HJ-1-C衛(wèi)星SAR全功率輻射試驗的設計及實現(xiàn)

張華春 陶 新 倪 江 禹衛(wèi)東

(中國科學院電子學研究所 北京 100190)

1 引言

HJ-1-C衛(wèi)星是我國環(huán)境與災害監(jiān)測預報小衛(wèi)星“2+1”星座中的一顆雷達衛(wèi)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?qū)Φ赜^測能力。SAR系統(tǒng)采用輕形網(wǎng)狀拋物面天線以及大功率固態(tài)發(fā)射機，大功率集中發(fā)射是HJ-1-C SAR系統(tǒng)的一大特點。

在 SAR系統(tǒng)各部分設備驗收完成后，需進行SAR系統(tǒng)的集成測試[1－3,4]，包括接口檢查、發(fā)射通道特性測試、接收通道特性測試、內(nèi)定標測試，多波束饋源、波束控制器功能測試、天線轉(zhuǎn)動控制器轉(zhuǎn)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(tǒng)全功率輻射試驗等，其中SAR系統(tǒng)全功率輻射試驗是地面對 SAR系統(tǒng)性能最全面的考核。本文針對HJ-1-C SAR系統(tǒng)采用大功率集中發(fā)射、網(wǎng)狀拋物面天線的技術體制，給出HJ-1-C SAR系統(tǒng)全功率輻射試驗方案設計、試驗過程和測試結(jié)果。

2 HJ-1-C SAR系統(tǒng)簡介

HJ-1-C SAR系統(tǒng)的組成如圖1所示。SAR系統(tǒng)從原理上可以認為由發(fā)射通道、接收通道以及內(nèi)定標通道構(gòu)成。調(diào)頻信號源產(chǎn)生小功率線性調(diào)頻信號經(jīng)固態(tài)發(fā)射機進行功率放大后，形成高功率微波信號，經(jīng)4端口環(huán)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(wǎng)狀拋物面天線網(wǎng)面上，微波能量被輻射到地面測繪區(qū)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(wǎng)面接收后，經(jīng)饋源、波導和環(huán)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(diào)，輸出的視頻信號經(jīng)數(shù)據(jù)形成器量化、壓縮、打包后，送給數(shù)傳系統(tǒng)。這樣就完成了 SAR的收發(fā)信號流程。

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

SAR系統(tǒng)的主要指標如下：

射頻峰值發(fā)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(shù)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(tǒng)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(tǒng)全功率輻射試驗用于檢驗SAR系統(tǒng)滿功率發(fā)射能力，檢驗天線子系統(tǒng)的多波束饋源發(fā)射功能和天線的工作狀態(tài)，驗證在軌狀態(tài)、天線展開條件下，全功率輻射時 SAR系統(tǒng)工作狀態(tài)和性能。地面測試時，進行 SAR系統(tǒng)電磁兼容驗證；全功率輻射時，進行 SAR系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)形器在雷達系統(tǒng)中連接收發(fā)通道(見圖1)，當雷達發(fā)射時，來自固態(tài)發(fā)射機的大功率信號由4端口環(huán)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(fā)射時大功率信號通過4端口環(huán)形器漏入接收通道，燒毀雷達接收機，4端口環(huán)形器收發(fā)端口具有一定的隔離度。由于環(huán)形器收/發(fā)隔離度只有20 dB，故固態(tài)發(fā)射機發(fā)射信號時，環(huán)形器漏過的發(fā)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(huán)形器漏過的發(fā)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(tǒng)設計接收機保護開關應產(chǎn)生55 dB的隔離度，這樣即便發(fā)生天線全反射，漏過雷達接收機的功率仍能小于 10 dBm。而發(fā)射信號結(jié)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(jù)發(fā)射和接收的工作狀態(tài)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(chǎn)品的熱特性，固態(tài)發(fā)射機的溫升情況以及天線子系統(tǒng)饋源開關的溫升情況等，滿足產(chǎn)品試驗條件的要求。

