CN109633578B - 一种双通道高精度相位标校系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种双通道高精度相位标校系统，其特征包含：定标信号源、内定标组件、模拟接收机、ADC信号采集与信号处理系统；所述定标信号源输出两路定标信号注入所述内定标组件中，内定标组件输出两路校准信号通过电缆传给所述模拟接收机；所述模拟接收机将接收的信号传给ADC信号采集与信号处理系统进行处理，获取两路信号的总相位差；同时模拟接收机将部分接收的信号沿原路返回到内定标组件，内定标组件将返回的信号再传给ADC信号采集与信号处理系统，提取电缆本身的相位差。本发明提出一种双通道高精度相位标校方法，对多接收链路之间的相位误差进行标校，并同时消除连接电缆的相位误差，标校精度可达0.07°。
Description
技术领域
本发明涉及干涉雷达技术领域，尤其涉及一种双通道的相位标校技术。
背景技术
干涉雷达系统的地面高程测量精度受诸多干涉参数误差的影响，误差来源主要包括仪器误差、大气传输误差、轨道误差、地球物理误差、数据处理误差等。这些误差源来源多样且影响各不相同，通过采取对应措施进行规避或者补偿，可以有效提升整个测高系统的性能。
在上述的各种影响因素中，系统自身引起的误差影响是较为严重的。由于温度漂移、老化、电磁干扰等原因，系统的幅频和相频特性会产生变化，由此会引入测高误差，因此，需要采取一些技术手段对系统自身的响应特性进行监测和标校工作。
通常采用系统内定标的方式，在干涉雷达工作过程中，对其干涉相位产生影响的是接收链路中的相位特性，通过实时监测接收链路的相位，来标定接收通道间的相位差值，并认为在一定时间内这种差值是稳定的，由此将系统的相位误差标定出来，并对各个接收链路进行补偿，提高干涉相位测量精度，从而提高地面高程反演精度。
在相位标校方法与应用方面，已经在轨运行的星载合成孔径雷达ERS-1/2及Radarsat都设计有内定标系统。其中，ERS-1/2的内定标回路是将发射信号延迟后馈入接收回路来测定整个回路发射功率的稳定度和接收机增益的稳定度。Radarsat则没有延迟回路，而是通过耦合的方式将发射信号送入接收回路。国内的HJ-1-C卫星同样采用了内定标系统，共采用了包括参考定标、发射定标、噪声定标三种内定标模式。但上述产品均是单通道SAR系统，不是双通道系统，且针对的是单通道接收链路的情况，不同于本专利所述多通道的相位标校的方式。
在相位标校方法的专利方面，中国科学院电子学研究所的乔明、梁兴东、丁赤飚、张培杰、韩冰的专利-一种宽带合成孔径雷达的有源外定标器及其定标方法(公开号：CN101082670)，该专利是一种外定标器以及其定标方法，目的是提高有源定标收发系统的增益，获得较大的雷达截面积，不涉及干涉雷达系统的相位标校。北京航空航天大学的陈杰、杨威、王鹏波、周荫清、李春升的专利-一种星载SAR内定标信号处理平台系统及实现方法(公开号：CN101135726)，该发明专利公开了一种星载SAR内定标信号处理平台系统及实现方法，它的处理对象为星载SAR内定标信号，通过输入信号时有效数据抽取模块对有效内定标信号的抽取，以及可靠性检验模块对稳定性定标模块、相位误差定标模块的输出结果对比映证，采用协同并行处理的工作方式处理内定标信号。但是该专利只适用于SAR系统，不能获取双通道之间的相位差值，故不适用于干涉雷达系统。中国科学院电子学研究所的王宇、丁赤飚、梁兴东的专利-星载InSAR系统的外定标方法(公开号：CN103364766A)，本发明公开了一种星载InSAR系统的外定标方法。该外定标方法包括:由卫星高度计测得海面高度数据，将其去除时变影响因素后获得平均海面高度数据；由星载InSAR系统获取的预设时间和空间分布的海洋图像对和未定标的干涉参数，得到星载InSAR系统测量的海面高度数据；仿真计算在预设时间和空间分布条件下除传播影响外的时变影响因素带来的海面高度变化；由平均海面高度和除传播影响外的时变影响因素带来的海面高度变化，获取时变合成海面高度数据；将时变合成海面高度数据作为标准数据，对星载InSAR系统测量的海面高度数据进行校正，实现星载InSAR系统的定标。该专利是对InSAR海面测高系统的外定标方法，是对星载InSAR系统测量的海面高度数据进行校正，不涉及相位的标校。
