CN115963460A - 轻小型卫星sar天线板间相位误差补偿方法及*** - Google Patents

轻小型卫星sar天线板间相位误差补偿方法及*** Download PDF

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CN115963460A CN202211731795.4A CN202211731795A CN115963460A CN 115963460 A CN115963460 A CN 115963460A CN 202211731795 A CN202211731795 A CN 202211731795A CN 115963460 A CN115963460 A CN 115963460A
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范军
于迎军
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王海涛
路瑞峰
侯雨生
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Abstract

本发明提供了一种轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法及***，包括：步骤S1：标定喇叭天线位置，计算射频链路电平，建立无线内定标测试状态；步骤S2：设置雷达载荷工作参数指令包模式及参数，进行载荷开机成像，对载荷数据处理及分析；步骤S3：对数据处理及分析后的数据进行空间距离标定；步骤S4：根据标定的空间距离进行板间相位误差计算。本发明轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法重点解决了SAR天线子板在卫星舱体上安装及板间电缆重新连接带来板间相位误差问题，无需在微波暗室近场扫描***完成板间各通道相位误差的测量。

Description

轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法及***
技术领域
本发明涉及航天***技术领域，具体地，涉及一种轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法及***。
背景技术
星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种全天候全天时的主动对地观测手段，在军事高分观测、自然资源监测、海洋监测等领域发挥了重要的应用价值。星载SAR卫星大多数采用的平面有源相控阵体制天线，由于运载火箭包络限制，SAR天线在结构上由多个子板组成，在整星测试阶段完成收拢和展开。
传统大卫星SAR中央电子设备和天线集成测试都是与整星舱体连接在一起进行，这样占用了整星舱体严重拖延了平台的装星测试时间。对于轻小型SAR卫星为了缩短整星的研制流程，SAR载荷产品集成测试阶段可以不需要与卫星舱体集成，但是这就导致SAR天线在转阶段时各子板要经历板间高频电缆拆卸，以及子板的运输、安装、与舱体集成等流程，这样天线子板在卫星舱体上安装及板间电缆重新连接会带来板间相位误差，板间的误差主要来自主路射频通路误差和定标网络误差，射频主路误差会影响载荷成像质量。因此，天线板间电缆相位误差必须要进行精确标定和补偿，从而确保SAR天线全阵所有辐射通道相位的一致性。
对于传统SAR卫星，往往采用内定标器用来监测***各有源通路幅度和相位在成像过程中的相对变化，同时进行补偿及校准，但是这种常规有线内定标方法往往区分不了板间相位误差来自主路还是定标路；采用矢量网络分析仪测量测量板间相位，需要断开板间电缆，将矢网一端连接板间电缆，另一端连接总功分器，这种方法不需要整星加电，方法简单，但是将板间电缆恢复星上状态时，不可避免导致电缆连接处形状产生变化，这样会造成板板间相位误差补偿不够精确，同时这种方法涉及到星上电缆操作，风险较大；采用微波暗室近场扫描***对板间各T/R通道进行幅相监测，这种方法虽然测量精度较高，但是方法操作复杂，且耗时较大，会增大轻小型卫星的研制周期。
经检索，在轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法研究上，国内虽已有多项发明专利，但与本发明在方法的实现上存在本质的不同，具体情况如下：
专利多通道星载SAR天线通道间幅相误差的测量与补偿方法(2022年，专利申请号202210139383.5)，采用平面近场测试***测量SAR天线收发馈电链路每个T/R组件所对应的辐射单元的幅相数据，该发明并没有考虑相邻子板间的通道幅相误差的一致性；
专利基于无线单T/R定标的多通道SAR天线性能检测方法(2019年，专利申请号201911150553.4)，采用无线内定标方法对SAR天线性能进行检测，该发明主要检测振动试验前后SAR天线性相对变化量，并没有介绍板间通道相位误差的测量与补偿；
专利卫星SAR天线T/R通道幅相检查装置及其操作方法(2019年，申请号201910689477.8)，该发明主要介绍了测量装置的操作，并没有提出板间通道相位误差的测量与补偿；
专利星载SAR成像接收通道间幅相一致性误差定标测量方法(2019年，申请号201910290379.7)和专利有源相控阵体制SAR通道全链路幅相稳定性测试方法(2019年，申请号201911276320.9)，该发明主要检测不同工况下通道间幅相相对变化量，并没有提到板间通道相位误差的测量与补偿；论文一种新颖的星载SAR无线内定标方法研究(2018年，雷达学报)，该文章提出了无线内定标方法获取了T/R通道幅相特性，并没有提到板间通道相位误差的测量与补偿；
