CN117031418A - Sar卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测方法及系统，包括：在星载SAR天线阵面前方架设微波探头以满足辐射单元具备远场测试条件和信号能量需求，断开天线阵面定标网络至内定标器的端口连接，将内定标器端口与微波探头天线通过地面测试用高频电缆进行连接，设置星载SAR系统处于单TR定标测试模式，分别进行法向态单TR定标测试和指定扫描态单TR定标测试，并进行整星加电开机记录回波数据，对两次测试获取的回波数据进行脉压和插值处理取峰值处相位值，进行相应TR通道的相位做差和参照映射关系转换生成二维相位差云图，根据二维相位差云图判断SAR天线方向图扫描指向的正确性。本发明实现了缩减卫星研制流程，提高整星SAR集成测试的效率。
Description
技术领域
本发明涉及SAR地面装星集成测试技术领域，具体地，涉及一种SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测方法及系统。
背景技术
星载有源相控阵体制合成孔径雷达(SAR)是一种全天候全天时的对地观测手段，随着星载有源相控阵体制SAR技术的不断发展，二维大扫描和宽带信号正成为SAR卫星获取高分辨率宽观测带的必备条件，特别是方位向大扫描能力不仅可以实现方位向高分辨率，也可以在SAR卫星一次航过时，待观测目标数量较多，特别是在方位向上距离较近且距离向上距离较远的背景下，利用SAR天线方位向大扫描能力，可以分别通过前斜视、正侧视和后斜视手段，实现一次航过多目标集群密集观测的应用，为此形成了方位敏捷观测新的应用模式，大大提升了SAR卫星的观测效能。同时随着SAR卫星正朝着高集成轻量化和批量研制生产的方向发展，对SAR卫星新型观测模式功能测试的高效化要求越来越高。在SAR卫星地面集成测试过程中，SAR天线方向图扫描指向的正确性直接关系到方位敏捷观测模式目标探测的可达性，扫描指向错误时会导致卫星系统与地面应用处理系统失配，无法获取所需观测目标的图像。为实现SAR卫星方位敏捷观测模式功能的快速测试验证，需要在星载有源相控阵体制SAR方向图传统测试方法的基础上进行改进和发展，以适应整星测试条件和环境，同时满足SAR卫星测试高效化的要求。
目前，方位敏捷观测模式下星载有源相控阵体制SAR方向图扫描指向的测试手段是近场测试方法，一般是在SAR天线子系统集成过程中，将SAR天线推进微波暗室，通过近场测试系统得到精确的通道辐射特性，进而得到方向图测试结果(包括方向图形状和扫描角度)，可以检测SAR天线扫描指向的正确性。由于SAR天线子系统需要集成到卫星平台，SAR天线的波束控制要接收卫星系统的指令控制以实现方位敏捷观测功能，为此，需要在整星条件下进一步检测方位敏捷观测模式SAR方向图扫描指向的正确性。但近场系统需要高精度扫描架，在常规卫星集成厂房内无法快速部署，而将整个SAR卫星系统运输至微波暗室内进行测试，则需要较长的测试时间和复杂的测试工装，而且SAR卫星在普通集成厂房与微波暗室之间的转运也会对卫星产品产生不可预见的安全风险。
目前，方位敏捷观测模式下星载有源相控阵体制SAR方向图扫描指向测试也可以借助内定标系统。内定标的主要作用包括测量TR通道幅相分布，以及提取系统参考函数，并监测其稳定性等。在目前已知的采用有源相控阵天线的星载SAR中，大多数系统采用功率分配网络和耦合器构成天线有线定标网络，再结合内定标器一起完成SAR系统有源收发通道的标定。可以使用内定标系统进行阵面通道幅相特性测试，通过反演获取不同扫描角度的方向图数据，进而检测方位敏捷观测模式下SAR方向图扫描指向的正确性，但定标链路具有如下缺点：
a.定标网络仅能覆盖至TR组件输出口，不能覆盖TR组件与辐射阵面的连接接头，也不能覆盖辐射阵面，因此无法完整获取天线特性；
b.最终标定的幅相数据是定标网络和馈电网络一起的传输效应，定标网络本身的温度变化特性引入的误差无法简单去除；
c.内定标系统获取的测试数据属于系统内部闭环采集，而且需要进行反演处理，相比于近场系统，无直接的参考对照物，方向图扫描指向检测判决的直观性不强。
经调研，国内已公开的针对有关SAR卫星多目标观测模式方向图扫描指向高效检测的专利列举如下：
在公开号为CN103344847A的中国专利文献中，公开了一种基于球面近场扫描外推的天线方向图测试方法，该发明通过近场测试，对得到的数据进行算法外推可获得远场方向图，这样不但缩减了测试距离，而且无需柱面波测试所要求的平面波条件。最终得到天线的三维方向图，可以更加清晰、直观的分析天线性能，具有很大的工程实用价值。本发明可以实现近距离有效的天线测试，节约测试成本和降低测试难度,同时也为了能得到被测天线的三维方向图，更加准确的分析天线性能。该发明依然需要复杂近场扫描设备，而本发明无需复杂的近场扫描设备。
