本發(fā)明涉及干涉輻射計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種干涉輻射計(jì)的定標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)、定標(biāo)及星間測(cè)距方法。

背景技術(shù)：

干涉式被動(dòng)射電成像技術(shù)研究開(kāi)始于1890年，michelson利用分離天線進(jìn)行了微波干涉實(shí)驗(yàn)；1946年，ryle和vonberg利用二元射電干涉儀，進(jìn)行了太陽(yáng)觀測(cè)；1962年，ryle進(jìn)一步提出利用地球自轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)更多基線覆蓋，從而提高干涉成像質(zhì)量的方法；1967年，地基甚長(zhǎng)基線干涉儀(vlbi)投入使用；1986年美國(guó)利用靜止軌道通訊衛(wèi)星tdrss進(jìn)行了星地射電干涉實(shí)驗(yàn)；1997年，日本發(fā)射halca衛(wèi)星，在橢圓軌道上進(jìn)行了星地干涉實(shí)驗(yàn)；2009年，歐空局發(fā)射了smos衛(wèi)星，其主要載荷為y型陣列布局的干涉式微波輻射計(jì)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛提出基于衛(wèi)星編隊(duì)的空間分布式干涉輻射計(jì)，利用衛(wèi)星編隊(duì)實(shí)現(xiàn)三維陣列分布，提高最長(zhǎng)基線進(jìn)而提高空間分辨率。

干涉輻射計(jì)是一種被動(dòng)式遙感器，主要應(yīng)用于對(duì)地觀測(cè)、宇宙背景、空間天文等技術(shù)領(lǐng)域。輻射計(jì)通過(guò)接收來(lái)自目標(biāo)的自然輻射信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的物理特性進(jìn)行識(shí)別。然而，由于自然輻射信號(hào)非常微弱，接收機(jī)本身噪聲溫度和增益的微小變化，就會(huì)嚴(yán)重影響輻射計(jì)的測(cè)量精度，因此幾乎所有輻射計(jì)都需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的定標(biāo)系統(tǒng)及定標(biāo)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收機(jī)噪聲溫度及增益變化的標(biāo)定。

與傳統(tǒng)輻射計(jì)不同，干涉輻射計(jì)由多接收通道(1個(gè)接收通道＝1副觀測(cè)天線+1套接收機(jī))組成的系統(tǒng)，其利用互相關(guān)器對(duì)兩個(gè)天線接收的信息進(jìn)行復(fù)乘和積分，從而獲得可見(jiàn)度函數(shù)的。不同于傳統(tǒng)輻射計(jì)，干涉輻射計(jì)不僅需要關(guān)注接收通道的增益，還需了解接收通道的相位，另外通道間的一致性對(duì)干涉輻射計(jì)的測(cè)量精度也有很大的影響；因此，干涉輻射計(jì)不僅需要對(duì)接收通道的增益、相位進(jìn)行標(biāo)定，還需要對(duì)通道間的一致性及天線間的相對(duì)位置進(jìn)行標(biāo)定。

對(duì)于常規(guī)干涉輻射計(jì)，陣列天線間相對(duì)位置是固定，且天線間距通常為米級(jí)。因此，通常采用兩點(diǎn)定標(biāo)、非相關(guān)噪聲注入、相關(guān)噪聲注入等方法對(duì)增益誤差、相位誤差及通道間不一致性進(jìn)行校正；另外，由于天線相對(duì)位置是固定的，安裝誤差可以通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，剩下老化引起的位置誤差通常非常小，不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。