专利星载合成孔径雷达整星阶段板间相位差的远场测量方法(2019年，申请号201910291110.0)，该发明所建立的数据模型不够精确，存在一定的近似误差，另外，该发明并没有提出板间相位补偿方法。
针对轻小型卫星SAR天线板间通道相位补偿方法，目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
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轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法及***。
根据本发明提供的一种轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法，包括：
步骤S1：标定喇叭天线位置，计算射频链路电平，建立无线内定标测试状态；
步骤S2：设置雷达载荷工作参数指令包模式及参数，进行载荷开机成像，对载荷数据处理及分析；
步骤S3：对数据处理及分析后的数据进行空间距离标定；
步骤S4：根据标定的空间距离进行板间相位误差计算。
优选地，在所述步骤S1中：
采用水平仪瞄准喇叭天线探头及SAR天线阵面，确保喇叭天线探头与SAR天线阵面平行，确保喇叭天线探头与地面垂直；将激光测距仪固定在喇叭天线探头上，测量出激光测距仪与喇叭探头之间的相对位置关系，计算出喇叭探头与SAR天线阵面的具***置关系；
接收定标信号链路，调频信号源输出信号经过内定标器和定标测试电缆传输给喇叭天线，通过空间耦合至有源相控阵天线的各T/R组件接收通道，合成后送入雷达接收机；定标信号的安全功率范围由喇叭探头发射功率和T/R组件的接收确定，探头发射功率取自内定标器接收输出信号，根据雷达方程：
Figure BDA0004031835720000031
其中，R为喇叭天线相位中心到天线阵面之间的距离，λ为波长；
根据发射功率Pt dBm、连接电缆插损CL dB、天线单元增益为Gr dB、探头增益GtdB、附加空间传输损耗为SL dB，计算T/R接收端输入功率PrdBm，Pr满足T/R组件接收动态；
接收定标信号链路包含内定标模块输出功率Pcal、定标测试电缆插损CL、喇叭天线增益Gt、探头至天线阵面耦合衰减SL、天线接收增益Gr、微波组合插损ML、接收机增益Gre、接收机手动增益控制Mre，计算整个链路的接收电平总功率为：
Pr＝Pcal+CL+Gt+SL+Gr+ML+Gre+Mre
地面测试电缆链路中串入Pr dB的固定衰减器；
将内定标器连接天线定标网络端口断开，通过一根预设长度的地面高频测试电缆将衰减器和喇叭天线探头相连接，组成了无线内定标网络，与SAR天线构成收发回路。
优选地，在所述步骤S2中：
载荷成像模式设置为连续测试定标模式，定标模式设置为连续单T/R定标，载荷工作模式设置为只接收，整星任务模式设置为对地数传边记边放；设置PRF、工作脉宽，满足最大占空比的限制；设置信号带宽、采样率、采样起始和压缩比，选择帧长，满足最大帧长及最小帧长的限制，以及数据率的限制；设置综合业务参数包括载荷任务起始时刻、任务时长、文件号、文件回放时长及数传任务模式；载荷分***按照指令包参数设置进行开机成像，有效载荷数据通过数传通道对地下传；地面通过对载荷数据进行脉压处理，提取各T/R通道峰值点的相位值。
优选地，在所述步骤S3中：
根据提取的T/R通道相位数据反演出喇叭天线探头与SAR天线之间的空间距离，步骤如下：
步骤S3.1：根据喇叭探头、板间中心，以及波导之间几何关系，建立如下关系：
Figure BDA0004031835720000041
其中，Rn表示喇叭相位中心到第n个波导之间的距离；Yn表示板间中心O’到第n个波导之间的距离，R0为喇叭天线相位中心到天线阵面之间的距离；
步骤S3.2：根据输入的每一块子板各通道相位数据，采用函数拟合方式拟合每一块子板的R0和常数c；
Figure BDA0004031835720000042
其中，φn为每一个子板通道n的相位，k为常数
Figure BDA0004031835720000043
优选地，在所述步骤S4中：
步骤S4.1：将R0和常数c代入公式中，在板间两侧分别拟合出两条相位φ与Y之间的曲线，分别计算出在中点的相位时，相位差为相邻板间的相位差；
步骤S4.2：将子板各通道的相位误差进行补偿后，采用函数拟合方式计算出每一块子板的R0和常数c；
步骤S4.3：将R0和常数c代入公式中，在板间两侧分别拟合出两条相位φ与Y之间的曲线，分别计算出在中点的相位，相位差为补偿后相邻板间的相位差；
步骤S4.4：将板间误差生成波控码，通过遥控方式将波控码上注至载荷分***。
根据本发明提供的一种轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿***，包括：
模块M1：标定喇叭天线位置，计算射频链路电平，建立无线内定标测试状态；
模块M2：设置雷达载荷工作参数指令包模式及参数，进行载荷开机成像，对载荷数据处理及分析；
模块M3：对数据处理及分析后的数据进行空间距离标定；
模块M4：根据标定的空间距离进行板间相位误差计算。
优选地，在所述模块M1中：
采用水平仪瞄准喇叭天线探头及SAR天线阵面，确保喇叭天线探头与SAR天线阵面平行，确保喇叭天线探头与地面垂直；将激光测距仪固定在喇叭天线探头上，测量出激光测距仪与喇叭探头之间的相对位置关系，计算出喇叭探头与SAR天线阵面的具***置关系；
接收定标信号链路，调频信号源输出信号经过内定标器和定标测试电缆传输给喇叭天线，通过空间耦合至有源相控阵天线的各T/R组件接收通道，合成后送入雷达接收机；定标信号的安全功率范围由喇叭探头发射功率和T/R组件的接收确定，探头发射功率取自内定标器接收输出信号，根据雷达方程：
Figure BDA0004031835720000051
其中，R为喇叭天线相位中心到天线阵面之间的距离，λ为波长；
