CN114185015B - 一种方位多通道星载sar天线在轨形变标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方位多通道星载SAR天线在轨形变标定方法，包括如下步骤：步骤1、基于外定标标定模式获取回波和内定标数据；其中，方位多通道星载SAR通道间相位误差的来源有三项：一是无源天线阵面在轨形变，二是有源接收通道间相位误差，三是卫星姿态控制误差，回波数据中各通道间总相位误差是以上三部分的和；步骤2、基于回波数据提取通道间总相位误差；步骤3、基于内定标数据提取有源通道间相位误差；步骤4、基于回波数据提取卫星姿态引起通道间相位误差；步骤5、计算天线在轨形变引起通道间相位误差；步骤6、计算天线在轨形变。

Description

一种方位多通道星载SAR天线在轨形变标定方法

技术领域

本发明属于雷达系统测试技术领域，具体是针对方位多通道星载合成孔径雷达（SAR）提出一种天线在轨形变标定方法。

背景技术

星载合成孔径雷达能实现全天时、全天候对地成像，是一种应用广泛的微波遥感手段。方位多通道技术能够大幅提高星载SAR的成像幅宽，同时保证分辨率不变，是一种在国内外都已经得到应用的新技术。

方位多通道星载SAR系统具有多个接收通道，如果各接收通道间存在较大相位误差，会在SAR图像中产生虚假目标，严重影响图像质量。导致通道间相位误差的因素有多种，其中影响较大的一种是SAR天线在轨形变。

图1是理想无在轨形变的方位5通道天线示意图，天线5个接收子孔径是在一条直线上，此时地面目标散射雷达发射信号形成的回波到天线5个接收子孔径的相对距离是确定的，不会带来通道间相位误差。实际上SAR天线在轨必然会沿方位向产生形变，方位5通道天线在轨形变如图2所示意，导致天线5个接收子孔径在法向上出现差异，这样就会带来通道间的相位误差。

方位多通道星载SAR天线在轨形变的原因有两个：一是天线沿方位向尺寸较大，卫星发射时天线处于折叠收拢状态，卫星入轨后天线再沿方位向展开，天线展开精度虽然很高，但各子孔径间还是会出现毫米级的形变；二是由于天线在轨工作环境温度与地面有较大差异，导致天线沿方位向会产生毫米级的热变形，也会带来天线各方位子孔径的形变。

天线在轨形变引起的相位误差大小与天线子孔径间形变大小成正比，也与雷达工作波长相关。1个波长的形变会带来360°的相位误差，对中心频率为5.4GHz的C波段星载SAR来说，1mm形变会引起6.5°的通道间相位误差，超过1mm的形变会对星载SAR图像质量产生影响。

上述问题的有效解决方法是实现方位多通道星载SAR天线在轨形变的测量或标定，根据天线形变测量或标定结果计算出形变引起的通道间相位误差，接着在方位多通道星载SAR成像处理时进行补偿，这样就可以消除天线在轨形变对图像质量的影响。

目前，仅有发明专利“基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统及方法”（申请号 201510864078.2）提出了一种天线形变在轨测量方法。该发明专利所提出方法是在卫星天线阵面上布放多个光栅测点，由卫星星体上一台光波发生器发出光波，经过各光栅测点后被光波解调器所收集，经信息处理器分析计算后，得到天线阵面形变参数。

基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量方法存在以下两个缺点：一是需要在卫星上额外安装一套测量系统，在经济和卫星安装上会带来新的成本；二是为保证天线形变的测量精度，卫星星体安装光波发生器的位置要求是高度稳定的，但这在航天环境中很难保证。

实现低成本、高精度的天线在轨形变测量或标定是方位多通道星载SAR高质量成像需要解决的一个重要技术问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种方位多通道星载SAR天线在轨形变标定方法，以解决现有方法成本高、精度受限的问题。

本发明是基于方位多通道星载SAR回波数据的分析处理来获取SAR天线在轨形变。具体来说，方位多通道星载SAR通道间相位误差的来源有三项：一是无源天线阵面在轨形变，二是有源接收通道间相位误差，三是卫星姿态控制误差，回波数据中各通道间总相位误差是以上三部分的和。如果基于回波数据和系统内定标数据获取了总的通道间相位误差和第二、第三项相位误差，那么就能够得出第一项天线在轨形变引起的相位误差，进而计算出天线在轨形变大小。以上就是本发明申请的基本思路。

本发明的技术方案为：一种方位多通道星载SAR天线在轨形变标定方法，包括如下步骤：

步骤1、基于外定标标定模式获取回波和内定标数据；

其中，方位多通道星载SAR通道间相位误差的来源包括三项：一是无源天线阵面在轨形变，二是有源接收通道间相位误差，三是卫星姿态控制误差，回波数据中各通道间总相位误差是以上三部分的和；

