王 沛 孫慧峰 禹衛(wèi)東

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

1 引言

星載合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種全天候全天時(shí)的對(duì)地觀測(cè)手段，發(fā)展正呈現(xiàn)出工作模式多樣化和分辨能力精細(xì)化的特點(diǎn)[1,2]，應(yīng)用領(lǐng)域包括國(guó)土測(cè)量、農(nóng)作物的植被分析、海洋及水文觀測(cè)、環(huán)境及災(zāi)害監(jiān)視、資源勘探、地形測(cè)繪和微變形監(jiān)視，以及軍事偵察等許多方面[3]，這些應(yīng)用要求建立雷達(dá)圖像強(qiáng)度與目標(biāo)散射特性之間的定量關(guān)系。內(nèi)定標(biāo)是實(shí)現(xiàn)定量遙感的重要環(huán)節(jié)，它利用雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備和定標(biāo)通路測(cè)量系統(tǒng)各部分幅度和相位在成像過(guò)程中的相對(duì)變化[4]。

在目前已知的采用有源相控陣天線的星載SAR中，大多數(shù)系統(tǒng)采用功率分配網(wǎng)絡(luò)和耦合器構(gòu)成天線標(biāo)定網(wǎng)絡(luò)，再結(jié)合內(nèi)定標(biāo)器一起完成SAR系統(tǒng)有源收發(fā)通道的標(biāo)定，如德國(guó)的TerraSAR[5–9]和加拿大的RadarSat[10]，以及我國(guó)的高分三號(hào)C波段多極化SAR衛(wèi)星；也有在TR (Transmitter-Receiver)組件內(nèi)增加開(kāi)關(guān)矩陣，通過(guò)將天線收發(fā)有源饋電網(wǎng)絡(luò)分置完成標(biāo)定的，如歐洲的Sentinal系列SAR衛(wèi)星[11]。上述內(nèi)定標(biāo)方法經(jīng)過(guò)了大量的理論分析和實(shí)踐[5–12]，并取得了良好的應(yīng)用效果，但仍存在一些不足之處，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是系統(tǒng)傳遞函數(shù)提取時(shí)不包含TR輸出端至天線無(wú)源陣面這一段路徑的幅相信息，只能標(biāo)定系統(tǒng)TR之后有源鏈路幅相特性；二是在天線TR通道數(shù)量日益增多的趨勢(shì)下，龐大的天線定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)增加了系統(tǒng)復(fù)雜度及載荷重量；三是天線定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)由大量功分器、耦合器和電纜構(gòu)成，且是分布式布局，受在軌陣面溫度梯度影響，誤差控制難。

本文提出了一種利用輔助天線的無(wú)線內(nèi)定標(biāo)方法，該方法是利用支撐桿在SAR天線側(cè)面一定距離處架設(shè)小型無(wú)源輔助天線，與SAR天線構(gòu)成收發(fā)回路，從而完成相控陣天線TR通道幅相特性和系統(tǒng)傳遞函數(shù)提取等標(biāo)定工作。其優(yōu)點(diǎn)是包含了TR輸出端至天線無(wú)源陣面的幅相特性(傳統(tǒng)的內(nèi)定標(biāo)方案是不包含的)，標(biāo)定結(jié)果更加完整；省去了龐大的天線內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減輕了載荷重量，尤其是對(duì)具有大型大掃描角有源相控陣天線的星載SAR系統(tǒng)，更具吸引力。

文中首先介紹了無(wú)線內(nèi)定標(biāo)方案的基本原理，構(gòu)建了分析模型，并給出了天線TR通道幅相特性和系統(tǒng)傳遞函數(shù)的標(biāo)定方法，對(duì)支撐桿引起的標(biāo)定誤差進(jìn)行了分析和仿真，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了無(wú)線內(nèi)定標(biāo)方法的可行性和有效性。