在公告号为CN104101786B的中国专利文献中，公开了一种全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统，该专利主要针对全空域有源多波束球面相控阵天线旨在提供一种控制灵活、指向精度高、成本低、用电扫描取代机械扫描的测量系统，本发明依然需要复杂的扫描设备实现天线方向图测试，且专门针对球迷相控阵天线，而不是平面相控阵天线，与本发明存在明显差异。
在公开号为CN103344847A的中国专利文献中，公开了一种相控阵天线近场测量中的同时多波束精确扫描取样方法，该专利方法首先由探头定位器按预定的方向匀速滑动，经过取样位置时向编码控制器发送一个电脉冲，编码控制器按照预定的精确工作周期、指令时序和工作次数，协调相控阵天线的波束控制系统和射频测量系统完成多次波束转换和射频取样测量，在一个取样位置实现同时多波束精确扫描取样的射频测量，并且使得每一个波束的取样数据在所有的取样位置均获得一个固定的位置偏移，使得各波束的近场测量取样间隔保持一致，便于进行近场到远场数学计算。该发明依然依靠近场测量系统实现波束扫描测试。
在公告号为CN106546827B的中国专利文献中，公开了一种相控阵测向装置的方向图测试方法、电路及系统，该专利方法将矢量网络分析仪的射频输出端与功分网络的射频输入端连接，功分网络的各个射频输出端通过电缆分别与待测相控阵测向装置的各个收发阵元通道连接，待测相控阵测向装置的各个收发阵元通道均分别通过和通道电缆、俯仰差通道电缆、方位差通道电缆与微波开关连接，微波开关公共端还与矢量网络分析仪的射频输入端连接；控制器与待测相控阵测向装置的波控系统、微波开关及矢量网络分析仪具有信号连接。该发明主要针对相控阵侧向，借助矢量网络分析仪进行测试，与本发明的用途及具体技术方法存在明显的差异性。
在公告号为CN107329003B的中国专利文献中，公开了一种优化SAR天线方向图测试的方法，该专利首先根据电磁场理论建立有源相控阵天线方向图计算数学模型；其次完成有源相控阵天线基础数据的获取和计算，并根据设计要求和工程可实现性完成SAR天线所有波位天线幅相加权系数的计算和存储工作；最后在平面近场测试系统环境下，利用近场测试方法获取天线阵面不同位置处的天线子阵方向图。该专利主要基于近场测试方法对天线方向图测试进行了优化，而本发明不采用近场测试设备，大大简化了测试设备。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测方法及系统。
根据本发明提供的一种SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：将微波探头固定在可调支架上，将可调支架放置于SAR天线阵面正前方，所述微波探头指向待测正面区域的中心，所述微波探头与SAR天线阵面保持设定距离，且微波探头半功率主瓣区域与辐射单元半功率主瓣区域存在交集；
步骤S2：断开SAR天线阵面定标网络至内定标器的高频电缆，将内定标器对外定标端口与微波探头通过地面测试用高频电缆进行连接；
步骤S3：在SAR天线阵面前方和左右两侧以及可调支架上布设吸波材料；
步骤S4：设置SAR分系统处于法向态单TR定标测试模式，并设置相应的工作带宽，将卫星加电开机并记录下传的定标回波数据；
步骤S5：设置SAR分系统处于指定扫描态单TR定标测试模式，其中固定的扫描角度与方位敏捷观测模式目标观测中心指向角度匹配，并设置与法向态相同的工作带宽，卫星加电开机并记录下传的定标回波数据；
步骤S6：对两次测试记录获取的定标回波数据分别进行脉压处理和插值处理，取各TR通道脉压后的峰值处相位值，形成两组相位值数据结果；
步骤S7：对两组相位值按照TR通道一一对应关系进行作差，并根据TR通道与阵面排布映射关系将一维相位差数据转换成二维相位差云图进行显示，通过二维相位差云图进行方向图扫描指向的正确性判断。
优选地，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：将微波探头固定在可调支架上，设置微波探头指向待测阵面区域的中心；
步骤S1.2：将待测SAR天线任一TR通道对应的辐射单元满足远场测试条件为依据，计算微波探头到待测SAR天线阵面的距离；
步骤S1.3：根据微波探头3dB波束与辐射单元3dB波束存在交集的要求，调整微波探头到待测SAR天线阵面的距离。
优选地，所述步骤S4包括：
步骤S4.1：选择SAR分系统单TR定标模式作为检测时的系统工作模式，每个脉冲时刻仅一个TR通道开机，依次逐一完成待测阵面区域所有TR通道辐射单元信号的采集；
步骤S4.2：设置SAR天线工作于法向态，扫描角度为0°；
步骤S4.3：选择并设置工作带宽，将卫星加电，SAR分系统开机工作，记录下传的测试回波数据。
