一種星載SAR定標(biāo)接收機(jī)誤差分析

束永江，何 勤，趙建農(nóng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

星載合成孔徑雷達(dá)(SAR）是一種工作在微波頻段的主動(dòng)式遙感器，是合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星的主要有效載荷。它能夠不受日照和天氣條件的限制，全天候、全天時(shí)地對(duì)地觀測(cè)。這些特點(diǎn)使它在災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋觀測(cè)、農(nóng)作物評(píng)估、測(cè)繪和軍事等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，而這些應(yīng)用都需要定量測(cè)量目標(biāo)的特征，排除SAR 系統(tǒng)中的誤差因素，得到目標(biāo)回波的絕對(duì)值。這就需要進(jìn)行外定標(biāo)［1］。微波輻射定標(biāo)場(chǎng)地面定標(biāo)接收機(jī)是星載SAR 主要外定標(biāo)設(shè)備。為滿足系統(tǒng)測(cè)量的高精度要求，定標(biāo)接收機(jī)自身的高精度指標(biāo)尤為重要，其精度誤差分析是關(guān)鍵。本文就定標(biāo)接收機(jī)高精度指標(biāo)進(jìn)行了誤差分析。

1 定標(biāo)接收機(jī)工作原理

作為微波輻射定標(biāo)場(chǎng)的主要定標(biāo)設(shè)備之一，定標(biāo)接收機(jī)用于完成星載SAR 系統(tǒng)天線方向圖的測(cè)量、星載SAR 輻射功率的測(cè)量等。為精確測(cè)量星載SAR 天線方向圖及星載SAR 輻射功率，定標(biāo)接收機(jī)需要有很高的測(cè)量精度。圖1為定標(biāo)接收機(jī)功能實(shí)現(xiàn)框圖。

圖1 定標(biāo)接收機(jī)功能實(shí)現(xiàn)框圖

定標(biāo)接收機(jī)工作原理為:在設(shè)備接收星載SAR發(fā)射的雷達(dá)信號(hào)時(shí)，雷達(dá)信號(hào)經(jīng)地面定標(biāo)接收機(jī)天線進(jìn)入接收前端低噪聲放大器放大，經(jīng)增益控制、對(duì)數(shù)檢波后進(jìn)行AD 采樣，形成的采樣數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到存儲(chǔ)單元內(nèi)。

圖1中，指向裝置包括天線轉(zhuǎn)臺(tái)和伺服驅(qū)動(dòng)控制器，為定標(biāo)接收機(jī)天線提供精確的俯仰和方位角度控制;時(shí)間同步包括GPS定時(shí)裝置，提供系統(tǒng)所需的GPS時(shí)間;自校系統(tǒng)主要包括耦合器、校準(zhǔn)開關(guān)以及用校準(zhǔn)信號(hào)作參考實(shí)現(xiàn)通道增益內(nèi)校準(zhǔn)的校準(zhǔn)算法;微機(jī)控制單元實(shí)現(xiàn)全機(jī)的狀態(tài)控制、內(nèi)校準(zhǔn)自動(dòng)控制及數(shù)據(jù)交換;基準(zhǔn)源是用來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)所需的時(shí)鐘信號(hào)及用于系統(tǒng)校準(zhǔn)的校準(zhǔn)信號(hào)。

2 定標(biāo)接收機(jī)誤差分析

為實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，在定標(biāo)接收機(jī)設(shè)計(jì)研制中采用了內(nèi)校準(zhǔn)及外標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)誤差分析得到系統(tǒng)最終的精度指標(biāo)。定標(biāo)接收機(jī)指標(biāo)精度誤差主要包括天線指向精度誤差、幅度測(cè)試穩(wěn)定度誤差和幅度測(cè)試精度誤差。因此，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)誤差分析是關(guān)鍵。

2.1 天線指向精度誤差分析

在接收星載SAR信號(hào)時(shí)，定標(biāo)接收機(jī)的接收天線需指向衛(wèi)星到來(lái)的方向，對(duì)天線系統(tǒng)指向精度要求很高。天線指向控制分為方位指向控制和俯仰指向控制兩部分，分別控制天線的方位角和俯仰角。

對(duì)影響天線指向精度的各種誤差進(jìn)行了分析，其中天線方位向指向精度包括天線方位指向控制誤差和設(shè)備定北精度，天線俯仰指向精度包括天線俯仰向指向控制誤差。

(1）天線指向控制誤差

定標(biāo)接收機(jī)天線的轉(zhuǎn)動(dòng)及方位調(diào)整或俯仰調(diào)整主要靠伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)完成，因此伺服驅(qū)動(dòng)的精度誤差即為天線的指向控制誤差，包括方位和俯仰兩個(gè)軸向的控制。方位和俯仰的驅(qū)動(dòng)均采用精密步進(jìn)電機(jī)，采用的檢測(cè)元件的精度高于控制精度3 倍以上，角度反饋采用的位置傳感器為精度達(dá)0.05°的旋轉(zhuǎn)變壓器，再加上軸系安裝精度、軸角變換器的精度誤差影響，天線控制精度誤差能夠控制在0.3°以內(nèi)。