2 無(wú)線內(nèi)定標(biāo)方法

2.1 無(wú)線內(nèi)定標(biāo)原理

傳統(tǒng)星載SAR內(nèi)定標(biāo)原理如圖1所示，系統(tǒng)內(nèi)定標(biāo)由內(nèi)定標(biāo)器、定標(biāo)電纜和天線定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)組成[4–5,13]，其中天線定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)由多級(jí)功分器、高頻電纜和耦合器組成。內(nèi)定標(biāo)回路包括：發(fā)射定標(biāo)、接收定標(biāo)和參考定標(biāo)回路，如圖1中粗虛線所示。根據(jù)系統(tǒng)需求，內(nèi)定標(biāo)器可采用延時(shí)或非延遲方案。通過(guò)這些定標(biāo)通路的組合，可以完成天線TR通道幅相特性標(biāo)定和SAR系統(tǒng)傳遞函數(shù)的提取。

星載SAR無(wú)線內(nèi)定標(biāo)的原理如圖2所示，相對(duì)于傳統(tǒng)方案，主要區(qū)別是省去了圖1中的天線有線定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，代之以定標(biāo)無(wú)源輔助天線[6]。定標(biāo)回路如圖2中粗虛線和箭頭所示，發(fā)射定標(biāo)時(shí)，相控陣天線各TR組件發(fā)射的功率通過(guò)空間耦合被輔助天線接收，并經(jīng)過(guò)內(nèi)定標(biāo)器送給雷達(dá)接收機(jī)；接收定標(biāo)時(shí)，調(diào)頻信號(hào)源輸出的信號(hào)經(jīng)內(nèi)定標(biāo)器和定標(biāo)電纜送給定標(biāo)輔助天線，空間耦合至相控陣天線的各TR組件接收通道，合成后送入雷達(dá)接收機(jī)。無(wú)線內(nèi)定標(biāo)要完成的任務(wù)與傳統(tǒng)內(nèi)定標(biāo)一致，但標(biāo)定回路包含了TR輸出端至天線無(wú)源陣面的幅相特性。

無(wú)線內(nèi)定標(biāo)方案的特點(diǎn)是將空間傳輸(定標(biāo)輔助天線至SAR天線)作為內(nèi)標(biāo)定網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，因此這部分的空間傳輸特性是關(guān)心的重點(diǎn)。為保證標(biāo)定精度，輔助天線的安裝需要考慮如下幾個(gè)方面的因素：

(1) 要保證輔助天線和SAR天線各單元輻射方向圖均在波束主瓣內(nèi)，以使各TR通道至輔助天線的耦合能量差異減至最小，并且波瓣內(nèi)相位恒定；

(2) 保證輔助天線和SAR天線各單元之間距離滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件；

(3) 盡量減少輔助天線對(duì)SAR天線的遮擋，將其對(duì)SAR天線方向圖的影響降到最低。

2.2 分析模型

基于上述考慮，無(wú)線內(nèi)定標(biāo)空間幾何關(guān)系如圖3所示，通過(guò)可展開(kāi)的碳纖維支撐桿安裝于SAR相控陣天線的一側(cè)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，其波束中心對(duì)準(zhǔn)SAR天線坐標(biāo)原點(diǎn)O。

將式(3)–式(5)和式(7)、式(8)代入式(2)，則可求得SAR天線上任意一個(gè)給定坐標(biāo)位置輻射單元與輔助天線之間的空間傳輸函數(shù)S(i)。

對(duì)于輔助天線架設(shè)位置和數(shù)量的選擇，可采取如下方法：天線輻射單元的方向圖是SAR系統(tǒng)性能要求確定的，不能更改，因此要在給定SAR天線單元方向圖，并滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件及主瓣相互覆蓋的情況下，求得輔助天線架設(shè)長(zhǎng)度L和期望的方向圖，步驟如下：

(1) 根據(jù)SAR天線尺寸和幾何關(guān)系找到天線陣面和定標(biāo)輔助天線之間的距離最遠(yuǎn)的輻射單元坐標(biāo)，對(duì)于圖3的幾何關(guān)系，即為坐標(biāo)xi=±W/2和yi=H/2的點(diǎn)，坐標(biāo)值為(-W/2，H/2，0)或(W/2，H/2，0)；

(2) 將已知的SAR天線輻射單元方向圖主瓣俯仰和方位角(θr，φr)，以及上面的最遠(yuǎn)單元坐標(biāo)xi和yi，代入式(4)和式(5)可計(jì)算出輔助天線的架設(shè)長(zhǎng)度L；

