一种星载一维综合孔径微波辐射测量系统及测量方法与流程

本发明涉及星载微波辐射测量技术领域，具体涉及一种星载一维综合孔径微波辐射测量系统及测量方法。

背景技术：

微波辐射计具有不受气候条件干扰，无需光照的特点，具有全天候、全天时的工作能力，甚至能够穿透一定深度的地表和植被，受到了航天大国的重视，广泛应用于气象、海洋、国土资源、环境、天文观测和深空探测领域。

为实现星载微波辐射计高空间分辨率，需要大口径天线，天线口径的增加给加工和机械扫描带来困难，综合孔径辐射探测可以避免这一困难，但系统结构复杂，并无法实现多频段一体探测。而采用一维实孔径与一维综合孔径混合的体制可以较好的折中，因此是当前新体制微波探测的研究重点与热点。

综合孔径技术是建立在多阵元协作模式基础上的，与传统的实孔径技术相比，需要额外考虑通道、天线间的一致性以及互耦、采样同步等多种因素，极大的增加了其校正上的难度和复杂度。传统的应用于实孔径的外差式辐射计只需要测量微波信号的功率，不需要考虑多阵元之间的相位差，因此不适用于综合孔径辐射计系统。同时综合孔径辐射计的相位定标主要是通过等功率内噪声源相干信号来实现的，因此在轨运行时噪声源的稳定性对于综合孔径系统定标精度具有较大的影响。最后综合孔径是通过各个阵元的相位合成来实现的，因此对于阵元间的相位偏差需要精确补偿，并基于不同相位差的冗余方程可以提高定标精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于高精度幅相定标实现的星载一维综合孔径微波辐射测量系统和方法，能够协同定标系统对场景精确测量，降低高精度幅相定标实现的工程难度，解决现有一维综合孔径辐射测量技术的不足。

为解决上述问题，本发明提供一种基于高精度幅相定标实现的星载一维综合孔径微波辐射测量系统，包括：

场景辐射计接收机阵列，用于接收场景微波信号和等功率内噪声源相干信号，并输出中频信号；

定标辐射计接收机，用于接收冷空外定标信号和等功率内噪声源相干信号，并通过冷空外定标信号和匹配负载进行标定，以利用标定后的辐射计接收机实时测量等功率内噪声源相干信号；

本振移相网络，所述场景辐射计接收机阵列和定标辐射计接收机共用所述本振移相网络，以使所述本振移相网络向所述场景辐射计接收机和定标辐射计接收机提供所需的本振信号。

一种实施例中，所述场景辐射计接收机阵列由多个场景辐射计接收机构成。

一种实施例中，所述场景辐射计接收机和定标辐射计接收机均包括射频前端和接收机中频。

一种实施例中，所述射频前端依次包括馈源喇叭、匹配负载、开关、隔离器、第一低噪声放大器、温补衰减器、混频器和第二低噪声放大器；

所述开关在所述定标辐射计接收机中用于切换冷空外定标信号、匹配负载和等功率内噪声源相干信号；

所述开关在所述场景辐射计接收机中用于切换场景微波信号、匹配负载和等功率内噪声源相干信号。

一种实施例中，所述接收机中频包括中频放大器和第一高精度移相器。

一种实施例中，所述本振移相网络依次包括本振、第二高精度移相器、第三低噪声放大器和功分器网络。

根据第二方面，本发明还提供一种利用上述的星载一维综合孔径微波辐射测量系统的测量方法，包括步骤：

定标辐射计接收机通过开关切换冷空外定标信号、匹配负载和等功率内噪声源相干信号，利用冷空外定标信号和匹配负载进行两点标定，从而标定辐射计接收机，以利用标定后的辐射计接收机实时测量等功率内噪声源相干信号；

