HJ-1-C衛星SAR全功率輻射試驗的設計及實現

張華春 陶 新 倪 江 禹衛東

(中國科學院電子學研究所 北京 100190)

1 引言

HJ-1-C衛星是我國環境與災害監測預報小衛星“2+1”星座中的一顆雷達衛星，其有效載荷為S波段(3200 MHz)合成孔徑雷達(SAR)，具有全天時、全天候對地觀測能力。SAR系統采用輕形網狀拋物面天線以及大功率固態發射機，大功率集中發射是HJ-1-C SAR系統的一大特點。

在 SAR系統各部分設備驗收完成后，需進行SAR系統的集成測試[1－3,4]，包括接口檢查、發射通道特性測試、接收通道特性測試、內定標測試，多波束饋源、波束控制器功能測試、天線轉動控制器轉動功能測試、反射器面型精度測試、SAR天線方向圖測試、SAR系統全功率輻射試驗等，其中SAR系統全功率輻射試驗是地面對 SAR系統性能最全面的考核。本文針對HJ-1-C SAR系統采用大功率集中發射、網狀拋物面天線的技術體制，給出HJ-1-C SAR系統全功率輻射試驗方案設計、試驗過程和測試結果。

2 HJ-1-C SAR系統簡介

HJ-1-C SAR系統的組成如圖1所示。SAR系統從原理上可以認為由發射通道、接收通道以及內定標通道構成。調頻信號源產生小功率線性調頻信號經固態發射機進行功率放大后，形成高功率微波信號，經4端口環形器、波導饋線后進入12喇叭多波束饋源，波束控制器通過選擇12喇叭中的4個喇叭作為饋源，從而形成距離向指向不同的波束，投射到網狀拋物面天線網面上，微波能量被輻射到地面測繪區域，來照射不同的測繪帶。

地面的后向反射微弱回波信號被天線網面接收后，經饋源、波導和環形器進入接收機保護開關，之后到達雷達接收機進行低噪聲放大、下變頻、正交解調，輸出的視頻信號經數據形成器量化、壓縮、打包后，送給數傳系統。這樣就完成了 SAR的收發信號流程。

內定標器通道采用延遲定標方案，由兩個定標回路組成，即發射定標(從固態發射機耦合輸入信號)和參考定標(從調頻信號源耦合輸入信號)；內定標器對耦合輸入的射頻信號進行延時、衰減、電平調整后，輸出定標信號，通過微波組合送雷達接收通道。

SAR系統的主要指標如下：

射頻峰值發射功率：3500～4000 W；

脈沖重復頻率PRF：2600～3700 Hz；

信號帶寬：60 MHz；

脈沖寬度：27 μs；

分辨率/幅寬：5 m/40 km(條帶模式)；

波束數目：9個；

天線口面尺寸：6 m×2.8 m；

天線增益：≥ 34.7 dB 。

3 SAR系統全功率輻射試驗設計

3.1 全功率輻射試驗的目的

HJ-1-C SAR系統全功率輻射試驗用于檢驗SAR系統滿功率發射能力，檢驗天線子系統的多波束饋源發射功能和天線的工作狀態，驗證在軌狀態、天線展開條件下，全功率輻射時 SAR系統工作狀態和性能。地面測試時，進行 SAR系統電磁兼容驗證；全功率輻射時，進行 SAR系統全回路指標和性能測試。該試驗需要在屏蔽的大功率微波暗室進行。試驗原理框圖如圖1所示。

3.2 全功率輻射安全性設計

圖1 SAR系統組成和全功率輻射試驗原理框圖Fig.1 The composition of the SAR system and the full-power radiation test block diagram

