CN117518109B - 方位多通道星载sar天线定标网络温变特性测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种方位多通道星载SAR天线定标网络温变特性测量方法，属于雷达系统测试技术领域，通过对用于卫星真空热试验的星载SAR初样产品配置进行适当调整，实现方位多通道星载SAR天线定标网络幅相温变特性的定量测试评估。本发明提出构造辅助定标通路的方法，解决正常定标模式下天线定标网络与有源接收通道幅相变化特性无法分离的问题。本发明基于正常接收定标、辅助接收定标和参考定标数据，提取出天线定标网络的幅相特性，实现了天线定标网络幅相温变特性的定量测试评估。本发明能够保证通道间幅相误差内定标标定精度。

Description

方位多通道星载SAR天线定标网络温变特性测量方法
技术领域
本发明属于雷达系统测试技术领域，具体涉及一种方位多通道星载SAR天线定标网络温变特性测量方法。
背景技术
方位多通道是星载合成孔径雷达（SAR）实现高分宽幅的有效技术体制，目前已在国内外多个在轨SAR卫星上得到应用。
方位多通道星载SAR要解决的一个主要技术难题是方位向多接收通道间的幅度相位一致性。星载SAR在轨工作时，随着工作状态的变化，沿天线方位向会产生温度差异，从而使各接收通道间产生幅相误差，当通道间幅相误差较大时，图像中的强目标（如舰船）就会沿方位向产生模糊目标，严重影响图像质量。
系统内定标是保证方位多通道星载SAR幅相一致性的有效技术手段，其方法是通过接收定标对方位向各有源接收通道间幅相误差进行标定测量，根据测量结果在成像处理时对误差进行补偿，从而避免在图像中产生模糊目标。
下面以某实际方位四通道星载SAR为例进行说明，其接收定标系统配置框图如图1所示。系统配置可分为舱内电子设备（舱内部分）和舱外天线（舱外部分）两部分。接收定标具体信号流向描述如下，调频信号源产生的线性调频定标信号经内定标器进行电平调整后输出至天线定标网络，天线定标网络由三级定标1:4功分器和互联高频电缆组成，将定标信号分发至各有源接收通道，有源接收通道包括T/R组件阵列、天线馈电网络、微波组合和雷达接收机，其中天线馈电网络由两级收发1:4功分器和互联高频电缆组成，各有源接收通道输出的信号经数据形成器转换为数字信号后传输至地面进行数据接收处理，通过对接收定标获得的各通道线性调频脉冲信号进行脉冲压缩处理即可提取出通道间的幅相误差，进而在成像处理时进行补偿。
通过系统接收定标可以有效标定方位多通道星载SAR在轨工作时由于温度差异导致的有源接收通道间幅相误差，但天线定标网络通道间幅相误差也包含在其中，无法进行分离，会影响有源接收通道间幅相误差的标定精度。
天线定标网络主要由功分器和高频电缆等无源部件组成，一般认为其幅度和相位随温度变化程度要比有源接收通道小很多，对通道间幅相误差标定效果影响较小，但缺乏有效的定量测试评估手段。
现有天线定标网络幅相温变特性测试方法是将单独研制的天线定标网络置于温箱中，在不同温度点用矢量网络分析仪测试其幅度相位值，进而得到幅相温变特性曲线，再根据方位多通道星载SAR在轨工作过程中天线定标网络温度变化范围的仿真结果，计算得到其幅度相位变化程度，其存在以下缺点：
一是实际工作时天线定标网络的温度分布及变化情况与其在天线上的安装状态密切相关，天线定标网络各部件温度都会有差异，而温箱中天线定标网络各部件的温度都是一致的，无法模拟真实工作状态，从而会导致其幅相温变特性测试结果与实际在轨工作状态存在差异。
二是通过仿真获得的星载SAR在轨工作过程中天线定标网络温度变化情况存在一定误差，也会影响到其幅相温变特性测量精度。