场景辐射计接收机通过开关切换场景观测、匹配负载和等功率内噪声源相干信号，通过匹配负载和已实时测量的等功率内噪声源相干信号标定幅度和相位误差；

通过本振移相网络中的高精度移相器和场景辐射计接收机中的高精度移相器进行移相，补偿各个场景辐射计接收机之间的相位差。

一种实施例中，还包括步骤：通过本振移相网络中的高精度移相器和场景辐射计接收机中的高精度移相器进行移相，构造不同相位差，得到多组冗余相位定标方程，以提高定标精度。

与现有技术相比，本发明的微波辐射测量系统结构简单、易于实现。可避免在轨测试时本振不稳定带来的通道幅度和相位一致性偏差，降低本振的稳定性要求。可补偿场景辐射计接收机各个通道间相位不一致偏差，并且可以得到多组冗余相位定标方程，提高定标精度。可实现内定标与外定标联合定标，实时测量等功率内噪声源相干信号，降低等功率内噪声源相干信号稳定性要求，降低工程实现难度，提高相位定标精度。

附图说明

图1为星载一维综合孔径微波辐射测量系统的结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种星载一维综合孔径微波辐射测量系统，包括：场景辐射计接收机阵列10、定标辐射计接收机20和本振移相网络30；其中，场景辐射计接收机阵列10由多个场景辐射计接收机200构成，用于接收场景微波信号和等功率内噪声源相干信号，并输出中频信号至数字综合处理系统；定标辐射计接收机20用于接收冷空外定标信号和等功率内噪声源相干信号，通过冷空外定标信号和匹配负载进行标定，以利用标定后的辐射计接收机实时测量等功率内噪声源相干信号；场景辐射计接收机阵列10和定标辐射计接收机20共用本振移相网络30，本振移相网络30用于给场景辐射计接收机阵列10和定标辐射计接收机20提供所需的本振信号。

在此，针对各种不同类型的一维综合孔径微波探测仪，从工程应用角度出发，研究全面准确的基于高精度幅相定标实现的星载一维综合孔径微波辐射测量系统和方法具有重要意义。

本发明的微波辐射测量系统结构简单、易于实现。可避免在轨测试时本振不稳定带来的通道幅度和相位一致性偏差，降低本振的稳定性要求。可补偿场景辐射计接收机各个通道间相位不一致偏差，并且可以得到多组冗余相位定标方程，提高定标精度。可实现内定标与外定标联合定标，实时测量等功率内噪声源相干信号，降低等功率内噪声源相干信号稳定性要求，降低工程实现难度，提高相位定标精度。

下面对本发明的星载一维综合孔径微波辐射测量系统的各个组成部分进行详细说明。

其中，场景辐射计接收机200与定标辐射计接收机20采用相同的设计方案，如图1所示，场景辐射计接收机和定标辐射计接收机20均由射频前端40和接收机中频50构成；具体的，射频前端40依次包括馈源喇叭60、匹配负载70、开关80、隔离器90、第一低噪声放大器100、温补衰减器110、混频器120和第二低噪声放大器130；由图1可知，其中开关80、隔离器90、第一低噪声放大器100、温补衰减器110、混频器120和第二低噪声放大器130位置排序是按信号流的流向依次设计的，即，由开关80切换的信号依次经过隔离器90、第一低噪声放大器100、温补衰减器110、混频器120和第二低噪声放大器130，最后进入接收机中频50，然后由接收机中频50发出相应的中频信号。

需要说明的是，开关80在定标辐射计接收机20中用于切换冷空外定标信号、匹配负载和等功率内噪声源相干信号；及开关80在场景辐射计接收机200中用于切换场景微波信号、匹配负载和等功率内噪声源相干信号，因此，开关80具体为单刀三掷开关。

本发明的接收机中频50包括中频放大器和第一高精度移相器，其中，中频放大器的输入端与射频前端40中的第二低噪声放大器130的输出端耦合，中频放大器的输出端与第一高精度移相器的输入端耦合。

本发明的本振移相网络30包括本振160、第三低噪声放大器170、第二高精度移相器180和功分器网络190；其中，功分器网络190的多个输出端分别耦合至场景辐射计接收机200和定标辐射计接收机20中的混频器120，当本振160产生一频率信号时，该频率信号经过第三低噪声放大器170、第二高精度移相器180和功分器网络190输入至混频器120中。