根据发射功率Pt dBm、连接电缆插损CL dB、天线单元增益为Gr dB、探头增益GtdB、附加空间传输损耗为SL dB，计算T/R接收端输入功率PrdBm，Pr满足T/R组件接收动态；
接收定标信号链路包含内定标模块输出功率Pcal、定标测试电缆插损CL、喇叭天线增益Gt、探头至天线阵面耦合衰减SL、天线接收增益Gr、微波组合插损ML、接收机增益Gre、接收机手动增益控制Mre，计算整个链路的接收电平总功率为：
Pr＝Pcal+CL+Gt+SL+Gr+ML+Gre+Mre
地面测试电缆链路中串入Pr dB的固定衰减器；
将内定标器连接天线定标网络端口断开，通过一根预设长度的地面高频测试电缆将衰减器和喇叭天线探头相连接，组成了无线内定标网络，与SAR天线构成收发回路。
优选地，在所述模块M2中：
载荷成像模式设置为连续测试定标模式，定标模式设置为连续单T/R定标，载荷工作模式设置为只接收，整星任务模式设置为对地数传边记边放；设置PRF、工作脉宽，满足最大占空比的限制；设置信号带宽、采样率、采样起始和压缩比，选择帧长，满足最大帧长及最小帧长的限制，以及数据率的限制；设置综合业务参数包括载荷任务起始时刻、任务时长、文件号、文件回放时长及数传任务模式；载荷分***按照指令包参数设置进行开机成像，有效载荷数据通过数传通道对地下传；地面通过对载荷数据进行脉压处理，提取各T/R通道峰值点的相位值。
优选地，在所述模块M3中：
根据提取的T/R通道相位数据反演出喇叭天线探头与SAR天线之间的空间距离，步骤如下：
模块M3.1：根据喇叭探头、板间中心，以及波导之间几何关系，建立如下关系：
Figure BDA0004031835720000061
其中，Rn表示喇叭相位中心到第n个波导之间的距离；Yn表示板间中心O’到第n个波导之间的距离，R0为喇叭天线相位中心到天线阵面之间的距离；
模块M3.2：根据输入的每一块子板各通道相位数据，采用函数拟合方式拟合每一块子板的R0和常数c；
Figure BDA0004031835720000062
其中，φn为每一个子板通道n的相位，k为常数
Figure BDA0004031835720000063
优选地，在所述模块M4中：
模块M4.1：将R0和常数c代入公式中，在板间两侧分别拟合出两条相位φ与Y之间的曲线，分别计算出在中点的相位时，相位差为相邻板间的相位差；
模块M4.2：将子板各通道的相位误差进行补偿后，采用函数拟合方式计算出每一块子板的R0和常数c；
模块M4.3：将R0和常数c代入公式中，在板间两侧分别拟合出两条相位φ与Y之间的曲线，分别计算出在中点的相位，相位差为补偿后相邻板间的相位差；
模块M4.4：将板间误差生成波控码，通过遥控方式将波控码上注至载荷分***。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明轻小型SAR卫星SAR天线板间相位误差补偿方法重点解决了SAR天线子板在卫星舱体上安装及板间电缆重新连接带来板间相位误差问题，无需在微波暗室近场扫描***完成板间各通道相位误差的测量；
2、本发明的轻小型SAR卫星SAR天线板间相位误差补偿方法操作简单、精度也有保证，明显缩短了小卫星的研制周期，提高了整星测试效率，为轻小型卫星的批量化生产提供了重要技术保障，加快了批量小卫星的研制进度；
3、本发明的轻小型SAR卫星SAR天线板间相位误差补偿方法弥补了内定标***不能监测到T/R组件与波导子阵连接的半钢电缆、波导的缺点，还可以监测SAR天线子板各T/R通道全链路随整星集成测试过程(转场、力学振动)中导致的幅相变化情况；
4、本发明轻小型SAR卫星SAR天线板间相位误差补偿方法同样适用于所有采用平面有源相控阵天线SAR卫星板间相位误差的补偿。
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为本发明方法的流程示意图；
图2为本发明方法的SAR天线布设俯视图；
图3为本发明方法的SAR天线阵面布设主视图；
图4为本发明方法的天线球面波原理示意图；
图5为本发明方法补偿前板间相位误差分布曲线图；
图6为本发明方法补偿后板间相位误差分布曲线图。
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。
实施例1：
本发明公开了一种轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法，属于航天***技术领域。主要包括以下步骤：步骤1，喇叭天线位置精确标定；步骤2，射频链路电平计算；步骤3，建立无线内定标测试状态；步骤4，雷达载荷工作参数指令包模式及参数设置，载荷开机成像，数据处理及分析；步骤5，根据相位数据进行空间距离精确标定；步骤6，板间相位误差补偿及验证。本发明提出的轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法，通过标准喇叭天线实现简便高效的测试，无需传统暗室平面近场扫描***复杂的测试操作，且耗时大大减少，精度也有保证，明显缩短了轻小型SAR卫星的研制周期，提高了整星测试效率，为轻小型卫星的批量化生产提供了重要技术保障。
根据本发明提供的一种轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法，如图1-图6所示，包括：
步骤S1：标定喇叭天线位置，计算射频链路电平，建立无线内定标测试状态；
具体地，在所述步骤S1中：
采用水平仪瞄准喇叭天线探头及SAR天线阵面，确保喇叭天线探头与SAR天线阵面平行，确保喇叭天线探头与地面垂直；将激光测距仪固定在喇叭天线探头上，测量出激光测距仪与喇叭探头之间的相对位置关系，计算出喇叭探头与SAR天线阵面的具***置关系；
