专利名称：一种星载海洋雷达高度计地面检定仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及对星载海洋雷达高度计发射前的地面实验室定标、性能检验和功能测试系统，具体涉及一种星载海洋雷达高度计地面检定仪。
背景技术：
星载海洋雷达高度计是一种非常重要的海洋微波遥感器，可以精确测量全球平均海面高，测量的精确度达到厘米量级。随着近年来微波遥感技术的发展，星载海洋雷达高度计对平均海平面高的测量，在ail有效波高，1秒平均的情况下，已经可以达到2厘米。已经于2011年8月分发射的我国第一台星载海洋雷达高度计的设计指标是4厘米。由于星载海洋雷达高度计的原理是通过测量电磁波在空间传输的延迟来计算海面与雷达的距离，因此，在发射前，必须以相当高的精度准确测量电磁信号在星载海洋雷达高度计内部传输的路径延迟，这部分延迟通常在1米左右。因此，星载海洋雷达高度计内部传输的路径延迟，必须在发射前通过地面的绝对定标实验测量出来。由于星载海洋雷达高度计的测高指标非常高，达到2 4厘米，并且由于海洋监测的需要，需要长期在轨运行，所以需要对星载海洋雷达高度计在发射前进行性能检验和系统评估。为了实现高精度的测量，星载海洋雷达高度计必须能够比较准确的预测并跟踪锁定海洋回波信号。因此星载海洋雷达高度计的一项重要功能就是能够在目标高度特征发射变化的情况下，仍然跟踪锁定回波信号。由于海洋波高和平均海面高在全球范围内是变化的，并且卫星轨道高度也是变化的，而且卫星也会飞过陆地等非海洋环境上空，因此星载海洋雷达高度计在飞行测量过程中有可能跟踪失锁，这就要求星载海洋雷达高度计在跟踪锁定失败时，能够进入捕获模式；在捕获成功时能够转入跟踪锁定模式。在星载海洋雷达高度计发射前，必须对这项功能进行测试。这就要求对星载海洋雷达高度计进行功能测试时，模拟的回波必须能够反映场景回波的变化。国际上，欧空局在ERS-I，ERS-2，Envisat和Cryosat卫星上都搭载有星载海洋雷达高度计，并且在地面进行了功能测试；美国和法国合作的Topex、Jason系列星载海洋雷达高度计在发射前，也进行了功能测试，并且进行了性能评估。但是，均未见到详细的绝对定标和测高性能检验报道。这些功能测试和性能评估都是用文献声称的回波模拟器进行的，但是没有披露任何可以实现绝对定标和性能检验的设备或方法。在国内，现有的用于对星载海洋雷达高度计进行功能测试的是回波模拟器。由于回波模拟器信道延迟和雷达高度计信道延迟不能分离，从而无法给出雷达高度计信道延迟。另外，现有的回波模拟器的频综单元所用的超稳晶体振荡器和雷达高度计的超稳晶振振荡器是两个振荡器，从而使得回波模拟器和雷达高度计各自记录的回波的统计特征难以保持完全一致。现有的回波模拟器使用数字电路来确定回波延迟，而目前的电子电路技术无法消除1纳秒的时间抖动，即无法消除15cm的抖动。又有现有的回波模拟器数据记录不能和雷达高度计保持同步，因此也就不能对雷达高度计的时标功能进行测试，也无法确定雷达高度计的时标是否正确。现有技术的回波模拟器的结构如图l_a所示。由于上述缺陷，使得目前现有的回波模拟器无法对雷达高度计进行绝对定标，即现有技术的回波模拟器只能对雷达高度计进行比较粗略的性能评估，不能对雷达高度计测距性能进行厘米级的绝对定标、性能检验以及系统评估。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有技术不能对星载海洋雷达高度计发射前在地面进行绝对定标和性能检验的问题，从而提供一种星载海洋雷达高度计地面检定仪。