优选地，所述步骤S5包括：
步骤S5.1：选择SAR分系统单TR定标模式作为检测时的系统工作模式，每个脉冲时刻仅一个TR通道开机，依次逐一完成待测阵面区域所有TR通道辐射单元信号的采集；
步骤S5.2：设置SAR天线工作于扫描态，以方位敏捷观测模式对目标观测的中心指向角度作为方向图固定扫描角；
步骤S5.3：选择并设置步骤S4.3中相同的工作带宽；
步骤S5.4：卫星加电，SAR分系统开机工作，记录下传的测试回波数据。
优选地，所述步骤S6包括：
步骤S6.1：对两次测试记录获取的定标回波数据分别进行脉压处理，每个脉压结果数据对应相应的TR通道；
步骤S6.2：对脉压后的处理数据进行插值处理，取峰值处的相位值；
步骤S6.3：将待测区域所有TR通道的相位值进行保存，形成两组相位值数据。
优选地，所述步骤S7包括：
步骤S7.1：将两组相位值数组作差，并对作差结果进行解缠处理；
步骤S7.2：根据单TR定标顺序和待测区域阵面TR通道排布关系，将作差后的一维相位差数组根据映射关系生成二维相位差云图；
步骤S7.3：结合设置的扫描角度生成理论的扫描相位云图；
步骤S7.4：依据实测二维相位差云图与理论的扫描相位云图是否一致为判断原则，完成SAR方向图扫描指向的检测和确认。
根据本发明提供的一种SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测系统，包括以下模块：
模块M1：将微波探头固定在可调支架上，将可调支架放置于SAR天线阵面正前方，所述微波探头指向待测正面区域的中心，所述微波探头与SAR天线阵面保持设定距离，且微波探头半功率主瓣区域与辐射单元半功率主瓣区域存在交集；
模块M2：断开SAR天线阵面定标网络至内定标器的高频电缆，将内定标器对外定标端口与微波探头通过地面测试用高频电缆进行连接；
模块M3：在SAR天线阵面前方和左右两侧以及可调支架上布设吸波材料；
模块M4：设置SAR分系统处于法向态单TR定标测试模式，并设置相应的工作带宽，将卫星加电开机并记录下传的定标回波数据；
模块M5：设置SAR分系统处于指定扫描态单TR定标测试模式，其中固定的扫描角度与方位敏捷观测模式目标观测中心指向角度匹配，并设置与法向态相同的工作带宽，卫星加电开机并记录下传的定标回波数据；
模块M6：对两次测试记录获取的定标回波数据分别进行脉压处理和插值处理，取各TR通道脉压后的峰值处相位值，形成两组相位值数据结果；
模块M7：对两组相位值按照TR通道一一对应关系进行作差，并根据TR通道与阵面排布映射关系将一维相位差数据转换成二维相位差云图进行显示，通过二维相位差云图进行方向图扫描指向的正确性判断。
优选地，所述模块M1包括：
模块M1.1：将微波探头固定在可调支架上，设置微波探头指向待测阵面区域的中心；
模块M1.2：将待测SAR天线任一TR通道对应的辐射单元满足远场测试条件为依据，计算微波探头到待测SAR天线阵面的距离；
模块M1.3：根据微波探头3dB波束与辐射单元3dB波束存在交集的要求，调整微波探头到待测SAR天线阵面的距离。
优选地，所述模块M4包括：
模块M4.1：选择SAR分系统单TR定标模式作为检测时的系统工作模式，每个脉冲时刻仅一个TR通道开机，依次逐一完成待测阵面区域所有TR通道辐射单元信号的采集；
模块M4.2：设置SAR天线工作于法向态，扫描角度为0°；
模块M4.3：选择并设置工作带宽，将卫星加电，SAR分系统开机工作，记录下传的测试回波数据。
优选地，所述模块M5包括：
模块M5.1：选择SAR分系统单TR定标模式作为检测时的系统工作模式，每个脉冲时刻仅一个TR通道开机，依次逐一完成待测阵面区域所有TR通道辐射单元信号的采集；
模块M5.2：设置SAR天线工作于扫描态，以方位敏捷观测模式对目标观测的中心指向角度作为方向图固定扫描角；
模块M5.3：选择并设置模块M4.3中相同的工作带宽；
模块M5.4：卫星加电，SAR分系统开机工作，记录下传的测试回波数据。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向高效检测方法针对二维大扫描SAR天线方向图扫描指向测试，特别是针对方位敏捷观测模式下不同方位向扫描指向的测试，可以弥补内定标系统测试不能覆盖TR组件与辐射阵面的连接接头和不能覆盖辐射阵面的缺点。
2、本发明的SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向高效检测方法通过标准微波探头天线实现简便高效的测试，无需暗室近场测试复杂的测试工装，且耗时也大大减少，同时利用脉冲压缩技术使得检测精度也有保证。
