CN104597467B - 一种基于相控阵的gnss-r探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于相控阵的GNSS‑R探测装置及方法，该装置包括：由左旋天线阵列、右旋天线阵列及射频前端组成的双面相控阵天线，左旋天线阵列与右旋天线阵列背靠背，射频前端安装于左旋天线阵列和右旋天线阵列之间；由多通道射频接收单元及相关器单元组成的多普勒延迟映射接收机。双面相控阵天线接收信号，送给多普勒延迟映射接收机进行处理。该方法包括：设置双面相控阵天线及多普勒延迟映射接收机，多普勒延迟映射接收机根据设置完成导航卫星的选择及镜面反射点预测，向双面相控阵天线发送波束指向控制指令，使其波束指向所需的角度。本发明的基于相控阵的GNSS‑R探测装置及方法可覆盖多个海面区域，扩大了刈幅，提高了时间分辨率。

Description

一种基于相控阵的GNSS-R探测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种探测装置，特别涉及一种基于相控阵的GNSS-R探测装置及方法。

背景技术

如今，GNSS技术已经深入到国防应用、经济生产和日常生活的各个方面。对于利用GNSS卫星海面反射的信号进行海洋动力环境探测的应用和研究也越来越引起人们的关注。GNSS-R（Global Navigation Satellite System-Reflection）遥感技术是利用导航卫星L波段信号，以岸基、航空或星载平台，接收并处理海洋、陆地或目标反射信号，实现特征要素提取或目标探测的技术，是国内外遥感和导航技术领域研究热点之一。该技术研究的最终目标是进行星载观测，通过多星组网实现全球覆盖，利用GNSS导航卫星的反射信号对海洋进行海洋动力环境探测，主要应用于海洋风场反演、中尺度海面高度测量、海冰探测等方面。

GNSS-R技术采用双基雷达前向散射模式进行探测。GNSS卫星发射信号为右旋圆极化，经海面散射后，信号强度衰减并且信号极性翻转，呈左旋圆极化。因此，GNSS-R海洋动力环境探测仪器需要使用两副天线，一副是对天的右旋天线，接收GNSS直射信号；另一副是对地的左旋天线，接收GNSS反射信号。在星载高度，海面反射信号微弱，需采用高增益天线接收反射信号。目前，大多采用机载固定波束GNSS-R遥感设备开展海面遥感的研究，机载GNSS-R探测仪一般使用宽波束天线进行推扫，接收海面反射信号；在星载高度，海面反射信号微弱，需采用高增益天线接收反射信号。高增益天线波束较窄，采用推扫方式只能接收星下点区域镜面反射信号，覆盖范围较小，但采用多波束相控阵天线，可对多个海面区域进行覆盖，扩大了刈幅，提高了时间分辨率。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种基于相控阵的GNSS-R探测装置及方法，其采用多波束相控阵天线，可对多个海面区域进行覆盖，扩大了刈幅，提高了时间分辨率，解决星载测高技术的波束窄、覆盖范围小的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种基于相控阵的GNSS-R探测装置，其包括：双面相控阵天线，多普勒延迟映射接收机。所述双面相控阵天线包括左旋天线阵列、右旋天线阵列以及射频前端，所述左旋天线阵列与所述右旋天线阵列为背靠背方式，所述射频前端安装于所述左旋天线阵列和所述右旋天线阵列中间；所述多普勒延迟映射接收机包括多通道射频接收单元以及相关器单元；其中：所述右旋天线阵列用于接收GNSS直射信号，所述左旋天线阵列用于接收GNSS反射信号，所述射频前端用于对所述右旋天线阵列和所述左旋天线阵列接收的直射信号、反射信号进行处理；所述多通道射频接收单元接收所述双面相控阵天线传输来的直射信号、反射信号，对其进行处理，形成直射中频信号、反射中频信号，所述相关器单元接收所述直射中频信号、反射中频信号，对其进行处理，输出相关功率。

本发明采用多波束双面相控阵天线通过天线波束指向控制，可对多个海面区域进行覆盖，扩大了刈幅，提高了时间分辨率；相控阵天线为模块化设计，为天线的扩展提供了方便，当需要提高天线增益，扩大天线阵面时，只需通过天线子模块设计来对其进行扩展。

较佳地，所述左旋天线阵列与所述右旋天线阵列分别对应一个所述射频前端，两个所述射频前端之间设置有隔板。

较佳地，所述射频前端为一体化射频前端，设置于所述左旋天线阵列和所述右旋天线阵列之间，所述一体化射频前端包括：多通道接收组件、激励器、波束控制器以及馈电网络；其中：所述多通道接收组件安装于所述左旋天线阵列以及所述右旋天线阵列的天线单元的后端；所述馈电网络与所述多通道接收组件、所述激励器以及所述波束控制器相连。射频前端采用一体化设计，集成度高、尺寸小、功耗低、重量轻；其设置于两个天线阵列的中间，可以节省空间，降低天线的高度。

