，距离D_0i的计算方法为：

7.根据权利要求6所述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，其特征在于：所述步骤五中，相位误差ΔP_kj的计算方法为：

式中，λ为天线单元接收电磁波的波长；

k、j为任意2个天线单元的序号，且0＜j＜k≤n。

8.根据权利要求7所述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，其特征在于：所述步骤六中，近场条件下外部辐射源的可见度V_kj的计算方法为：

式中，G_kj为2个天线单元对应接收链路增益的比值；

T_ns为外部噪声源的输出亮温；

e^-j为复数。

9.根据权利要求8所述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，其特征在于：所述步骤七中，远场条件下外部辐射源的可见度

的计算方法为：

式中，u＝(x_pk-x_pj)/λ为波长归一化后2个单元天线x方向的间距；

v＝(y_pk-y_pj)/λ为波长归一化后2个单元天线y方向的间距；

ξ为x方向系数；

η为y方向系数。

10.根据权利要求9所述的一种基于星载综合孔径微波辐射计的近场外定标方法，其特征在于：所述x方向系数ξ的计算方法为：

y方向系数η的计算方法为：

式中，θ为噪声源对应其中2个单元天线的俯仰角；

为噪声源对应其中2个单元天线的方位角。

Images