利用激光测距获取雷达天线波束指向信息的方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种利用激光测距获取雷达天线波束指向信息的方法及系统，包括：卫星配备雷达天线、星敏感器、测量天线和测量系统；在轨使用时，雷达天线全部的发射通道逐一向测量天线发射微波并由测量天线逐一接收，与此同时利用测量系统对测量天线进行持续测量，根据测量系统中激光测振装置和星敏之间固定的位置关系及激光指向和光轴指向之间固定的空间角度关系，将测量天线位置变换到星敏观测坐标系下；在利用测量天线接收雷达天线全部发射通道的微波进行雷达天线波束指向拟合过程中，将上述测量天线位置变化引入该拟合过程，等效剔除由测量天线位置变化引起的雷达天线波束指向拟合偏差，得到星敏感器观测坐标系下雷达天线在轨波束指向信息。在轨波束指向信息。在轨波束指向信息。

【技术实现步骤摘要】
利用激光测距获取雷达天线波束指向信息的方法及系统


[0001]本专利技术涉及星载雷达天线
，具体地，涉及利用激光测距获取雷达天线波束指向信息的方法及系统，更为具体地，涉及利用激光测距获取雷达天线在轨波束指向信息的方法及系统，利用星载测量系统对测量天线进行连续测量并将得到的位置变化量进行换算后引入雷达天线波束指向拟合过程中，消除了测量获取过程中由于测量天线位置变化引起的波束指向拟合偏差，有效的实现了在轨雷达天线波束指向信息的高精度获取。

技术介绍

[0002]合成孔径雷达是一种主动式的对地观测系统，可安装在飞机、卫星等飞行平台上实施全天时、全天候对地观测。由于其在灾害监测、环境监测、海洋观测和资源勘察等应用方面具有独特的优势，因此也越来越受到世界各国的重视。特别是随着近年来航天技术的快速发展，合成孔径雷达也越来越多的应用到航天对地观测中，相继出现了平板相控阵、反射面等构型形式的星载雷达天线。不论是平板相控阵构型形式还是反射面构型形式的星载雷达天线，其基本工作原理都是通过向预定目标发射定向微波并接收回波以实现对该目标成像。从其基本工作原理可知，提高星载雷达天线所发射的微波波束指向的精确性，可显著减小波束指向与预期指向的偏差角，增强对预定目标的辐射强度，进而可以提高观测成像性能。在实际工程应用中，通常是将卫星运行所在的轨道系下雷达天线所发射的微波波束指向定义为在轨波束指向。当前，卫星通常使用星敏感器作为姿态测量和控制的敏感器部件，用以观测获取卫星在轨的姿态情况。由于雷达天线固连在卫星上，星敏感器观测得到的卫星的姿态也即是雷达天线的姿态，因此，只要获取星敏观测坐标系下雷达天线的波束指向信息，再通过星敏观测坐标系与轨道系的转换关系，即可获取轨道系下雷达天线波束指向描述。
[0003]当前，雷达卫星所配备的星载雷达天线通常采用平板相控阵构型形式或者反射面构型形式。这类天线通常随卫星入轨后通过展开机构进行展开，以拼接形成完整的天线。在这个过程中，卫星发射阶段的振动环境、展开机构和轨道空间环境等都将对雷达天线的波束指向产生影响，导致雷达天线在轨波束指向与地面测试所获取的波束指向之间产生偏差，影响雷达天线在轨实际成像性能。对于如何获取雷达天线在轨波束指向信息，现有的研究和工程实践主要方法是以提高雷达天线机械性能，控制天线在轨的形状精度为基础，尽可能减小前述发射过程及在轨环境对对雷达天线机械性能的影响，通常采用地面测试获取的波束指向信息代替在轨的波束指向信息。
[0004]例如，对于平板相控阵形式的雷达天线，公开专利《用于大型平面指向变化的测量系统及测量方法》(申请号CN201510861101.2)，其公开的方法是通过线型激光器配合一维PSD的传感技术,得到各个测点的位置变化量,并求解得到大型平面的指向变化量；公开专利《基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统及方法》(申请号CN201510864078.2)，其公开的方法是利用多个光栅测点被布置于卫星大阵面天线形面上,用于形成传感网络；光波解调器用于对收集的光波进行解调,从而得到各个光栅测点的应