3、本发明的SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向高效检测方法可以在不改变SAR分系统设计的基础上，仅选择SAR分系统本身具有的单TR测试定标模式功能，即可实现待测阵面全链路幅相特性数据的获取。
4、本发明的SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向高效检测方法重点解决了SAR天线方向图扫描指向测试高效化、通用化的问题，一次测试所需时长为分钟级，相比于一次近场测试所需时间数小时，大大节约了测试时间。
本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向高效检测方法流程图；
图2为本发明SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向高效检测原理示意图；
图3为本发明微波探头对准原理图示意图；
图4为本发明检测方法整体布局示意图；
图5为本发明方位敏捷观测模式示意图；
图6为本发明方位向扫描指向-5°、距离向扫描指向0°所需的理论相位值；
图7为本发明方位向扫描指向-5°、距离向扫描指向0°实测相位值二维显示示意图；
图8为本发明方位向扫描指向-5°、距离向扫描指向0°实测相位值三维显示示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明涉及星载SAR地面集成测试，尤其为一种高效、通用的星载有源相控阵体制SAR方向图扫描指向高效检测技术，涉及星载SAR地面装星集成测试过程中的SAR天线TR通道幅相特性测试处理，基于远场测试原理、标准微波探头天线和支架、不同扫描态的单TR测试定标工作模式的SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向高效检测方法，包括将微波探头固定在支架上；为满足各TR通道对应的辐射单元符合远程测试条件和辐射单元主波束与微波探头主波束存在交集，通过调节支架实现微波探头与待测天线阵面的所需的位置和距离；断开天线阵面定标网络至内定标器的端口连接，将内定标器端口与微波探头天线通过地面测试用高频电缆进行连接，实现SAR天线TR通道全链路特性测试；设置星载SAR系统分别处于法向态(不扫描)和指定扫描态(固定扫描角)单TR测试定标模式并进行整星加电开机记录每次测试回波数据；对两次测试获取的回波数据进行脉压处理和插值处理，取峰值处相位值，并进行相应TR通道的相位做差和解缠处理，利用定标顺序和阵面TR通道排布规则生成二维相位差云图，与理论的二维相位差云图进行趋势比对，即可得到SAR方向图扫描指向正确性的检测结果。本发明的目的是提供一种SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向高效检测方法，实现星载SAR天线方向图扫描指向的测试，同时实现测试方法的高效化和通用化。
参照图1所示，本发明提供的SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测方法介绍如下：
步骤S1：将微波探头固定在可调支架上，可调支架放置于SAR天线阵面正前方，微波探头指向待测阵面区域的中心，微波探头与天线阵面保持一定的距离，使得待测阵面区域各TR通道对应的辐射单元满足远场测试条件，同时要求微波探头半功率主瓣区域与辐射单元半功率主瓣区域存在交集。
下面进一步展开：
步骤S1.1：微波探头固定在支架上，通过移动支架和调节支架的高度设置微波探头对准指向待测阵面区域的中心；
步骤S1.2：对于待测SAR天线阵面区域，受厂房空间限制，无法实现远场测试条件，但对于待测天线阵面区域上任一TR通道对应的辐射单元由于尺寸小，可以实现远场测试条件，利用远场测试基本原理，以待测SAR天线任一TR通道对应的辐射单元满足远场测试条件为依据，计算微波探头到待测SAR天线阵面的距离；
步骤S1.3：为保证测量精度，在远场条件下实现主瓣功率信号的采集，为此，要求微波探头3dB波束与辐射单元3dB波束存在交集，理论上要求微波探头天线主瓣3dB与待测SAR天线阵面区域最边缘处辐射单元主瓣3dB有重合，依此要求计算微波探头到待测SAR天线阵面的距离；
步骤S1.4：为减小空间传播衰减，提升信号功率值，根据步骤102和步骤103计算得到的距离值为参考设置微波探头到待测阵面的距离。
步骤S2：断开SAR天线阵面定标网络至内定标器的高频电缆，将内定标器对外定标端口与微波探头通过地面测试用高频电缆进行连接。
下面进一步展开：
步骤S2.1：将SAR天线定标网络与内定器之间的高频电缆断开，消除定标网络引入的幅相误差；
步骤S2.2：通过地面测试高频电缆将内定标器与微波探头天线进行连接，以微波探头代替定标网络实现待测阵面区域各TR通道全链路幅相特性数据获取。