(3) 計(jì)算輻射單元與輔助天線之間最短距離(圖3中為長(zhǎng)度L)是否滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，若不滿足則需加長(zhǎng)L直至滿足條件；

(4) 根據(jù)求得的長(zhǎng)度L和最遠(yuǎn)單元坐標(biāo) (xi，yi)，可由式(7)和式(8)求得輔助天線對(duì)最遠(yuǎn)單元完成主瓣覆蓋所需的俯仰和方位角θt(i)，φt(i)，并據(jù)此設(shè)計(jì)輔助天線方向圖主瓣寬度。

通過(guò)以上步驟即可獲得輔助天線架設(shè)長(zhǎng)度L和期望的方向圖。但實(shí)際情況中由于不同SAR天線尺寸和輻射單元特性，求得的架設(shè)長(zhǎng)度L可能會(huì)比較長(zhǎng)，造成工程難于實(shí)現(xiàn)，這時(shí)可采用2個(gè)(或多個(gè))具有一定間距的定標(biāo)輔助天線，分別覆蓋一部分SAR天線陣面。根據(jù)具體的架設(shè)幾何，可以通過(guò)上述4個(gè)步驟，在定標(biāo)天線架設(shè)長(zhǎng)度和數(shù)量之間進(jìn)行折中選取。最終得到合理的定標(biāo)小天線的架設(shè)位置和天線數(shù)量。

2.3 定標(biāo)方法

SAR系統(tǒng)內(nèi)定標(biāo)的兩項(xiàng)主要任務(wù)是：一是獲取天線TR通道幅相特性，用于反演天線方向圖，對(duì)天線狀態(tài)監(jiān)測(cè)；二是通過(guò)全陣面定標(biāo)提取系統(tǒng)參考函數(shù)，標(biāo)定系統(tǒng)幅相穩(wěn)定性?；谝陨系姆治瞿Ｐ偷玫降目臻g傳輸函數(shù)S(i)，本節(jié)給出TR通道幅相特性和系統(tǒng)傳遞函數(shù)的標(biāo)定方法。

(1) TR通道幅相特性標(biāo)定

TR通道發(fā)射/接收幅相特性通過(guò)單TR定標(biāo)得到。這里仍以接收定標(biāo)為例，發(fā)射定標(biāo)同理。天線各通道合成輸出Sr為：

其中，N為TR組件個(gè)數(shù)，St為輔助天線輻射的定標(biāo)信號(hào)，S(i)為空間傳輸函數(shù)，其中AT(i)為TR有源鏈路特性，A(i)為無(wú)源陣面幅相特性，令C(i)=AT(i)A(i)。C(i)共有N個(gè)未知量，為了對(duì)其求解，令TR組件設(shè)置k組不同的移相狀態(tài)，共進(jìn)行N次測(cè)量，得到

其中，φ(i，k)(k=1，2，··，N) 為設(shè)定的TR組件附加移相值，為已知量。從而得到N組方程，用矩陣表示如下：

其中，

則式(10)可寫為[14]：

其中，Sr/(StM)與S(i)C(i)構(gòu)成離散快速傅里葉變換對(duì)，因此對(duì)Sr/(StM)進(jìn)行FFT即可得到TR通道的幅相特性C(i)

相比傳統(tǒng)內(nèi)定標(biāo)方案，上述方法因?yàn)榘薚R輸出至天線無(wú)源陣面的幅相特性，因此標(biāo)定結(jié)果更加完整。在得到TR通道幅相分布后，可反演出天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，用于監(jiān)測(cè)在軌運(yùn)行期間SAR天線方向圖性能的變化。