本发明基于综合孔径设计了场景辐射计接收机阵列10、定标辐射计接收机20和本振移相网络30，且场景辐射计接收机阵列10和定标辐射计接收机20共用本振移相网络30，这种设计减小系统功耗的同时，避免在轨测试时本振不稳定带来的通道幅度和相位一致性偏差，从而降低本振的稳定性要求，在本振移相网络和接收机中频分别增加高精度移相器，用于补偿场景辐射计接收机各个通道间相位不一致偏差，并且可以得到多组冗余相位定标方程，提高定标精度。

另外，本发明的设计包含多个场景辐射计接收机和一个定标辐射计接收机两种不同类型辐射计接收机，用于实现内定标与冷空外定标联合定标。其中场景辐射计接收机可以实现场景观测和高精度幅相定标，定标辐射计接收机可用于实时测量等功率内噪声源相干信号，降低等功率内噪声源相干信号稳定性要求，降低工程实现难度，提高相位定标精度。本发明的综合孔径微波辐射测量系统具有一定的通用性，可广泛应用于各类星载一维综合孔径辐射测量中。

基于上述的综合孔径微波辐射测量系统，本发明还提供一种星载一维综合孔径微波辐射测量方法，可实现内定标与外定标联合定标，具体包括以下步骤：

步骤一：定标辐射计接收机20通过开关切换冷空外定标信号、匹配负载和等功率内噪声源相干信号，利用冷空外定标信号和匹配负载进行两点定标，从而标定辐射计接收机，利用标定后的辐射计接收机实时精确测量等功率内噪声源相干信号；

步骤二：场景辐射计接收机200通过开关切换场景观测、匹配负载和等功率内噪声源相干信号，通过匹配负载和已实时测量的等功率内噪声源相干信号标定幅度和相位误差；

步骤三：通过第一高精度移相器150和第二高精度移相器180进行移相，补偿各个场景辐射计接收机之间的相位差；

步骤四：通过第一高精度移相器150和第二高精度移相器180进行移相，构造不同相位差，得到多组冗余相位定标方程，提高定标精度；

在此，采用内定标与外定标联合定标、共本振设计和高精度移相器，有利于完成高精度幅相定标实现，同时结构简单，易于实现。

本发明的星载一维综合孔径微波辐射测量方法，所有辐射计接收机采用共本振设计，减小系统功耗的同时，避免在轨测试时本振不稳定带来的通道幅度和相位一致性偏差，从而降低本振的稳定性要求。

本发明的星载一维综合孔径微波辐射测量方法，在本振移相网络和接收机中频分别增加高精度移相器，用于补偿场景辐射计接收机各个通道间相位不一致偏差，并且可以得到多组冗余相位定标方程，提高定标精度。

本发明的星载一维综合孔径微波辐射测量方法，基于场景辐射计接收机和定标辐射计接收机可实现内定标和外定标联合定标，可实时测量等功率内噪声源相干信号，降低等功率内噪声源相干信号稳定性要求，降低工程实现难度，提高相位定标精度。

本发明提供的星载一维综合孔径微波辐射测量方法，用于实现对观测场景的高精度辐射测量，解决现有综合孔径高精度辐射测量系统技术的不足，在综合孔径辐射计领域具有通用性，辐射测量系统所有的接收机采用统型设计，既降低了设计成本，又方便了调试加工，提高了系统可靠性；通过对等功率内噪声源相干信号实时测量，降低工程实现难度。

通过计算分析，通过本发明所提供的辐射测量方法，以中心频率为7ghz，带宽600mhz，具有40个通道的一维综合孔径辐射计被测系统为例，预计能够达到以下指标：

定标精度：≤0.4k；

重量：≤20kg；

功耗：≤60w；

本发明与现有技术相比，其优点和有益效果是：

1、微波辐射测量系统接收机采用统型设计，降低设计成本，方便调试加工，提高系统可靠性；

2、通过在本振移相网络和接收机中频采用高精度移相器，既可补偿综合孔径辐射计各阵元之间的相位不一致性，又可获得多组冗余相位定标方程，提高定标精度；

3、定标辐射计接收机可通过冷空外定标信号和匹配负载进行标定，用标定接收机实时测量等功率内噪声源相干信号采用通过对等功率内噪声源相干信号实时测量，降低工程实现难度，提高定标精度。

综上所述，本发明的星载一维综合孔径微波辐射测量系统及测量方法，可实现对观测场景的高精度辐射测量。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。