基于以上两点，用温箱测试获得的天线定标网络幅相温变特性只能作为定性的测试评估手段。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种方位多通道星载SAR天线定标网络温变特性测量方法，用于保证通道间幅相误差内定标标定精度。本发明提出的技术方案是结合卫星真空热试验所设计的。卫星真空热试验用于在地面模拟卫星在轨工作环境，可以较为真实地模拟天线各部件在不同工况下的温度，测试得到的通道间幅相一致性数据也与在轨工作状态较为接近。在卫星真空热试验过程中可以直接使用系统接收定标来测试获取方位多通道星载SAR的通道间幅相误差，但同样存在无法分离有源接收通道和天线定标网络通道间幅相误差的问题。本发明提出单独设计一个与有源接收通道分离的天线定标网络定标回路，保持其在天线上的安装状态，通过卫星真空热试验过程对该定标回路的测试和数据分析，得到天线定标网络的温变特性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种方位多通道星载SAR天线定标网络温变特性测量方法，对用于卫星真空热试验的方位多通道星载SAR的初样产品进行改造，所述初样产品包括多个通道，所述改造包括：选择多个通道中的采用结构热控产品的通道之一，将该通道中的结构热控产品替换为电性产品，并设置第一级功分器、第二级功分器和第三级功分器；所述电性产品包括收发1:4功分器和定标1:4功分器；采用长度小于或等于30厘米的高频电缆相互连接的收发1:4功分器和定标1:4功分器构成第三级功分器；第一级功分器包括辅助1:4功分器和定标1:4功分器，将所述辅助1:4功分器的一个端口与将结构热控产品替换为电性产品的通道的第二级功分器中的收发1:4功分器连接，所述辅助1:4功分器的总端口连接微波组合第三端口；用穿舱电缆将第一级功分器中的定标1:4功分器的一个端口连接至微波组合第四端口；根据信号电平大小，在微波组合第三端口和微波组合第四端口设置衰减器；经过所述改造后形成辅助定标通路，获得辅助接收定标数据，基于初样产品得到的接收定标数据、辅助接收定标数据和初样产品得到的参考定标数据，提取出天线定标网络的幅相特性，实现天线定标网络幅相温变特性的定量测量。
进一步地，所述电性产品为实现电性能的电子部件。
进一步地，所述辅助1:4功分器与第一级功分器中的定标1:4功分器的结构一致，用于测试获取天线定标网络温变特性。
进一步地，所述参考定标数据通过参考定标通路获得，所述接收定标数据通过接收定标通路获得；当通道数为n时，将第i通道的结构热控产品替换为电性产品，第i通道为采用结构热控产品的通道之一，i=2，3，……n，所述接收定标通路包括：
1）第1至第i-1接收定标通路，包括第1通道至第i-1通道；
2）第i接收定标通路，包括将结构热控产品替换为电性产品的通道，定标结果设为CAL_R（i）；
3）第n-i接收定标通路，包括未将结构热控产品替换为电性产品的通道，定标结果设为CAL_R（n-i）；
所述参考定标通路包括第1通道至第n通道，定标结果分别设为CAL_S（1）~CAL_S（n）；
所述第1至第i-1接收定标通路和参考定标通路是方位多通道星载SAR正常在轨工作时使用的定标通路，所述第i接收定标通路和第n-i接收定标通路为辅助定标通路。
进一步地，天线定标网络和天线馈电网络的定标结果= (CAL_R（i）- CAL_S（i）)-(CAL_R（n-i）- CAL_S（n）)
上式计算结果的一半即为天线定标网络的定标结果：
天线定标网络温变特性 = [(CAL_R（i）- CAL_S（i）)- (CAL_R（n-i）- CAL_S（n）) ]/2
即在卫星初样真空热试验中对天线定标网络的温变特性进行定量测量。
在完整的星载SAR正样产品中增加单独的天线定标网络定标回路过于复杂，不具有可操作性。而方位多通道星载SAR初样产品中SAR天线一般仅配置部分通道电性产品，其余为结构热控产品，将某一通道天线定标网络结构和馈电网络热控产品用电性产品代替，并将二者直接互联，即可构造出天线定标网络定标回路，用于卫星真空热试验中天线定标网络的温变特性的测试。
有益效果：
本发明通过对用于真空热试验的星载SAR初样产品配置进行适当调整，实现了方位多通道星载SAR天线定标网络幅相温变特性的定量测试评估。由于天线定标网络安装状态和卫星工况设置都与卫星在轨工作状态一致，因此测试结果更能反映实际在轨工作情况。
附图说明
图1为现有技术中的方位四通道星载SAR接收定标系统配置框图；
图2为本发明的涉及的方位多通道星载SAR接收定标系统配置框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