较佳地，所述馈电网络为多层综合馈电网络。现有的馈电网络在信号合成时，频率较低一般采用射频电缆网络，其缺点在于要求电缆长度完全一致，在通道数较多时，网络复杂，电缆数量较多，幅度、相位一致性难以保证，调试、测试工作量大；供配电和控制信号是通过制作低频电缆实现，供配电和控制信号数量较多时，容易出错。本发明采用多层印制板结构的馈电网络，结构简单、调试容易，幅度相位一致性高，电磁兼容性和稳定性也比较好。

较佳地，还包括校正源，所述相关器单元产生控制信号对所述校正源进行校正控制，所述校正源产生校正源信号，对通道间幅度、相位一致性进行测量；所述射频前端接收所述校正源信号，由相关器单元产生通道间幅度、相位一致性测量结果；所述相关器单元根据通道间幅度、相位一致性测量结果，计算相应的通道间幅度、相位补偿，反馈给所述射频前端。采用在轨校正方式，能够有效校正由于温度影响和元器件老化等原因带来的通道间幅度相位不一致，提高探测装置的探测精度。

较佳地，所述探测装置的工作模式包括探测模式和校正模式两种选择。

较佳地，所述探测装置的控制模式包括遥控模式和自主模式两种选择。

较佳地，所述探测装置的波束调度方式包括多波束工作和单波束工作两种选择。

较佳地，所述探测装置的测量模式包括测高模式和测风模式两种选择。

较佳地，所述探测装置的导航***包括GPS***单模工作、BD***单模工作和GPS+BD双模工作三种选择。

本发明的探测装置可根据不同的环境和探测需要进行多种模式的组合，提高了探测装置的实用性，使其适用于各种不同的环境。

本发明还提供一种实现基于相控阵的GNSS-R探测方法，包括以下步骤：S111：背靠背方式设置左旋天线阵列与右旋天线阵列；

S112：将射频前端安装于所述左旋天线阵列和所述右旋天线阵列中间，形成双面相控阵天线；

S113：将所述双面相控阵天线与多普勒延迟映射机相连；

S114：所述多普勒映射接收机的相关器单元完成工作方式的选择，根据导航定位信息完成导航卫星的选择以及镜面反射点预测，产生波束指向控制指令；

S115：射频前端接收所述波束指向控制信号，将天线波束指向所需角度，便可以进行探测；

其中：所述工作方式包括工作模式、探测模式、波束调度方式、测量模式以及导航***中的一种或多种。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

（1）本发明提供的基于相控阵的GNSS-R探测装置采用多波束相控阵天线，通过天线波束指向控制，可对多个海面区域进行覆盖，扩大了刈幅，提高了时间分辨率；

（2）本发明射频前端采用一体化设计，集微波信号放大、多通道波束合成、天线指向波控码计算和配相，多个波束开关选通，幅度相位一致性校正为一体，***集成度高、尺寸小、功耗低、重量轻；

（3）本发明采用在轨校正方式，能减小由于温度影响和元器件老化带来的通道间幅度相位不一致，提高探测精度；

（4）本发明的馈电网络为多层印制板综合馈电网络，相比使用现有的电缆网络进行馈电，结构简单、调试容易，功率合成的幅度相位一致性、电磁兼容性以及稳定性比较好。

（5）本发明采用的相控阵天线是模块化设计，当需要提高天线增益，扩大天线阵面时，可通过设计拼接天线子模块来实现，因此，其扩展性强。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明的实施例1的基于相控阵天线的GNSS-R探测装置的结构示意图；

图2为本发明的实施例2的一体化相控阵天线的结构示意图；

图3为本发明的实施例3的基于相控阵天线的GNSS-R探测装置的结构示意图；

图4为本发明的实现基于相控阵天线的GNSS-R探测方法的工作流程图；

图5为本发明的实施例5的相关器单元进行模式组合的工作流程图。

标号说明：1-双面相控阵天线，11-左旋天线阵列，12-右旋天线阵列，13-射频前端，14-隔板，131-多通道接收组件，132-激励器，133-波束控制器，134-馈电网络，2-多普勒延迟映射接收机，21-多通道射频接收单元，22-相关器单元，3-校正源。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

