HJ-1-C卫星SAR全功率辐射试验的设计及实现

张华春 陶 新 倪 江 禹卫东

(中国科学院电子学研究所 北京 100190)

1 引言

HJ-1-C卫星是我国环境与灾害监测预报小卫星“2+1”星座中的一颗雷达卫星，其有效载荷为S波段(3200 MHz)合成孔径雷达(SAR)，具有全天时、全天候对地观测能力。SAR系统采用轻形网状抛物面天线以及大功率固态发射机，大功率集中发射是HJ-1-C SAR系统的一大特点。

在 SAR系统各部分设备验收完成后，需进行SAR系统的集成测试[1－3,4]，包括接口检查、发射通道特性测试、接收通道特性测试、内定标测试，多波束馈源、波束控制器功能测试、天线转动控制器转动功能测试、反射器面型精度测试、SAR天线方向图测试、SAR系统全功率辐射试验等，其中SAR系统全功率辐射试验是地面对 SAR系统性能最全面的考核。本文针对HJ-1-C SAR系统采用大功率集中发射、网状抛物面天线的技术体制，给出HJ-1-C SAR系统全功率辐射试验方案设计、试验过程和测试结果。

2 HJ-1-C SAR系统简介

HJ-1-C SAR系统的组成如图1所示。SAR系统从原理上可以认为由发射通道、接收通道以及内定标通道构成。调频信号源产生小功率线性调频信号经固态发射机进行功率放大后，形成高功率微波信号，经4端口环形器、波导馈线后进入12喇叭多波束馈源，波束控制器通过选择12喇叭中的4个喇叭作为馈源，从而形成距离向指向不同的波束，投射到网状抛物面天线网面上，微波能量被辐射到地面测绘区域，来照射不同的测绘带。

地面的后向反射微弱回波信号被天线网面接收后，经馈源、波导和环形器进入接收机保护开关，之后到达雷达接收机进行低噪声放大、下变频、正交解调，输出的视频信号经数据形成器量化、压缩、打包后，送给数传系统。这样就完成了 SAR的收发信号流程。

内定标器通道采用延迟定标方案，由两个定标回路组成，即发射定标(从固态发射机耦合输入信号)和参考定标(从调频信号源耦合输入信号)；内定标器对耦合输入的射频信号进行延时、衰减、电平调整后，输出定标信号，通过微波组合送雷达接收通道。

SAR系统的主要指标如下：

射频峰值发射功率：3500～4000 W；

脉冲重复频率PRF：2600～3700 Hz；

信号带宽：60 MHz；

脉冲宽度：27 μs；

分辨率/幅宽：5 m/40 km(条带模式)；

波束数目：9个；

天线口面尺寸：6 m×2.8 m；

天线增益：≥ 34.7 dB 。

3 SAR系统全功率辐射试验设计

3.1 全功率辐射试验的目的

HJ-1-C SAR系统全功率辐射试验用于检验SAR系统满功率发射能力，检验天线子系统的多波束馈源发射功能和天线的工作状态，验证在轨状态、天线展开条件下，全功率辐射时 SAR系统工作状态和性能。地面测试时，进行 SAR系统电磁兼容验证；全功率辐射时，进行 SAR系统全回路指标和性能测试。该试验需要在屏蔽的大功率微波暗室进行。试验原理框图如图1所示。

3.2 全功率辐射安全性设计

图1 SAR系统组成和全功率辐射试验原理框图Fig.1 The composition of the SAR system and the full-power radiation test block diagram

4端口环形器在雷达系统中连接收发通道(见图1)，当雷达发射时，来自固态发射机的大功率信号由4端口环形器的1端口入，2端口输出到天线；当雷达接收时，来自天馈线的微弱信号由2端口入，3端口输出馈入雷达接收通道。为避免发射时大功率信号通过4端口环形器漏入接收通道，烧毁雷达接收机，4端口环形器收发端口具有一定的隔离度。由于环形器收/发隔离度只有20 dB，故固态发射机发射信号时，环形器漏过的发射功率进入接收机保护开关，同时由非理想匹配的天线和馈线反射信号也进入接收机保护开关，因此接收机保护开关应对环形器漏过的发射功率和天线的反射功率进行限幅，来保证雷达接收机的安全。系统设计接收机保护开关应产生55 dB的隔离度，这样即便发生天线全反射，漏过雷达接收机的功率仍能小于 10 dBm。而发射信号结束后，接收通道应能及时地恢复，高效率地使接收信号通过。因此，根据发射和接收的工作状态变化，接收机保护开关需要频繁的交替动作。