以图1所示的方位四通道星载SAR为例进行说明，在卫星初样研制阶段，为节约成本，SAR天线仅研制一半电性产品，即仅包括第一通道1和第二通道2，另外两个通道——第三通道3和第四通道4以结构热控产品代替。其中，电性产品是指能实现电性能的电子部件，结构热控产品不具有电性能，仅在结构和热性能上与电性产品一致，是电性产品的低成本替代。
为了解决方位多通道星载SAR天线定标网络幅相温变特性无法定量测试评估的问题，对上述用于真空热试验的星载SAR初样产品配置进行适当调整。
如图2所示，本发明涉及的方位多通道星载SAR接收定标系统的配置为：调频信号源产生的线性调频定标信号经内定标器进行电平调整后输出至天线定标网络，天线定标网络由三级定标1:4功分器和互联高频电缆组成。有源接收通道包括第一通道1、第二通道2、第三通道3和第四通道（第四通道未在图2中示出）的舱内部分。将线性调频定标信号分发至各有源接收通道，有源接收通道包括T/R组件阵列、天线馈电网络、微波组合和雷达接收机，其中第四通道包括微波组合和雷达接收机。天线馈电网络由两级收发1:4功分器和高频电缆组成，各有源接收通道输出的信号首先经过微波组合，然后经过雷达接收机，然后经数据形成器转换为数字信号后传输至地面进行数据接收处理，通过对接收定标获得的各通道线性调频脉冲信号进行脉冲压缩处理即可提取出通道间的幅相误差，进而在成像处理时进行补偿。三级定标1:4功分器分别属于第一级功分器、第二级功分器和第三级功分器，两级收发1:4功分器分别属于第二级功分器和第三级功分器。
第一级功分器中的定标1:4功分器有四个端口，三个端口分别通过第一穿舱电缆L1、第二穿舱电缆L2、第三穿舱电缆L3连接第一通道1、第二通道2、第三通道3中的第二级功分器中的定标1:4功分器，最后一个端口连接微波组合第四端口。第二级功分器中的定标1:4功分器共有四个端口，分别连接第一通道1、第二通道2、第三通道3中的第三级功分器中的四个定标1:4功分器（图2中每通道第三级功分器均省略了两个定标1:4功分器）。第二级功分器中的收发1:4功分器包括四个端口，分别连接第一通道1、第二通道2、第三通道3中的第三级功分器中的四个收发1:4功分器（图2中每通道第三级功分器均省略了两个收发1:4功分器）。
如图2所示，本发明针对真空热试验的星载SAR初样产品所进行的配置调整包括：
（1）将第三通道3中的天线定标网络和天线馈电网络的热控产品用电性产品替代，并用一组较短的高频电缆进行互联，即将第三级功分器中的收发1:4功分器和定标1:4功分器通过高频电缆互联；互联的高频电缆是为构成天线定标网络定标回路额外加入的，长度越短对温变特性测试的影响越小，优选的，实际使用高频电缆的长度约30厘米。
（2）增加辅助1:4功分器，包括四个端口，其中一个端口与第三通道3的第一级功分器中的收发1:4功分器连接，所述辅助1:4功分器的总端口连接微波组合第三端口；
（3）用第四穿舱电缆L4将第一级功分器中的定标1:4功分器剩余的一个分端口连接至微波组合第四端口；辅助1:4功分器属于天线馈电网络，它与天线定标网络中的第一级功分器中的定标1:4功分器相对应，二者的组成一致，用于测试获取天线定标网络温变特性。
（4）根据信号电平大小在微波组合第三端口和微波组合第四端口加衰减器。
通过以上系统配置调整，形成如下接收定标通路和参考定标通路：
1）第一和第二接收定标通路，包括第一通道1和第二通道2，依次连接舱内发射通道、天线定标网络、天线接收通道、穿舱电缆、舱内接收通道，定标结果分别设为CAL_R1和CAL_R2；（用于比较）
2）第三接收定标通路，包括第三通道3，依次连接舱内发射通道、天线定标网络、天线馈电网络、穿舱电缆、舱内接收通道，定标结果设为CAL_R3；
3）第四接收定标通路，包括舱内部分、舱外部分的第一级功分器和第四通道，依次连接舱内发射通道、穿舱电缆、舱内接收通道，定标结果设为CAL_R4；第四通道不包括天线阵面部分（即TR组件阵列），第四通道仍为结构热控产品，因此图2中未示出；
4）参考定标通路，包括舱内部分第一通道1至第四通道，依次连接舱内发射通道、舱内接收通道，定标结果分别设为CAL_S1~CAL_S4。
