一种星载海洋雷达高度计地面检定仪

摘要

本发明提供了一种星载海洋雷达高度计地面检定仪，用于在实验室为星载海洋雷达高度计进行绝对定标、性能检验和功能测试。星载海洋雷达高度计地面检定仪包括，授时单元，收发控制单元，发射单元，接收单元，频综单元和数控单元。其中频综单元使用待检定雷达高度计提供的超稳晶体振荡器信号作为时钟。授时单元负责给数控单元和雷达高度计提供精准同步授时。收发控制单元负责将发射单元发射的信号同时、分别送给接收单元和雷达高度计；也负责控制接收单元接收雷达高度计发射的信号，或者发射单元发射的信号。数控单元负责消除检定仪系统的信道影响，产生定标信号和模拟各种目标场景的回波信号；还负责控制收发控制单元、接收单元、发射单元和频综单元。

说明书

技术领域

本发明涉及对星载海洋雷达高度计发射前的地面实验室定标、性能检验和功能 测试系统，具体涉及一种星载海洋雷达高度计地面检定仪。

背景技术

星载海洋雷达高度计是一种非常重要的海洋微波遥感器，可以精确测量全球平 均海面高，测量的精确度达到厘米量级。随着近年来微波遥感技术的发展，星载海 洋雷达高度计对平均海平面高的测量，在2m有效波高，1秒平均的情况下，已经可 以达到2厘米。已经于2011年8月分发射的我国第一台星载海洋雷达高度计的设计 指标是4厘米。由于星载海洋雷达高度计的原理是通过测量电磁波在空间传输的延 迟来计算海面与雷达的距离，因此，在发射前，必须以相当高的精度准确测量电磁 信号在星载海洋雷达高度计内部传输的路径延迟，这部分延迟通常在1米左右。因 此，星载海洋雷达高度计内部传输的路径延迟，必须在发射前通过地面的绝对定标 实验测量出来。

由于星载海洋雷达高度计的测高指标非常高，达到2～4厘米，并且由于海洋监 测的需要，需要长期在轨运行，所以需要对星载海洋雷达高度计在发射前进行性能 检验和系统评估。

为了实现高精度的测量，星载海洋雷达高度计必须能够比较准确的预测并跟踪锁 定海洋回波信号。因此星载海洋雷达高度计的一项重要功能就是能够在目标高度特 征发射变化的情况下，仍然跟踪锁定回波信号。由于海洋波高和平均海面高在全球 范围内是变化的，并且卫星轨道高度也是变化的，而且卫星也会飞过陆地等非海洋 环境上空，因此星载海洋雷达高度计在飞行测量过程中有可能跟踪失锁，这就要求 星载海洋雷达高度计在跟踪锁定失败时，能够进入捕获模式；在捕获成功时能够转 入跟踪锁定模式。在星载海洋雷达高度计发射前，必须对这项功能进行测试。这就 要求对星载海洋雷达高度计进行功能测试时，模拟的回波必须能够反映场景回波的 变化。

国际上，欧空局在ERS-1，ERS-2，Envisat和Cryosat卫星上都搭载有星载海洋 雷达高度计，并且在地面进行了功能测试；美国和法国合作的Topex、Jason系列星 载海洋雷达高度计在发射前，也进行了功能测试，并且进行了性能评估。但是，均 未见到详细的绝对定标和测高性能检验报道。这些功能测试和性能评估都是用文献 声称的回波模拟器进行的，但是没有披露任何可以实现绝对定标和性能检验的设备 或方法。

在国内，现有的用于对星载海洋雷达高度计进行功能测试的是回波模拟器。由于 回波模拟器信道延迟和雷达高度计信道延迟不能分离，从而无法给出雷达高度计信 道延迟。另外，现有的回波模拟器的频综单元所用的超稳晶体振荡器和雷达高度计 的超稳晶振振荡器是两个振荡器，从而使得回波模拟器和雷达高度计各自记录的回 波的统计特征难以保持完全一致。现有的回波模拟器使用数字电路来确定回波延迟， 而目前的电子电路技术无法消除1纳秒的时间抖动，即无法消除15cm的抖动。又有 现有的回波模拟器数据记录不能和雷达高度计保持同步，因此也就不能对雷达高度 计的时标功能进行测试，也无法确定雷达高度计的时标是否正确。现有技术的回波 模拟器的结构如图1-a所示。