接收定标信号链路，调频信号源输出信号经过内定标器和定标测试电缆传输给喇叭天线，通过空间耦合至有源相控阵天线的各T/R组件接收通道，合成后送入雷达接收机；定标信号的安全功率范围由喇叭探头发射功率和T/R组件的接收确定，探头发射功率取自内定标器接收输出信号，根据雷达方程：
Figure BDA0004031835720000081
其中，R为喇叭天线相位中心到天线阵面之间的距离，λ为波长；
根据发射功率Pt dBm、连接电缆插损CL dB、天线单元增益为Gr dB、探头增益GtdB、附加空间传输损耗为SL dB，计算T/R接收端输入功率PrdBm，Pr满足T/R组件接收动态；
接收定标信号链路包含内定标模块输出功率Pcal、定标测试电缆插损CL、喇叭天线增益Gt、探头至天线阵面耦合衰减SL、天线接收增益Gr、微波组合插损ML、接收机增益Gre、接收机手动增益控制Mre，计算整个链路的接收电平总功率为：
Pr＝Pcal+CL+Gt+SL+Gr+ML+Gre+Mre
地面测试电缆链路中串入Pr dB的固定衰减器；
将内定标器连接天线定标网络端口断开，通过一根预设长度的地面高频测试电缆将衰减器和喇叭天线探头相连接，组成了无线内定标网络，与SAR天线构成收发回路。
步骤S2：设置雷达载荷工作参数指令包模式及参数，进行载荷开机成像，对载荷数据处理及分析；
具体地，在所述步骤S2中：
载荷成像模式设置为连续测试定标模式，定标模式设置为连续单T/R定标，载荷工作模式设置为只接收，整星任务模式设置为对地数传边记边放；设置PRF、工作脉宽，满足最大占空比的限制；设置信号带宽、采样率、采样起始和压缩比，选择帧长，满足最大帧长及最小帧长的限制，以及数据率的限制；设置综合业务参数包括载荷任务起始时刻、任务时长、文件号、文件回放时长及数传任务模式；载荷分***按照指令包参数设置进行开机成像，有效载荷数据通过数传通道对地下传；地面通过对载荷数据进行脉压处理，提取各T/R通道峰值点的相位值。
步骤S3：对数据处理及分析后的数据进行空间距离标定；
具体地，在所述步骤S3中：
根据提取的T/R通道相位数据反演出喇叭天线探头与SAR天线之间的空间距离，步骤如下：
步骤S3.1：根据喇叭探头、板间中心，以及波导之间几何关系，建立如下关系：
Figure BDA0004031835720000091
其中，Rn表示喇叭相位中心到第n个波导之间的距离；Yn表示板间中心O’到第n个波导之间的距离，R0为喇叭天线相位中心到天线阵面之间的距离；
步骤S3.2：根据输入的每一块子板各通道相位数据，采用函数拟合方式拟合每一块子板的R0和常数c；
Figure BDA0004031835720000092
其中，φn为每一个子板通道n的相位，k为常数
Figure BDA0004031835720000093
步骤S4：根据标定的空间距离进行板间相位误差计算。
具体地，在所述步骤S4中：
步骤S4.1：将R0和常数c代入公式中，在板间两侧分别拟合出两条相位φ与Y之间的曲线，分别计算出在中点的相位时，相位差为相邻板间的相位差；
步骤S4.2：将子板各通道的相位误差进行补偿后，采用函数拟合方式计算出每一块子板的R0和常数c；
步骤S4.3：将R0和常数c代入公式中，在板间两侧分别拟合出两条相位φ与Y之间的曲线，分别计算出在中点的相位，相位差为补偿后相邻板间的相位差；
步骤S4.4：将板间误差生成波控码，通过遥控方式将波控码上注至载荷分***。
实施例2：
实施例2为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
本发明还提供一种轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿***，所述轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿***可以通过执行所述轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法理解为所述轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿***的优选实施方式。
根据本发明提供的一种轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿***，包括：
模块M1：标定喇叭天线位置，计算射频链路电平，建立无线内定标测试状态；
具体地，在所述模块M1中：
采用水平仪瞄准喇叭天线探头及SAR天线阵面，确保喇叭天线探头与SAR天线阵面平行，确保喇叭天线探头与地面垂直；将激光测距仪固定在喇叭天线探头上，测量出激光测距仪与喇叭探头之间的相对位置关系，计算出喇叭探头与SAR天线阵面的具***置关系；
接收定标信号链路，调频信号源输出信号经过内定标器和定标测试电缆传输给喇叭天线，通过空间耦合至有源相控阵天线的各T/R组件接收通道，合成后送入雷达接收机；定标信号的安全功率范围由喇叭探头发射功率和T/R组件的接收确定，探头发射功率取自内定标器接收输出信号，根据雷达方程：
Figure BDA0004031835720000101
其中，R为喇叭天线相位中心到天线阵面之间的距离，λ为波长；
根据发射功率Pt dBm、连接电缆插损CL dB、天线单元增益为Gr dB、探头增益GtdB、附加空间传输损耗为SL dB，计算T/R接收端输入功率PrdBm，Pr满足T/R组件接收动态；
接收定标信号链路包含内定标模块输出功率Pcal、定标测试电缆插损CL、喇叭天线增益Gt、探头至天线阵面耦合衰减SL、天线接收增益Gr、微波组合插损ML、接收机增益Gre、接收机手动增益控制Mre，计算整个链路的接收电平总功率为：
Pr＝Pcal+CL+Gt+SL+Gr+ML+Gre+Mre
地面测试电缆链路中串入Pr dB的固定衰减器；