4端口環形器在雷達系統中連接收發通道(見圖1)，當雷達發射時，來自固態發射機的大功率信號由4端口環形器的1端口入，2端口輸出到天線；當雷達接收時，來自天饋線的微弱信號由2端口入，3端口輸出饋入雷達接收通道。為避免發射時大功率信號通過4端口環形器漏入接收通道，燒毀雷達接收機，4端口環形器收發端口具有一定的隔離度。由于環形器收/發隔離度只有20 dB，故固態發射機發射信號時，環形器漏過的發射功率進入接收機保護開關，同時由非理想匹配的天線和饋線反射信號也進入接收機保護開關，因此接收機保護開關應對環形器漏過的發射功率和天線的反射功率進行限幅，來保證雷達接收機的安全。系統設計接收機保護開關應產生55 dB的隔離度，這樣即便發生天線全反射，漏過雷達接收機的功率仍能小于 10 dBm。而發射信號結束后，接收通道應能及時地恢復，高效率地使接收信號通過。因此，根據發射和接收的工作狀態變化，接收機保護開關需要頻繁的交替動作。

全功率輻射試驗，由于涉及大功率，特別要關注安全性。每一步都要進行待測功率電平、測試儀器所能承受的功率電平的計算，雷達接收機入口漏過功率電平的測試，雷達開機順序，確保測試的安全。同時大功率下隨著工作時間的增加，要關注產品的熱特性，固態發射機的溫升情況以及天線子系統饋源開關的溫升情況等，滿足產品試驗條件的要求。

4 SAR系統全功率輻射試驗

微波暗室中全功率輻射試驗測試現場如圖2所示。固態發射機輸出經波導饋線后經拋物面天線輻射，在天線網面前方放置接收喇叭，接收的輻射信號經測試電纜、可變衰減器等附件接入回波模擬器中的光延遲線，光延遲線按照設置85 μs延時進行連接，將接收到的輻射信號，在距離向進行延遲，未加方位向調制，并經功率放大后，模擬雷達回波信號，再經測試電纜輸出到天線網面前方的發射喇叭，通過發射喇叭輻射回波信號到天線網面，再經饋源開關、波導饋線進入接收通路，構成閉環測試系統。數據記錄器與星上數據形成連接，記錄數據形成輸出到數傳接口的數據。通過對記錄數據回放、處理、分析，獲取全系統滿功率無線距離向性能指標(峰值旁瓣比，積分旁瓣比，展寬系數等)。

SAR系統加功率時，由小到大逐步增加，并注意連續工作時間依次加長，保證微波暗室吸波材料散熱條件。下面按照HJ-1-C SAR滿功率試驗的測試流程來加以說明。

4.1 SAR系統集成測試的安裝狀態

SAR系統集成測試的安裝狀態見圖3。

圖2 HJ-1-C SAR系統全功率輻射試驗現場圖Fig.2 HJ-1-C SAR system full-power radiation test diagram

圖3 SAR系統集成待測狀態示意圖Fig.3 SAR system integration test state diagram

系統按照裝星工藝正常安裝，并置于微波暗室中測試，固態發射機散熱措施安裝到位；發射和接收喇叭安裝到位，且通過17 m長測試電纜連接至可變衰減器；光延遲線和可變衰減器、放大器等放置在電測間中，數據記錄器放置于微波暗室內。

4.2 全功率試驗不同波位下漏過功率測試

為保證 SAR系統接收通道的安全，首先要在滿功率輻射下，對發射信號在接收通道的漏過功率進行測試，即對波導濾波器后、接收機保護開關后的漏過功率進行測試。確保接收通道安全的前提下，進行系統全回路滿功率試驗。

根據天線子系統正樣產品進行的電壓駐波比測試結果，不同波位下，其最大帶內電壓駐波比是不同的，因此需要進行不同波位下全功率試驗漏過功率測試。

4.2.1 波導濾波器后漏過功率測試 波導濾波器后漏過功率測試時，斷開波導濾波器與接收機保護開關的連接，在波導濾波器之后接波導定向耦合器，定向耦合器接波導大功率吸收負載。測試現場圖如圖4所示。將波導定向耦合器耦合口接17 m長測試電纜，經可變衰減器后，接測試儀器(示波器和峰值功率計)。

