一种星载微波散射计外定标方法

摘要

本发明公开了一种星载微波散射计外定标方法，针对星载微波散射计需要大散射截面积定标目标问题，步骤如下：1、根据卫星的轨道参数计算卫星的过顶时间及有源定标器的天线指向，并将有源定标的天线指向调整到指定位置；2卫星到达前，对有源定标进行自校准得到转发通道及接收通道的增益；3、利用转发通道的增益计算后向散射系数；4、星载微波散射计计算有源定标器的后向散射系数；5、通过步骤（3）和（4）计算的后向散射系数得到最终的修正值。本发明实现了大散射截面（能达到100dBm

说明书

技术领域

本发明属于微波遥感技术领域，特别是涉及一种星载微波散射计外定标方 法。

背景技术

定标技术是微波散射计系统设计中的一项关键技术。定标分为内定标与外 定标，内定标主要是消除收发系统中各种参数变化带来的影响，提高后向散射 系数测量的精度，它是提高后向散射系数测量精度的关键。外定标是消除雷达 方程中还没有考虑进去的一些难以估计，又难以测试的参数的影响（如大气损 耗等），达到定量测量的目的。同时外定标也可以实现对雷达天线方向图及一些 参数的在轨测量。

到目前为止，星载微波散射计外定标的实现方法主要有：定标地面站（有 源定标器）、海洋目标、陆地目标（亚马逊热带雨林）、星星交叉定标。其中除 了1978年6月发射的SASS散射计没有采用有源定标器进行在轨外定标外， 其余的散射计NSCAT、ASCAT及Seawinds散射计均运用了有源定标器技术 实现了在轨的外定标。有源定标器技术是实现微波散射计在轨外定标的重要实 现途径。

针对NSCAT散射计研制的有源定标器具有两种工作模式，即接收模式和 发射模式，有源定标器主要由Ku波段的发射机和接收机组成，发射机和接收 机共用一个天线，并有专用的计算系统控制模式的转换。当卫星飞过时，有源 定标器在接收模式下接收星载微波散射计发射的信号，在发射模式下，发射已 知的信号到星载微波散射计。

针对ASCAT散射计研制的有源定标器是一种具有高精度已知散射截面积 的点目标，有源定标器接收到来自ASCAT散射计的发射信号后进行延时后， 再把信号转发回星上。由于有源定标器采用的延时转发的方法（接收和发射不 同时），有源定标器采用一个天线的结构形式。

Seawinds微波散射计研制的是只具有接收功能的被动点目标有源定标器。 主要用于测量散射计的基本参数。

星载微波散射计的地面分辨单元较大，在外定标中，需要为星载微波散射 计提供高散射截面积的点目标，一般要求外定标目标的散射截面积达到 100dBm²以上。采用同时接收与转发的工作方式难度较大，因此目前的星载 微波散射计有源定标器主要采用的是以下两种方式：

主动有源定标器接收来自散射计的信号并发射信号（已知信号或延时放大 后的信号）到散射计，被动有源定标器主要是接收散射计的发射信号并进行数 据存储，通过后续的处理软件，从存储的数据中获取散射计发射信号的相关参 数。

以上的外定标方法主要不足为：其中针对NSCAT与ASCAT外定标设计方 法，需要星载散射计结合有源定标器的设计进行相关的模式设计。针对 Seawinds外定标设计的有源定标器为被动有源定标器的设计，主要用于测量散 射计的基本参数，无法为星载微波散射计提供绝对的后向散射截面积。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的上述不足，提供一种星载微波散射计 外定标方法，本方法采用同时收发的有源定标器完成外定标过程，实现了大散 射截面（能达到100dBm²）、高精度的有源定标器。

本发明技术解决方案：

一种星载微波散射计外定标方法包括步骤如下：

（1）根据卫星的轨道参数计算卫星的过顶时间及有源定标器的天线指向， 并将有源定标器的天线指向调整到指定位置；

（2）对有源定标器的接收通道和转发通道进行自校准，自校准分为3个 支路进行，分别定义为校准支路1、2和3；所述的3个校准支路校准方法如下：

（a）利用支路1对接收通道进行校准，校准的定标信号依次经过接收通 道前端和接收通道后端，最终进入处理器得到接收通道的输出功率，然后利用 接收通道得到的功率与定标信号输入功率的比值完成对接收通道增益的校准；