而對(duì)于分布式干涉輻射計(jì)，每個(gè)接收通道置于一個(gè)微小衛(wèi)星上，星間距離通常為千米量級(jí)；星間互耦可以忽略，然而，傳統(tǒng)的噪聲注入方法也不再可行。另外，為了獲取更多的基線覆蓋，需要靠外力來(lái)改變星間距離；星間距離的測(cè)量精度與星間時(shí)間同步息息相關(guān)，星間距離測(cè)不準(zhǔn)會(huì)引入基線長(zhǎng)度誤差，從而影響干涉輻射計(jì)成像結(jié)果和/或定位精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服目前干涉輻射計(jì)存在的上述問(wèn)題，提出了一種干涉輻射計(jì)的定標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)、定標(biāo)及星間測(cè)距方法，能夠?qū)Ω缮孑椛溆?jì)進(jìn)行定標(biāo)，并完成星間距離的測(cè)量。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種干涉輻射計(jì)的定標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括n個(gè)子系統(tǒng)，分別放置于n顆衛(wèi)星上，每個(gè)子系統(tǒng)包括：天線單元、接收機(jī)單元、信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)處理與控制單元和切換開(kāi)關(guān)；所述天線單元用于接收/發(fā)射定標(biāo)信號(hào)和星間測(cè)距信號(hào)；所述接收機(jī)單元用于接收定標(biāo)信號(hào)和星間測(cè)距信號(hào)；所述信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生定標(biāo)信號(hào)和星間測(cè)距信號(hào)；所述信號(hào)處理與控制單元用于對(duì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行控制，并對(duì)接收到的定標(biāo)/星間測(cè)距信號(hào)進(jìn)行處理；所述切換開(kāi)關(guān)用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在正常觀測(cè)模式、信號(hào)定標(biāo)模式和星間測(cè)距模式之間進(jìn)行切換。

上述技術(shù)方案中，當(dāng)子系統(tǒng)處于正常觀測(cè)模式時(shí)，天線單元、接收機(jī)單元和信號(hào)處理與控制單元依次相連；當(dāng)子系統(tǒng)處于信號(hào)定標(biāo)模式時(shí)，信號(hào)處理與控制單元、信號(hào)發(fā)生器、接收機(jī)單元和信號(hào)處理與控制單元依次相連；當(dāng)子系統(tǒng)處于星間測(cè)距模式時(shí)，如果該子系統(tǒng)為信號(hào)發(fā)射方，則信號(hào)處理與控制單元、信號(hào)發(fā)生器和天線單元依次相連；如果該子系統(tǒng)為信號(hào)接收方，則天線單元、接收機(jī)單元和信號(hào)處理與控制單元依次相連。

基于上述系統(tǒng)，本發(fā)明還提供了一種干涉輻射計(jì)的定標(biāo)方法，所述方法包括：

步驟s1)各衛(wèi)星上的子系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器生成用于實(shí)現(xiàn)通道間一致性校正的定標(biāo)信號(hào)；

步驟s2)各衛(wèi)星上的定標(biāo)信號(hào)經(jīng)過(guò)接收機(jī)單元后到達(dá)信號(hào)處理與控制單元，信號(hào)處理與控制單元對(duì)定標(biāo)信號(hào)進(jìn)行采樣、變頻、i/q檢波和數(shù)字濾波處理，獲得定標(biāo)數(shù)據(jù)；

步驟s3)將步驟s2)處理得到的子系統(tǒng)的定標(biāo)數(shù)據(jù)傳回地面，進(jìn)行通道間幅相不一致性比較，獲取各子系統(tǒng)的定標(biāo)數(shù)據(jù)的幅度因子和相位因子，用于對(duì)正常觀測(cè)模式下接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，完成定標(biāo)。

上述技術(shù)方案中，所述步驟s1)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

對(duì)于單頻干涉輻射計(jì)，其定標(biāo)信號(hào)為單頻；假設(shè)單頻干涉輻射計(jì)的工作頻率為f，進(jìn)行信號(hào)定標(biāo)時(shí)，各衛(wèi)星上定標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)中信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的定標(biāo)信號(hào)vcal均為：

其中，acal為定標(biāo)信號(hào)的幅度，為定標(biāo)信號(hào)的初始相位；

假定多頻干涉輻射計(jì)的工作頻率為fi，i＝1，2，…m，m為頻率的個(gè)數(shù)，需對(duì)m個(gè)頻率的通道間不一致性分別進(jìn)行標(biāo)定，各衛(wèi)星上子系統(tǒng)中信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生均需分別產(chǎn)生不同頻點(diǎn)的定標(biāo)信號(hào)，具體如下：

式中：vcal，i表示頻率fi的定標(biāo)信號(hào)，acal，i為頻率fi的定標(biāo)信號(hào)的幅度，為頻率fi的定標(biāo)信號(hào)的初始相位，定標(biāo)信號(hào)頻率的切換控制由子系統(tǒng)的信號(hào)處理與控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。

上述技術(shù)方案中，所述步驟s3)具體包括：

步驟s3-1)獲取定標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)中各子系統(tǒng)回傳的定標(biāo)數(shù)據(jù)，提取各子系統(tǒng)的定標(biāo)數(shù)據(jù)的幅度信息和相位信息，幅度和相位分別為ak和k＝1…n；