步骤2、基于回波数据提取通道间总相位误差；

步骤3、基于内定标数据提取有源通道间相位误差；

步骤4、基于回波数据提取卫星姿态引起通道间相位误差；

步骤5、计算天线在轨形变引起通道间相位误差；

步骤6、计算天线在轨形变。

有益效果：

本发明针对方位多通道星载SAR的高质量成像需求，提出了一种基于回波数据分析处理的SAR天线在轨形变标定方法与基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量方法相比，本发明的技术方案至少具有以下优点：

1）基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量方法需要在卫星上额外安装一套测量系统，包括光波发生器、多个光栅测点、光波解调器等，一方面会带来经济成本的增加，另一方面在安装空间和重量上会对卫星提出新的要求。本发明是基于方位多通道星载SAR回波数据的分析处理来对天线在轨形变进行标定，不在卫星或地面上增加任何硬件设备。

2）基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量方法是用安装在卫星星体上的光波发生器发出光波来扫描天线阵面上的多个光栅测点。为了保证天线形变的测量精度，要求光波发生器安装位置是高度稳定的，但这在航天环境中是很难保证的。

3）本发明是基于方位多通道星载SAR回波数据的分析处理来对天线在轨形变进行标定，不存在上述问题。本发明使用专门设计的外定标标定模式对地面均匀场景成像获取的回波数据进行分析处理，保证了天线在轨形变标定精度。

附图说明

图1 理想无在轨形变的方位5通道天线示意图；

图2 存在在轨形变的方位5通道天线示意图；

图3 方位多通道星载SAR天线在轨形变标定流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付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。

根据本发明的一个实施例，给出各项相位误差的获取或计算方法如下：

方位多通道星载SAR以预定工作模式的外定标标定成像模式对地面均匀场景（如热带雨林）进行成像时，针对多通道回波数据使用成熟的方位互相关算法能够精确地得出通道间相位误差，这也就是通道间总相位误差；所述预定工作模式是指这种工作模式不是正式应用的成像模式，而是专门用于在轨方位多通道误差标定的，这种工作模式使用高脉冲重复频率，每个通道数据都可以单独成像，从而有利于通道误差估计。

方位多通道星载SAR都设计有对系统有源收发通路进行标定的内定标电路，基于成像时同时下传的内定标数据可以直接处理提取出有源接收通道间相位误差，也就是上述第二项相位误差；

卫星姿态控制误差会带来SAR天线的方位向指向偏差，在各接收通道间产生线性相位误差，误差大小与方位向多普勒中心频率成正比，基于回波数据进行频谱分析即可获得方位向多普勒中心频率，进而也能计算出卫星姿态控制误差带来的通道间相位误差，也就是上述第三项相位误差。

参见图3，本发明的一种方位多通道星载SAR天线在轨形变标定方法，具体流程如下：

1）外定标标定模式获取回波和内定标数据

首先在轨运行的方位多通道星载SAR以预定工作模式的外定标标定模式对地面均匀场景（如热带雨林）进行成像。外定标标定模式是专门为方位多通道星载SAR在轨测试设计的，基于这种模式对均匀场景成像获取的回波有利于提取通道间总相位误差，有利于获取多普勒中心频率，进而得出卫星姿态误差引起的通道间相位误差；与星载SAR回波数据同时下传的还有内定标数据，可用于有源接收通道间相位误差的提取。

2）基于回波数据提取通道间总相位误差

获取方位多通道星载SAR以外定标标定模式对地面均匀场景成像的回波数据后，使用较为常用的方位互相关算法提取通道间相位误差。方位互相关方法利用信号方位向功率谱和双程天线方向图的对应关系，利用不同通道信号的互相关关系获取通道间相位误差。

设方位多通道星载SAR接收通道数为N，基于回波数据提取的通道间相位误差为Δφ _dat (n)，其中n=2，3 …N，表示各通道相对于通道1的相位差，这是前述三项相位误差的和，是总相位误差。

3）基于内定标数据提取有源接收通道间相位误差

现代星载SAR都配置有内定标电路，用于对SAR收发通路进行标定，各种内定标数据会随回波数据一起下传，其中的接收定标数据可用于对方位多通道星载SAR有源接收通道间相位误差进行标定。具体方法是对获取的各接收通道线性调频脉冲信号进行脉冲压缩处理，提取脉冲压缩响应的峰值点相位作为该接收通道的相位，用其它各通道的相位减去通道1的相位，就得到了有源接收通道间相位误差Δφ _cal (n)，其中n=2，3 …N。

4）基于回波数据提取卫星姿态误差引起通道间相位误差

卫星姿态控制误差会带来SAR天线的方位向指向偏差，在各接收通道间产生线性相位误差，误差大小与方位向多普勒中心频率成正比，基于回波数据进行频谱分析即可获得方位向多普勒中心频率，进而也能计算出卫星姿态控制误差带来的通道间相位误差。