4 SAR系統(tǒng)全功率輻射試驗

微波暗室中全功率輻射試驗測試現(xiàn)場如圖2所示。固態(tài)發(fā)射機輸出經(jīng)波導饋線后經(jīng)拋物面天線輻射，在天線網(wǎng)面前方放置接收喇叭，接收的輻射信號經(jīng)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(diào)制，并經(jīng)功率放大后，模擬雷達回波信號，再經(jīng)測試電纜輸出到天線網(wǎng)面前方的發(fā)射喇叭，通過發(fā)射喇叭輻射回波信號到天線網(wǎng)面，再經(jīng)饋源開關、波導饋線進入接收通路，構(gòu)成閉環(huán)測試系統(tǒng)。數(shù)據(jù)記錄器與星上數(shù)據(jù)形成連接，記錄數(shù)據(jù)形成輸出到數(shù)傳接口的數(shù)據(jù)。通過對記錄數(shù)據(jù)回放、處理、分析，獲取全系統(tǒng)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(shù)等)。

SAR系統(tǒng)加功率時，由小到大逐步增加，并注意連續(xù)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(tǒng)集成測試的安裝狀態(tài)

SAR系統(tǒng)集成測試的安裝狀態(tài)見圖3。

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

圖3 SAR系統(tǒng)集成待測狀態(tài)示意圖Fig.3 SAR system integration test state diagram

系統(tǒng)按照裝星工藝正常安裝，并置于微波暗室中測試，固態(tài)發(fā)射機散熱措施安裝到位；發(fā)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(shù)據(jù)記錄器放置于微波暗室內(nèi)。

4.2 全功率試驗不同波位下漏過功率測試

為保證 SAR系統(tǒng)接收通道的安全，首先要在滿功率輻射下，對發(fā)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(tǒng)全回路滿功率試驗。

根據(jù)天線子系統(tǒng)正樣產(chǎn)品進行的電壓駐波比測試結(jié)果，不同波位下，其最大帶內(nèi)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(xiàn)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(jīng)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(jié)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(xiàn)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(tài)發(fā)射機工作時，接收機保護開關應對環(huán)形器漏過的發(fā)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(xiàn)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(jīng)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(jié)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(xiàn)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(wǎng)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(jīng)過試驗來測定天線網(wǎng)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(jù)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(tǒng)的手動增益控制MGC值進行設定，保證SAR系統(tǒng)接收通路可靠地接收到系統(tǒng)閉環(huán)后的回波信號。測試中，接收喇叭經(jīng)17 m長測試電纜后，接20 dB固定衰減器后，再經(jīng)可變衰減器后接測試儀器功率計進行監(jiān)視。固態(tài)發(fā)射機發(fā)射功率約為 65 dBm，調(diào)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(jù)測試電纜損耗，反推出S波段前饋網(wǎng)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(shù)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(fā)射喇叭到天線網(wǎng)面之間的空間饋電損耗，這樣到達天線網(wǎng)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(jīng)發(fā)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(shù)等，進行 SAR系統(tǒng)的全功率輻射試驗，驗證了 SAR系統(tǒng)全功率通過天線網(wǎng)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(tài)下SAR系統(tǒng)沖激響應特性測試

系統(tǒng)沖激響應特性代表了SAR系統(tǒng)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(tǒng)全功率輻射下全面衡量產(chǎn)品質(zhì)量的主要內(nèi)容。

SAR測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄器記錄雷達接收的回波信號及輔助數(shù)據(jù)，通過對記錄數(shù)據(jù)回放、處理，利用HJ-1-C SAR數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換過程、工作結(jié)束(尾定標等)數(shù)據(jù)分析，遙測數(shù)據(jù)分析，獲取SAR系統(tǒng)的性能指標。