步骤S3：在SAR天线阵面前方和左右两侧相关区域以及可调支架布设吸波材料，以减少径向反射和干扰。
下面进一步展开：
步骤S3.1：为保证检测精度，在SAR天线阵面前方和左右两侧相关区域放置吸波材料以减少SAR系统电磁辐射时的径向反射和干扰，在SAR天线阵面前方、左右两侧架设可移动拼接的吸波墙，在SAR天线阵面与微波探头之间的地面及大理石平台上放置吸波材料；
步骤S3.2：为保证检测精度，利用吸波材料包裹微波探头支架，仅露出微波探头以减少SAR系统电磁辐射时的径向反射和干扰。
步骤S4：设置SAR分系统处于法向态(不扫描)单TR定标测试模式，并设置相应的工作带宽，卫星加电开机并记录下传的定标回波数据。
下面进一步展开：
步骤S4.1：选择SAR分系统单TR定标模式作为检测时的系统工作模式，每个脉冲时刻仅一个TR通道开机，其他TR通道处于负载态(不对外辐射信号和接收信号)，依次逐一完成待测阵面区域所有TR通道辐射单元信号的采集；
步骤S4.2：设置SAR天线工作于法向态(不扫描)，即扫描角度为0°；
步骤S4.3：选择并设置工作带宽；
步骤S4.4：卫星加电，SAR分系统开机工作，记录下传的测试回波数据。
步骤S5：设置SAR分系统处于指定扫描态(固定扫描角)单TR定标测试模式，其中固定的扫描角度与方位敏捷观测模式目标观测中心指向角度匹配，并设置与法向态相同的工作带宽，卫星加电开机并记录下传的定标回波数据。
下面进一步展开：
步骤S5.1：选择SAR分系统单TR定标模式作为检测时的系统工作模式，每个脉冲时刻仅一个TR通道开机，其他TR通道处于负载态(不对外辐射信号和接收信号)依次逐一完成待测阵面区域所有TR通道辐射单元信号的采集；
步骤S5.2：设置SAR天线工作于扫描态，以方位敏捷观测模式对目标观测的中心指向角度作为方向图固定扫描角；
步骤S5.3：选择并设置与步骤4相同的工作带宽；
步骤S5.4：卫星加电，SAR分系统开机工作，记录下传的测试回波数据。
步骤S6：对两次测试记录获取的定标回波数据分别进行脉压处理和插值处理，取各TR通道脉压后的峰值处相位值，形成两组相位值数据结果。
下面进一步展开：
步骤S6.1：对两次测试记录获取的定标回波数据分别进行脉压处理，每个脉压结果数据对应待测阵面区域相应的TR通道；
步骤S6.2：对脉压后的处理数据进行插值处理，取峰值处的相位值；
步骤S6.3：将待测区域所有TR通道的相位值进行保存，形成两组相位值数据。
步骤S7：对两组相位值按照TR通道一一对应关系进行作差，并根据TR通道与阵面排布映射关系将一维相位差数据转换成二维相位差云图进行显示，通过二维相位差云图进行方向图扫描指向正确性判断。
下面进一步展开：
步骤S7.1：将两组相位值数组按TR通道一一对应的关系进行作差，并对作差结果进行解缠处理；
步骤S7.2：根据单TR定标顺序和待测区域阵面TR通道排布关系，将作差后的一维相位差数组根据映射关系生成二维相位差云图；
步骤S7.3：结合设置的扫描角度生成理论的扫描相位云图；
步骤S7.4：依据实测二维相位差云图与理论的扫描相位云图是否一致为判断原则，如果趋势一致，则表示SAR方向图扫描指向与设计值一致，否则判定SAR方向图扫描指向与设计值不符，需要进行纠正和更改。
更为具体地，本发明的主要内容为：
1、方位敏捷观测模式
为充分发挥平面有源相控阵天线二维大扫描角的特点，特别是方位向大扫描，通过前斜视、正侧视、后斜视成像可实现连续多目标观测。参见图5，在一次航过时，待观测目标数量较多，在方位向上距离较近且距离向上距离较远的背景下，利用SAR天线方位向大扫描能力，可以分别通过前斜视、正侧视和后斜视手段，实现一次航过多目标集群密集观测的应用。
2、检测原理
有源相控阵天线是有很多个小阵元组成的，每个阵元对应着一个TR组件通道和辐射单元，其中TR组件通道起着移相和功率衰减的作用、辐射单元起着对外辐射电磁波的作用。参照图2，天线不扫描时，任一阵元至微波探头的幅相值可以表示为其中/>为功率幅度值(含空间传播衰减)、αi为相位值(含空间传播距离对应的相位值)；天线扫描时，波束扫描角位置设置为/>根据相控阵天线方向图原理，任一阵元至微波探头的幅相值可以表示为：
其中λ为波长、/> 的相位值与的相位值作差即可得到扫描所设置的相位值，并且扫描设置的理论相位值根据阵面阵元分布具有明显的线性规律，为此，如果获得法向态和扫描态各阵元到波导探头的幅相数据，可以逆向求解出扫描所设置的相位值，与理论值进行趋势比对即可检测扫描指向的正确性，具体实测验证结果参照图6至图8。
3、微波探头天线布设
微波探头天线布设应满足远场测试条件和测试精度的要求，参照图3，一是微波探头天线与待测阵面区域各TR通道对应的辐射单元的距离应满足远场条件，距离应大于2L2/λ，其中L为辐射单元尺寸、λ为波长；二是微波探头天线的方向图主瓣，必须位于SAR天线待测阵面区域中任一辐射单元的主瓣以内，理论上要求微波探头天线主瓣3dB与SAR天线待测阵面区域最边缘处辐射单元主瓣3dB有重合。