传统的InSAR干涉系统，由于对相位的标校精度不高，通道间的相位标校没有考虑定标组件中的连接电缆的相位差影响，所以没有相关的专利。
迄今为止，没有本专利所述的双通道高精度相位标校方法的专利。
发明内容
本发明提供一种双通道高精度相位标校方法，对干涉接收链路的相位差进行标定，以此来保证整个雷达高度计系统的测高精度。
为了达到上述目的，本发明提供一种双通道相位标校系统，包含：定标信号源、内定标组件、模拟接收机、ADC信号采集与信号处理系统；
所述定标信号源输出两路定标信号注入所述内定标组件中，内定标组件输出两路校准信号通过电缆传给所述模拟接收机；
所述模拟接收机将接收的信号传给ADC信号采集与信号处理系统进行处理，获取两路信号的总相位差；
同时模拟接收机将部分接收的信号沿原路返回到内定标组件，内定标组件将返回的信号再传给ADC信号采集与信号处理系统，提取电缆本身的相位差。
优选地，模拟接收机接收端口通过驻波影响，将内定标组件发过来的部分信号沿原路返回到内定标组件。
优选地，内定标组件通过射频连接电缆与模拟接收机连接。
优选地，所述内定标组件还包含环行器和下变频链路；
所述环行器设置在内定标组件校准口处，将两路校准信号输出给模拟接收机，且从模拟接收机返回的信号送入内定标组件的下变频链路，下变频链路再将信号传给ADC信号采集与信号处理系统。
一种双通道高精度相位标校方法，其步骤包含：
步骤1、获取两路信号的总相位差；
步骤2、提取电缆本身的相位差；
步骤3、从总相位差中剔除电缆本身的相位差；
步骤4、上述步骤测量多次，求取平均值。
优选地，所述步骤2中除了提取电缆本身的相位差之外，还对两路信号幅度不一致性进行补偿。
优选地，假设两路通道信号的不一致性在整个带宽上是不变的，则接收机数字正交解调出的两个通道的复信号依次如下：
其中，式(1)为主通道，式(2)为副通道；
对副通道回波信号s02做如下运算正；
其中，
s01×s02 *＝(I01+jQ01)×(I02-jQ02)＝[I01I02+Q01Q02]+j[I02Q01+I01Q02] (4)
所以补偿因子为
通过上述过程完成幅相一致性校正。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、标校精度高：相位误差的标校精度可达0.07°。
2、构造简洁、易于工程化：本发明所述方法通过内定标组件结合干涉雷达的收发系统，实时监测接收链路间的相位特性的变化情况，易于工程化。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图；
图2是本发明的系统工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但不以任何方式限制本发明的范围。
如附图1、附图2所示，本发明系统，包含：定标信号源、内定标组件、模拟接收机、ADC信号采集与信号处理系统；
所述定标信号源输出两路定标信号注入所述内定标组件中；
所述内定标组件还包含环行器和下变频链路；
所述环行器设置在内定标组件校准口处，将两路校准信号通过射频连接电缆输出给模拟接收机，所述模拟接收机将接收的信号传给ADC信号采集与信号处理系统进行处理，获取两路信号的总相位差测量多次，求取平均值，就可以得到干涉接收通道的固定相位误差，对后续的接收信号进行补偿校准，以降低干涉相位误差。
同时模拟接收机接收端口通过驻波影响，将部分接收的信号沿原路返回到内定标组件，且从模拟接收机返回的信号送入内定标组件的下变频链路，下变频链路再传给ADC信号采集与信号处理系统，提取电缆本身的相位差。
由于两个射频连接电缆的抖动、温度变化影响不一样，导致射频连接电缆本身引起的相位差在变化，此相位差会叠加在双通道的干涉相位误差里，从而对干涉相位造成影响，因此必须对射频连接电缆的相位差进行同步标定并剔除。
在实际的应用为例：对于两个干涉接收链路，假设射频链路长度、温度变化等引起的接收链路的等效路径长度分别为R1、R2，内定标组件注入到两接收链路的两路输入校准信号经过这两个不同的路径后，在输出端的相位就会不一样，以接收链路1为参考基准，则接收链路2与接收链路1之间的相位差为Δφ1＝2π(R1-R2)/λ(单程，λ一般取为通带的中心频率处的λ)，通过回波采集以及后端信号处理，进行相位提取得到Δφ1。由于内定标组件注入到两接收链路的两路校准信号是通过射频连接电缆传输的，射频电缆本身也存在相位差，必须进行标定并剔除。