(2) 系統(tǒng)傳遞函數(shù)標(biāo)定

系統(tǒng)傳遞函數(shù)標(biāo)定的目的是獲取系統(tǒng)收發(fā)鏈路級(jí)聯(lián)后的整體幅相特性，并監(jiān)測(cè)相對(duì)變化量。在頻域，系統(tǒng)傳遞函數(shù)Hsys是雷達(dá)各收發(fā)組成部分頻域幅相的乘積。根據(jù)圖2無(wú)線內(nèi)定標(biāo)系統(tǒng)組成，定義各部分的頻域幅相特性如下：TX–調(diào)頻信號(hào)源輸出信號(hào)、AT(i)–SAR天線發(fā)射通道、A(i)–天線無(wú)源陣面、AR(i)–SAR天線接收通道、RX–雷達(dá)接收機(jī)、CL–定標(biāo)電纜、 C R1–內(nèi)定標(biāo)器參考回路、 C R2–內(nèi)定標(biāo)器發(fā)射回路、 C R3–內(nèi)定標(biāo)器接收回路、S(i)–空間傳輸函數(shù)。按圖2的定標(biāo)回路，分別進(jìn)行發(fā)射、接收和參考定標(biāo)，可得到以下定標(biāo)信號(hào)：

發(fā)射定標(biāo)信號(hào)

接收定標(biāo)信號(hào)

參考定標(biāo)信號(hào)

上面3種定標(biāo)信號(hào)利用比率定標(biāo)的方法[4,5]，經(jīng)如下運(yùn)算，可得到含內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)誤差的SAR系統(tǒng)傳遞函數(shù)

當(dāng)內(nèi)定標(biāo)時(shí)天線設(shè)置為法向狀態(tài)，并已經(jīng)過(guò)基態(tài)幅相配平，則可忽略各TR通道之間的微小幅相差異，天線的傳遞函數(shù)AT(i),AR(i)和A(i)可提取到求和符合外，并用AT,AR和A表示，則式(18)可寫為：

根據(jù)圖3的幾何關(guān)系，在得到式(19)Hsys時(shí)，由于SAR天線各輻射單元與輔助天線距離的不同，各TR通道接收信號(hào)不是等幅同相相加，也就是說(shuō)不同位置的TR通道被加了不同的權(quán)值，這將造成標(biāo)定結(jié)果不能準(zhǔn)確反映各TR通道幅相變化對(duì)天線整體幅相變化的貢獻(xiàn)值，進(jìn)而影響對(duì)Hsys的標(biāo)定的準(zhǔn)確性。因此，這里采取對(duì)傳輸函數(shù)S(i)進(jìn)行附加移相、衰減和延遲的方法，來(lái)以補(bǔ)償不同i時(shí)S(i)之間相位、幅度和時(shí)延差，使各通道信號(hào)等幅同相相加。參考式(1)，具體補(bǔ)償量為：

式中，第1個(gè)括號(hào)內(nèi)的部分即為要求解的SAR系統(tǒng)的真實(shí)傳遞函數(shù)，其余部分為內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)幅相特性，它的不確定變化引起標(biāo)定誤差。其中CL2為定標(biāo)電纜的雙程幅相特性，為內(nèi)定標(biāo)器的幅相特性，為被SC(i)加權(quán)后的空間傳輸函數(shù)矢量和的雙程幅相特性。

3 誤差分析及仿真

3.1 誤差分析

誤差分析包括兩方面：TR通道幅相特性標(biāo)定和系統(tǒng)傳遞函數(shù)標(biāo)定的誤差分析。

首先，對(duì)于TR通道幅相特性標(biāo)定，關(guān)心的是陣面口徑幅相分布的相對(duì)變化，由圖2可知，定標(biāo)回路中的內(nèi)定標(biāo)器和定標(biāo)電纜屬于公共支路，天線合成信號(hào)接收也為公共支路，在毫秒級(jí)的定標(biāo)時(shí)間內(nèi)公共支路引起的陣面口徑幅相相對(duì)變化可以忽略。因此空間傳輸函數(shù)S(i)和TR組件的移相器φ(i，k)的精度決定了SAR天線TR通道幅相誤差的求解精度。誤差源如表1所示，并將其分解表示為幅度誤差和相位誤差。