将上述接收定标通路上的单机和电缆进行适当分类，调频信号源和内定标器归为舱内发射通道；有源接收通道分为舱外天线和舱内电子设备两部分，分别称为天线接收通道和舱内接收通道，天线接收通道包括T/R组件阵列和天线馈电网络，舱内接收通道包括微波组合和雷达接收机，二者之间用穿舱电缆连接。
第一和第二接收定标通路和参考定标通路是方位多通道星载SAR正常在轨工作时使用的定标通路，而第三接收定标通路和第四接收定标通路是本发明通过调整系统配置在初样热试验中新增加的辅助定标通路。
使用以上定标结果，针对第三通道3，经过下式运算，可得：
天线定标网络+天线馈电网络= (CAL_R3- CAL_S3)- (CAL_R4- CAL_S4)
由于在第三通道3中增加了辅助1:4功分器，使得天线定标网络和天线馈电网络的配置完全一致，都是由三级1:4功分器（如图2所示）和互联电缆组成，且各级1:4功分器在天线上的安装位置相对应，温度水平相当，因此上式计算结果的一半即为天线定标网络的定标结果。这样就可以在卫星初样真空热试验中对天线定标网络的温变特性进行定量测试评估。
卫星初样真空热试验设置了低温和高温两种工况，是卫星在轨两种较极端的工作状态。以下分别给出方位多通道星载SAR在低温工况和高温工况工作10分钟（最长工作时间）过程中各接收定标通路和参考定标通路的相位和幅度变化情况，幅相发生变化的原因是各单机温度随工作时间上升；同时，按照上述公式计算得出了天线定标网络本身的温变特性。表1为低温工况幅相温变特性分析表，表2为高温工况幅相温变特性分析表。
表1
，
表2
，
以上卫星真空热试验定标测试和分析结果表明，无论低温还是高温工况，在10分钟工作过程中，天线定标网络加天线接收通道的相位变化较大（约12°），幅度变化则较小（小于0.1dB），而其中天线定标网络幅度相位变化很小（相位小于0.5°，幅度小于0.05dB），说明在该方位多通道星载SAR系统中，天线定标网络的误差对内定标进行通道误差标定产生影响很小，基本可以忽略。
这样，本发明通过对卫星真空热试验中星载SAR初样产品配置进行适当调整，实现了方位多通道星载SAR天线定标网络幅相温变特性的定量测试评估。
本发明实施例仅以方位四通道星载SAR为例进行说明，但其可以应用于方位多通道星载SAR，仅需对方位多通道星载SAR中的采用结构热控产品的通道之一进行上文中的第三通道的相应调整即可实现本发明的方位多通道星载SAR天线定标网络温变特性测量方法。
如方位通道数为n，如其中第n-1通道和第n通道均配置结构热控产品，则可针对第n-1通道进行上文中的第三通道的相应调整，
即当通道数为n时，所述接收定标通路包括：
1）第1至第n-2接收定标通路，包括第1通道至第n-2通道；
2）第n-1接收定标通路，包括将结构热控产品替换为电性产品的通道，定标结果设为CAL_R（n-1）；
3）第n接收定标通路，包括未将结构热控产品替换为电性产品的通道，定标结果设为CAL_R（n）；
所述参考定标通路包括第1通道至第n通道，定标结果分别设为CAL_S（1）~CAL_S（n）；
所述第1至第n-2接收定标通路和参考定标通路是方位多通道星载SAR正常在轨工作时使用的定标通路，所述第n-1接收定标通路和第n接收定标通路为辅助定标通路。
进一步地，针对n个通道，进行下式运算：
天线定标网络+天线馈电网络= (CAL_R（n-1）- CAL_S（n-1）)- (CAL_R（n）- CAL_S（n）)
上式计算结果的一半即为天线定标网络的定标结果：
天线定标网络温变特性 = [(CAL_R（n-1）- CAL_S（n-1）)- (CAL_R（n）- CAL_S（n）) ]/2
从而通过卫星真空热试验可得出天线定标网络温变特性。
优选的，当通道数为n时，将第i通道的结构热控产品替换为电性产品，第i通道为采用结构热控产品的通道之一，i=2，3，……n，所述接收定标通路包括：
1）第1至第i-1接收定标通路，包括第1通道至第i-1通道；
2）第i接收定标通路，包括将结构热控产品替换为电性产品的通道，定标结果设为CAL_R（i）；