以方位軸為例，根據(jù)分析，系統(tǒng)的精度主要與反饋裝置的精度和計(jì)算精度有關(guān)，而與閉環(huán)內(nèi)的所有環(huán)節(jié)關(guān)系較小。對(duì)本系統(tǒng)而言，旋轉(zhuǎn)變壓器的精度為0.05°，軸角轉(zhuǎn)換器變換的精度為0.02°，旋轉(zhuǎn)變壓器安裝誤差可以做到0.002°，零點(diǎn)漂移0.002°。由于伺服控制軟件在反饋值與給定值相差小于5個(gè)碼時(shí)就認(rèn)為到位了，所以計(jì)算精度為0.1°，由誤差計(jì)算公式計(jì)算可得

天線方位指向控制誤差為

同樣，可得天線俯仰指向控制誤差為0.1136°。

(2）定北儀定北誤差

本系統(tǒng)是依據(jù)高精度定北來(lái)實(shí)現(xiàn)天線方位指向的絕對(duì)精度，采用光纖陀螺定北儀。該定北儀采用第3代光纖陀螺技術(shù)，與傳統(tǒng)陀螺定北儀相比，具有精度高、長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性好、抗振動(dòng)等特點(diǎn)。其主要指標(biāo)如下:

定北精度:≤0.1°(σ）

定北精度:≤0.15°(3σ）

定北時(shí)間:≤5 min

定北儀安裝在定標(biāo)接收機(jī)電子設(shè)備機(jī)箱的安裝底板上。該底板裝有天線轉(zhuǎn)臺(tái)底座，同時(shí)有一定北儀定位安裝接口。這樣，定北儀和天線轉(zhuǎn)臺(tái)底座在結(jié)構(gòu)上為一體安裝，共同安裝在機(jī)箱底板上。安裝前，對(duì)定北儀安裝接口的定位安裝法線進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后定北儀的安裝精度≤0.1°。由于定北儀精度為≤0.15°(3σ），所以最后由誤差公式(1）計(jì)算可得到設(shè)備定北精度為0.18°(3σ）。

(3）天線指向精度

天線俯仰向指向精度即為天線俯仰指向控制誤差0.11°。

天線方位向指向精度:由于定標(biāo)接收機(jī)的定北精度為0.18((3σ），天線方位指向控制誤差為0.1136°，由誤差公式(1）計(jì)算可得天線方位向指向精度為0.22°。

2.2 幅度測(cè)試穩(wěn)定度誤差分析

為實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，定標(biāo)接收機(jī)自身接收通道增益的穩(wěn)定度十分關(guān)鍵。在定標(biāo)接收機(jī)設(shè)計(jì)研制中采用了接收通道增益內(nèi)校準(zhǔn)技術(shù)。該技術(shù)是保證系統(tǒng)幅度測(cè)試穩(wěn)定度的關(guān)鍵。接收通道增益內(nèi)校準(zhǔn)原理框圖如圖2。

圖2 通道增益內(nèi)校準(zhǔn)示意框圖

系統(tǒng)穩(wěn)定度的定義為系統(tǒng)在重復(fù)多次測(cè)試時(shí)各次測(cè)試的幅度值之差。由此可見，系統(tǒng)的高精度測(cè)試是建立在穩(wěn)定度基礎(chǔ)上的。穩(wěn)定度包括短期穩(wěn)定度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度，系統(tǒng)幅度測(cè)試穩(wěn)定度即為長(zhǎng)期穩(wěn)定度。

(1）短期穩(wěn)定度

由通道增益內(nèi)校準(zhǔn)原理可得:

影響短期穩(wěn)定度的主要誤差因素有:

·AD 量化誤差≤0.02 dB;

·系統(tǒng)隨機(jī)噪聲引起的幅度測(cè)試誤差≤0.02 dB。

由誤差公式(1）計(jì)算可得短期穩(wěn)定度≤0.03 dB。

(2）長(zhǎng)期穩(wěn)定度

由通道增益內(nèi)校準(zhǔn)原理可得:

長(zhǎng)期穩(wěn)定度主要包括:

(a）內(nèi)校準(zhǔn)誤差，其構(gòu)成包括:

·數(shù)控衰減器步進(jìn)誤差≤0.05 dB;

·RF 對(duì)數(shù)檢波器線性度誤差≤0.1 dB;