全功率辐射试验，由于涉及大功率，特别要关注安全性。每一步都要进行待测功率电平、测试仪器所能承受的功率电平的计算，雷达接收机入口漏过功率电平的测试，雷达开机顺序，确保测试的安全。同时大功率下随着工作时间的增加，要关注产品的热特性，固态发射机的温升情况以及天线子系统馈源开关的温升情况等，满足产品试验条件的要求。

4 SAR系统全功率辐射试验

微波暗室中全功率辐射试验测试现场如图2所示。固态发射机输出经波导馈线后经抛物面天线辐射，在天线网面前方放置接收喇叭，接收的辐射信号经测试电缆、可变衰减器等附件接入回波模拟器中的光延迟线，光延迟线按照设置85 μs延时进行连接，将接收到的辐射信号，在距离向进行延迟，未加方位向调制，并经功率放大后，模拟雷达回波信号，再经测试电缆输出到天线网面前方的发射喇叭，通过发射喇叭辐射回波信号到天线网面，再经馈源开关、波导馈线进入接收通路，构成闭环测试系统。数据记录器与星上数据形成连接，记录数据形成输出到数传接口的数据。通过对记录数据回放、处理、分析，获取全系统满功率无线距离向性能指标(峰值旁瓣比，积分旁瓣比，展宽系数等)。

SAR系统加功率时，由小到大逐步增加，并注意连续工作时间依次加长，保证微波暗室吸波材料散热条件。下面按照HJ-1-C SAR满功率试验的测试流程来加以说明。

4.1 SAR系统集成测试的安装状态

SAR系统集成测试的安装状态见图3。

图2 HJ-1-C SAR系统全功率辐射试验现场图Fig.2 HJ-1-C SAR system full-power radiation test diagram

图3 SAR系统集成待测状态示意图Fig.3 SAR system integration test state diagram

系统按照装星工艺正常安装，并置于微波暗室中测试，固态发射机散热措施安装到位；发射和接收喇叭安装到位，且通过17 m长测试电缆连接至可变衰减器；光延迟线和可变衰减器、放大器等放置在电测间中，数据记录器放置于微波暗室内。

4.2 全功率试验不同波位下漏过功率测试

为保证 SAR系统接收通道的安全，首先要在满功率辐射下，对发射信号在接收通道的漏过功率进行测试，即对波导滤波器后、接收机保护开关后的漏过功率进行测试。确保接收通道安全的前提下，进行系统全回路满功率试验。

根据天线子系统正样产品进行的电压驻波比测试结果，不同波位下，其最大带内电压驻波比是不同的，因此需要进行不同波位下全功率试验漏过功率测试。

4.2.1 波导滤波器后漏过功率测试 波导滤波器后漏过功率测试时，断开波导滤波器与接收机保护开关的连接，在波导滤波器之后接波导定向耦合器，定向耦合器接波导大功率吸收负载。测试现场图如图4所示。将波导定向耦合器耦合口接17 m长测试电缆，经可变衰减器后，接测试仪器(示波器和峰值功率计)。

按照波束控制器主机/备机，设置不同的波控码，雷达工作后，分别测试波导滤波器后漏过功率时域波形过冲检查、漏过功率的最大幅度值。测试结果表明，对于波控主机/备机，设置不同的波控码，漏过功率时域波形过冲检查均无过冲现象，漏过功率的最大幅度值为 56.8 dBm，折合峰值功率为478.6 W。

4.2.2 接收机保护开关后漏过功率测试 固态发射机工作时，接收机保护开关应对环形器漏过的发射功率以及天线的反射功率进行关断隔离，保护雷达接收机的安全；在接收回波信号期间，接收机保护开关应能及时恢复导通，使接收信号低差损通过。

图4 波导滤波器后漏过功率测试现场图Fig.4 Leakage power test diagram after waveguide filter

为保证雷达接收机的安全，需要验证微波组合中接收机保护开关工作的正确性。为此，断开微波组合与雷达接收机之间的高频电缆连接，在接收机保护开关后接17 m长测试电缆，经可变衰减器后，接测试仪器(示波器和峰值功率计)。

按照波束控制器主机/备机，微波组合主机/备机，设置不同的波控码，雷达工作后，分别测试接收机保护开关后漏过功率时域波形过冲检查、漏过功率的最大幅度值。测试结果表明，对于波控主机/备机，设置不同的波控码，漏功率时域波形过冲检查均无过冲现象，漏过功率的最大幅度值为−2.8 dBm，满足雷达接收机的输入信号要求。

