一种星载Ka波段SAR系统及其在轨成像工作方法与流程

一种星载ka波段sar系统及其在轨成像工作方法
技术领域
1.本发明属于合成孔径雷达技术领域，涉及一种星载ka波段sar系统。


背景技术：

2.由于毫米波波段大气衰减大于传统低频段，因此前期星载毫米波sar的发展受到了较多的限制。近年来随着大量毫米波sar技术研究的开展和相应工艺水平的提高，星载毫米波sar开始进入快速发展阶段。
3.欧空局、德宇航、荷兰航天局、意大利阿莱尼亚航天公司、美国加州理工学院、喷气推进实验室等国际知名航天研究机构先后提出了多套星载ka波段sar技术方案，但是大都停留在方案论证阶段，尚未开展实际工程实现。
4.其中由美国喷气推进实验室联合法国国家空间研究中心开展的swot(the surface water and ocean topography)卫星已经进入研制阶段，预计将于2023年发射。swot的主载荷为ka波段的insar，其工作频率35ghz，采用10m的干涉基线和0.4
°
～3.5
°
的近底视观测，可实现海面的高精度和宽测绘带测量，从而对海洋中小范围的变化进行研究；同时也可测量陆地水体高度，对陆地水体的储存和流失造成的空间和时间分布进行研究。
5.现有技术大都停留在方案阶段，唯一在进行工程研制的swot系统采用近底视观测，图像分辨率较差。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对当前国内外尚无在轨星载sar系统的现状，面向星载毫米波精细化对地观测需求，提出一种星载ka波段sar系统。
7.所述系统包括：天线1，内定标器2，监控定时器3，频综接收机4，数字接收机5，预功放6，波导开关7，雷达配电器8，天线配电单元9，波导转接板10；其中，
8.所述天线向自由空间发射高功率高定向脉冲波束，接收地物反射的回波信号；在距离向提供大角度电子扫描能力；并为所述星载ka波段sar系统提供内定标回路；
9.所述内定标器2用于配合所述天线定标网络实现系统幅相性能的标定，以保证系统性能；测量系统总增益的相对变化量，测量分系统收发通道幅度的变化，复制分系统lfm信号以提供成像处理的参考信号，用于系统误差校正；
10.所述监控定时器3作为所述星载ka波段sar系统的时间基准，用来保证系统收、发工作的同步，同时执行地面对系统的遥控和遥测任务，控制系统的加电和成像时序，检测分系统工作状态，实现地面对系统的各项测控要求。
11.所述频综接收机4包括频综和模拟接收机；其中，频综采用基于fpga+da的实现架构，兼容波形存储直读与波形实时计算两种模式，通过预失真处理实现对系统链路幅相误差的补偿，生成射频主振信号发送到预功放6；模拟接收机接收从波导开关输出的射频回波信号，变频放大后输出中频回波信号到数字接收机5；
12.所述数字接收机5接收所述监控定时器的指令及辅助数据，完成回波信号的接收
采集；将回波数据进行下变频和数字滤波处理和baq压缩，并与系统辅助数据组合打包形成格式化数据帧；将打包后的格式化数据输出给数传系统，所述数传系统用于接收所述sar系统的输出数据；
13.所述预功放6将频综输出的主振信号放大到满足天线功率需求，并输出到天线；
14.所述波导开关7系统定标时用作定标信号的切换，在不同的定标状态由监控定时器控制切换到回波输入有效或者定标输入有效；
15.所述雷达配电器8为舱内各单机提供30v一次电源，同时控制各单机加断电；所述舱内各单机不包含监控定时器，所述监控定时器由卫星平台直接供电；
16.所述天线配电单元9为天线二次电源提供60v一次电源，同时控制天线二次电源的加断电；
17.所述天线与预功放之间、预功放与波导开关之间采用波导连接，降低传输损耗；所述预功放和波导开关统一安装在波导转接板10上；所述监控定时器3通过有源相控阵天线波控码的存储和转发，控制天线波束指向。