变和温度；信息处理器用于对各个光栅测点的应变和温度进行计算,并得到天线阵面形面变形参数。公开专利《一种星载天线机械指向精度快速测量方法》(申请号CN201710355295.8)，其公开的方法是利用相机拍摄天线阵面从而快速获得反光标志点坐标,通过公共标志点转换至经纬仪测量系统坐标系下并拟合天线阵面法线,利用经纬仪准直测量卫星基准棱镜,互瞄获得经纬仪之间的角度关系,最终计算得到天线阵面法线与卫星坐标系的机械指向精度,满足大尺寸天线机械指向精度快速测量的要求。这些专利公开的方法都是只针对平板相控阵形式的阵面天线，对阵面天线进行机械形状精度测量，最终获取的也只是天线的机械指向信息，属于间接的近似等效的形式获取波束指向信息。
[0005]例如对于反射面形式的雷达天线，公开专利《一种基于光学成像与模式识别的天线主波束指向探测方法》(申请号CN201310221814.3)，其公开的方法是，步骤1：大视场可见光相机对目标成像,捕获、识别并跟踪目标；步骤2：大视场可见光相机引导小视场可见光相机对准目标,进行高分辨率成像；步骤3：利用随机椭圆检测的方法确定目标天线区域；步骤4：利用空间圆法向量确定的方法确定目标天线的主波束指向。本专利技术解决了空间目标天线主波束指向探测问题,通过小视场可见光相机对目标天线进行高分辨率探测,利用模式识别技术检测目标天线区域并确定目标天线主波束指向。公开专利《一种反射面天线波束指向的测试装置及其测试方法》(申请号CN201110454082.3)，其公开的方法是利用电子经纬仪和天线基准镜，还包括有光学望远镜；所述的光学望远镜平行于反射面天线机械轴固定于天线支架上；所述的发射天线旁边放置靶标；该测试装置,用于通过光学测量方法和天线远场方向图测试相结合,精确测量反射面天线的电轴和机械轴夹角。该方法利用光学望远镜平行于反射面天线机械轴固定于天线支架上,并在所述的发射天线旁边放置靶标,最终通过光学测量方法和天线远场方向图测试相结合,精确测量反射面天线的电轴和机械轴夹角。这些专利公开的是地面测试方法，而且是对反射面天线进行形状测量，使用反射面天线机械指向代替微波波束指向，也属于间接的近似等效的形式获取波束指向信息。而专利《用于精确获取卫星雷达天线波束指向的方法》(申请号CN201711015900.3)，其公开的方法是：(1)雷达卫星配备微波波束接收天线，通过该波束接收天线及星上处理设备精确获取雷达波束指向信息；(2)雷达卫星配备激光发射器，且在接收天线获取微波波束信息的同时，激光器发射器发射激光光束进入星上配备的星敏感器感光元件；(3)通过星敏感器的运算处理，获取前述激光光束的惯性指向；(4)将微波波束指向信息、激光光束惯性指向信息和由星敏感器获取的卫星姿态信息等数据进行融合处理，精确获取星敏感器光轴指向和微波波束指向的关系，进而能够对雷达成像过程中微波波束指向进行精确的修正。该专利技术通过星上光学基准和微波电性基准转换,将微波波束指向信息直接转换到卫星卫星姿态坐标系下描述,精确获取波束在轨指向信息。其公开了使用激光器和星敏感器配合的方法，获取转换关系，但是，众所周知的是，星空是较暗的背景空间，星上使用激光器并使激光这种强光源进入星敏感器并由星敏感器对其感知获取光束指向和位置，这必将对星敏感器正常的观测星空产生影响，进而对系统的测量精度产生影响。同时，太空中的太阳光、月光、地气光等杂散光也容易对激光器的激光产生干扰，因此，该专利技术专利公开的方法具有较强的局限性。