表1 TR通道幅相特性標(biāo)定誤差源Tab.1 Error sources of TR amplitude and phase calibration

其次，對(duì)于系統(tǒng)傳遞函數(shù)標(biāo)定的誤差分析，根據(jù)式(21)，引起標(biāo)定誤差的部分如下：

表2中，內(nèi)定標(biāo)器誤差主要受在軌溫度影響，因單機(jī)內(nèi)部溫度一致，參考、發(fā)射和接收3個(gè)回路的誤差隨溫度變化趨勢(shì)一致，故內(nèi)定標(biāo)器誤差為ΔCR=ΔCR2+ΔCR3-ΔCR1；定標(biāo)電纜主要受在軌溫度梯度影響，且與內(nèi)定標(biāo)器溫度不同；傳輸函數(shù)加權(quán)矢量和δ的誤差主要由距離R(i)，方向圖Gr(θ0(i)，φ0(i))和Gt(θ1(i)，φ1(i))，及式(20)表示的附加移相、衰減和延遲決定。誤差 ΔCL, Δ CR和Δδ的起因各不相同，因此為獨(dú)立隨機(jī)變量，則SAR系統(tǒng)傳遞函數(shù)標(biāo)定誤差為各誤差項(xiàng)的均方根值(考慮雙程)，可得

表2 系統(tǒng)傳遞函數(shù)標(biāo)定誤差源Tab.2 Error sources of transfer function calibration

系統(tǒng)幅度標(biāo)定誤差為：

系統(tǒng)相位標(biāo)定誤差為：

在上述各誤差中，TR通道幅相特性標(biāo)定移相器誤差 ΔP(i，k)的分析[9,13]、內(nèi)定標(biāo)器和定標(biāo)電纜誤差的分析[5–7,15]與傳統(tǒng)方案相同，已有文獻(xiàn)論述，此處不做深入討論?？臻g傳輸函數(shù)誤差ΔS(i)和傳輸函數(shù)加權(quán)矢量和誤差 Δδ是本方案特有的誤差，都和空間傳輸函數(shù)S(i)有關(guān)，是分析重點(diǎn)。對(duì)S(i)有影響的誤差項(xiàng)可進(jìn)一步分為定標(biāo)輔助天線支撐桿在軌展開(kāi)固定誤差、隨機(jī)抖動(dòng)誤差、熱變形誤差、輔助天線和輻射單元方向圖誤差。

對(duì)于高頻電纜的溫變誤差，人們?cè)诠こ萄兄浦幸呀?jīng)給予了比較多的關(guān)注，尤其在系統(tǒng)內(nèi)定標(biāo)應(yīng)用中，解決辦法包括：(1)選用高性能溫度穩(wěn)相電纜(如美國(guó)Times公司的PhaseTrack系列PT210電纜[16])；(2)對(duì)電纜進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫并根據(jù)電纜自身的幅相-溫度特性曲線在數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償；(3)對(duì)裸露在外的電纜進(jìn)行多層包覆保溫處理，將其溫度控制在與天線饋網(wǎng)電纜相同的溫度范圍內(nèi)。上述方法在我國(guó)某干涉星載SAR中均有應(yīng)用，并通過(guò)了熱平衡試驗(yàn)考核，較為成熟。對(duì)無(wú)線內(nèi)定標(biāo)輔助天線電纜的幅相溫變控制也可以采取上述措施。因此本文根據(jù)工程實(shí)踐為其分配了補(bǔ)償后典型值，幅度0.1 dB，相位1°，如表3所示。

對(duì)于熱變形誤差，衛(wèi)星上的支撐桿一般采用碳纖維材料復(fù)合材料，復(fù)合材料是一種多相固體材料，其性能可以設(shè)計(jì)，能夠在相當(dāng)大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)以滿足使用要求。碳纖維材料具有很高的比強(qiáng)度、比模量，耐溫度性能非常好，具有極低的熱膨脹系數(shù)，并各向異性，平行于纖維方向?yàn)樨?fù)值，垂直于纖維方向?yàn)檎?。不同類型的碳纖維材料熱膨脹系數(shù)差別不大，其軸向熱膨脹系數(shù)均在10–6量級(jí)[17,18]，例如以日本東麗公司T300型號(hào)碳纖維復(fù)合材料的軸向熱膨脹系數(shù)為–0.3×10–6/°C[17]。大多數(shù)遙感衛(wèi)星處于近地軌道，其艙外溫度變化范圍約為–100 °C～70 °C[19]。根據(jù)此數(shù)據(jù)，在表3仿真參數(shù)下，當(dāng)支撐桿長(zhǎng)度為1 m時(shí)，熱變形引起的支撐桿在軸向長(zhǎng)度的變化為–0.051 mm，對(duì)應(yīng)的相位誤差范圍為0.20°～0.58°(隨陣面位置不同而不同)，對(duì)應(yīng)的幅度誤差最大為8.8×10–4dB，可見(jiàn)由定標(biāo)支撐桿在軌熱變形引起的標(biāo)定幅相誤差均非常小，對(duì)一般應(yīng)用的SAR來(lái)講該誤差可以忽略。