由于上述缺陷，使得目前现有的回波模拟器无法对雷达高度计进行绝对定标， 即现有技术的回波模拟器只能对雷达高度计进行比较粗略的性能评估，不能对雷达 高度计测距性能进行厘米级的绝对定标、性能检验以及系统评估。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有技术不能对星载海洋雷达高度计发射前在地面进 行绝对定标和性能检验的问题，从而提供一种星载海洋雷达高度计地面检定仪。

为实现上述目的，本发明提供了一种星载海洋雷达高度计地面检定仪，该检定 仪用于在实验室为待检定的星载海洋雷达高度计进行绝对定标、性能检验和功能测 试，包含：接收单元、发射单元、频综单元及数控单元，其特征在于，所述检定仪 还包含：收发控制单元；所述收发控制单元将所述发射单元的发射信号同时、分别 送给所述接收单元和待检定的星载海洋雷达高度计；还负责控制所述接收单元接收 待检定的星载海洋雷达高度计发射的信号，或者所述发射单元发射的信号。

上述技术方案中，所述频综单元使用星载海洋雷达高度计的超稳振荡器时钟作 为工作时钟。所述检定仪还包含一授时单元，该授时单元用于同时为所述数控单元 和待检定的星载海洋雷达高度计进行授时。

所述收发控制单元进一步包含：第一波导开关1、第二波导开关2和一功分器； 所述功分器、第一波导开关1和第二波导开关2依次串联，所述第一波导开关用于 与待检定的星载海洋雷达高度计双向信号传输；且所述功分器的一输出端还与第二 波导开关2一输入端相连接；所述发射单元的输出端与所述功分器的输入端相连， 所述第二波导开关2的输出端与所述接收单元的输入端相连；且所述数控单元还用 于向所述第一波导开关1和第二波导开关2提供控制信号。

上述技术方案中，所述数控单元进一步包含：

AD采样模块，用于将接收待检定的星载海洋雷达高度计发射的信号进行AD采 样，得到检定仪信道响应函数或者模拟回波的采样值序列；

仿真信号序列获取单元，用于获取仿真目标回波信号的数字序列，其中仿真信 号是从本地大容量存储器直接读取的；

卷积单元，用于将采样单元获取的采样值序列与仿真目标回波信号的数字序列 进行卷积，产生用于给待检定的海洋雷达高度计定标的基带信号，和产生用于对待 检定的海洋雷达高度计进行性能检验的模拟回波信号；(其中，所述仿真信号序列获 取单元与卷积单元合称为“回波模拟单元”，或者叫“数字回波获取单元”，且两者 可以都是在DSP器件中实现的)和

DA转换及发射模块，用于将卷积单元最终得到的信号进行数模转换后发送给射 频单元并经收发控制单元发送给待检定的海洋雷达高度计，用于对海洋雷达高度计 进行定标和性能检验；

其中，所述卷积单元能用快速卷积单元替换，该单元利用傅立叶变换使用快速 卷积将采样单元获取的采样值序列与仿真目标回波信号的数字序列进行卷积运算。

可选的，所述数控单元通过USB2.0接口与计算机通讯，该计算机通过USB2.0 设置检定仪的工作参数，并下载仿真数据和接收测量数据。所述授时单元进一步包 含依次串联连接的：超稳振荡器，计数器和RAM存储器。所述频综单元进一步包含： 频率合成器，线性调频信号产生器，倍频器和/或混频器。

基于上述技术方案所述的星载海洋雷达高度计地面检定仪，本发明还提供了一 种定标方法，所述定标方法包含如下步骤：

步骤1)星载海洋雷达高度计t0时刻发射射频信号，经过发射通道Δt1的延迟 后，进入连接星载海洋雷达高度计和地面检定仪的电缆；再经过Δtx1的延迟后，到 达第二波导开关2，进入检定仪的接收通道；在经过Δt2的延迟后进入混频单元并在 t2时刻去斜本振混频得到中频信号，其中信号实际到达去斜混频器的时间为t2+δt2， 其中t2由晶振时钟得到，δt2可以由跟踪估计得到，对中频信号进行正交解调、滤波 和A/D转换，得到的数字信号存入数据存储器中；