将内定标器连接天线定标网络端口断开，通过一根预设长度的地面高频测试电缆将衰减器和喇叭天线探头相连接，组成了无线内定标网络，与SAR天线构成收发回路。
模块M2：设置雷达载荷工作参数指令包模式及参数，进行载荷开机成像，对载荷数据处理及分析；
具体地，在所述模块M2中：
载荷成像模式设置为连续测试定标模式，定标模式设置为连续单T/R定标，载荷工作模式设置为只接收，整星任务模式设置为对地数传边记边放；设置PRF、工作脉宽，满足最大占空比的限制；设置信号带宽、采样率、采样起始和压缩比，选择帧长，满足最大帧长及最小帧长的限制，以及数据率的限制；设置综合业务参数包括载荷任务起始时刻、任务时长、文件号、文件回放时长及数传任务模式；载荷分***按照指令包参数设置进行开机成像，有效载荷数据通过数传通道对地下传；地面通过对载荷数据进行脉压处理，提取各T/R通道峰值点的相位值。
模块M3：对数据处理及分析后的数据进行空间距离标定；
具体地，在所述模块M3中：
根据提取的T/R通道相位数据反演出喇叭天线探头与SAR天线之间的空间距离，步骤如下：
模块M3.1：根据喇叭探头、板间中心，以及波导之间几何关系，建立如下关系：
Figure BDA0004031835720000111
其中，Rn表示喇叭相位中心到第n个波导之间的距离；Yn表示板间中心O’到第n个波导之间的距离，R0为喇叭天线相位中心到天线阵面之间的距离；
模块M3.2：根据输入的每一块子板各通道相位数据，采用函数拟合方式拟合每一块子板的R0和常数c；
Figure BDA0004031835720000112
其中，φn为每一个子板通道n的相位，k为常数
Figure BDA0004031835720000113
模块M4：根据标定的空间距离进行板间相位误差计算。
具体地，在所述模块M4中：
模块M4.1：将R0和常数c代入公式中，在板间两侧分别拟合出两条相位φ与Y之间的曲线，分别计算出在中点的相位时，相位差为相邻板间的相位差；
模块M4.2：将子板各通道的相位误差进行补偿后，采用函数拟合方式计算出每一块子板的R0和常数c；
模块M4.3：将R0和常数c代入公式中，在板间两侧分别拟合出两条相位φ与Y之间的曲线，分别计算出在中点的相位，相位差为补偿后相邻板间的相位差；
模块M4.4：将板间误差生成波控码，通过遥控方式将波控码上注至载荷分***。
实施例3：
实施例3为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法，该方法将内定标***连接天线定标网络端口断开，通过一根一定长度的地面高频测试电缆将固定衰减器和喇叭探头连接，组成无线外定标网络，与SAR天线构成收发回路，建立无线内定标状态。采用无线内定标方法获取子板间各单T/R通道的主路相位数据，基于所得的每一块子板通道的相位数据，采用函数拟合方式精确标定每一块子板的R0和常数c；将R0和常数c代入球面波方程中，在板间两侧分别拟合出两条相位与Y之间的曲线，然后计算出他们在中点的相位，其相位差即为相邻板间的相位差；将子板间通道的相位误差进行补偿后，同样采用函数拟合方式再一次精确标定每一块子板的R0和常数c；将R0和常数c代入球面波方程，计算出补偿后的板间相位差；将板间误差生成波控码，通过遥控方式将波控码上注至载荷分***。
本发明采用无线内定标方式实现了SAR天线板间相位补偿，无需经过天线定标网络，只需经过射频收发通路，便可以监测出各板间相位误差，从而进行板间相位误差补偿。本发明无需进行传统暗室平面近场扫描***复杂的测试操作，且耗时也大大减少，同时精度也有保证，明显缩短了轻小型SAR卫星的研制周期，提高了整星测试效率，为轻小型卫星的批量化生产提供了重要技术保障。另外，本发明通过无线内定标测试方法弥补了内定标***无法监测到T/R组件与波导子阵连接的半钢电缆、以及波导的缺点，同时还可以监测SAR天线子板各T/R通道全链路随整星集成测试过程中(转场、力学振动)导致的幅相变化情况。
为了达到上述发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
参见图1，图1是本实施例提供的一种轻小型SAR卫星SAR天线板间相位误差补偿方法流程框图，具体过程步骤如下：
一种轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法，包括如下步骤：
步骤1，喇叭天线位置精确标定，且满足远场条件；
步骤2，射频链路电平计算；
步骤3，建立无线内定标测试状态；
步骤4，雷达载荷工作参数指令包模式及参数设置，载荷开机成像，数据处理及分析；
步骤5，根据实测数据进行空间距离标定；
步骤6，板间相位误差补偿及验证。
其中，步骤1为整个试验前场地的准备工作。
步骤2为整个射频链路电平计算，等同于***电平的评估。
步骤3为整个试验状态的建立工作，包括地面电缆及星上电缆的连接。
步骤4为试验开始时指令包设置，载荷开机成像，以及数据处理及分析工作。
步骤5根据步骤4处理的数据进行空间距离的标定。
步骤6根据步骤5标定的空间距离进行板间相位误差的计算及补偿验证。
优选地，所述步骤1中，采用水平仪精确瞄准喇叭天线探头及SAR天线阵面，确保喇叭天线探头与SAR天线阵面平行，以及喇叭天线探头与地面垂直；将激光测距仪固定在喇叭天线探头上，并测量出激光测距仪与喇叭探头之间的相对位置关系，以计算出喇叭探头与SAR天线阵面的具***置关系。本发明保证了喇叭天线和SAR天线各单元辐射方向图均在波束主瓣内；保证了喇叭探头与SAR天线各单元之间距离满足远场条件；保证了喇叭天线对准SAR天线阵面子板间机械中心来进行板间相位测量。
优选地，所述步骤2中，本文方法采用接收定标信号链路，调频信号源输出信号经过内定标器和定标测试电缆传输给喇叭天线，通过空间耦合至有源相控阵天线的各T/R组件接收通道，合成后送入雷达接收机。定标信号的安全功率范围主要由喇叭探头发射功率和T/R组件的接收P-1确定。探头发射功率直接取自内定标器接收输出信号，根据雷达方程：