18.优选地，频综由基准频率源和调频信号源组成，基准频率源由晶体振荡器为sar系统提供基准频率和时钟信号，以保证系统相干特性；根据基准频率源输出的基准时钟生成各种中频、射频基准。
19.优选地，所述调频信号源采用数字波形生成方式，根据控制信号和定时信号产生满足系统需要的基带线性调频信号；经过正交调制、中频选通放大、上变频、滤波及功率放大得到时域、频域和信号功率均满足要求的射频线性调频信号。
20.优选地，模拟接收机由高频放大与变频模块、中频放大与mgc模块组成；高频放大与变频模块完成接收信号的下变频、滤波得到中频信号；中频放大与mgc模块进行中频回波信号的放大、增益控制，以适应接收动态的输出要求。
21.优选地，所述波导开关7在成像期间，切换到回波输入有效，实现地面回波的正常接收。
22.优选地，所述天线采用波导缝隙有源相控阵天线，具备大角度电扫描能力。
23.优选地，所述内定标器采用非延迟定标方案，配合波导开关阵列实现不同回路之间的高隔离，各回路之间隔离度≥70db。
24.本发明还提供了一种适用于星载ka波段sar系统的方法，其特征在于，包括步骤：
25.步骤1：所述监控定时器3控制雷达配电器8和天线配电单元9给系统各单机加电；
26.步骤2：所述监控定时器3控制频综接收机4的频综频综的调频信号源产生宽带线性调频(lfm)信号；
27.步骤3：频综输出的lfm信号经预功放6放大后经环形器输出到所述天线1；
28.步骤4：发射信号通过功分放大输出到氮化镓tr组件进行功率放大，通过环形器输出到波导缝隙阵面，大功率辐射信号被控制照向不同的成像区域；
29.步骤5：天线1接收地面反射的回波信号，通过与发射相同的路径回到tr组件，回波信号将进入r通道，经功分器合成进行二次放大后，再次合成输出；
30.步骤6：回波信号进入预功放，通过环形器回到波导开关7；
31.步骤7：在成像模式下的接收状态，波导开关为导通状态；回波信号进入模拟接收机，经低噪声放大、下变频、中频滤波放大、增益控制，得到中频回波信号；
32.步骤8：中频信号进入数字接收机5后，经ad采集、正交解调、滤波、抽取、baq压缩和打包组帧，形成了sar回波数据流；
33.步骤9：数据流通过数传分系统传输至地面接收站，地面处理系统对回波数据进行baq解压缩和sar成像处理，得到高分辨率地面场景图像。
附图说明
34.图1为本发明的一种星载ka波段sar系统框图。
具体实施方式
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
36.本发明提出了一种星载ka波段sar系统。所述系统包括：天线1，内定标器2，监控定时器3，频综接收机4，数字接收机5，预功放6，波导开关7，雷达配电器8，天线配电单元9，波导转接板10；其中，
37.所述天线向自由空间发射高功率高定向脉冲波束，接收地物反射的回波信号；在距离向提供大角度电子扫描能力；并为所述星载ka波段sar系统提供内定标回路；
38.所述内定标器2用于配合所述天线定标网络实现系统幅相性能的标定，以保证系统性能；测量系统总增益的相对变化量，测量分系统收发通道幅度的变化，复制分系统lfm信号以提供成像处理的参考信号，用于系统误差校正；
39.所述监控定时器3作为所述星载ka波段sar系统的时间基准，用来保证系统收、发工作的同步，同时执行地面对系统的遥控和遥测任务，控制系统的加电和成像时序，检测分系统工作状态，实现地面对系统的各项测控要求。
40.所述频综接收机4包括频综和模拟接收机；其中，频综采用基于fpga+da的实现架构，兼容波形存储直读与波形实时计算两种模式，通过预失真处理实现对系统链路幅相误差的补偿，生成射频主振信号发送到预功放6；模拟接收机接收从波导开关输出的射频回波信号，变频放大后输出中频回波信号到数字接收机5；