为实现上述目的，本发明提供了一种星载海洋雷达高度计地面检定仪，该检定仪用于在实验室为待检定的星载海洋雷达高度计进行绝对定标、性能检验和功能测试，包含接收单元、发射单元、频综单元及数控单元，其特征在于，所述检定仪还包含收发控制单元；所述收发控制单元将所述发射单元的发射信号同时、分别送给所述接收单元和待检定的星载海洋雷达高度计；还负责控制所述接收单元接收待检定的星载海洋雷达高度计发射的信号，或者所述发射单元发射的信号。上述技术方案中，所述频综单元使用星载海洋雷达高度计的超稳振荡器时钟作为工作时钟。所述检定仪还包含一授时单元，该授时单元用于同时为所述数控单元和待检定的星载海洋雷达高度计进行授时。所述收发控制单元进一步包含第一波导开关1、第二波导开关2和一功分器；所述功分器、第一波导开关1和第二波导开关2依次串联，所述第一波导开关用于与待检定的星载海洋雷达高度计双向信号传输；且所述功分器的一输出端还与第二波导开关2 —输入端相连接；所述发射单元的输出端与所述功分器的输入端相连，所述第二波导开关2的输出端与所述接收单元的输入端相连；且所述数控单元还用于向所述第一波导开关1和第二波导开关2提供控制信号。上述技术方案中，所述数控单元进一步包含AD采样模块，用于将接收待检定的星载海洋雷达高度计发射的信号进行AD采样，得到检定仪信道响应函数或者模拟回波的采样值序列；仿真信号序列获取单元，用于获取仿真目标回波信号的数字序列，其中仿真信号是从本地大容量存储器直接读取的；卷积单元，用于将采样单元获取的采样值序列与仿真目标回波信号的数字序列进行卷积，产生用于给待检定的海洋雷达高度计定标的基带信号，和产生用于对待检定的海洋雷达高度计进行性能检验的模拟回波信号；(其中，所述仿真信号序列获取单元与卷积单元合称为“回波模拟单元”，或者叫“数字回波获取单元”，且两者可以都是在DSP器件中实现的)和DA转换及发射模块，用于将卷积单元最终得到的信号进行数模转换后发送给射频单元并经收发控制单元发送给待检定的海洋雷达高度计，用于对海洋雷达高度计进行定标和性能检验；其中，所述卷积单元能用快速卷积单元替换，该单元利用傅立叶变换使用快速卷积将采样单元获取的采样值序列与仿真目标回波信号的数字序列进行卷积运算。可选的，所述数控单元通过USB2. 0接口与计算机通讯，该计算机通过USB2. 0设置检定仪的工作参数，并下载仿真数据和接收测量数据。所述授时单元进一步包含依次串联连接的超稳振荡器，计数器和RAM存储器。所述频综单元进一步包含频率合成器，线性调频信号产生器，倍频器和/或混频器。基于上述技术方案所述的星载海洋雷达高度计地面检定仪，本发明还提供了一种定标方法，所述定标方法包含如下步骤步骤1)星载海洋雷达高度计t0时刻发射射频信号，经过发射通道Δ tl的延迟后，进入连接星载海洋雷达高度计和地面检定仪的电缆；再经过Atxl的延迟后，到达第二波导开关2，进入检定仪的接收通道；在经过Δ t2的延迟后进入混频单元并在t2时刻去斜本振混频得到中频信号，其中信号实际到达去斜混频器的时间为t2+δ t2，其中t2由晶振时钟得到，S t2可以由跟踪估计得到，对中频信号进行正交解调、滤波和A/D转换，得到的数字信号存入数据存储器中；步骤2)数控单元用上步中得到的数字正交信号与事先仿真的场景回波信号合成数字回波信号，再存于数据存储器中；步骤幻在数控单元的微处理器的控制下，上步中合成的数字回波信号经适当延时后，由D/A转换器转换成模拟回波正交信号并与上变频Chirp信号混频，此时为t3时刻；在经过发射通道At3的延迟后到达功分器，进入连接星载海洋雷达高度计和地面检定仪的电缆；再经过Atx2的延迟后到达雷达高度计的天线端口并进入雷达高度计的接收通道；经过At4的延迟后，在t4时刻被星载雷达高度计去斜混频但是信号实际到达去斜混频器的时间t4+ δ t4，并被转换成数字信号从而被锁定跟踪；步骤4)同时，检定仪发射的信号经功分器经Δ tx3的延迟后回送给自己的接收通道，在t5+ δ t5时刻被自身接收机接收并存储为数字信号；步骤幻依据下式进行多次测试，可以得到高度计系统的绝对延迟Ε[ Δ tl+A t4]，即绝对延迟的均值，从而实现绝对定标，得到包括雷达高度计跟踪算法偏差在内的星载雷达高度计系统延迟；
权利要求
1.一种星载海洋雷达高度计地面检定仪，该检定仪用于在实验室为待检定的星载海洋雷达高度计进行绝对定标、性能检验和功能测试，包含接收单元、发射单元、频综单元及数控单元，其特征在于，所述检定仪还包含收发控制单元；所述收发控制单元将所述发射单元的发射信号同时、分别送给所述接收单元和待检定的星载海洋雷达高度计；还负责控制所述接收单元接收待检定的星载海洋雷达高度计发射的信号，或者所述发射单元发射的信号。
2.根据权利要求1所述的星载海洋雷达高度计地面检定仪，其特征在于，所述频综单元使用星载海洋雷达高度计的超稳振荡器时钟作为工作时钟。
3.根据权利要求1或2所述的星载海洋雷达高度计地面检定仪，其特征在于，所述检定仪还包含一授时单元，该授时单元用于同时为所述数控单元和待检定的星载海洋雷达高度计进行授时。
4.根据权利要求3所述的星载海洋雷达高度计地面检定仪，其特征在于，所述收发控制单元进一步包含第一波导开关1、第二波导开关2和一功分器；所述功分器、第一波导开关1和第二波导开关2依次串联，所述第一波导开关用于与待检定的星载海洋雷达高度计双向通信；且所述功分器的一输出端还与第二波导开关2 —输入端相连接；所述发射单元的输出端与所述功分器的输入端相连，所述第二波导开关2的输出端与所述接收单元的输入端相连；且所述数控单元还用于向所述第一波导开关1和第二波导开关2提供控制信号。
5.根据权利要求4所述的星载海洋雷达高度计地面检定仪，其特征在于，所述数控单元进一步包含AD采样模块，用于将接收待检定的星载海洋雷达高度计发射的信号进行AD采样，得到检定仪信道响应函数或者模拟回波的采样值序列；仿真信号序列获取单元，用于获取仿真目标回波信号数字序列；卷积单元，用于将采样单元获取的采样值序列与仿真目标回波信号的数字序列进行卷积，产生用于给待检定的海洋雷达高度计定标的基带信号，和产生用于对待检定的海洋雷达高度计进行性能检验的回波模拟信号；DA转换及发射模块，用于将卷积单元最终得到的信号进行数模转换后发送给发射单元并经由所述收发控制单元发射给待检定的海洋雷达高度计，用于对海洋雷达高度计进行定标和性能检验；其中，所述卷积单元能用快速卷积单元替换，该单元利用傅立叶变换使用快速卷积将采样单元获取的采样值序列与仿真目标回波信号的数字序列进行卷积运算。
6.根据权利要求1所述的星载海洋雷达高度计地面检定仪，其特征在于，所述授时单元进一步包含依次串联连接的超稳振荡器，计数器和RAM存储器。
7.根据权利要求2所述的星载海洋雷达高度计地面检定仪，其特征在于，所述频综单元使用待检定的星载海洋雷达高度计超稳振荡时钟作为工作时钟和基准频率，且进一步包含频率合成器，线性调频信号产生器，倍频器和/或混频器。