SAR系統(tǒng)發(fā)射和接收都是一串線性調(diào)頻信號。設雷達發(fā)射的脈沖線性調(diào)頻信號為：

其中

式中，ω0為載波頻率，k為線性調(diào)頻斜率。

系統(tǒng)測試中將雷達發(fā)射信號接收后，經(jīng)回波模擬器進行信號延遲后，產(chǎn)生雷達回波信號

式中Ga(θ,φ)為SAR系統(tǒng)雷達天線2維增益函數(shù)，ν為系統(tǒng)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(fā)射信號的接收裝置處于雷達天線主瓣內(nèi)，故可以認為 Ga(θ,φ)≈Ga。該回波信號經(jīng)雷達天線系統(tǒng)接收后，再經(jīng)過雷達接收機進行低噪聲放大、變頻、正交解調(diào)、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(xù)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(jīng)匹配濾波器后得到的輸出信號，其包絡具有sincx函數(shù)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(nèi)的區(qū)域，這兩個第1零點以外的區(qū)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(tǒng)沖激響應(IRF)的最大旁瓣幅度與主瓣幅度之比。表征 SAR系統(tǒng)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(xù)搜索到局部峰值，就可以得到這一側(cè)的峰值旁瓣比。以同樣的方法搜索得到另一側(cè)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(tǒng)沖激響應的所有旁瓣能量與主瓣能量之比。表征 SAR系統(tǒng)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(guī)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(nèi)計算主瓣能量；±10個分辨單元內(nèi)計算旁瓣的能量，旁瓣能量等于在這些分辨單元內(nèi)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(qū)分兩點的最小能力，通常指系統(tǒng)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(fā)射線性調(diào)頻信號帶寬。

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

SAR系統(tǒng)數(shù)據(jù)形成對每個通道的輸出數(shù)據(jù)按幀劃分，每幀數(shù)據(jù)包含一個發(fā)射脈沖對應的回波采樣數(shù)據(jù)和相應的輔助數(shù)據(jù)。數(shù)傳系統(tǒng)兩個射頻通道分別傳輸雷達測繪帶內(nèi)各一半寬度的遙感數(shù)據(jù)。

5.1 原始數(shù)據(jù)分析

(1) 可執(zhí)行滾屏顯示功能。

(2) 雷達工作狀態(tài)分析及圖形顯示。

(3) 對直通數(shù)據(jù)進行時域的I,Q兩路分別進行圖形顯示。

(4) 對BAQ數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析

(1) 雷達各分機整個工作期間遙測參數(shù)歷程曲線圖形顯示和保存。

(2) 輔助數(shù)據(jù)各參數(shù)與雷達工作指令包設置內(nèi)容的一致性檢查。

(3) 幀計數(shù)分析，對幀計數(shù)值和幀計數(shù)差分值進行圖形顯示。

(4) 輔助數(shù)據(jù)格式、幀長檢查。

對各種雷達工作模式下的輔助數(shù)據(jù)進行檢查，保證數(shù)據(jù)格式正確，無丟幀、錯位現(xiàn)象，符合與數(shù)傳系統(tǒng)的接口要求。

5.3 成像數(shù)據(jù)分析

5.3.1 定標數(shù)據(jù)分析 (1)直通數(shù)據(jù)距離向指標分析及圖形顯示。(2)分辨率、主瓣展寬系數(shù)、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(fā)射定標幅度相位一致性分析。

在 SAR系統(tǒng)的每個工作周期的開始前與結(jié)束后，都要進行一次內(nèi)定標。內(nèi)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(fā)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(xiàn)補償?shù)奈锢砹俊?/p>

全功率輻射試驗時，對記錄的定標數(shù)據(jù)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(tǒng)全功率輻射定標階梯衰減過程，圖6給出了SAR系統(tǒng)定標第6檔信號時域波形顯示及圖像指標計算結(jié)果。通過對記錄數(shù)據(jù)分析，參考定標、發(fā)射定標衰減檔數(shù)為21檔，每檔持續(xù)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(quán)處理的結(jié)果。

5.3.2 成像數(shù)據(jù)分析 (1)BAQ 數(shù)據(jù)距離向指標分析及圖形顯示。(2)分辨率、主瓣展寬系數(shù)、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(guī)模式、缺省模式、一次開機多次成像、立刻更新成像參數(shù)等)的測試，通過對記錄數(shù)據(jù)脈沖壓縮，進行圖像分析處理，結(jié)果表明SAR系統(tǒng)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(tǒng)全功率輻射定標階梯衰減幅度分析結(jié)果Fig.5 SAR system full-power radiometric calibration ladder attenuation results

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

圖7 SAR系統(tǒng)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(jié)束語

HJ-1-C SAR系統(tǒng)測試由于采用網(wǎng)狀拋物面天線、集中大功率輻射的體制，在 SAR系統(tǒng)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(wèi)星SAR拋物面天線的各個組件不在同一個平面內(nèi)，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(wèi)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(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(xiàn)方法，構(gòu)成雷達系統(tǒng)發(fā)射、接收閉環(huán)測試通道，來驗證HJ-1-C SAR系統(tǒng)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(tǒng)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(jīng)驗。

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