由于通道的幅相特性存在差異，因此，相同的定標(biāo)信號(hào)輸入后，各通道輸出定標(biāo)信號(hào)會(huì)有所不同：

式中：vk為第k個(gè)通道輸出的定標(biāo)信號(hào)；

步驟s3-2)以第一個(gè)子系統(tǒng)為基準(zhǔn)，獲得各子系統(tǒng)的幅度因子和相位因子：

步驟s3-3)利用得到的幅度因子和相位因子對(duì)正常觀測(cè)模式下各子系統(tǒng)接收到的信號(hào)進(jìn)行幅度校正和相位校正：

在正常觀測(cè)模式下，假定子系統(tǒng)k接收到的信號(hào)為其中ar,k和分別為接收到信號(hào)的幅度和相位；校正后的接收信號(hào)變?yōu)椋?/p>

基于上述系統(tǒng)，本發(fā)明還提供了一種星間測(cè)距方法，所述方法包括：

步驟t1)衛(wèi)星a上的定標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器生成星間測(cè)距信號(hào)；

測(cè)距信號(hào)設(shè)計(jì)為雙頻信號(hào)：

wk＝ak[cos(2πf1t)+cos(2πf2t)](7)

式中：wk為星間測(cè)距信號(hào)，ak為星間測(cè)距信號(hào)的幅度，f1和f2為雙頻測(cè)距信號(hào)的兩個(gè)頻率，頻率f1和f2不能為倍數(shù)關(guān)系；雙頻測(cè)距信號(hào)的初始相位設(shè)計(jì)為0；

步驟t2)衛(wèi)星a上的定標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)的天線單元發(fā)送星間測(cè)距信號(hào)，衛(wèi)星b上的定標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)的接收機(jī)單元接收星間測(cè)距信號(hào)；

步驟t3)衛(wèi)星b上的定標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)的信號(hào)處理與控制單元對(duì)星間測(cè)距信號(hào)進(jìn)行處理，完成星間測(cè)距。

上述技術(shù)方案中，所述步驟t3)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

假定衛(wèi)星a和衛(wèi)星b的星間距離的初始值為r，誤差為δr，衛(wèi)星b接收到的兩個(gè)不同頻率信號(hào)的相位分別為則有：

其中，c為光速；聯(lián)合(8)式和(9)式可計(jì)算得到δr，從而獲得衛(wèi)星a和b的星間距離為r+δr。

本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：

本發(fā)明提供的干涉輻射計(jì)的定標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)、定標(biāo)及星間測(cè)距方法，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式干涉輻射計(jì)的通道間一致性校正，同時(shí)提高星間測(cè)距精度，提高分布式干涉輻射計(jì)的性能。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明的干涉輻射計(jì)的定標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)的子系統(tǒng)的示意圖；

圖2為本發(fā)明的干涉輻射計(jì)的定標(biāo)方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明的定標(biāo)數(shù)據(jù)處理的流程圖；

圖4為本發(fā)明的各通道幅度不一致性和相位不一致性校正的流程圖；

圖5為本發(fā)明的星間測(cè)距方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

一種干涉輻射計(jì)的定標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括n個(gè)子系統(tǒng)，分別放置于n顆衛(wèi)星上；如圖1所示，每個(gè)子系統(tǒng)包括：天線單元、接收機(jī)單元、信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)處理與控制單元和切換開(kāi)關(guān)；所述天線單元用于接收/發(fā)射定標(biāo)信號(hào)和星間測(cè)距信號(hào)；所述接收機(jī)單元用于接收定標(biāo)信號(hào)和星間測(cè)距信號(hào)；所述信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生定標(biāo)信號(hào)和星間測(cè)距信號(hào)；所述信號(hào)處理與控制單元用于對(duì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行控制，并對(duì)接收到的定標(biāo)/星間測(cè)距信號(hào)進(jìn)行處理；所述切換開(kāi)關(guān)用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在正常觀測(cè)模式、信號(hào)定標(biāo)模式和星間測(cè)距模式之間進(jìn)行切換。