步骤2)数控单元用上步中得到的数字正交信号与事先仿真的场景回波信号合成 数字回波信号，再存于数据存储器中；

步骤3)在数控单元的微处理器的控制下，上步中合成的数字回波信号经适当 延时后，由D/A转换器转换成模拟回波正交信号并与上变频Chirp信号混频，此时 为t3时刻；在经过发射通道Δt3的延迟后到达功分器，进入连接星载海洋雷达高度 计和地面检定仪的电缆；再经过Δtx2的延迟后到达雷达高度计的天线端口并进入雷 达高度计的接收通道；经过Δt4的延迟后，在t4时刻被星载雷达高度计去斜混频但 是信号实际到达去斜混频器的时间t4+δt4，并被转换成数字信号从而被锁定跟踪；

步骤4)同时，检定仪发射的信号经功分器经Δtx3的延迟后回送给自己的接收 通道，在t5+δt5时刻被自身接收机接收并存储为数字信号；

步骤5)依据下式进行多次测试，可以得到高度计系统的绝对延迟E[Δt₁+Δt₄]， 即绝对延迟的均值，从而实现绝对定标，得到包括雷达高度计跟踪算法偏差在内的 星载雷达高度计系统延迟；

Δt₁+Δt₄＝(t₄-t₀+δt₄)-(t₅-t₂+δt₅-δt₂)-Δt_x1-Δt_x2+Δt_x3；

其中，Δt_x1、Δt_x2和Δt_x3是同轴电缆对应的延迟；t₀、t₂、t₄和t₅是星载海洋雷 达高度计的高稳晶振计时，δt₂、δt₄和δt₅是跟踪算法误差由跟踪器估计得到。

优化的，所述D/A之前的模拟回波的数字信号按照以下公式计算得到：

$s_r\left(t\right)={\mathrm{FFT}}^{-1}\left\{S_r\left(f_t\right)\right\}={\mathrm{FFT}}^{-1}\{S\left(f_t\right)·\frac{S_{\mathrm{rvs}}^{*}\left(f_t\right)}{{\left|S_{\mathrm{rvs}}\left(f_t\right)\right|}^2}\}---\left(2\right)$

其中，s_r(t)是检定仪要发送给星载海洋雷达高度计和该检定仪接收单元的模拟 回波信号，S_r(f_t)是它对应的频域信号；S(f_t)是频域的海面目标回波仿真信号；S_rvs(f_t) 是频域的检定仪发射系统响应，是它的共轭，|S_rvs(f_t)|²是它的功率谱。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

1、本发明的检定仪使用雷达高度计的超稳晶体振荡器时钟作为工作时钟，从而 使得检定仪可以与高度计保持时钟同源和时钟同步。

2、本发明的检定仪采用基于收发控制单元的三支路定标技术(检定仪发射单元 -星载海洋雷达高度计、检定仪发射单元到检定仪接收单元、星载海洋雷达高度计 到检定仪接收单元)使得检定仪对高度计进行绝对定标时可以消除检定仪信道对测 试信号路径延迟的影响，并且能够计算出星载海洋雷达高度计的信道延迟，实现对 星载海洋雷达高度计的绝对定标。

3、根据检定仪的三支路测量信号，数控单元可以计算出检定仪的系统响应，从 而消除检定仪系统响应函数对模拟雷达高度计回波信号的影响。

4、本发明的检定仪采用独立的授时单元可以为检定仪数控单元和高度计同时提 供完全相同的、高精度的授时。从而对高度计的时标功能和系统性能进行检验。

附图说明

图1-a是现有技术的回波模拟器的组成框图；

图1-b本发明的星载海洋雷达高度计地面检定仪原理组成框图；

图2本发明的采用星载海洋雷达高度计地面检定仪进行绝对定标的原理示意 图；

图3本发明的星载海洋雷达高度计地面检定仪的授时单元组成框图；

图4本发明的星载海洋雷达高度计地面检定仪的收发控制单元组成框图；

图5本发明的星载海洋雷达高度计地面检定仪的数控单元组成框图；

图6是本发明的星载海洋雷达高度计地面检定仪的定标过程的流程图；

图7本发明的星载海洋雷达高度计地面检定仪的频综单元的各频率信号的获取 示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述。