具体方法是针对回波数据进行方位向傅里叶变换，得到回波的方位向频谱，频谱中心即为方位向多普勒中心频率f _DC ，接下来按下式即可计算得出卫星姿态控制误差带来的通道间相位误差Δφ _att ：

Δφ _att (n)=180·(n-1)·f _DC / v _sat ，n=2，3 …，N

其中v _sat 是卫星速度。

5）计算天线在轨形变引起通道间相位误差

从通道间总相位误差中减去有源接收通道间相位误差和卫星姿态误差带来的通道间相位误差，就得到了天线在轨形变引起通道间相位误差Δφ _pas ，计算公式如下：

Δφ _pas (n)=Δφ _dat (n)-Δφ _cal (n)-Δφ _att (n)，n=2，3 …，N

6）计算天线在轨形变

通过上一步骤计算出天线在轨形变引起通道间相位误差，接下来就可以直接计算得出方位多通道天线的在轨形变，计算公式如下：

Δd(n)=Δφ _pas (n) / 360·λ，n=2，3 …，N

其中λ是雷达工作波长。

Δd(n)即为方位向天线第n子孔径相对于第1子孔径的在轨形变。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种方位多通道星载SAR天线在轨形变标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、基于外定标标定模式获取回波和内定标数据；

其中，方位多通道星载SAR通道间相位误差的来源包括三项：一是无源天线阵面在轨形变，二是有源接收通道间相位误差，三是卫星姿态控制误差，回波数据中各通道间总相位误差是以上三项的和；

步骤2、基于回波数据提取通道间总相位误差为Δφ _dat (n)；

步骤3、基于内定标数据提取有源通道间相位误差为Δφ _cal (n)；

步骤4、基于回波数据分析并计算卫星姿态引起的通道间相位误差；具体方法是针对回波数据进行方位向傅里叶变换，得到回波的方位向频谱，频谱中心即为方位向多普勒中心频率f _DC ，接下来按下式即可计算得出卫星姿态控制误差带来的通道间相位误差Δφ _att ：

Δφ _att (n)=180·(n-1)·f _DC / v _sat ，n=2，3 …，N

其中v _sat 是卫星速度；

步骤5、计算天线在轨形变引起通道间相位误差；

从通道间总相位误差中减去有源接收通道间相位误差和卫星姿态误差带来的通道间相位误差，就得到了天线在轨形变引起通道间相位误差Δφ _pas ，计算公式如下：

Δφ _pas (n)=Δφ _dat (n)-Δφ _cal (n)-Δφ _att (n)，n=2，3 …，N；

步骤6、计算天线在轨形变，通过上一步骤计算出天线在轨形变引起通道间相位误差，接下来就可以直接计算得出方位多通道天线的在轨形变，计算公式如下：

Δd(n)=Δφ _pas (n) / 360·λ，n=2，3 …，N

其中λ是雷达工作波长；

Δd(n)即为方位向天线第n子孔径相对于第1子孔径的在轨形变。

2.根据权利要求1所述的一种方位多通道星载SAR天线在轨形变标定方法，其特征在于，所述步骤1，方位多通道星载SAR以外定标标定成像模式对地面均匀场景进行成像。

3.根据权利要求1所述的一种方位多通道星载SAR天线在轨形变标定方法，其特征在于，所述步骤2， 针对多通道回波数据使用方位互相关算法能够得出通道间相位误差，这也就是通道间总相位误差。

4.根据权利要求1所述的一种方位多通道星载SAR天线在轨形变标定方法，其特征在于，所述步骤3，方位多通道星载SAR都设计有对系统有源收发通路进行标定的内定标电路，基于成像时同时下传的内定标数据直接处理提取出有源接收通道间相位误差，也就是第二项相位误差。

5.根据权利要求1所述的一种方位多通道星载SAR天线在轨形变标定方法，其特征在于，所述步骤4，卫星姿态控制误差会带来SAR天线的方位向指向偏差，在各接收通道间产生线性相位误差，误差大小与方位向多普勒中心频率成正比，基于回波数据进行频谱分析即可获得方位向多普勒中心频率，进而能计算出卫星姿态控制误差带来的通道间相位误差，也就是第三项相位误差。

6.根据权利要求1所述的一种方位多通道星载SAR天线在轨形变标定方法，其特征在于，所述步骤5，从通道间总相位误差中减去有源接收通道间相位误差和卫星姿态误差带来的通道间相位误差，就得到了天线在轨形变引起通道间相位误差。

7.根据权利要求1所述的一种方位多通道星载SAR天线在轨形变标定方法，其特征在于，所述步骤6，计算天线在轨形变，通过上一步骤计算出天线在轨形变引起通道间相位误差，接下来直接计算得出方位多通道天线的在轨形变。

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