表3 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameters of simulation

根據(jù)以上分析，本文將誤差研究的重點(diǎn)放在定標(biāo)輔助天線支撐桿在軌展開(kāi)和隨機(jī)抖動(dòng)引起的位置誤差上。支撐桿位置誤差的分析采用圖4所示的模型。位置誤差可采用離軸角β和旋轉(zhuǎn)角γ表示，將β和γ轉(zhuǎn)換為在SAR天線坐標(biāo)系O中的偏移量Δx，Δy，Δz，如式(24)；再采用第2節(jié)的分析方法，可得偏移后距離Rm(i)，如式(25)；同理可求得偏移后的方向角θrm(i)，φrm(i)和θtm(i)，φtm(i) ；最后可得含誤差的傳輸函數(shù)Sm(i)和變化量ΔS(i)，在此結(jié)果上可得位置誤差對(duì)無(wú)線內(nèi)定標(biāo)精度的影響。

3.2 仿真結(jié)果

取X波段星載SAR的典型參數(shù)，仿真支撐桿位置誤差對(duì)TR通道幅相特性和系統(tǒng)傳遞函數(shù)標(biāo)定的影響。仿真參數(shù)設(shè)置如表3所示，輔助天線支撐桿長(zhǎng)度為1 m, SAR天線輻射單元和輔助天線之間滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，波束主瓣覆蓋天線陣面。內(nèi)定標(biāo)器為非延遲定標(biāo)，內(nèi)定標(biāo)器和定標(biāo)電纜誤差取典型值，分別為幅度0.4 dB、相位2°和幅度0.1 dB、相位1°。支撐桿展開(kāi)位置誤差取值范圍0°～0.10°，旋轉(zhuǎn)角γ取0°～360°。

3.2.1 TR通道幅相特性標(biāo)定誤差在支撐桿位置誤差β取值0°～0.10°范圍內(nèi)分析對(duì)空間傳輸函數(shù)S(i)的影響。圖5縱軸為空間傳輸函數(shù)S(i)誤差，橫軸為旋轉(zhuǎn)角γ，圖5(a)和圖5(b)分別為S(i)幅度誤差、相位誤差?？梢钥吹椒日`差均在10–3dB量級(jí)，可忽略；相位誤差隨位置誤差的增加顯著變大，需要根據(jù)相位誤差的要求控制支撐桿的位置偏差量。例如要求S(i)的相位誤差小于2°，則需支撐桿的位置誤差β要小于0.01°。

進(jìn)一步分析典型位置誤差(β=0.01°)對(duì)TR通道幅相特性標(biāo)定的影響。標(biāo)定誤差如圖6所示。通過(guò)與無(wú)位置誤差標(biāo)定結(jié)果對(duì)比，可以看出，TR通道幅相特性標(biāo)定方法可有效跟蹤通道幅相變化，幅度跟蹤誤差為10–3dB量級(jí)，可以忽略；相位跟蹤誤差為–1.72°～1.67°，可滿足使用要求。

3.2.2 系統(tǒng)傳遞函數(shù)標(biāo)定誤差首先分析函數(shù)(3.1節(jié)中定義)誤差。當(dāng)離軸角取值0°～0.10°，函數(shù)與位置誤差的關(guān)系如圖7所示。從圖中可以看出在位置誤差離軸角達(dá)到0.06°時(shí)，幅度誤差可保持在0.1 dB以內(nèi)，相位誤差可保持在0.15°以內(nèi)，都非常小。仿真結(jié)果表明，δ函數(shù)對(duì)支撐桿位置誤差不敏感。