Figure BDA0004031835720000131
R为喇叭天线相位中心到天线阵面之间的距离，λ为波长，取值为0.03125，根据发射功率Pt dBm、连接电缆插损约CL dB、天线单元增益为Gr dB、探头增益约Gt dB、附加空间传输损耗约为SL dB，计算T/R接收端输入功率PrdBm，Pr要满足T/R组件接收动态。
本发明方法接收定标信号链路主要包含了内定标模块输出功率Pcal、定标测试电缆插损CL、喇叭天线增益Gt、探头至天线阵面耦合衰减SL、天线接收增益Gr、微波组合插损ML、接收机增益Gre、接收机手动增益控制(Manual Gain Control,MGC)(Mre)，计算整个链路的接收电平总功率为：
Pr＝Pcal+CL+Gt+SL+Gr+ML+Gre+Mre
为了对整个***接收信号链路电平进行配平，在本发明中地面测试电缆链路中串入Pr dB的固定衰减器。
优选地，所述步骤3中，相比于传统有线内定标方法，本发明将内定标器连接天线定标网络端口断开，通过一根一定长度的地面高频测试电缆将衰减器和喇叭天线探头相连接，组成了无线内定标网络，与SAR天线构成收发回路。传统有线内定标方法，往往采用内定标器用来监测***各有源通路幅度和相位在成像过程中的相对变化，同时进行补偿及校准，但是这种常规有线内定标方法往往区分不了板间相位误差来自主路还是定标路。本发明采用了无线内定标测试方法，只经过射频收发链路，不经过天线定标网络，所以不考虑天线定标网络误差的影响。同时，本发明采用的无线内定标方法除了监测有源T/R组件幅相特性之外，可以监测T/R组件到天线的半刚电缆、波导天线等无源阵面的幅相特性。
优选地，所述步骤4中，载荷成像模式设置为连续测试定标模式，定标模式设置为连续单T/R定标，载荷工作模式设置为只接收，整星任务模式设置为对地数传边记边放；设置合适的PRF、工作脉宽，满足最大占空比的限制；设置合适的信号带宽、采样率、采样起始、压缩比等参数选择合适的帧长，满足最大帧长及最小帧长的限制，以及数据率的限制；设置载荷任务起始时刻、任务时长、文件号、文件回放时长及数传任务模式等综合业务参数。载荷分***按照指令包参数设置进行开机成像，有效载荷数据通过数传通道对地下传。地面通过对载荷数据进行脉压处理，提取各T/R通道峰值点的相位值。
优选地，所述步骤5中，根据工程经验，喇叭支架及喇叭天线探头的架设不可避免会引入测量误差。因此，不能将空间距离R0直接代入球面波方程中来计算板间相位。本发明根据测试或仿真提取的T/R通道相位数据反演出喇叭天线探头与SAR天线之间的空间距离，步骤如下：
步骤5.1：根据喇叭探头、板间中心，以及波导之间几何关系，建立如下关系：
Figure BDA0004031835720000141
其中，Rn表示喇叭相位中心到第n个波导之间的距离；Yn表示板间中心O’到第n个波导之间的距离，R0为喇叭天线相位中心到天线阵面之间的距离；
步骤5.2：根据测试或仿真输入的每一块子板各通道相位数据，采用函数拟合方式拟合每一块子板的R0和常数c；
Figure BDA0004031835720000151
其中，φn为每一个子板通道n的相位，k为常数
Figure BDA0004031835720000152
优选地，所述步骤6中，主要包括如下步骤：
步骤6.1：将R0和常数c代入公式(2)中，在板间两侧分别拟合出两条相位φ与Y之间的曲线，然后分别计算出他们在中点的相位(Y＝0时)，其相位差即为相邻板间的相位差；
步骤6.2：将子板各通道的相位误差进行补偿后，同样采用函数拟合方式计算出每一块子板的R0和常数c；
步骤6.3：将R0和常数c代入公式(2)中，在板间两侧分别拟合出两条相位φ与Y之间的曲线，然后分别计算出他们在中点的相位(Y＝0时)，其相位差即为补偿后相邻板间的相位差；
步骤6.4：将板间误差生成波控码，通过遥控方式将波控码上注至载荷分***。
补偿后的板间相位误差结果满足***误差要求，验证了该通道对于板间相位误差补偿后***状态是稳定的。
实施例4：
实施例4为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
下面结合仿真数据对本发明的效果做进一步的说明。
本次试验取X波段星载SAR的典型参数，如表1所示。首先建立无线内定标状态，本文选择了标准BJ100型号X波段喇叭探头及精调支架一套，分别将喇叭探头精确瞄准A、B号点几何机械位置中心，喇叭探头至天线阵面的距离约3m，SAR天线布设及喇叭探头布设如图2-3，其中A号点位于子板1第60通道和子板2第61通道几何位置中心、B号点位置位于子板3第121通道和子板2第120通道几何位置中心。
表1实施例中输入参数
Figure BDA0004031835720000153
Figure BDA0004031835720000161
根据表1中给定的输入***需求参数，将喇叭探头瞄准A～B号位置后，利用本发明方法对输入的T/R通道相位数据拟合R0和常数c，完成空间距离R0精确标定。
表2空间距离R0精确标定结果
点号 子板 通道数 <![CDATA[R<sub>0</sub>]]> c
A 1 1-60 3.06 654.8
A 2 61-120 2.876 579.2
B 2 61-120 2.991 644.6
B 3 121-180 2.918 585.8
将R0和常数c代入公式(2)中，在板间两侧分别拟合出两条相位φ与Y之间的曲线，如下图5所示。当Y＝0时，分别计算出各板间相位，其相位差即为相邻板间的相位差。
表3板间中心相位差测量结果
Figure BDA0004031835720000162