接收通道增益G_re为：

$G_{\mathrm{re}}=\frac{P_{\mathrm{oc}1}}{P_{c1}}=L_{f1}{G}_{r1}{G}_{r2}---\left(1\right)$

其中：P_oc1为定标支路1的输出功率；P_c1为定标信号的输入功率；L_f1为接 收通道前端的插损；G_r1为接收通道前端的增益（3选1开关前的增益）；G_r2为 接收通道后端的增益；

（b）利用支路2和支路3对转发通道进行校准，校准过程如下：

（ba）校准的定标信号依次经过支路2的接收通道前端、射频放大和接收 通道后端，最终进入处理器得到输出功率P_oc2为：

P_oc2=P_c2L_f1G_r1G_trL_attG_r2=P_c2L_f1G_总L_attG_r2    （2）

其中：P_oc2为定标支路2的输出功率；P_c2为定标信号的输入功率；L_f1为接 收通道前端的插损；G_r1为接收机通道前端的增益（3选1开关前的增益）；G_tr为射频放大部分的增益；L_att为射频放大部分的耦合度；G_r2为接收机通道后端 的增益；G_总为转发通道的总增益；

（bb）校准的定标信号经过支路3的接收通道后端到达处理器得到输出功 率P_oc3为：

P_oc3=P_c3L_f2G_r2    （3）

其中：P_oc3为定标支路3在接收后端的接收功率；P_c3为输入定标信号的功 率；L_f2为定标支路3的插损；G_r2为接收后端的增益；

（bc）利用步骤（ba）和（bb）得到的输出功率P_oc2和P_oc3完成对转发通道 增益的校准：

（3）当卫星进入有源定标器的接收范围时（在所述的接收范围内，有源定 标器可以接收到星载微波散射计的发射信号），有源定标器接收星载微波散射计 的发射信号，并将发射信号一路经过接收通道进行变频放大和存储，同时将另 一路信号转发回星载微波散射计；

（4）利用步骤（2）中得到的G_总计算有源定标器的雷达后向散射截面σ_ARC为：

其中，λ为波长，G_rARC为有源定标器接收天线增益，G_总为有源定标器射频 放大通道增益，G_tARC为有源定标器发射天线增益；

（5）星载微波散射计利用接收到的有源定标器转发的信号计算有源定标器 的后向散射截面σ₁，并通过步骤（3）得到的σ_ARC与σ₁进行比较得到外定标修正 系数，进而利用该系数对卫星接收到的有源定标器指向范围外其他信号的后向 散射截面进行修正。

所述的定标信号与接收通道前端和接收通道后端通过选择开关连接，并通 过选择开关选择接通校准支路1、校准支路2或校准支路3。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明实现了大散射截面，能够达到100dBm²，以及实现了同时收 发工作模式下的外定标方法，本发明不需要星载微波散射计做相关适应性的模 式设计，因此本发明通用性更强。

（2）本发明中采用3个自校准支路求取有源定标器的接收通道以及转发 通道的增益的方法，使得外定标目标的后向散射截面具有更高的精度。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明有源定标器结构图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本发明进行进一步详细的描述：

如图2所示为本发明有源定标器的结构图，有源定标器包括收发天线、接 收通道前端、接收通道后端、射频放大及数据处理器，其中接收通道前端又包 括2选1开关、放大器和功分器；接收通道后端包括3选1开关和变频放大。 接收通道前端、接收通道后端和数据处理器构成接收通道；接收通道前端、射 频放大和数据处理器构成转发通道。

其中，将接收通道前端、接收通道后端和处理器组成的支路定义为支路1； 将接收通道前端、射频放大、接收通道后端和处理器组成的支路定义为支路2； 将接收通道后端和处理器组成的支路定义为支路3。

