一種星載SAR定標接收機誤差分析

束永江，何 勤，趙建農

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

星載合成孔徑雷達(SAR）是一種工作在微波頻段的主動式遙感器，是合成孔徑雷達衛星的主要有效載荷。它能夠不受日照和天氣條件的限制，全天候、全天時地對地觀測。這些特點使它在災害監測、環境監測、海洋觀測、農作物評估、測繪和軍事等方面具有獨特的優勢，而這些應用都需要定量測量目標的特征，排除SAR 系統中的誤差因素，得到目標回波的絕對值。這就需要進行外定標［1］。微波輻射定標場地面定標接收機是星載SAR 主要外定標設備。為滿足系統測量的高精度要求，定標接收機自身的高精度指標尤為重要，其精度誤差分析是關鍵。本文就定標接收機高精度指標進行了誤差分析。

1 定標接收機工作原理

作為微波輻射定標場的主要定標設備之一，定標接收機用于完成星載SAR 系統天線方向圖的測量、星載SAR 輻射功率的測量等。為精確測量星載SAR 天線方向圖及星載SAR 輻射功率，定標接收機需要有很高的測量精度。圖1為定標接收機功能實現框圖。

圖1 定標接收機功能實現框圖

定標接收機工作原理為:在設備接收星載SAR發射的雷達信號時，雷達信號經地面定標接收機天線進入接收前端低噪聲放大器放大，經增益控制、對數檢波后進行AD 采樣，形成的采樣數據儲存到存儲單元內。

圖1中，指向裝置包括天線轉臺和伺服驅動控制器，為定標接收機天線提供精確的俯仰和方位角度控制;時間同步包括GPS定時裝置，提供系統所需的GPS時間;自校系統主要包括耦合器、校準開關以及用校準信號作參考實現通道增益內校準的校準算法;微機控制單元實現全機的狀態控制、內校準自動控制及數據交換;基準源是用來產生系統所需的時鐘信號及用于系統校準的校準信號。

2 定標接收機誤差分析

為實現高精度測量，在定標接收機設計研制中采用了內校準及外標定等關鍵技術，并通過誤差分析得到系統最終的精度指標。定標接收機指標精度誤差主要包括天線指向精度誤差、幅度測試穩定度誤差和幅度測試精度誤差。因此，系統在設計時誤差分析是關鍵。

2.1 天線指向精度誤差分析

在接收星載SAR信號時，定標接收機的接收天線需指向衛星到來的方向，對天線系統指向精度要求很高。天線指向控制分為方位指向控制和俯仰指向控制兩部分，分別控制天線的方位角和俯仰角。

對影響天線指向精度的各種誤差進行了分析，其中天線方位向指向精度包括天線方位指向控制誤差和設備定北精度，天線俯仰指向精度包括天線俯仰向指向控制誤差。

(1）天線指向控制誤差

定標接收機天線的轉動及方位調整或俯仰調整主要靠伺服驅動機構來完成，因此伺服驅動的精度誤差即為天線的指向控制誤差，包括方位和俯仰兩個軸向的控制。方位和俯仰的驅動均采用精密步進電機，采用的檢測元件的精度高于控制精度3 倍以上，角度反饋采用的位置傳感器為精度達0.05°的旋轉變壓器，再加上軸系安裝精度、軸角變換器的精度誤差影響，天線控制精度誤差能夠控制在0.3°以內。

以方位軸為例，根據分析，系統的精度主要與反饋裝置的精度和計算精度有關，而與閉環內的所有環節關系較小。對本系統而言，旋轉變壓器的精度為0.05°，軸角轉換器變換的精度為0.02°，旋轉變壓器安裝誤差可以做到0.002°，零點漂移0.002°。由于伺服控制軟件在反饋值與給定值相差小于5個碼時就認為到位了，所以計算精度為0.1°，由誤差計算公式計算可得

天線方位指向控制誤差為

同樣，可得天線俯仰指向控制誤差為0.1136°。

(2）定北儀定北誤差

本系統是依據高精度定北來實現天線方位指向的絕對精度，采用光纖陀螺定北儀。該定北儀采用第3代光纖陀螺技術，與傳統陀螺定北儀相比，具有精度高、長時穩定性好、抗振動等特點。其主要指標如下:

定北精度:≤0.1°(σ）

定北精度:≤0.15°(3σ）

定北時間:≤5 min

定北儀安裝在定標接收機電子設備機箱的安裝底板上。該底板裝有天線轉臺底座，同時有一定北儀定位安裝接口。這樣，定北儀和天線轉臺底座在結構上為一體安裝，共同安裝在機箱底板上。安裝前，對定北儀安裝接口的定位安裝法線進行標定，標定后定北儀的安裝精度≤0.1°。由于定北儀精度為≤0.15°(3σ），所以最后由誤差公式(1）計算可得到設備定北精度為0.18°(3σ）。