當(dāng)子系統(tǒng)處于正常觀測(cè)模式時(shí)，天線單元、接收機(jī)單元和信號(hào)處理與控制單元依次相連；當(dāng)子系統(tǒng)處于信號(hào)定標(biāo)模式時(shí)，信號(hào)處理與控制單元、信號(hào)發(fā)生器、接收機(jī)單元和信號(hào)處理與控制單元依次相連；當(dāng)子系統(tǒng)處于星間測(cè)距模式時(shí)，如果該子系統(tǒng)為信號(hào)發(fā)射方，則信號(hào)處理與控制單元、信號(hào)發(fā)生器和天線單元依次相連；如果該子系統(tǒng)為信號(hào)接收方，則天線單元、接收機(jī)單元和信號(hào)處理與控制單元依次相連。

如圖2所示，基于上述系統(tǒng)，本發(fā)明還提供了一種干涉輻射計(jì)的定標(biāo)方法，所述方法包括：

步驟s1)各衛(wèi)星上的子系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器生成用于實(shí)現(xiàn)通道間一致性校正的定標(biāo)信號(hào)；

天線單元的每個(gè)天線對(duì)應(yīng)一個(gè)通道，進(jìn)行通道間一致性校正時(shí)，要求各個(gè)通道的定標(biāo)信號(hào)設(shè)計(jì)保持一致：相同的頻率、相同的信號(hào)形式(包括幅度及相位)。

不同頻率通道的幅相特性會(huì)有所不同，因此，定標(biāo)信號(hào)的頻率需要根據(jù)分布式干涉輻射計(jì)系統(tǒng)的工作頻率來(lái)進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于單頻干涉輻射計(jì)，其定標(biāo)信號(hào)為單頻；假設(shè)單頻干涉輻射計(jì)的工作頻率為f，則定標(biāo)信號(hào)vcal為：

其中，acal為定標(biāo)信號(hào)的幅度，為定標(biāo)信號(hào)的初始相位；

對(duì)于多頻干涉輻射計(jì)，則需要利用掃頻方式對(duì)各頻點(diǎn)的通道一致性進(jìn)行校正。假定多頻干涉輻射計(jì)的工作頻率為fi(i＝1，2，…m，m為頻率的個(gè)數(shù))，進(jìn)行信號(hào)定標(biāo)時(shí)，各通道的定標(biāo)信號(hào)均為：

式中：vcal，i表示頻率fi的定標(biāo)信號(hào)，acal，i為頻率fi的定標(biāo)信號(hào)的幅度，為頻率fi的定標(biāo)信號(hào)的初始相位，定標(biāo)信號(hào)頻率的切換控制由系統(tǒng)的信號(hào)處理與控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。

步驟s2)各衛(wèi)星上的定標(biāo)信號(hào)經(jīng)過(guò)接收機(jī)單元后到達(dá)信號(hào)處理與控制單元，信號(hào)處理與控制單元對(duì)定標(biāo)信號(hào)進(jìn)行采樣、變頻、i/q檢波和數(shù)字濾波處理，獲得定標(biāo)數(shù)據(jù)；

步驟s3)將步驟s2)處理得到的子系統(tǒng)的定標(biāo)數(shù)據(jù)傳回地面，進(jìn)行通道間幅相不一致性比較，獲取各子系統(tǒng)的定標(biāo)數(shù)據(jù)的幅度因子和相位因子，用于對(duì)正常觀測(cè)模式下接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，完成定標(biāo)。

不管是單頻干涉輻射計(jì)還是多頻干涉輻射計(jì)，其定標(biāo)數(shù)據(jù)處理方法是一樣的，下面以單頻干涉輻射計(jì)為例進(jìn)行定標(biāo)數(shù)據(jù)處理方法說(shuō)明，如圖3所示，所述步驟s3)具體包括：

步驟s3-1)獲取定標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)中各子系統(tǒng)回傳的定標(biāo)數(shù)據(jù)，提取各子系統(tǒng)的定標(biāo)數(shù)據(jù)的幅度信息和相位信息，幅度和相位分別為ak和k＝1…n；

由于通道的幅相特性存在差異，因此，相同的定標(biāo)信號(hào)輸入后，各通道輸出定標(biāo)信號(hào)會(huì)有所不同：

式中：vk為第k個(gè)通道輸出的定標(biāo)信號(hào)；

步驟s3-2)以第一個(gè)子系統(tǒng)為基準(zhǔn)，獲得各子系統(tǒng)的幅度因子和相位因子：

步驟s3-3)利用得到的幅度因子和相位因子對(duì)正常觀測(cè)模式下各子系統(tǒng)接收到的信號(hào)進(jìn)行幅度校正和相位校正：

如圖4所示，在正常觀測(cè)模式下，假定子系統(tǒng)k接收到的信號(hào)為其中ar,k和分別為接收到信號(hào)的幅度和相位；令接收信號(hào)的幅度除以幅度因子δak，實(shí)現(xiàn)幅度不一致性校正；令其相位減去相位因子實(shí)現(xiàn)相位不一致性校正。利用幅度因子和相位因子進(jìn)行校正后的接收信號(hào)變?yōu)椋?/p>

