一种星载SAR定标接收机误差分析

束永江，何 勤，赵建农

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

星载合成孔径雷达(SAR）是一种工作在微波频段的主动式遥感器，是合成孔径雷达卫星的主要有效载荷。它能够不受日照和天气条件的限制，全天候、全天时地对地观测。这些特点使它在灾害监测、环境监测、海洋观测、农作物评估、测绘和军事等方面具有独特的优势，而这些应用都需要定量测量目标的特征，排除SAR 系统中的误差因素，得到目标回波的绝对值。这就需要进行外定标［1］。微波辐射定标场地面定标接收机是星载SAR 主要外定标设备。为满足系统测量的高精度要求，定标接收机自身的高精度指标尤为重要，其精度误差分析是关键。本文就定标接收机高精度指标进行了误差分析。

1 定标接收机工作原理

作为微波辐射定标场的主要定标设备之一，定标接收机用于完成星载SAR 系统天线方向图的测量、星载SAR 辐射功率的测量等。为精确测量星载SAR 天线方向图及星载SAR 辐射功率，定标接收机需要有很高的测量精度。图1为定标接收机功能实现框图。

图1 定标接收机功能实现框图

定标接收机工作原理为:在设备接收星载SAR发射的雷达信号时，雷达信号经地面定标接收机天线进入接收前端低噪声放大器放大，经增益控制、对数检波后进行AD 采样，形成的采样数据储存到存储单元内。

图1中，指向装置包括天线转台和伺服驱动控制器，为定标接收机天线提供精确的俯仰和方位角度控制;时间同步包括GPS定时装置，提供系统所需的GPS时间;自校系统主要包括耦合器、校准开关以及用校准信号作参考实现通道增益内校准的校准算法;微机控制单元实现全机的状态控制、内校准自动控制及数据交换;基准源是用来产生系统所需的时钟信号及用于系统校准的校准信号。

2 定标接收机误差分析

为实现高精度测量，在定标接收机设计研制中采用了内校准及外标定等关键技术，并通过误差分析得到系统最终的精度指标。定标接收机指标精度误差主要包括天线指向精度误差、幅度测试稳定度误差和幅度测试精度误差。因此，系统在设计时误差分析是关键。

2.1 天线指向精度误差分析

在接收星载SAR信号时，定标接收机的接收天线需指向卫星到来的方向，对天线系统指向精度要求很高。天线指向控制分为方位指向控制和俯仰指向控制两部分，分别控制天线的方位角和俯仰角。

对影响天线指向精度的各种误差进行了分析，其中天线方位向指向精度包括天线方位指向控制误差和设备定北精度，天线俯仰指向精度包括天线俯仰向指向控制误差。

(1）天线指向控制误差

定标接收机天线的转动及方位调整或俯仰调整主要靠伺服驱动机构来完成，因此伺服驱动的精度误差即为天线的指向控制误差，包括方位和俯仰两个轴向的控制。方位和俯仰的驱动均采用精密步进电机，采用的检测元件的精度高于控制精度3 倍以上，角度反馈采用的位置传感器为精度达0.05°的旋转变压器，再加上轴系安装精度、轴角变换器的精度误差影响，天线控制精度误差能够控制在0.3°以内。

以方位轴为例，根据分析，系统的精度主要与反馈装置的精度和计算精度有关，而与闭环内的所有环节关系较小。对本系统而言，旋转变压器的精度为0.05°，轴角转换器变换的精度为0.02°，旋转变压器安装误差可以做到0.002°，零点漂移0.002°。由于伺服控制软件在反馈值与给定值相差小于5个码时就认为到位了，所以计算精度为0.1°，由误差计算公式计算可得

天线方位指向控制误差为

同样，可得天线俯仰指向控制误差为0.1136°。

(2）定北仪定北误差

本系统是依据高精度定北来实现天线方位指向的绝对精度，采用光纤陀螺定北仪。该定北仪采用第3代光纤陀螺技术，与传统陀螺定北仪相比，具有精度高、长时稳定性好、抗振动等特点。其主要指标如下:

定北精度:≤0.1°(σ）

定北精度:≤0.15°(3σ）

定北时间:≤5 min

定北仪安装在定标接收机电子设备机箱的安装底板上。该底板装有天线转台底座，同时有一定北仪定位安装接口。这样，定北仪和天线转台底座在结构上为一体安装，共同安装在机箱底板上。安装前，对定北仪安装接口的定位安装法线进行标定，标定后定北仪的安装精度≤0.1°。由于定北仪精度为≤0.15°(3σ），所以最后由误差公式(1）计算可得到设备定北精度为0.18°(3σ）。