本发明所述星载海洋雷达高度计地面检定仪包括授时单元，收发控制单元，发 射单元，接收单元，频综单元和数控单元，如附图1-b所示。其中，所述发射单元、 接收单元与现有技术的回波模拟器中的发射单元及接收单元的结构类似，在此不做 赘述；所述的频综单元和数控单元可基于现有技术的回波模拟器上的频综单元及数 控单元进行改进。其中，频综单元的基本改进点在于：频综单元为检定仪提供的各 点频频率信号，比如2870MHZ，12.48GHz等，均由输入的待检定雷达高度计的超稳 振荡器的时钟倍频/分频得到。DDS产生器的时序控制和工作频率也由此时钟提供。 数控单元的基本改进点在于：时序控制和其上的器件工作频率由经过频综单元送来 的时钟(实际上是待检定的雷达高度计的工作时钟的整数倍延迟<而不能是任意延 迟，由于实际电路中信号传输路径长度设计的随意性，这个很容易被忽略>)。另外， 数控单元除了控制频综单元，发射单元和接收单元工作以外，还控制收发控制单元 的波导开关切换(波导开关的切换时序应该根据系统工作时序设计)。

本发明所述星载海洋雷达高度计地面检定仪的工作原理如附图2所示。其中C1 点表示波导开关2，C2点表示功分器；B1点和B2点表示雷达高度计的天线端口(为 了分析方便，把它们区分画出，分别作为高度计发射端口和接收端口。物理上它们 是同一个端口即天线端口)。定标过程如下：

步骤1)星载海洋雷达高度计t0时刻发射的射频信号，在经过发射通道Δt1的 延迟后，进入连接星载海洋雷达高度计和地面检定仪的电缆。再经过Δtx1的延迟后， 到达波导开关2，进入检定仪的接收通道。在经过Δt2的延迟后进入下变频单元并在 t2时刻去斜本振混频(但是信号实际到达去斜混频器的时间为t2+δt2，其中t2由晶 振时钟得到，δt2可以由跟踪估计得到)，得到中频信号。对其进行正交解调、滤波 和A/D转换，得到的数字信号存入数据存储器中。

步骤2)数字回波信号合成单元用第(1)步中得到的数字正交信号与事先仿真 的场景(比如海面)回波信号合成数字回波信号，再存于数据存储器中。

步骤3)在数控单元微处理器的控制下，第(2)步中合成的数字回波信号经适 当延时后，由D/A转换器转换成模拟回波正交信号并与上变频Chirp信号混频，此 时为t3时刻。在经过发射通道Δt3的延迟后到达功分器，进入连接高度计和地面检 定仪的电缆。再经过Δtx2的延迟后到达雷达高度计的天线端口并进入雷达高度计的 接收通道。经过Δt4的延迟后，在t4时刻被星载雷达高度计去斜混频(信号实际到 达去斜混频器的时间t4+δt4)并被转换成数字信号从而被锁定跟踪。步骤4)同时， 检定仪发射的信号经功分器经Δtx3的延迟后回送给自己的接收通道，在t5+δt5时刻 被自身接收机接收并存储为数字信号。

其中Δt_x1、Δt_x2和Δt_x3是同轴电缆对应的延迟，很容易确定并且非常稳定；t₀、t₂、 t₄和t₅是星载雷达高度计的高稳晶振计时，对应的测距误差不会超过0.1mm；δt₂、δt₄和δt₅则是跟踪算法误差。根据上述定标过程可以得到包括雷达高度计跟踪算法偏差 在内的星载雷达高度计系统延迟：

Δt₁+Δt₄＝(t₄-t₀+δt₄)-(t₅-t₂+δt₅-δt₂)-Δt_x1-Δt_x2+Δt_x3      (1)