4、测试环境设置
SAR卫星集成厂房不满足电磁环境要求，与微波暗室相比，四周无吸波墙。为此需要对SAR天线阵面周围测试环境进行设置，以保证测试精度。参照图4，SAR卫星一般放置于大理石平台上，微波探头架设在待测SAR天线阵面的正前方，为此，一是需要在待测SAR天线的前方和左右两侧架设可移动可拼接的吸波墙；二是对待测SAR天线阵面前方裸露的大理石平台和地面部署吸波材料；三是对金属支架和其他金属制品包裹吸波材料，仅露出微波探头。
5、系统工作模式及天线扫描态设置
为了提高测试效率，一是选择单TR测试定标工作模式，这样可以实现各单TR通道的分时工作，逐一进行各单TR通道全链路全带宽的幅相特性测试；二是设置SAR天线分别工作于法向态(即不扫描)和指定扫描态，并设置相同的工作带宽。
6、信号体质选择
为保证和提升测试精度，选择线性调频信号，对测试采集录取的宽带信号采用脉冲压缩处理技术提升测试精度。
7、数据处理
首先对记录下传的定标回波数据进行数据格式转换获取回波复数据，并进行FFT转换，两次测试的各TR通道频域数据分别为：
S11_int(f)、S12_int(f)……S1N_int(f)
和
S21_int(f)、S22_int(f)……S2N_int(f)，
其中N表示TR通道数；
其次分别进行匹配滤波处理，匹配滤波函数为H(f)，两次测试数据经匹配脉压后输出分别为：
S1_out(f)＝[S11_int(f)·H(f)；S12_int(f)·H(f)；……；S1N_int(f)·H(f)]
和
S2_out(f)＝[S21_int(f)·H(f)；S22_int(f)·H(f)；……；S2N_int(f)·H(f)]，
紧接着，两次测试的各TR通道数据脉压后进行插值处理取峰值处相位值，两次测试的各TR通道峰值处相位值分别为：
P1＝[P11_max,P12_max,……,P1N_max]
和
P2＝[P21_max,P22_max,……,P2N_max]，
相位变化测试量值ΔP＝P1-P2；
最后，根据单TR定标顺序及阵面通道排布规则将一维相位变化值转换为二维相位变化值云图，与理论的二维相位变化值云图进行趋势对比。
综上所述，本发明的SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向高效检测方法主要是完成SAR卫星集成测试过程中天线方向图扫描指向的检测和确认，解决了就近场地灵活部署的问题，实现了与微波暗室近场测试同等的精度，也弥补了内定标系统不能覆盖TR组件与辐射阵面的连接接头和也不能覆盖辐射阵面的缺点，实现了整星状态下高效快捷的天线方向图扫描指向定标测试验证，满足了星载SAR地面装星集成测试系统高效化、通用化的要求，极大提高了整星集成测试的效率。
本发明还提供一种SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测系统，所述SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测系统可以通过执行所述SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测方法理解为所述SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测系统的优选实施方式。
一种SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测系统，包括以下模块：
模块M1：将微波探头固定在可调支架上，将可调支架放置于SAR天线阵面正前方，所述微波探头指向待测正面区域的中心，所述微波探头与SAR天线阵面保持设定距离，且微波探头半功率主瓣区域与辐射单元半功率主瓣区域存在交集；
模块M2：断开SAR天线阵面定标网络至内定标器的高频电缆，将内定标器对外定标端口与微波探头通过地面测试用高频电缆进行连接；
模块M3：在SAR天线阵面前方和左右两侧以及可调支架上布设吸波材料；
模块M4：设置SAR分系统处于法向态单TR定标测试模式，并设置相应的工作带宽，将卫星加电开机并记录下传的定标回波数据；
模块M5：设置SAR分系统处于指定扫描态单TR定标测试模式，其中固定的扫描角度与方位敏捷观测模式目标观测中心指向角度匹配，并设置与法向态相同的工作带宽，卫星加电开机并记录下传的定标回波数据；
模块M6：对两次测试记录获取的定标回波数据分别进行脉压处理和插值处理，取各TR通道脉压后的峰值处相位值，形成两组相位值数据结果；