(3）天线指向精度

天线俯仰向指向精度即为天线俯仰指向控制误差0.11°。

天线方位向指向精度:由于定标接收机的定北精度为0.18((3σ），天线方位指向控制误差为0.1136°，由误差公式(1）计算可得天线方位向指向精度为0.22°。

2.2 幅度测试稳定度误差分析

为实现高精度测量，定标接收机自身接收通道增益的稳定度十分关键。在定标接收机设计研制中采用了接收通道增益内校准技术。该技术是保证系统幅度测试稳定度的关键。接收通道增益内校准原理框图如图2。

图2 通道增益内校准示意框图

系统稳定度的定义为系统在重复多次测试时各次测试的幅度值之差。由此可见，系统的高精度测试是建立在稳定度基础上的。稳定度包括短期稳定度和长期稳定度，系统幅度测试稳定度即为长期稳定度。

(1）短期稳定度

由通道增益内校准原理可得:

影响短期稳定度的主要误差因素有:

·AD 量化误差≤0.02 dB;

·系统随机噪声引起的幅度测试误差≤0.02 dB。

由误差公式(1）计算可得短期稳定度≤0.03 dB。

(2）长期稳定度

由通道增益内校准原理可得:

长期稳定度主要包括:

(a）内校准误差，其构成包括:

·数控衰减器步进误差≤0.05 dB;

·RF 对数检波器线性度误差≤0.1 dB;

·定向耦合器精度误差≤0.1 dB。

由误差公式(1）计算可得内校准误差≤0.15 dB。

(b）天线指向精度造成的幅度测试误差

天线指向精度≤0.22°(0.22°造成的幅度测试误差为≤0.02 dB）。

(c）短期稳定度≤0.03 dB

由误差公式(1）计算可得幅度测试稳定度即长期稳定度≤0.16 dB。

2.3 幅度测试精度误差分析

为了对接收到的SAR信号进行功率绝对测量，实现高精度幅度测试精度，定标接收机需要进行功率标定。定标接收机功率标定框图如图3。

功率标定建立在接收通道增益内校准基础上，其方法是:在常温下，先对定标接收机进行通道增益内校准，用信号产生器或类似仪表(其输出信号功率已标定）作标准信号源，输出信号功率为P0。该信号从天线后的馈线耦合口馈入通道，在后级对采样数据进行处理得到经过整个通道后信号的功率读值Pr，设定此功率读值为标准功率读值。依此方法建立一幅度真值对应表。在进行SAR信号幅度测量时，定标接收机对接收到的信号AD 量化后用量化值直接查表即可得到该信号对应的幅度值。

(1）功率标定误差

由定标接收机功率标定框图可知，用上述方法实现定标接收机功率标定时未包含天线。天线是在暗室实行单独测试的，其增益测量误差为≤±0.04 dB。因此，定标接收机功率标定误差主要包括:

·标准信号源精度误差≤±0.04 dB;

·天线增益测试误差≤±0.04 dB。

图3 定标接收机功率标定框图

这样，由误差公式(1）计算可得功率标定误差≤0.057 dB。

(2）幅度测试精度误差

幅度测试精度误差包括:

·幅度测试稳定度≤0.16 dB;

·功率标定误差:≤0.057 dB。

由系统误差分析可知，幅度测试精度为系统稳定度与功率标定误差之和，计算可得幅度测试总精度为0.217 dB。

3 定标接收机指标实测结果

该定标接收机已交付用户使用，出厂前进行了用户验收测试，指标实测如下:

天线方位向指向精度:≤±0.3°

天线俯仰向指向精度:≤±0.2°

幅度测试稳定度:≤0.19 dB

幅度测试精度:≤0.28 dB

4 结束语

本文对定标接收机的高精度指标进行了定量误差分析，给出了误差分析模型和系统高精度指标的误差计算。目前，国外用于星载SAR 系统的外定标技术发展很快，用于星载SAR定标的定标器的幅度测量精度一般在0.2～0.5 dB，长期稳定度在0.1～0.3 dB的范围内。本文所述的定标接收机已研制完成，并成功应用于我国第一代SAR 遥感卫星的地面定标，其幅度测量精度优于0.3 dB，稳定度优于0.2 dB。该定标接收机具有无人值守功能，可按设定时间和角度自动开机、调整天线指向并进行SAR信号的测试记录，可广泛应用于遥感、测绘、资源侦察等星载SAR的外定标，具有广阔的应用前景。

［1］John C.Curlander.合成孔径雷达:系统与信号处理［M］.韩传钊，等译.北京:电子工业出版社，2006.12.

［2］束永江，等.一种微波辐射定标场接收机通道自校准设计［J］.计测技术，2005 (2）.

［3］魏钟铨，等.合成孔径雷达卫星［M］.北京:科学出版社，2001.

［4］袁孝康.星载合成孔径雷达的辐射校准［J］.上海航天，1998 (4）:13-9.