進(jìn)一步分析系統(tǒng)傳遞函數(shù)標(biāo)定誤差。采用表3參數(shù)，β取值范圍0°～0.10°，系統(tǒng)傳遞函數(shù)標(biāo)定誤差如表4所示?？梢?jiàn)在支撐桿位置誤差0.02°以內(nèi)，傳遞函數(shù)標(biāo)定誤差受到的影響非常??；0.02°以上幅度誤差逐漸增大，相位誤差仍非常小。表明系統(tǒng)傳遞函數(shù)標(biāo)定對(duì)支撐桿位置誤差的容忍度較高。

總之，上述仿真結(jié)果表明，采用無(wú)線內(nèi)定標(biāo)方法，要滿足所需的定標(biāo)精度，對(duì)輔助天線支撐桿位置精度并沒(méi)有提出過(guò)于苛刻的要求，表明該方法是可行的。但仍需合理控制由入軌展開(kāi)和在軌隨機(jī)抖動(dòng)等原因引起的支撐桿位置偏差，上述仿真數(shù)據(jù)則為此提供了參考。

4 試驗(yàn)結(jié)果

在某X波段相控陣天線上對(duì)無(wú)線內(nèi)定標(biāo)提取TR通道幅相特性的方法進(jìn)行了驗(yàn)證，并通過(guò)獲取的口徑場(chǎng)幅相分布反演了天線方向圖。被測(cè)相控陣天線尺寸為4.2 m(方位)×0.65 m(距離)，方位向單元數(shù)為36個(gè)，距離向?yàn)?2個(gè)。輔助天線采用開(kāi)口波導(dǎo)，支撐桿位置參照?qǐng)D3所示，支撐桿長(zhǎng)度為0.76 m。以單TR接收定標(biāo)為例給出無(wú)線內(nèi)定標(biāo)方法獲得的TR通道幅相特性實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8所示，其中圖8(a)和圖8(b)分別為無(wú)線內(nèi)定標(biāo)獲取的TR通道幅度和相位特性，可見(jiàn)口徑場(chǎng)幅相分布一致性較好。利用口徑場(chǎng)數(shù)據(jù)反演得到的天線接收距離方向圖如圖9所示，其中圖9(a)和圖9(b)分別為法向和掃描+20°情況，通過(guò)與近場(chǎng)測(cè)量得到的接收方向圖進(jìn)行比較，可以看出無(wú)論是法向還是波束掃描狀態(tài)，通過(guò)無(wú)線內(nèi)定標(biāo)反演得到的天線方向圖與近場(chǎng)測(cè)量得到的天線方向圖吻合度很好，表明了這種標(biāo)定方法的可行性和有效性。本文試驗(yàn)部分僅對(duì)TR通道幅相特性標(biāo)定方法進(jìn)行了驗(yàn)證，后續(xù)還將對(duì)系統(tǒng)參考函數(shù)標(biāo)定方法進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

表4 系統(tǒng)傳遞函數(shù)標(biāo)定誤差Tab.4 Errors of system transfer function calibration

5 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)定標(biāo)方案中存在的定標(biāo)通路不能覆蓋TR輸出端至天線無(wú)源陣面路徑、天線定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)體積重量龐大且自身誤差控制難等不足，提出了一種新穎的無(wú)線內(nèi)定標(biāo)方案。建立了無(wú)線內(nèi)定標(biāo)的分析模型，推導(dǎo)了定標(biāo)空間傳輸函數(shù)S(i)，給出了TR通道幅相特性和系統(tǒng)傳遞函數(shù)的標(biāo)定方法，對(duì)新方案的誤差源進(jìn)行了分析，并在典型參數(shù)下仿真分析了支撐桿位置誤差對(duì)標(biāo)定性能的影響。最后通過(guò)試驗(yàn)證明了無(wú)線內(nèi)定標(biāo)方法對(duì)TR通道幅相特性標(biāo)定的可行性和有效性，利用無(wú)線內(nèi)定標(biāo)獲取系統(tǒng)傳遞函數(shù)的試驗(yàn)將在下一步工作中完成。