·定向耦合器精度誤差≤0.1 dB。

由誤差公式(1）計(jì)算可得內(nèi)校準(zhǔn)誤差≤0.15 dB。

(b）天線指向精度造成的幅度測(cè)試誤差

天線指向精度≤0.22°(0.22°造成的幅度測(cè)試誤差為≤0.02 dB）。

(c）短期穩(wěn)定度≤0.03 dB

由誤差公式(1）計(jì)算可得幅度測(cè)試穩(wěn)定度即長(zhǎng)期穩(wěn)定度≤0.16 dB。

2.3 幅度測(cè)試精度誤差分析

為了對(duì)接收到的SAR信號(hào)進(jìn)行功率絕對(duì)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)高精度幅度測(cè)試精度，定標(biāo)接收機(jī)需要進(jìn)行功率標(biāo)定。定標(biāo)接收機(jī)功率標(biāo)定框圖如圖3。

功率標(biāo)定建立在接收通道增益內(nèi)校準(zhǔn)基礎(chǔ)上，其方法是:在常溫下，先對(duì)定標(biāo)接收機(jī)進(jìn)行通道增益內(nèi)校準(zhǔn)，用信號(hào)產(chǎn)生器或類似儀表(其輸出信號(hào)功率已標(biāo)定）作標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，輸出信號(hào)功率為P0。該信號(hào)從天線后的饋線耦合口饋入通道，在后級(jí)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到經(jīng)過(guò)整個(gè)通道后信號(hào)的功率讀值Pr，設(shè)定此功率讀值為標(biāo)準(zhǔn)功率讀值。依此方法建立一幅度真值對(duì)應(yīng)表。在進(jìn)行SAR信號(hào)幅度測(cè)量時(shí)，定標(biāo)接收機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)AD 量化后用量化值直接查表即可得到該信號(hào)對(duì)應(yīng)的幅度值。

(1）功率標(biāo)定誤差

由定標(biāo)接收機(jī)功率標(biāo)定框圖可知，用上述方法實(shí)現(xiàn)定標(biāo)接收機(jī)功率標(biāo)定時(shí)未包含天線。天線是在暗室實(shí)行單獨(dú)測(cè)試的，其增益測(cè)量誤差為≤±0.04 dB。因此，定標(biāo)接收機(jī)功率標(biāo)定誤差主要包括:

·標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源精度誤差≤±0.04 dB;

·天線增益測(cè)試誤差≤±0.04 dB。

圖3 定標(biāo)接收機(jī)功率標(biāo)定框圖

這樣，由誤差公式(1）計(jì)算可得功率標(biāo)定誤差≤0.057 dB。

(2）幅度測(cè)試精度誤差

幅度測(cè)試精度誤差包括:

·幅度測(cè)試穩(wěn)定度≤0.16 dB;

·功率標(biāo)定誤差:≤0.057 dB。

由系統(tǒng)誤差分析可知，幅度測(cè)試精度為系統(tǒng)穩(wěn)定度與功率標(biāo)定誤差之和，計(jì)算可得幅度測(cè)試總精度為0.217 dB。

3 定標(biāo)接收機(jī)指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果

該定標(biāo)接收機(jī)已交付用戶使用，出廠前進(jìn)行了用戶驗(yàn)收測(cè)試，指標(biāo)實(shí)測(cè)如下:

天線方位向指向精度:≤±0.3°

天線俯仰向指向精度:≤±0.2°

幅度測(cè)試穩(wěn)定度:≤0.19 dB

幅度測(cè)試精度:≤0.28 dB

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)定標(biāo)接收機(jī)的高精度指標(biāo)進(jìn)行了定量誤差分析，給出了誤差分析模型和系統(tǒng)高精度指標(biāo)的誤差計(jì)算。目前，國(guó)外用于星載SAR 系統(tǒng)的外定標(biāo)技術(shù)發(fā)展很快，用于星載SAR定標(biāo)的定標(biāo)器的幅度測(cè)量精度一般在0.2～0.5 dB，長(zhǎng)期穩(wěn)定度在0.1～0.3 dB的范圍內(nèi)。本文所述的定標(biāo)接收機(jī)已研制完成，并成功應(yīng)用于我國(guó)第一代SAR 遙感衛(wèi)星的地面定標(biāo)，其幅度測(cè)量精度優(yōu)于0.3 dB，穩(wěn)定度優(yōu)于0.2 dB。該定標(biāo)接收機(jī)具有無(wú)人值守功能，可按設(shè)定時(shí)間和角度自動(dòng)開機(jī)、調(diào)整天線指向并進(jìn)行SAR信號(hào)的測(cè)試記錄，可廣泛應(yīng)用于遙感、測(cè)繪、資源偵察等星載SAR的外定標(biāo)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］John C.Curlander.合成孔徑雷達(dá):系統(tǒng)與信號(hào)處理［M］.韓傳釗，等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2006.12.

［2］束永江，等.一種微波輻射定標(biāo)場(chǎng)接收機(jī)通道自校準(zhǔn)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2005 (2）.

［3］魏鐘銓，等.合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.

［4］袁孝康.星載合成孔徑雷達(dá)的輻射校準(zhǔn)［J］.上海航天，1998 (4）:13-9.