模块M7：对两组相位值按照TR通道一一对应关系进行作差，并根据TR通道与阵面排布映射关系将一维相位差数据转换成二维相位差云图进行显示，通过二维相位差云图进行方向图扫描指向的正确性判断。
在一种优选的实施方式中，所述模块M1包括：
模块M1.1：将微波探头固定在可调支架上，设置微波探头指向待测阵面区域的中心；
模块M1.2：将待测SAR天线任一TR通道对应的辐射单元满足远场测试条件为依据，计算微波探头到待测SAR天线阵面的距离；
模块M1.3：根据微波探头3dB波束与辐射单元3dB波束存在交集的要求，调整微波探头到待测SAR天线阵面的距离。
在一种优选的实施方式中，所述模块M4包括：
模块M4.1：选择SAR分系统单TR定标模式作为检测时的系统工作模式，每个脉冲时刻仅一个TR通道开机，依次逐一完成待测阵面区域所有TR通道辐射单元信号的采集；
模块M4.2：设置SAR天线工作于法向态，扫描角度为0°；
模块M4.3：选择并设置工作带宽，将卫星加电，SAR分系统开机工作，记录下传的测试回波数据。
在一种优选的实施方式中，所述模块M5包括：
模块M5.1：选择SAR分系统单TR定标模式作为检测时的系统工作模式，每个脉冲时刻仅一个TR通道开机，依次逐一完成待测阵面区域所有TR通道辐射单元信号的采集；
模块M5.2：设置SAR天线工作于扫描态，以方位敏捷观测模式对目标观测的中心指向角度作为方向图固定扫描角；
模块M5.3：选择并设置模块M4.3中相同的工作带宽；
模块M5.4：卫星加电，SAR分系统开机工作，记录下传的测试回波数据。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将微波探头固定在可调支架上，将可调支架放置于SAR天线阵面正前方，所述微波探头指向待测正面区域的中心，所述微波探头与SAR天线阵面保持设定距离，且微波探头半功率主瓣区域与辐射单元半功率主瓣区域存在交集；
步骤S2：断开SAR天线阵面定标网络至内定标器的高频电缆，将内定标器对外定标端口与微波探头通过地面测试用高频电缆进行连接；
步骤S3：在SAR天线阵面前方和左右两侧以及可调支架上布设吸波材料；
步骤S4：设置SAR分系统处于法向态单TR定标测试模式，并设置相应的工作带宽，将卫星加电开机并记录下传的定标回波数据；
步骤S5：设置SAR分系统处于指定扫描态单TR定标测试模式，其中固定的扫描角度与方位敏捷观测模式目标观测中心指向角度匹配，并设置与法向态相同的工作带宽，卫星加电开机并记录下传的定标回波数据；
步骤S6：对两次测试记录获取的定标回波数据分别进行脉压处理和插值处理，取各TR通道脉压后的峰值处相位值，形成两组相位值数据结果；
步骤S7：对两组相位值按照TR通道一一对应关系进行作差，并根据TR通道与阵面排布映射关系将一维相位差数据转换成二维相位差云图进行显示，通过二维相位差云图进行方向图扫描指向的正确性判断。
2.根据权利要求1所述的SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：将微波探头固定在可调支架上，设置微波探头指向待测阵面区域的中心；
步骤S1.2：将待测SAR天线任一TR通道对应的辐射单元满足远场测试条件为依据，计算微波探头到待测SAR天线阵面的距离；
步骤S1.3：根据微波探头3dB波束与辐射单元3dB波束存在交集的要求，调整微波探头到待测SAR天线阵面的距离。
3.根据权利要求1所述的SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
步骤S4.1：选择SAR分系统单TR定标模式作为检测时的系统工作模式，每个脉冲时刻仅一个TR通道开机，依次逐一完成待测阵面区域所有TR通道辐射单元信号的采集；
步骤S4.2：设置SAR天线工作于法向态，扫描角度为0°；
步骤S4.3：选择并设置工作带宽，将卫星加电，SAR分系统开机工作，记录下传的测试回波数据。
4.根据权利要求3所述的SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
步骤S5.1：选择SAR分系统单TR定标模式作为检测时的系统工作模式，每个脉冲时刻仅一个TR通道开机，依次逐一完成待测阵面区域所有TR通道辐射单元信号的采集；
步骤S5.2：设置SAR天线工作于扫描态，以方位敏捷观测模式对目标观测的中心指向角度作为方向图固定扫描角；
步骤S5.3：选择并设置步骤S4.3中相同的工作带宽；
步骤S5.4：卫星加电，SAR分系统开机工作，记录下传的测试回波数据。
5.根据权利要求1所述的SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测方法，其特征在于，所述步骤S6包括：
步骤S6.1：对两次测试记录获取的定标回波数据分别进行脉压处理，每个脉压结果数据对应相应的TR通道；