本实施例详细描述本发明的基于相控阵天线的GNSS-R探测装置，其结构如图1所示，包括双面相控阵天线1和多普勒延迟映射接收机2。双面相控阵天线1包括左旋天线阵列11、右旋天线阵列12以及射频前端13，左旋天线阵列11与右旋天线阵列12背靠背安装，射频前端13安装于左旋天线阵列11和右旋天线阵列12之间，左旋天线阵列11与右旋天线阵列12分别对应一个射频前端13，两个射频前端13之间设置有隔板14；多普勒延迟映射接收机2包括多通道射频接收单元21以及相关器单元22；其中：左旋天线阵列11用于接收GNSS反射信号，右旋天线阵列12用于接收GNSS直射信号，射频前端13用于对左旋天线阵列11和右旋天线阵列12接收的反射信号、直射信号进行放大、合成；多通道射频接收单元21接收双面相控阵天线1传输来的处理后的直射信号、反射信号，对其进行通道分离、变频、放大，形成直射中频信号、反射中频信号，相关器单元22接收多通道射频接收单元21传输来的直射中频信号、反射中频信号，对其进行采集和互相关运算，输出一维的时延相关功率或二维的时延多普勒相关功率。

实施例2：

本实施例是在实施例的基础上，详细描述射频前端13，如图2所示，此射频前端13为一体化设计，包括多通道接收组件131，激励器132、波束控制器133以及馈电网络134。左旋天线阵列11和右旋天线阵列12的每个天线单元后端都接一多通道接收组件131，左旋天线阵列11和右旋天线阵列12分别对应一波束控制器132、一激励器133以及一馈电网络134，多通道接收组件131、波束控制器132以及激励器133分别与馈电网络134相连。

本实施例的馈电网络134为多层印制板结构，通过计算机仿真后进行布局，使用多层印制版加工技术一次成型，集微波功率合成、供配电和信号控制为一体。相比使用电缆网络，结构简单，调试容易，功率合成的幅度相位一致性高，电磁兼容性和稳定性也比较好。

本实施例中，射频前端13设置在左旋天线阵列11和右旋天线阵列12之间，能够节省空间，降低天线的高度。

实施例3：

本发明是在实施例2的基础上，增加了校正源3，相关器单元22产生控制信号对校正源3进行校正控制，校正源3产生校正源信号，对通道间幅度、相位一致性进行测量；多通道接收组件131接收校正源信号；相关器单元22产生通道间幅度、相位一致性测量结果；相关器单元22根据通道间幅度、相位一致性测量结果，计算相应的通道间幅度、相位补偿，反馈给波束控制器132，对通道间幅度相位进行补偿，其采用在轨校正方式，能够有效解决由于温度影响和元器件老化等原因引起的通道间幅度相位不一致的问题，提高了探测精度。

实施例4：

本实施例详细描述本发明的基于相控阵的GNSS-R探测方法，包括以下步骤：

S111：背靠背设置左旋天线阵列与右旋天线阵列；

S112：将射频前端安装于所述左旋天线阵列和所述右旋天线阵列之间，形成双面相控阵天线；

S113：将所述双面相控阵天线与多普勒延迟映射机相连；

S114：所述多普勒映射接收机的相关器单元完成多种工作模式的不同组合，根据导航定位信息完成导航卫星的选择以及镜面反射点预测，产生波束指向控制信号；

S115：射频前端13的波束控制器133接收所述波束指向控制信号，转到所需的波束指向角度，右旋天线阵列11的N个波束对准N个不同的GNSS卫星，左旋天线阵列12的N个波束分别对准右旋天线阵列的波束所指向的GNSS卫星的海面镜面反射点，进行探测，多普勒延迟映射接收机接收天线输出的导航卫星直射信号和海面反射信号，对其进行相关处理。

其中：相关器单元22对工作方式进行选择，包括对工作模式、控制模式、波束调度方式、测量模式以及导航***的选择和组合。本实施例中工作模式可以有探测模式和校正模式两种选择，控制模式可以有遥控模式和自主模式两种选择，波束调度方式可以有多波束工作和单波束工作两种选择，测量模式可以有测高模式和测风模式两种选择，导航***可以有GPS***单模工作、BD单模工作以及GPS+BD双模工作三种选择。相关器单元22可以对上述工作方式进行不同的选择和组合。

实施例5：

本实施例详细描述一种相关器单元22对工作方式进行选择和组合的工作流程，其流程图如图4所示。

首先进行控制模式的选择，其是通过遥控指令的判断，如果是则选择遥控模式，如果否则选择自主模式；

当为自主模式时，接着进行探测模式的选择，其是通过进行定期校正判断，如果是则将校正源开机，对***进行校正，然后返回对控制方式的选择；如果否则选择测高模式，接着选择多波束工作，完成工作方式的选择和组合，进行探测；