8.一种采用上述权利要求7所述的星载海洋雷达高度计地面检定仪的定标方法，所述定标方法包含如下步骤步骤1)星载海洋雷达高度计t0时刻发射射频信号，经过发射通道Atl的延迟后，进入连接星载海洋雷达高度计和地面检定仪的电缆；再经过Atxl的延迟后，到达第二波导开关2，进入检定仪的接收通道；在经过At2的延迟后进入混频单元并在t2时刻去斜本振混频得到中频信号，其中信号实际到达去斜混频器的时间为t2+δ t2，其中t2由晶振时钟得到，δ t2可以由跟踪估计得到，对中频信号进行正交解调、滤波和A/D转换，得到的数字信号存入数据存储器中；步骤幻数控单元用上步中得到的数字正交信号与事先仿真的场景回波信号合成数字回波信号，再存于数据存储器中；步骤幻在数控单元的微处理器的控制下，上步中合成的数字回波信号经适当延时后，由D/A转换器转换成模拟回波正交信号并与上变频Chirp信号混频，此时为t3时刻；在经过发射通道At3的延迟后到达功分器，进入连接星载海洋雷达高度计和地面检定仪的电缆；再经过Atx2的延迟后到达雷达高度计的天线端口并进入雷达高度计的接收通道；经过At4的延迟后，在t4时刻被星载雷达高度计去斜混频但是信号实际到达去斜混频器的时间t4+ δ t4，并被转换成数字信号从而被锁定跟踪；步骤4)同时，检定仪发射的信号经功分器经Δ tx3的延迟后回送给自己的接收通道，在t5+ δ t5时刻被自身接收机接收并存储为数字信号；步骤幻依据下式进行多次测试，可以得到高度计系统的绝对延迟E [ Δ tl+ Δ t4]，即绝对延迟的均值，从而实现绝对定标，得到包括雷达高度计跟踪算法偏差在内的星载雷达高度计系统延迟；Δ ti+ At4 = (t4-t0+ δ t4) - (t5-t2+ δ t5- δ t2) _ Δ txl- Δ tx2+ Δ tx3 ；其中，Atxl, Atx2和Atx3是同轴电缆对应的延迟，稳定且容易测量；、、 2、 4和t5是星载海洋雷达高度计的高稳晶振计时，St2、St4和St5是跟踪算法误差由跟踪器估计得到。
9.根据权利要求8所述的定标方法，其特征在于，所述D/A之前的模拟回波的数字信号按照以下公式计算得到^(0 = FFT-1 {^(/,))=^-4(/,). ^^ ；[ P (./1)1 J其中，sjt)是检定仪要发送给星载海洋雷达高度计和该检定仪接收单元的模拟回波信号，SJft)是它对应的频域信号；S(ft)是频域的海面目标回波仿真信号；S s(ft)是频域的检定仪发射系统响应，tu)是它的共轭，Srvs(ft) I2是它的功率谱。
全文摘要
本发明提供了一种星载海洋雷达高度计地面检定仪，用于在实验室为星载海洋雷达高度计进行绝对定标、性能检验和功能测试。星载海洋雷达高度计地面检定仪包括，授时单元，收发控制单元，发射单元，接收单元，频综单元和数控单元。其中频综单元使用待检定雷达高度计提供的超稳晶体振荡器信号作为时钟。授时单元负责给数控单元和雷达高度计提供精准同步授时。收发控制单元负责将发射单元发射的信号同时、分别送给接收单元和雷达高度计；也负责控制接收单元接收雷达高度计发射的信号，或者发射单元发射的信号。数控单元负责消除检定仪系统的信道影响，产生定标信号和模拟各种目标场景的回波信号；还负责控制收发控制单元、接收单元、发射单元和频综单元。
文档编号G01S7/40GK102565767SQ201110439480
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者刘和光, 徐曦煜, 杨双宝 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心