如图1所示，本发明一种星载微波散射计外定标方法包括步骤如下：

（1）根据卫星的轨道参数计算卫星的过顶时间及有源定标器的天线指向， 并将有源定标器的天线指向调整到指定位置（所述指定位置指卫星过顶时，有 源定标器指向卫星的位置）；

（2）对有源定标器的接收通道和转发通道进行自校准，自校准分为3个 支路进行，分别定义为校准支路1、2和3；所述的3个校准支路校准方法如下：

（a）利用支路1对接收通道进行校准，校准的定标信号依次经过接收通 道前端和接收通道后端，最终进入处理器得到接收通道的输出功率，然后利用 接收通道得到的功率与定标信号输入功率的比值完成对接收通道增益的校准 （只要满足用户对接收通道的需求即可满足条件）；

接收通道增益G_re为：

$G_{\mathrm{re}}=\frac{P_{\mathrm{oc}1}}{P_{c1}}=L_{f1}{G}_{r1}{G}_{r2}---\left(1\right)$

其中：P_oc1为定标支路1的输出功率；P_c1为定标信号的输入功率；L_f1为接 收通道前端的插损；G_r1为接收通道前端的增益（3选1开关前的增益）；G_r2为 接收通道后端的增益；

（b）利用支路2和支路3对转发通道进行校准，校准过程如下：

（ba）校准的定标信号依次经过支路2的接收通道前端、射频放大和接收 通道后端，最终进入处理器得到输出功率P_oc2为：

P_oc2=P_c2L_f1G_r1G_trL_attG_r2=P_c2L_f1G_总L_attG_r2    （2）

其中：P_oc2为定标支路2的输出功率；P_c2为定标信号的输入功率；L_f1为接 收通道前端的插损；G_r1为接收机通道前端的增益（3选1开关前的增益）；G_tr为射频放大部分的增益；L_att为射频放大部分的耦合度；G_r2为接收机通道后端 的增益；G_总为转发通道的总增益；

（bb）校准的定标信号经过支路3的接收通道后端到达处理器得到输出功 率P_oc3为：

P_oc3=P_c3L_f2G_r2    （3）

其中：P_oc3为定标支路3在接收后端的接收功率；P_c3为输入定标信号的功 率；L_f2为定标支路3的插损；G_r2为接收后端的增益；

（bc）利用步骤（ba）和（bb）得到的输出功率P_oc2和P_oc3完成对转发通道 增益的校准：

（3）当卫星进入有源定标器的接收范围时（在所述的接收范围内，有源定 标器可以接收到星载微波散射计的发射信号），有源定标器接收星载微波散射计 的发射信号，并将发射信号一路经过接收通道进行变频放大和存储，同时将另 一路信号转发回星载微波散射计；

（4）利用步骤（2）中得到的G_总计算有源定标器的雷达后向散射截面σ_ARC

为：

其中，λ为波长，G_rARC为有源定标器接收天线增益，G_总为有源定标器射频 放大通道增益，G_tARC为有源定标器发射天线增益；

（5）星载微波散射计利用接收到的有源定标器转发的信号计算有源定标器 的后向散射截面σ₁，并通过步骤（3）得到的σ_ARC与σ₁进行比较得到外定标修正 系数，进而利用该系数对卫星接收到的有源定标器指向范围外其他信号的后向 散射截面进行修正。

所述的定标信号与接收通道前端和接收通道后端通过选择开关连接，并通 过选择开关选择接通校准支路1、校准支路2或校准支路3

本发明已经应用在我国HY-2A卫星微波散射计外定标上，载微波散射计要 求的有源定标器具有同时接收和转发的功能，散射截面积为100dBm²，内定标 精度为0.1dB，绝对定标精度为0.9dB。本发明对微波散射计进行了在轨外定 标试验，通过后期的数据处理软件，对试验的数据结果进行分析处理，结果表 明此种方法能够为星载微波散射计提供准确已知的后向散射截面，可以作为星 载微波散射计的外定标目标。应用此种定标方法的绝对定标精度在0.9dB以内，

达到了国际先进水平。试验结果如表1所示：

表1星载散射计在亚马逊热带雨林的后向散射系数比对表（单位：dB）

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技 术。