基于上述系統(tǒng)，本發(fā)明還提供了一種星間測(cè)距方法，所述方法包括：

在星間測(cè)距過(guò)程中，采用“一發(fā)多收”的方式，即一星發(fā)射測(cè)距信號(hào)，其他多星接收測(cè)距信號(hào)。接收處理過(guò)程如圖5所示。

步驟t1)衛(wèi)星a上的子系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器生成星間測(cè)距信號(hào)；

星間測(cè)距原理：利用構(gòu)成基線的其中一個(gè)天線單元發(fā)射雙頻測(cè)距信號(hào)，另一天線單元進(jìn)行接收，根據(jù)接收到的不同頻率信號(hào)的相位來(lái)確定基線的長(zhǎng)度。

此測(cè)距方法的應(yīng)用前提是：通過(guò)其他手段對(duì)星間距離/基線長(zhǎng)度進(jìn)行初步測(cè)量，且測(cè)量誤差不大于一個(gè)波長(zhǎng)。對(duì)于測(cè)距誤差大于一個(gè)波長(zhǎng)的情況，星間測(cè)距精度會(huì)有所惡化。以下以兩顆星為例對(duì)星間測(cè)距方法進(jìn)行說(shuō)明。假定在t0時(shí)刻星間鏈路測(cè)得星間距離為r(t0)，考慮時(shí)間同步誤差δt的存在，測(cè)量距離r(t0)與真實(shí)距離r0之間的誤差為δr，其中δr＝cδt，c為光速。

衛(wèi)星a發(fā)射的星間測(cè)距信號(hào)頻率為f1，衛(wèi)星b的通道1接收到的星間測(cè)距信號(hào)相位為衛(wèi)星a發(fā)射的星間測(cè)距信號(hào)頻率為f2時(shí)，衛(wèi)星b的通道2接收到信號(hào)的相位為另外，由于相位的2π周期性，測(cè)得的相位具有2π周期模糊，即測(cè)得的相位與距離之間的關(guān)系如下：

上式中，c為光速，n1和n2分別為相位和的整周模糊度。假定測(cè)距誤差不大于一個(gè)波長(zhǎng)，則有

從原理上，利用(5)和(6)式可以精確得到相位及整周模糊度n1、n2，從而獲得準(zhǔn)確的星間距離。

基于星間測(cè)距原理，為了避免通道間時(shí)鐘同步誤差的影響，將測(cè)距信號(hào)設(shè)計(jì)為雙頻信號(hào)：

wk＝ak[cos(2πf1t)+cos(2πf2t)](7)

式中：wk為星間測(cè)距信號(hào)，ak為星間測(cè)距信號(hào)的幅度，f1和f2為雙頻測(cè)距信號(hào)的兩個(gè)頻率，頻率f1和f2不能為倍數(shù)關(guān)系。另外，為了避免兩個(gè)單頻頻率信號(hào)的初始相位的不確定性，雙頻測(cè)距信號(hào)的初始相位設(shè)計(jì)為0。

步驟t2)衛(wèi)星a上的子系統(tǒng)的天線單元發(fā)送星間測(cè)距信號(hào)，衛(wèi)星b上的定標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)的接收機(jī)單元接收星間測(cè)距信號(hào)；

步驟t3)衛(wèi)星b上的子系統(tǒng)的信號(hào)處理與控制單元對(duì)星間測(cè)距信號(hào)進(jìn)行處理，完成星間測(cè)距；

假定衛(wèi)星a和衛(wèi)星b的星間距離的初始值為r，誤差為δr，衛(wèi)星b接收到的兩個(gè)不同頻率信號(hào)的相位分別為則(5)式和(6)式變?yōu)椋?/p>

其中，c為光速；聯(lián)合(8)式和(9)式可計(jì)算得到δr，從而獲得衛(wèi)星a和b的星間距離為r+δr。