通过本发明对各子板间单T/R通道主路相位误差进行监测，发现子板1和子板2间两相邻通道相位误差最大约0.905654rad，子板1板间相位误差高于子板2，子板3的相位误差低于子板2。因此，本发明将子板1(1-60)的通道相位原始值减去0.905654rad、将子板3(121-180)的通道相位原始值加上0.14024rad，方可将板间相位误差配平。
将配平后的各通道原始相位数据再一次进行空间距离精确标定，拟合计算出R0和常数c。
表4补偿后空间距离R0精确标定结果
点号 子板 通道 <![CDATA[R<sub>0</sub>]]> c
A 子板1 1-60 3.06 653.9
B 子板3 121-180 2.918 585.9
将R0和常数c带进公式(2)中，在板间两侧分别拟合出两条相位与Y之间的曲线，如下图6所示。当Y＝0时，分别计算出各板间相位，其相位差即为补偿后板间的相位差。
表5补偿后板间中心相位差测量结果
Figure BDA0004031835720000171
通过本发明对SAR天线板间相位误差进行测量及补偿，补偿后子板1和子板2的板间相位误差优于0.00565rad，子板2和子板3的板间相位误差优于0.04024rad，均小于5.625°，表明***状态稳定。因此，通过仿真分析可以验证本发明提出的一种轻小型SAR卫星SAR天线板间相位误差补偿方法的有效性。
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***、装置及其各个模块以外，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***、装置及其各个模块以逻辑门、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程序。所以，本发明提供的***、装置及其各个模块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程序的模块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模块视为既可以是实现方法的软件程序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)

1.一种轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法，其特征在于，包括：
步骤S1：标定喇叭天线位置，计算射频链路电平，建立无线内定标测试状态；
步骤S2：设置雷达载荷工作参数指令包模式及参数，进行载荷开机成像，对载荷数据处理及分析；
步骤S3：对数据处理及分析后的数据进行空间距离标定；
步骤S4：根据标定的空间距离进行板间相位误差计算。
2.根据权利要求1所述的轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法，其特征在于，在所述步骤S1中：
采用水平仪瞄准喇叭天线探头及SAR天线阵面，确保喇叭天线探头与SAR天线阵面平行，确保喇叭天线探头与地面垂直；将激光测距仪固定在喇叭天线探头上，测量出激光测距仪与喇叭探头之间的相对位置关系，计算出喇叭探头与SAR天线阵面的具***置关系；
接收定标信号链路，调频信号源输出信号经过内定标器和定标测试电缆传输给喇叭天线，通过空间耦合至有源相控阵天线的各T/R组件接收通道，合成后送入雷达接收机；定标信号的安全功率范围由喇叭探头发射功率和T/R组件的接收确定，探头发射功率取自内定标器接收输出信号，根据雷达方程：
Figure FDA0004031835710000011
其中，R为喇叭天线相位中心到天线阵面之间的距离，λ为波长；
根据发射功率Pt dBm、连接电缆插损CL dB、天线单元增益为Gr dB、探头增益Gt dB、附加空间传输损耗为SL dB，计算T/R接收端输入功率PrdBm，Pr满足T/R组件接收动态；
接收定标信号链路包含内定标模块输出功率Pcal、定标测试电缆插损CL、喇叭天线增益Gt、探头至天线阵面耦合衰减SL、天线接收增益Gr、微波组合插损ML、接收机增益Gre、接收机手动增益控制Mre，计算整个链路的接收电平总功率为：
Pr＝Pcal+CL+Gt+SL+Gr+ML+Gre+Mre
地面测试电缆链路中串入Pr dB的固定衰减器；
将内定标器连接天线定标网络端口断开，通过一根预设长度的地面高频测试电缆将衰减器和喇叭天线探头相连接，组成了无线内定标网络，与SAR天线构成收发回路。
3.根据权利要求1所述的轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法，其特征在于，在所述步骤S2中：
载荷成像模式设置为连续测试定标模式，定标模式设置为连续单T/R定标，载荷工作模式设置为只接收，整星任务模式设置为对地数传边记边放；设置PRF、工作脉宽，满足最大占空比的限制；设置信号带宽、采样率、采样起始和压缩比，选择帧长，满足最大帧长及最小帧长的限制，以及数据率的限制；设置综合业务参数包括载荷任务起始时刻、任务时长、文件号、文件回放时长及数传任务模式；载荷分***按照指令包参数设置进行开机成像，有效载荷数据通过数传通道对地下传；地面通过对载荷数据进行脉压处理，提取各T/R通道峰值点的相位值。
4.根据权利要求1所述的轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法，其特征在于，在所述步骤S3中：
根据提取的T/R通道相位数据反演出喇叭天线探头与SAR天线之间的空间距离，步骤如下：
步骤S3.1：根据喇叭探头、板间中心，以及波导之间几何关系，建立如下关系：
Figure FDA0004031835710000021
其中，Rn表示喇叭相位中心到第n个波导之间的距离；Yn表示板间中心O’到第n个波导之间的距离，R0为喇叭天线相位中心到天线阵面之间的距离；