(3）天線指向精度

天線俯仰向指向精度即為天線俯仰指向控制誤差0.11°。

天線方位向指向精度:由于定標接收機的定北精度為0.18((3σ），天線方位指向控制誤差為0.1136°，由誤差公式(1）計算可得天線方位向指向精度為0.22°。

2.2 幅度測試穩定度誤差分析

為實現高精度測量，定標接收機自身接收通道增益的穩定度十分關鍵。在定標接收機設計研制中采用了接收通道增益內校準技術。該技術是保證系統幅度測試穩定度的關鍵。接收通道增益內校準原理框圖如圖2。

圖2 通道增益內校準示意框圖

系統穩定度的定義為系統在重復多次測試時各次測試的幅度值之差。由此可見，系統的高精度測試是建立在穩定度基礎上的。穩定度包括短期穩定度和長期穩定度，系統幅度測試穩定度即為長期穩定度。

(1）短期穩定度

由通道增益內校準原理可得:

影響短期穩定度的主要誤差因素有:

·AD 量化誤差≤0.02 dB;

·系統隨機噪聲引起的幅度測試誤差≤0.02 dB。

由誤差公式(1）計算可得短期穩定度≤0.03 dB。

(2）長期穩定度

由通道增益內校準原理可得:

長期穩定度主要包括:

(a）內校準誤差，其構成包括:

·數控衰減器步進誤差≤0.05 dB;

·RF 對數檢波器線性度誤差≤0.1 dB;

·定向耦合器精度誤差≤0.1 dB。

由誤差公式(1）計算可得內校準誤差≤0.15 dB。

(b）天線指向精度造成的幅度測試誤差

天線指向精度≤0.22°(0.22°造成的幅度測試誤差為≤0.02 dB）。

(c）短期穩定度≤0.03 dB

由誤差公式(1）計算可得幅度測試穩定度即長期穩定度≤0.16 dB。

2.3 幅度測試精度誤差分析

為了對接收到的SAR信號進行功率絕對測量，實現高精度幅度測試精度，定標接收機需要進行功率標定。定標接收機功率標定框圖如圖3。

功率標定建立在接收通道增益內校準基礎上，其方法是:在常溫下，先對定標接收機進行通道增益內校準，用信號產生器或類似儀表(其輸出信號功率已標定）作標準信號源，輸出信號功率為P0。該信號從天線后的饋線耦合口饋入通道，在后級對采樣數據進行處理得到經過整個通道后信號的功率讀值Pr，設定此功率讀值為標準功率讀值。依此方法建立一幅度真值對應表。在進行SAR信號幅度測量時，定標接收機對接收到的信號AD 量化后用量化值直接查表即可得到該信號對應的幅度值。

(1）功率標定誤差

由定標接收機功率標定框圖可知，用上述方法實現定標接收機功率標定時未包含天線。天線是在暗室實行單獨測試的，其增益測量誤差為≤±0.04 dB。因此，定標接收機功率標定誤差主要包括:

·標準信號源精度誤差≤±0.04 dB;

·天線增益測試誤差≤±0.04 dB。

圖3 定標接收機功率標定框圖

這樣，由誤差公式(1）計算可得功率標定誤差≤0.057 dB。

(2）幅度測試精度誤差

幅度測試精度誤差包括:

·幅度測試穩定度≤0.16 dB;

·功率標定誤差:≤0.057 dB。

由系統誤差分析可知，幅度測試精度為系統穩定度與功率標定誤差之和，計算可得幅度測試總精度為0.217 dB。

3 定標接收機指標實測結果

該定標接收機已交付用戶使用，出廠前進行了用戶驗收測試，指標實測如下:

天線方位向指向精度:≤±0.3°

天線俯仰向指向精度:≤±0.2°

幅度測試穩定度:≤0.19 dB

幅度測試精度:≤0.28 dB

4 結束語

本文對定標接收機的高精度指標進行了定量誤差分析，給出了誤差分析模型和系統高精度指標的誤差計算。目前，國外用于星載SAR 系統的外定標技術發展很快，用于星載SAR定標的定標器的幅度測量精度一般在0.2～0.5 dB，長期穩定度在0.1～0.3 dB的范圍內。本文所述的定標接收機已研制完成，并成功應用于我國第一代SAR 遙感衛星的地面定標，其幅度測量精度優于0.3 dB，穩定度優于0.2 dB。該定標接收機具有無人值守功能，可按設定時間和角度自動開機、調整天線指向并進行SAR信號的測試記錄，可廣泛應用于遙感、測繪、資源偵察等星載SAR的外定標，具有廣闊的應用前景。

［1］John C.Curlander.合成孔徑雷達:系統與信號處理［M］.韓傳釗，等譯.北京:電子工業出版社，2006.12.

［2］束永江，等.一種微波輻射定標場接收機通道自校準設計［J］.計測技術，2005 (2）.

［3］魏鐘銓，等.合成孔徑雷達衛星［M］.北京:科學出版社，2001.

［4］袁孝康.星載合成孔徑雷達的輻射校準［J］.上海航天，1998 (4）:13-9.