因此，依据上式对雷达高度计进行多次测试，可以得到高度计系统的绝对延迟 E[Δt₁+Δt₄](绝对延迟的均值)从而实现绝对定标。在多次实验后，还可以利用 D[Δt₁+Δt₄](绝对延迟的标准差)对雷达高度计进行性能检验，以便检验其是否达 到设计指标。

本发明所述星载海洋雷达高度计地面检定仪的授时单元包括一个独立的超稳振 荡器，计数器和RAM存储器。授时单元可以同时为地面检定仪的数控单元和待检定 的星载雷达高度计进行精准授时。如附图3所示。

本发明所述星载海洋雷达高度计地面检定仪的收发控制单元包括功分器和波导 开关。收发控制单元负责将发射单元的信号同时、分别送给接收单元和星载海洋雷 达高度计。收发控制单元受数控单元控制，负责控制接收单元接收，发射单元发射 的信号或者接收雷达高度计信号。如附图4所示。由于海洋雷达高度计一般采用Ku 频段和C频段双频体制，因此附图4给出的是Ku和C双频收发控制单元框图。

本发明所述星载海洋雷达高度计地面检定仪的频综单元，其超稳定晶体振荡器信 号由待检定的雷达高度计提供，如附图1所示。

本发明所述星载海洋雷达高度计地面检定仪的数控单元，如附图5所示。数控单 元和雷达高度计的数控单元之间有一根数字信号通信线相联，以便雷达高度计通知 检定仪，当前雷达高度计所发射信号的频率和带宽。D/A之前的模拟回波的数字信 号按照以下公式计算得到：

$s_r\left(t\right)={\mathrm{FFT}}^{-1}\left\{S_r\left(f_t\right)\right\}={\mathrm{FFT}}^{-1}\{S\left(f_t\right)·\frac{S_{\mathrm{rvs}}^{*}\left(f_t\right)}{{\left|S_{\mathrm{rvs}}\left(f_t\right)\right|}^2}\}---\left(2\right)$

其中s_r(t)是检定仪要发送给雷达高度计和检定仪接收单元的模拟回波信号，S_r(f_t)是 它对应的频域信号；S(f_t)是频域的海面目标回波仿真信号；S_rvs(f_t)是频域的检定仪 发射系统响应，是它的共轭，|S_rvs(f_t)|²是它的功率谱。

海面目标的回波仿真信号的生成方法，在很多文献资料中已经有过描述，这里并 不作为权利要求，因此也不再赘述。但是，在星载雷达高度计模拟回波信号的过程 中，除了卫星平台的速度和姿态外，还需要考虑地球自转。在考虑地球自转的影响 下，使用下式进行海面目标的回波仿真：

$s\left(t\right)=\underset{i}{\Sigma }{s}_i\left(t\right)·\exp \left(j2\pi f_i\right)---\left(3\right)$

其中s(t)是时域的海面目标回波仿真信号；s_i(t)是海面点目标回波仿真的时域信号， f_i是地球自转导致的，海面点目标对应的多普勒频率。

本发明所述星载海洋雷达高度计地面检定仪，对雷达高度计定标和性能检验的工 作流程如附图6所示。

实施例

本发明所述星载海洋雷达高度计地面检定仪是在雷达系统和雷达回波模拟器的 基础上形成的。比如发射单元和接收单元与回波模拟器中的相关单元结构相同，可 以参考现有文献，这里不再赘述。

本实施例的地面检定仪包含：收发控制单元、频综单元、授时单元和数控单元， 针对每个单元具体描述如下：

检定仪的收发控制单元，本发明所述星载海洋雷达高度计地面检定仪的收发控 制单元的具体实现框图如图4所示，技术指标示例如下表所示，C频段类似)：

 Ku频段  C频段   中心频率  13.58GHz  5.25GHz   带宽  400MHz  400MHz   开关时间  ≤1us  ≤1us   开关控制电平  TTL电平  TTL电平   接口形式  SMA  SMA   波导开关  隔离度＞50dB，插损＜1.2dB  隔离度＞50dB，插损＜1.2dB   功分器  隔离度＞15dB，插损＜1.3dB  隔离度＞15dB，插损＜1.3dB