假设射频连接电缆长度分别为L1、L2，若将电缆长度考虑在内，两个接收链路的等效路径长度分别为R1+L1、R2+L2，则两个接收链路之间的相位差为Δφ1′＝2π(R1-R2)/λ+2π(L1-L2)/λ，其中2π(L1-L2)/λ是需要消除的相位误差，上述过程无法直接标定L1、L2引起的相位差，需要将内定标组件输出的校准信号返回到内定标组件进行单独标校，因此在内定标组件电路中添加环行器，校准信号通过射频电缆后，由于模拟接收机处驻波的影响，部分信号返回到内定标组件的下变频链路，进行下变频、采集与后端信号处理，就可以得到射频电缆L1、L2引起的相位差2π(L1-L2)/λ，那么消除2π(L1-L2)/λ的影响后，2π(R1-R2)/λ就作为两个接收链路之间的相位校准值。处理时，对两个接收链路输入同一宽带信号，对所有接收通道的输出信号进行采集并进行处理，获取相位差，测量多次，求取平均值，就可以得到通道之间的相位误差值，作为相位补偿值，对后续的接收信号进行补偿校准。
除了相位误差值的补偿，还需要对幅度不一致性进行补偿，一般同时进行校准，以两个通道的幅相一致性校正为例，假设两路通道信号的不一致性在整个带宽上是不变的，则接收机数字正交解调出的两个通道的复信号依次如下：
其中，式(1)为主通道，式(2)为副通道；
对副通道回波信号s02做如下运算正；
其中，
s01×s02 *＝(I01+jQ01)×(I02-jQ02)＝[I01I02+Q01Q02]+j[I02Q01+I01Q02] (4)
所以补偿因子为
通过上述过程完成幅相一致性校正。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求。
Claims (6)
1.一种双通道高精度相位标校系统，其特征在于，包含：定标信号源、内定标组件、模拟接收机、两个ADC信号采集与信号处理系统；
所述定标信号源输出两路定标信号注入所述内定标组件中，内定标组件输出两路校准信号分别通过射频连接电缆传给所述模拟接收机；
所述模拟接收机将接收的信号传给第一ADC信号采集与信号处理系统进行处理，获取两路信号的总相位差；
同时模拟接收机将部分接收的信号沿原路返回到内定标组件，内定标组件将返回的信号再传给第二ADC信号采集与信号处理系统，提取电缆本身的相位差。
2.如权利要求1所述的一种双通道高精度相位标校系统，其特征在于，模拟接收机接收端口通过驻波影响，将内定标组件发过来的部分信号沿原路返回到内定标组件。
3.如权利要求1所述的一种双通道高精度相位标校系统，其特征在于，所述内定标组件还包含环行器和下变频链路；
所述环行器设置在内定标组件校准口处，将两路校准信号输出给模拟接收机，且从模拟接收机返回的信号送入内定标组件的下变频链路，下变频链路再将信号传给ADC信号采集与信号处理系统。
4.一种双通道高精度相位标校方法，其特征在于，利用权利要求1-3任一项所述的一种双通道高精度相位标校系统，其步骤包含：
步骤1、获取两路信号的总相位差；
步骤2、提取电缆本身的相位差；
步骤3、从总相位差中剔除电缆本身的相位差；
步骤4、上述步骤测量多次，求取平均值。
5.如权利要求4所述的一种双通道高精度相位标校方法，其特征在于，所述步骤2中除了提取电缆本身的相位差之外，还对两路信号幅度不一致性进行补偿。
6.如权利要求5所述的一种双通道高精度相位标校方法，其特征在于，假设两路通道信号的不一致性在整个带宽上是不变的，则接收机数字正交解调出的两个通道的复信号依次如下：
其中，式(1)为主通道，式(2)为副通道；
对副通道回波信号s02做如下运算；
其中，
s01×s02 *＝(I01+jQ01)×(I02-jQ02)＝[I01I02+Q01Q02]+j[I02Q01+I01Q02] (4)
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通过上述过程完成幅相一致性校正。
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