[0006]专利文献CN111398917A(申请号：202010125408.7)公开了一种天线波束指向测试方法，包括：雷达分别在第一条件和第二条件下对目标进行凝视探测，从目标回波数据中获取回波幅度值；所述第一条件包括设定的工作频点下和俯仰波束指向扫描模式；所述第二
条件包括预设俯仰波束指向和捷变频模式；将在所述第一条件和所述第二条件下获取的回波幅度值与预设标准库中天线波束指向满足雷达使用要求时相同条件下的回本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用激光测距获取雷达天线波束指向信息的方法，其特征在于，包括：步骤S1：在卫星系统中配备包括雷达天线、星敏感器、测量天线以及测量系统；步骤S2：根据预先设定，使所述测量系统中的激光测距装置分别与星敏感器、雷达天线之间具有相对固定的空间位置关系，使所述测量系统中的激光测距装置所发射的激光指向与星敏感器的光轴指向具有相对固定的空间角度关系；步骤S3：在轨工作期间，雷达天线全部的发射通道逐一向测量天线发射微波并由测量天线逐一接收；步骤S4：建立激光测距装置的测量坐标系，利用激光测距装置持续对测量天线进行测量；记录测量开始时刻测量天线与激光测距装置的距离，记为D
测量天线
‑
测距装置
，并持续获取测量天线在测量坐标系下的位置变化，记为
△
测量天线
‑
测距装置
；步骤S5：建立星敏感器观测坐标系，根据激光测距装置分别与星敏感器、雷达天线之间的相对固定的位置关系以及激光测距装置所发射的激光指向与星敏感器的光轴指向具有相对固定的空间角度关系,将测量天线的位置变化
△
测量天线
‑
测距装置
换算到星敏感器观测坐标系下表示，记为
△
测量天线
‑
星敏感器
，将测量开始时刻测量天线与测距装置的距离D
测量天线
‑
测距装置
换算到星敏感器观测坐标系下表示，记为D
测量天线
‑
星敏感器
；步骤S6：建立测量天线坐标系，利用步骤S3所获取的结果进行测量天线坐标系下的雷达天线波束指向拟合，得到波束指向信息，记为r
Rad
；在上述拟合过程中，将测量天线的位置变化
△
测量天线
‑
星敏感器
叠加到获取的测量天线与星敏感器的距离D
测量天线
‑
星敏感器
上，得到测量天线在星敏感器观测坐标系下的连续的多个位置量；将位置量引入拟合过程并予以等效剔除，最终拟合得到星敏感器观测坐标系下雷达天线波束指向信息。2.根据权利要求1所述的一种利用激光测距获取雷达天线波束指向信息的方法，其特征在于，所述测量天线包括星载波束指向测量天线，测量系统包括用于波束指向测量的星载激光测距装置。3.根据权利要求1所述的一种利用激光测距获取雷达天线波束指向信息的方法，其特征在于，雷达天线和测量天线之间仅存在单向的微波发射接收关系，且该单向发射接收关系为雷达天线发射、测量天线接收。4.根据权利要求1所述的一种利用激光测距获取雷达天线波束指向信息的方法，其特征在于，雷达天线向测量天线发射微波的同时，测量系统采用激光测距的方式持续对测量天线进行测量，获取测量天线的位置变化，微波发射与激光测距测量同步开始、同步结束。5.根据权利要求1所述的一种利用激光测距获取雷达天线波束指向信息的方法，其特征在于，建立星敏感器观测坐标系、激光测距装置的测量坐标系和测量天线坐标系，利用激光测距装置与星敏感器之间相对固定的位置关系以及激光测距装置所发射的激光指向与星敏感器的光轴指向具有相对固定的空间角度关系,以及通过激光测距装置对测量天线进行持续测量，对所获取的中间量进行换算，将测量坐标系和测量天线坐标系转换到星敏感器观测坐标系下进行描述，实现转换过程的基准统一。6.一种利用激光测距...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨金军，于广洋，孙永岩，范季夏，蒋锋，
申请(专利权)人：上海卫星工程研究所，
类型：发明
国别省市：