3）第n-i接收定标通路，包括未将结构热控产品替换为电性产品的通道，定标结果设为CAL_R（n-i）；
所述参考定标通路包括第1通道至第n通道，定标结果分别设为CAL_S（1）~CAL_S（n）；
所述第1至第i-1接收定标通路和参考定标通路是方位多通道星载SAR正常在轨工作时使用的定标通路，所述第i接收定标通路和第n-i接收定标通路为辅助定标通路。
天线定标网络和天线馈电网络的定标结果= (CAL_R（i）- CAL_S（i）)- (CAL_R（n-i）- CAL_S（n）)
上式计算结果的一半即为天线定标网络的定标结果:
天线定标网络温变特性 = [(CAL_R（i）- CAL_S（i）)- (CAL_R（n-i）- CAL_S（n）) ]/2
即在卫星初样真空热试验中对天线定标网络的温变特性进行定量测量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种方位多通道星载SAR天线定标网络温变特性测量方法，其特征在于，对用于卫星真空热试验的方位多通道星载SAR的初样产品进行改造，所述初样产品包括多个通道，所述改造包括：选择多个通道中的采用结构热控产品的通道之一，将该通道中的结构热控产品替换为电性产品，并设置第一级功分器、第二级功分器和第三级功分器；所述电性产品包括收发1:4功分器和定标1:4功分器；采用长度小于或等于30厘米的高频电缆相互连接的收发1:4功分器和定标1:4功分器构成第三级功分器；第一级功分器包括辅助1:4功分器和定标1:4功分器，将所述辅助1:4功分器的一个端口与将结构热控产品替换为电性产品的通道的第二级功分器中的收发1:4功分器连接，所述辅助1:4功分器的总端口连接微波组合第三端口；用穿舱电缆将第一级功分器中的定标1:4功分器的一个端口连接至微波组合第四端口；根据信号电平大小，在微波组合第三端口和微波组合第四端口设置衰减器；经过所述改造后形成辅助定标通路，获得辅助接收定标数据，基于初样产品得到的接收定标数据、辅助接收定标数据和初样产品得到的参考定标数据，提取出天线定标网络的幅相特性，实现天线定标网络幅相温变特性的定量测量。
2.根据权利要求1所述的一种方位多通道星载SAR天线定标网络温变特性测量方法，其特征在于，所述电性产品为实现电性能的电子部件。
3.根据权利要求2所述的一种方位多通道星载SAR天线定标网络温变特性测量方法，其特征在于，所述辅助1:4功分器与第一级功分器中的定标1:4功分器的结构一致，用于测试获取天线定标网络温变特性。
4.根据权利要求2所述的一种方位多通道星载SAR天线定标网络温变特性测量方法，其特征在于，所述参考定标数据通过参考定标通路获得，所述接收定标数据通过接收定标通路获得；当通道数为n时，将第i通道的结构热控产品替换为电性产品，第i通道为采用结构热控产品的通道之一，i=2，3，……n，所述接收定标通路包括：
1）第1至第i-1接收定标通路，包括第1通道至第i-1通道；
2）第i接收定标通路，包括将结构热控产品替换为电性产品的通道，定标结果设为CAL_R（i）；
3）第n-i接收定标通路，包括未将结构热控产品替换为电性产品的通道，定标结果设为CAL_R（n-i）；
所述参考定标通路包括第1通道至第n通道，定标结果分别设为CAL_S（1）~CAL_S（n）；
所述第1至第i-1接收定标通路和参考定标通路是方位多通道星载SAR正常在轨工作时使用的定标通路，所述第i接收定标通路和第n-i接收定标通路为辅助定标通路。
5.根据权利要求4所述的一种方位多通道星载SAR天线定标网络温变特性测量方法，其特征在于，
天线定标网络和天线馈电网络的定标结果= (CAL_R（i）- CAL_S（i）)- (CAL_R（n-i）-CAL_S（n）)
上式计算结果的一半即为天线定标网络的定标结果：
天线定标网络温变特性 = [(CAL_R（i）- CAL_S（i）)- (CAL_R（n-i）- CAL_S（n）) ]/2
即实现在卫星初样真空热试验中对天线定标网络的温变特性进行定量测量。
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