地面检定仪的频综单元，本发明所述星载海洋雷达高度计地面检定仪的频综单 元，使用待检定的雷达高度计的超稳定晶体振荡器信号作为其晶体振荡器信号，即 图7的具体意义在于指出检定仪频综单元的各频率信号均是根据外源时钟(即雷达 高度计的超稳振荡器时钟信号)得到。频综单元输出的调频信号，Ku、C波段的射 频信号，用于混频的中频信号等各个单音信号，都是经过对此晶体振荡器信号进行 倍频和分频得到；数控单元的工作时钟和所需要的输入频率，也是由此晶体振荡器 信号提供。

这里所述的雷达高度计的超稳定晶体振荡器是雷达高度计实现高精度测距核心 基础部件。

频综单元和超稳定晶体振荡器是检定仪的核心部件。为了保证检定仪和高度计 时钟同步，并且频率同源，晶振信号由星载海洋雷达高度计产生并经同轴电缆引入。 频综单元的技术指标示例如下(这里为求能简洁描述主要技术特征，删除部分技术 指标，并且只给出Ku一个频段的技术指标如下表所示，C频段类似)：

地面检定仪的授时单元，本发明所述星载海洋雷达高度计地面检定仪的授时单 元，示例如图3所示。超稳振荡器是频率为10MHz的原子钟超稳振荡器。原子钟是 目前最先进的频率源，其频率精度和稳定度极高，有助于实现精确授时。频率精度 优于±1×10^-10，短期稳定度优于±1×10^-11，长期稳定度(3年)优于±1×10^-6。授时每 秒一次。授时单元到星载海洋雷达高度计的传输延迟和到地面检定仪数控单元的传 输延迟相同，并且由读写控制延迟和传输线延迟确定，为100ns。

地面检定仪的数控单元，本发明所述星载海洋雷达高度计地面检定仪的数控单 元，示例如图5所示。数控单元可以通过USB2.0接口与计算机通讯。计算机通过 USB2.0设置检定仪的工作参数，下载仿真数据和接收定标数据。其中FPGA作为控 制处理器，负责数控单元的工作时序，同时支持10000次/每秒的1024点FFT运算； DSP负责数控系统的浮点数运算；A/D负责同时采集两路带宽为20MHz的I、Q信 号；D/A负责同时生成两路带宽为40MHz的I、Q信号。具体指标如下表所示，C 频段类似)：

  AD   DA   量化位数   10   12   采样率   60MSa/s   80MSa/s   带宽   20MHz   40MHz   幅度失衡系数   ≤1∶1.2   ≤1∶1.2   相位失衡   ≤5度   ≤5度   带内起伏   ≤0.5dB   ≤0.5dB   电平   ±1V   ±1V   接口   SMA   SMA

上述技术方案所述的地面检定仪的工作流程如附图6所示，具体描述如下：

星载海洋雷达高度计地面检定仪和雷达高度计开机以后，计算机设置检定仪的 工作参数。然后，雷达高度计发射脉冲信号给检定仪，同时用一个单独的数字信号 通知检定仪该脉冲信号的载波频率和信号带宽。检定仪根据接收到的雷达高度计的 载波频率和带宽信息，接收雷达高度计发射的射频脉冲信号并将其转换为数字信号， 并计算检定仪系统响应。检定仪数控单元随后利用下载的目标场景仿真信号和检定 仪系统响应函数，模拟目标场景的数字回波信号。在经过设定的延迟之后，经D/A 转换并与频综单元的调频信号混频，再经过上变频混频之后，经发射单元发送给收 发控制单元。收发控制单元将信号分成等幅、同相的两路信号，分别馈送给雷达高 度计和接收单元。星载海洋雷达高度计接收到模拟回波遥感信号并数字化后进行记 录存储，同时，检定仪接收单元将接收到的模拟回波信号也进行数字化并记录。在 记录保存遥感数据的过程中，雷达高度计和检定仪数控单元根据检定仪授时单元发 送的时间，对记录的数据进行打包并保存(或者上传给计算机)。

最后应该说明的是，以上示例仅用于说明本发明的权利要求部分的发明内容。 本领域的技术人员应该理解，即使对其中的技术细节实施进行修改或者同等替换， 而不脱离本发明技术方案的技术方案框图范围，均应涵盖在本发明的权利要求中。