按照波束控制器主機/備機，設置不同的波控碼，雷達工作后，分別測試波導濾波器后漏過功率時域波形過沖檢查、漏過功率的最大幅度值。測試結果表明，對于波控主機/備機，設置不同的波控碼，漏過功率時域波形過沖檢查均無過沖現象，漏過功率的最大幅度值為 56.8 dBm，折合峰值功率為478.6 W。

4.2.2 接收機保護開關后漏過功率測試 固態發射機工作時，接收機保護開關應對環形器漏過的發射功率以及天線的反射功率進行關斷隔離，保護雷達接收機的安全；在接收回波信號期間，接收機保護開關應能及時恢復導通，使接收信號低差損通過。

圖4 波導濾波器后漏過功率測試現場圖Fig.4 Leakage power test diagram after waveguide filter

為保證雷達接收機的安全，需要驗證微波組合中接收機保護開關工作的正確性。為此，斷開微波組合與雷達接收機之間的高頻電纜連接，在接收機保護開關后接17 m長測試電纜，經可變衰減器后，接測試儀器(示波器和峰值功率計)。

按照波束控制器主機/備機，微波組合主機/備機，設置不同的波控碼，雷達工作后，分別測試接收機保護開關后漏過功率時域波形過沖檢查、漏過功率的最大幅度值。測試結果表明，對于波控主機/備機，設置不同的波控碼，漏功率時域波形過沖檢查均無過沖現象，漏過功率的最大幅度值為?2.8 dBm，滿足雷達接收機的輸入信號要求。

4.3 S波段前饋網狀天線空間饋電損耗的試驗測定

全功率輻射時，基于兩方面考慮，需要經過試驗來測定天線網面到接收喇叭之間的空間饋電損耗。一是在全功率輻射功率一定的條件下，計算接收設備接收輻射信號功率的大小，保證接收設備的安全性；另一方面，根據回波輸出信號幅度，以及測試得到的空間饋電損耗，推算出微波組合輸出端口功率電平(保證雷達接收機安全)。同時對雷達系統的手動增益控制MGC值進行設定，保證SAR系統接收通路可靠地接收到系統閉環后的回波信號。測試中，接收喇叭經17 m長測試電纜后，接20 dB固定衰減器后，再經可變衰減器后接測試儀器功率計進行監視。固態發射機發射功率約為 65 dBm，調整可變衰減器，雷達工作后，使峰值功率計的信號測試電平約0 dBm。記錄可變衰減器衰減量，根據測試電纜損耗，反推出S波段前饋網狀天線到接收喇叭之間的空間饋電損耗。

4.4 SAR工作模式及參數設置測試

由于試驗中回波模擬器的光延遲線輸出信號電平約0 dBm，考慮到測試電纜的插入損耗，發射喇叭到天線網面之間的空間饋電損耗，這樣到達天線網面的輻射能量較小。因此在回波模擬器光延遲線輸出信號鏈路上，加功率放大器，提高模擬回波信號經發射喇叭的輻射功率。

通過上述準備，按照雷達設定的工作模式，條帶、3SCAN、4SCAN、一次開機多次成像、成像期間更新成像參數等，進行 SAR系統的全功率輻射試驗，驗證了 SAR系統全功率通過天線網面輻射的能力，以及各設備間電磁兼容性的驗證，試驗達到了預期目的。

5 全功率狀態下SAR系統沖激響應特性測試

系統沖激響應特性代表了SAR系統的分辨率、峰值旁瓣比和積分旁瓣比等性能，它的常溫測試是SAR系統全功率輻射下全面衡量產品質量的主要內容。

SAR測試系統的數據記錄器記錄雷達接收的回波信號及輔助數據，通過對記錄數據回放、處理，利用HJ-1-C SAR數據分析軟件[5－11]，對雷達工作整個過程，初始(首定標、噪聲記錄等)、PRF轉換過程、工作結束(尾定標等)數據分析，遙測數據分析，獲取SAR系統的性能指標。