步骤S6.2：对脉压后的处理数据进行插值处理，取峰值处的相位值；
步骤S6.3：将待测区域所有TR通道的相位值进行保存，形成两组相位值数据。
6.根据权利要求1所述的SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测方法，其特征在于，所述步骤S7包括：
步骤S7.1：将两组相位值数组作差，并对作差结果进行解缠处理；
步骤S7.2：根据单TR定标顺序和待测区域阵面TR通道排布关系，将作差后的一维相位差数组根据映射关系生成二维相位差云图；
步骤S7.3：结合设置的扫描角度生成理论的扫描相位云图；
步骤S7.4：依据实测二维相位差云图与理论的扫描相位云图是否一致为判断原则，完成SAR方向图扫描指向的检测和确认。
7.一种SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测系统，其特征在于，包括以下模块：
模块M1：将微波探头固定在可调支架上，将可调支架放置于SAR天线阵面正前方，所述微波探头指向待测正面区域的中心，所述微波探头与SAR天线阵面保持设定距离，且微波探头半功率主瓣区域与辐射单元半功率主瓣区域存在交集；
模块M2：断开SAR天线阵面定标网络至内定标器的高频电缆，将内定标器对外定标端口与微波探头通过地面测试用高频电缆进行连接；
模块M3：在SAR天线阵面前方和左右两侧以及可调支架上布设吸波材料；
模块M4：设置SAR分系统处于法向态单TR定标测试模式，并设置相应的工作带宽，将卫星加电开机并记录下传的定标回波数据；
模块M5：设置SAR分系统处于指定扫描态单TR定标测试模式，其中固定的扫描角度与方位敏捷观测模式目标观测中心指向角度匹配，并设置与法向态相同的工作带宽，卫星加电开机并记录下传的定标回波数据；
模块M6：对两侧测试记录获取的定标回波数据分别进行脉压处理和插值处理，取各TR通道脉压后的峰值处相位值，形成两组相位值数据结果；
模块M7：对两组相位值按照TR通道一一对应关系进行作差，并根据TR通道与阵面排布映射关系将一维相位差数据转换成二维相位差云图进行显示，通过二维相位差云图进行方向图扫描指向的正确性判断。
8.根据权利要求7所述的SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测系统，其特征在于，所述模块M1包括：
模块M1.1：将微波探头固定在可调支架上，设置微波探头指向待测阵面区域的中心；
模块M1.2：将待测SAR天线任一TR通道对应的辐射单元满足远场测试条件为依据，计算微波探头到待测SAR天线阵面的距离；
模块M1.3：根据微波探头3dB波束与辐射单元3dB波束存在交集的要求，调整微波探头到待测SAR天线阵面的距离。
9.根据权利要求7所述的SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测系统，其特征在于，所述模块M4包括：
模块M4.1：选择SAR分系统单TR定标模式作为检测时的系统工作模式，每个脉冲时刻仅一个TR通道开机，依次逐一完成待测阵面区域所有TR通道辐射单元信号的采集；
模块M4.2：设置SAR天线工作于法向态，扫描角度为0°；
模块M4.3：选择并设置工作带宽，将卫星加电，SAR分系统开机工作，记录下传的测试回波数据。
10.根据权利要求9所述的SAR卫星方位敏捷观测模式扫描指向检测系统，其特征在于，所述模块M5包括：
模块M5.1：选择SAR分系统单TR定标模式作为检测时的系统工作模式，每个脉冲时刻仅一个TR通道开机，依次逐一完成待测阵面区域所有TR通道辐射单元信号的采集；
模块M5.2：设置SAR天线工作于扫描态，以方位敏捷观测模式对目标观测的中心指向角度作为方向图固定扫描角；
模块M5.3：选择并设置模块M4.3中相同的工作带宽；
模块M5.4：卫星加电，SAR分系统开机工作，记录下传的测试回波数据。
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| CN117518109A (zh) * | 2024-01-04 | 2024-02-06 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 方位多通道星载sar天线定标网络温变特性测量方法 |
| CN117518109B (zh) * | 2024-01-04 | 2024-03-12 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 方位多通道星载sar天线定标网络温变特性测量方法 |
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