步骤S3.2：根据输入的每一块子板各通道相位数据，采用函数拟合方式拟合每一块子板的R0和常数c；
Figure FDA0004031835710000022
其中，φn为每一个子板通道n的相位，k为常数
Figure FDA0004031835710000023
5.根据权利要求1所述的轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿方法，其特征在于，在所述步骤S4中：
步骤S4.1：将R0和常数c代入公式中，在板间两侧分别拟合出两条相位φ与Y之间的曲线，分别计算出在中点的相位时，相位差为相邻板间的相位差；
步骤S4.2：将子板各通道的相位误差进行补偿后，采用函数拟合方式计算出每一块子板的R0和常数c；
步骤S4.3：将R0和常数c代入公式中，在板间两侧分别拟合出两条相位φ与Y之间的曲线，分别计算出在中点的相位，相位差为补偿后相邻板间的相位差；
步骤S4.4：将板间误差生成波控码，通过遥控方式将波控码上注至载荷分***。
6.一种轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿***，其特征在于，包括：
模块M1：标定喇叭天线位置，计算射频链路电平，建立无线内定标测试状态；
模块M2：设置雷达载荷工作参数指令包模式及参数，进行载荷开机成像，对载荷数据处理及分析；
模块M3：对数据处理及分析后的数据进行空间距离标定；
模块M4：根据标定的空间距离进行板间相位误差计算。
7.根据权利要求6所述的轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿***，其特征在于，在所述模块M1中：
采用水平仪瞄准喇叭天线探头及SAR天线阵面，确保喇叭天线探头与SAR天线阵面平行，确保喇叭天线探头与地面垂直；将激光测距仪固定在喇叭天线探头上，测量出激光测距仪与喇叭探头之间的相对位置关系，计算出喇叭探头与SAR天线阵面的具***置关系；
接收定标信号链路，调频信号源输出信号经过内定标器和定标测试电缆传输给喇叭天线，通过空间耦合至有源相控阵天线的各T/R组件接收通道，合成后送入雷达接收机；定标信号的安全功率范围由喇叭探头发射功率和T/R组件的接收确定，探头发射功率取自内定标器接收输出信号，根据雷达方程：
Figure FDA0004031835710000031
其中，R为喇叭天线相位中心到天线阵面之间的距离，λ为波长；
根据发射功率Pt dBm、连接电缆插损CL dB、天线单元增益为Gr dB、探头增益Gt dB、附加空间传输损耗为SL dB，计算T/R接收端输入功率PrdBm，Pr满足T/R组件接收动态；
接收定标信号链路包含内定标模块输出功率Pcal、定标测试电缆插损CL、喇叭天线增益Gt、探头至天线阵面耦合衰减SL、天线接收增益Gr、微波组合插损ML、接收机增益Gre、接收机手动增益控制Mre，计算整个链路的接收电平总功率为：
Pr＝Pcal+CL+Gt+SL+Gr+ML+Gre+Mre
地面测试电缆链路中串入Pr dB的固定衰减器；
将内定标器连接天线定标网络端口断开，通过一根预设长度的地面高频测试电缆将衰减器和喇叭天线探头相连接，组成了无线内定标网络，与SAR天线构成收发回路。
8.根据权利要求6所述的轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿***，其特征在于，在所述模块M2中：
载荷成像模式设置为连续测试定标模式，定标模式设置为连续单T/R定标，载荷工作模式设置为只接收，整星任务模式设置为对地数传边记边放；设置PRF、工作脉宽，满足最大占空比的限制；设置信号带宽、采样率、采样起始和压缩比，选择帧长，满足最大帧长及最小帧长的限制，以及数据率的限制；设置综合业务参数包括载荷任务起始时刻、任务时长、文件号、文件回放时长及数传任务模式；载荷分***按照指令包参数设置进行开机成像，有效载荷数据通过数传通道对地下传；地面通过对载荷数据进行脉压处理，提取各T/R通道峰值点的相位值。
9.根据权利要求6所述的轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿***，其特征在于，在所述模块M3中：
根据提取的T/R通道相位数据反演出喇叭天线探头与SAR天线之间的空间距离，步骤如下：
模块M3.1：根据喇叭探头、板间中心，以及波导之间几何关系，建立如下关系：
Figure FDA0004031835710000041
其中，Rn表示喇叭相位中心到第n个波导之间的距离；Yn表示板间中心O’到第n个波导之间的距离，R0为喇叭天线相位中心到天线阵面之间的距离；
模块M3.2：根据输入的每一块子板各通道相位数据，采用函数拟合方式拟合每一块子板的R0和常数c；
Figure FDA0004031835710000042
其中，φn为每一个子板通道n的相位，k为常数
Figure FDA0004031835710000043
10.根据权利要求6所述的轻小型卫星SAR天线板间相位误差补偿***，其特征在于，在所述模块M4中：
模块M4.1：将R0和常数c代入公式中，在板间两侧分别拟合出两条相位φ与Y之间的曲线，分别计算出在中点的相位时，相位差为相邻板间的相位差；
模块M4.2：将子板各通道的相位误差进行补偿后，采用函数拟合方式计算出每一块子板的R0和常数c；
模块M4.3：将R0和常数c代入公式中，在板间两侧分别拟合出两条相位φ与Y之间的曲线，分别计算出在中点的相位，相位差为补偿后相邻板间的相位差；
模块M4.4：将板间误差生成波控码，通过遥控方式将波控码上注至载荷分***。
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