当为遥控模式时，接着进行探测模式的选择，其是通过***校正判断，如果是则将校正源开机，对***进行校正，然后返回对控制方式的选择；如果否则进行导航***的选择，接着进行测量模式的选择，制定选星策略，最后进行波束调度方式的选择，完成工作方式的选择和组合，进行探测。

此处只是给出一个工作方式选择和组合的例子，不同实施例中，对各种工作方式选择的顺序可以不同，也可根据需要对其中的一种或多种工作方式进行限定，限定为特定的某一种，不必进行选择。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于相控阵的GNSS-R探测装置，其特征在于，包括：

双面相控阵天线，其包括左旋天线阵列、右旋天线阵列以及射频前端，所述左旋天线阵列与所述右旋天线阵列为背靠背方式，所述射频前端安装于所述左旋天线阵列和所述右旋天线阵列之间；

所述右旋天线阵列用于接收GNSS直射信号，所述左旋天线阵列用于接收GNSS反射信号，所述射频前端用于对所述右旋天线阵列和所述左旋天线阵列接收的直射信号、反射信号进行处理；

多普勒延迟映射接收机，其包括多通道射频接收单元以及相关器单元；其中：

所述多通道射频接收单元接收所述双面相控阵天线传输来的直射信号、反射信号，对其进行处理，形成直射中频信号、反射中频信号，所述相关器单元接收所述直射中频信号、反射中频信号，对其进行处理，输出相关功率；

还包括校正源，所述校正源产生校正源信号，所述相关器单元产生控制信号对所述校正源进行校正控制；

所述射频前端接收所述校正源信号，由相关器单元对通道间幅度、相位一致性进行测量，产生通道间幅度、相位一致性测量结果；

所述相关器单元根据通道间幅度、相位一致性测量结果，计算相应的通道间幅度、相位补偿，反馈给所述射频前端。

2.根据权利要求1所述的基于相控阵的GNSS-R探测装置，其特征在于，所述左旋天线阵列与所述右旋天线阵列分别对应一个所述射频前端，两个所述射频前端之间设置有隔板。

3.根据权利要求1所述的基于相控阵的GNSS-R探测装置，其特征在于，所述射频前端为一体化射频前端，设置于所述左旋天线阵列和所述右旋天线阵列之间，所述一体化射频前端包括：多通道接收组件、激励器、波束控制器以及馈电网络；其中：

所述多通道接收组件安装于所述左旋天线阵列以及所述右旋天线阵列的天线单元的后端；

所述馈电网络与所述多通道接收组件、所述激励器以及所述波束控制器相连。

4.根据权利要求3所述的基于相控阵的GNSS-R探测装置，其特征在于，所述馈电网络为多层综合馈电网络。

5.根据权利要求1所述的基于相控阵的GNSS-R探测装置，其特征在于，所述探测装置的工作模式包括探测模式和校正模式两种选择。

6.根据权利要求1所述的基于相控阵的GNSS-R探测装置，其特征在于，所述探测装置的控制模式包括遥控模式和自主模式两种选择。

7.根据权利要求1所述的基于相控阵的GNSS-R探测装置，其特征在于，所述探测装置的波束调度方式包括多波束工作和单波束工作两种选择。

8.根据权利要求1所述的基于相控阵的GNSS-R探测装置，其特征在于，所述探测装置的测量模式包括测高模式和测风模式两种选择。

9.根据权利要求1所述的基于相控阵的GNSS-R探测装置，其特征在于，所述探测装置的导航***包括GPS***单模工作、BD***单模工作和GPS+BD双模工作三种选择。

10.一种实现基于相控阵的GNSS-R探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S111：背靠背方式设置左旋天线阵列与右旋天线阵列；

S112：将射频前端安装于所述左旋天线阵列和所述右旋天线阵列中间，形成双面相控阵天线；

S113：将所述双面相控阵天线与多普勒延迟映射机相连；

S114：所述多普勒映射接收机的相关器单元完成工作方式的选择，根据导航定位信息完成导航卫星的选择以及镜面反射点预测，产生波束指向控制信号，所述波束指向控制信号产生的过程中还包括：

所述相关器单元产生控制信号对校正源进行校正控制，所述校正源产生校正源信号；

所述射频前端接收所述校正源信号，由相关器单元对通道间幅度、相位一致性进行测量，产生通道间幅度、相位一致性测量结果；

所述相关器单元根据通道间幅度、相位一致性测量结果，计算相应的通道间幅度、相位补偿，反馈给所述射频前端；

S115：所述射频前端接收所述波束指向控制信号，将天线波束指向所需角度；

其中：所述工作方式包括工作模式、控制模式、波束调度方式、测量模式以及导航***中的一种或多种。