SAR系統發射和接收都是一串線性調頻信號。設雷達發射的脈沖線性調頻信號為：

其中

式中，ω0為載波頻率，k為線性調頻斜率。

系統測試中將雷達發射信號接收后，經回波模擬器進行信號延遲后，產生雷達回波信號

式中Ga(θ,φ)為SAR系統雷達天線2維增益函數，ν為系統測試中回波模擬器的回波信號延遲時間。由于測試時，接收雷達發射信號的接收裝置處于雷達天線主瓣內，故可以認為 Ga(θ,φ)≈Ga。該回波信號經雷達天線系統接收后，再經過雷達接收機進行低噪聲放大、變頻、正交解調、低通濾波，得到視頻I,Q信號，距離向接收信號歸一化后的表達式為：

為后續討論方便，令t?ν=t，則

脈沖壓縮過程實際上就是對接收信號進行匹配濾波處理。由匹配濾波器理論知，匹配濾波器的脈沖響應是輸入信號的復共軛。不失一般性，信號si(t)的匹配濾波器的時域脈沖響應為：

取其模，且歸一化，顯然接收信號經匹配濾波器后得到的輸出信號，其包絡具有sincx函數形狀。當=τ1=±(1/(k T))時，第1次過零。主瓣通常指兩個第1零點以內的區域，這兩個第1零點以外的區域稱為旁瓣。由式(7)可以看出，旁瓣與t成反比，第1旁瓣峰值比主瓣峰值降低約13.26 dB。

峰值旁瓣比(PSLR)定義為系統沖激響應(IRF)的最大旁瓣幅度與主瓣幅度之比。表征 SAR系統消除鄰近點目標引起失真的能力。實際計算中，以最大值為起點向某一方向搜索，直到幅值從減小到開始上升，這一點是主瓣和旁瓣的分界線，繼續搜索到局部峰值，就可以得到這一側的峰值旁瓣比。以同樣的方法搜索得到另一側的峰值旁瓣比，取兩個之中最大的，就得到IRF對應的峰值旁瓣比。

積分旁瓣比(ISLR)定義為系統沖激響應的所有旁瓣能量與主瓣能量之比。表征 SAR系統消除鄰近分布目標引起失真的能力。積分旁瓣比 ISLR可表示為：

實際中為了計算方便，常常規定一個固定值作為主瓣和旁瓣的分界。通常在以主瓣峰值為中心的±1 個分辨單元內計算主瓣能量；±10個分辨單元內計算旁瓣的能量，旁瓣能量等于在這些分辨單元內的所有能量減去主瓣能量。

上述主瓣的定義在較為理想情況下成立，工程中通常難以找到第1零點，此時可取主瓣?3 dB寬度的2.3倍來定義主瓣寬度。

合成孔徑雷達距離向分辨率反映雷達在距離向區分兩點的最小能力，通常指系統沖激響應半功率(?3 dB)點之間寬度對應的距離。由合成孔徑雷達距離向脈沖壓縮原理可知，距離向理論分辨率為：

式中c為光速，B為發射線性調頻信號帶寬。

主瓣展寬系數為實測的系統沖激響應函數距離向的3 dB寬度與式(9)理論值的比值。

SAR系統數據形成對每個通道的輸出數據按幀劃分，每幀數據包含一個發射脈沖對應的回波采樣數據和相應的輔助數據。數傳系統兩個射頻通道分別傳輸雷達測繪帶內各一半寬度的遙感數據。