41.所述数字接收机5接收所述监控定时器的指令及辅助数据，完成回波信号的接收采集；将回波数据进行下变频和数字滤波处理和baq压缩，并与系统辅助数据组合打包形成格式化数据帧；将打包后的格式化数据输出给数传系统，所述数传系统用于接收所述sar系统的输出数据；
42.所述预功放6将频综输出的主振信号放大到满足天线功率需求，并输出到天线；
43.所述波导开关7系统定标时用作定标信号的切换，在不同的定标状态由监控定时器控制切换到回波输入有效或者定标输入有效；
44.所述雷达配电器8为舱内各单机提供30v一次电源，同时控制各单机加断电；所述舱内各单机不包含监控定时器，所述监控定时器由卫星平台直接供电；
45.所述天线配电单元9为天线二次电源提供60v一次电源，同时控制天线二次电源的加断电；
46.所述天线与预功放之间、预功放与波导开关之间采用波导连接，降低传输损耗；所述预功放和波导开关统一安装在波导转接板10上；所述监控定时器3通过有源相控阵天线
波控码的存储和转发，控制天线波束指向。
47.根据本发明的一个实施例，频综由基准频率源和调频信号源组成，基准频率源由晶体振荡器为sar系统提供基准频率和时钟信号，以保证系统相干特性；根据基准频率源输出的基准时钟生成各种中频、射频基准。
48.根据本发明的一个实施例，所述调频信号源采用数字波形生成方式，根据控制信号和定时信号产生满足系统需要的基带线性调频信号；经过正交调制、中频选通放大、上变频、滤波及功率放大得到时域、频域和信号功率均满足要求的射频线性调频信号。
49.根据本发明的一个实施例，模拟接收机由高频放大与变频模块、中频放大与mgc模块组成；高频放大与变频模块完成接收信号的下变频、滤波得到中频信号；中频放大与mgc模块进行中频回波信号的放大、增益控制，以适应接收动态的输出要求。
50.根据本发明的一个实施例，所述波导开关7在成像期间，切换到回波输入有效，实现地面回波的正常接收。
51.根据本发明的一个实施例，所述天线采用波导缝隙有源相控阵天线，具备大角度电扫描能力。
52.根据本发明的一个实施例，所述内定标器采用非延迟定标方案，配合波导开关阵列实现不同回路之间的高隔离，各回路之间隔离度≥70db。
53.本发明还提供了一种适用于星载ka波段sar系统的在轨成像方法，包括步骤：
54.步骤1：所述监控定时器3控制雷达配电器8和天线配电单元9给系统各单机加电；
55.步骤2：所述监控定时器3控制频综接收机4的频综频综的调频信号源产生宽带线性调频(lfm)信号；
56.步骤3：频综输出的lfm信号经预功放6放大后经环形器输出到所述天线1；
57.步骤4：发射信号通过功分放大输出到氮化镓tr组件进行功率放大，通过环形器输出到波导缝隙阵面，大功率辐射信号被控制照向不同的成像区域；
58.步骤5：天线1接收地面反射的回波信号，通过与发射相同的路径回到tr组件，回波信号将进入r通道，经功分器合成进行二次放大后，再次合成输出；
59.步骤6：回波信号进入预功放，通过环形器回到波导开关7；
60.步骤7：在成像模式下的接收状态，波导开关为导通状态；回波信号进入模拟接收机，经低噪声放大、下变频、中频滤波放大、增益控制，得到中频回波信号；
61.步骤8：中频信号进入数字接收机5后，经ad采集、正交解调、滤波、抽取、baq压缩和打包组帧，形成了sar回波数据流；
62.步骤9：数据流通过数传分系统传输至地面接收站，地面处理系统对回波数据进行baq解压缩和sar成像处理，得到高分辨率地面场景图像。
63.显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。