5.1 原始數據分析

(1) 可執行滾屏顯示功能。

(2) 雷達工作狀態分析及圖形顯示。

(3) 對直通數據進行時域的I,Q兩路分別進行圖形顯示。

(4) 對BAQ數據進行解壓前后時域的I,Q兩路分別進行圖形顯示。

5.2 輔助數據分析

(1) 雷達各分機整個工作期間遙測參數歷程曲線圖形顯示和保存。

(2) 輔助數據各參數與雷達工作指令包設置內容的一致性檢查。

(3) 幀計數分析，對幀計數值和幀計數差分值進行圖形顯示。

(4) 輔助數據格式、幀長檢查。

對各種雷達工作模式下的輔助數據進行檢查，保證數據格式正確，無丟幀、錯位現象，符合與數傳系統的接口要求。

5.3 成像數據分析

5.3.1 定標數據分析 (1)直通數據距離向指標分析及圖形顯示。(2)分辨率、主瓣展寬系數、峰值旁瓣比、積分旁瓣比等指標計算。(3)定標階梯衰減功能分析及圖形顯示。(4)參考定標、發射定標幅度相位一致性分析。

在 SAR系統的每個工作周期的開始前與結束后，都要進行一次內定標。內定標是相對定標，即只對每次成像前后的增益變化進行標定，以了解發射功率、脈沖信號特性以及雷達整個接收主通道增益和靈敏度的變化情況，為圖像處理提供對輻射精度需要實現補償的物理量。

全功率輻射試驗時，對記錄的定標數據進行脈沖壓縮，進行定標階梯衰減功能測試和圖像指標分析處理。圖5給出了SAR系統全功率輻射定標階梯衰減過程，圖6給出了SAR系統定標第6檔信號時域波形顯示及圖像指標計算結果。通過對記錄數據分析，參考定標、發射定標衰減檔數為21檔，每檔持續8個PRF，線性部分每檔衰減約3 dB，符合設計要求，距離向沖激響應特性符合設計要求，其中距離向分辨率為斜距分辨率，峰值旁瓣比和積分旁瓣比為未進行加權處理的結果。

5.3.2 成像數據分析 (1)BAQ 數據距離向指標分析及圖形顯示。(2)分辨率、主瓣展寬系數、峰值旁瓣比、積分旁瓣比等指標計算。(3)幅度相位一致性分析。

全功率輻射試驗時，進行了雷達各種工作模式(常規模式、缺省模式、一次開機多次成像、立刻更新成像參數等)的測試，通過對記錄數據脈沖壓縮，進行圖像分析處理，結果表明SAR系統功能正常。圖7給出波束6的無線測試BAQ信號時域波形顯示。

圖5 SAR系統全功率輻射定標階梯衰減幅度分析結果Fig.5 SAR system full-power radiometric calibration ladder attenuation results

圖6 SAR系統全功率輻射第6檔定標信號及距離向指標分析結果Fig.6 Full-power radiated SAR system sixth-grade calibration signal and range direction performance analysis results

圖7 SAR系統全功率輻射波束6的回波信號Fig.7 Beam 6 echo signal in SAR system full-power radiation test

6 結束語

HJ-1-C SAR系統測試由于采用網狀拋物面天線、集中大功率輻射的體制，在 SAR系統集成測試及試驗驗證方面，探索實踐出一套全面的方案。HJ-1-C衛星SAR拋物面天線的各個組件不在同一個平面內，展開時運動軌跡也不相同，與以往相控陣天線展開不同，HJ-1-C衛星SAR拋物面天線為3維展開，無法直接集成測試，必須合理劃分測試單元，分步實施，包括天線的無重力懸掛展開、轉動結構的單獨測試、大功率通道的分段測試、天線與電子設備分布組合形成大功率輻射測試等。

本文針對大功率輻射測試中出現的雷達安全性進行了分析，并給出相應的測試思路以及實現方法，構成雷達系統發射、接收閉環測試通道，來驗證HJ-1-C SAR系統的電性能指標。在微波暗室中全功率輻射試驗，驗證了 SAR系統全功率輻射試驗方法的正確性。上述工作為我國空間天線和大功率技術的集成測試和試驗驗證積累了寶貴經驗。

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