4.3 S波段前馈网状天线空间馈电损耗的试验测定

全功率辐射时，基于两方面考虑，需要经过试验来测定天线网面到接收喇叭之间的空间馈电损耗。一是在全功率辐射功率一定的条件下，计算接收设备接收辐射信号功率的大小，保证接收设备的安全性；另一方面，根据回波输出信号幅度，以及测试得到的空间馈电损耗，推算出微波组合输出端口功率电平(保证雷达接收机安全)。同时对雷达系统的手动增益控制MGC值进行设定，保证SAR系统接收通路可靠地接收到系统闭环后的回波信号。测试中，接收喇叭经17 m长测试电缆后，接20 dB固定衰减器后，再经可变衰减器后接测试仪器功率计进行监视。固态发射机发射功率约为 65 dBm，调整可变衰减器，雷达工作后，使峰值功率计的信号测试电平约0 dBm。记录可变衰减器衰减量，根据测试电缆损耗，反推出S波段前馈网状天线到接收喇叭之间的空间馈电损耗。

4.4 SAR工作模式及参数设置测试

由于试验中回波模拟器的光延迟线输出信号电平约0 dBm，考虑到测试电缆的插入损耗，发射喇叭到天线网面之间的空间馈电损耗，这样到达天线网面的辐射能量较小。因此在回波模拟器光延迟线输出信号链路上，加功率放大器，提高模拟回波信号经发射喇叭的辐射功率。

通过上述准备，按照雷达设定的工作模式，条带、3SCAN、4SCAN、一次开机多次成像、成像期间更新成像参数等，进行 SAR系统的全功率辐射试验，验证了 SAR系统全功率通过天线网面辐射的能力，以及各设备间电磁兼容性的验证，试验达到了预期目的。

5 全功率状态下SAR系统冲激响应特性测试

系统冲激响应特性代表了SAR系统的分辨率、峰值旁瓣比和积分旁瓣比等性能，它的常温测试是SAR系统全功率辐射下全面衡量产品质量的主要内容。

SAR测试系统的数据记录器记录雷达接收的回波信号及辅助数据，通过对记录数据回放、处理，利用HJ-1-C SAR数据分析软件[5－11]，对雷达工作整个过程，初始(首定标、噪声记录等)、PRF转换过程、工作结束(尾定标等)数据分析，遥测数据分析，获取SAR系统的性能指标。

SAR系统发射和接收都是一串线性调频信号。设雷达发射的脉冲线性调频信号为：

其中

式中，ω0为载波频率，k为线性调频斜率。

系统测试中将雷达发射信号接收后，经回波模拟器进行信号延迟后，产生雷达回波信号

式中Ga(θ,φ)为SAR系统雷达天线2维增益函数，ν为系统测试中回波模拟器的回波信号延迟时间。由于测试时，接收雷达发射信号的接收装置处于雷达天线主瓣内，故可以认为 Ga(θ,φ)≈Ga。该回波信号经雷达天线系统接收后，再经过雷达接收机进行低噪声放大、变频、正交解调、低通滤波，得到视频I,Q信号，距离向接收信号归一化后的表达式为：

为后续讨论方便，令t−ν=t，则

脉冲压缩过程实际上就是对接收信号进行匹配滤波处理。由匹配滤波器理论知，匹配滤波器的脉冲响应是输入信号的复共轭。不失一般性，信号si(t)的匹配滤波器的时域脉冲响应为：

取其模，且归一化，显然接收信号经匹配滤波器后得到的输出信号，其包络具有sincx函数形状。当=τ1=±(1/(k T))时，第1次过零。主瓣通常指两个第1零点以内的区域，这两个第1零点以外的区域称为旁瓣。由式(7)可以看出，旁瓣与t成反比，第1旁瓣峰值比主瓣峰值降低约13.26 dB。

峰值旁瓣比(PSLR)定义为系统冲激响应(IRF)的最大旁瓣幅度与主瓣幅度之比。表征 SAR系统消除邻近点目标引起失真的能力。实际计算中，以最大值为起点向某一方向搜索，直到幅值从减小到开始上升，这一点是主瓣和旁瓣的分界线，继续搜索到局部峰值，就可以得到这一侧的峰值旁瓣比。以同样的方法搜索得到另一侧的峰值旁瓣比，取两个之中最大的，就得到IRF对应的峰值旁瓣比。

积分旁瓣比(ISLR)定义为系统冲激响应的所有旁瓣能量与主瓣能量之比。表征 SAR系统消除邻近分布目标引起失真的能力。积分旁瓣比 ISLR可表示为：

实际中为了计算方便，常常规定一个固定值作为主瓣和旁瓣的分界。通常在以主瓣峰值为中心的±1 个分辨单元内计算主瓣能量；±10个分辨单元内计算旁瓣的能量，旁瓣能量等于在这些分辨单元内的所有能量减去主瓣能量。

上述主瓣的定义在较为理想情况下成立，工程中通常难以找到第1零点，此时可取主瓣−3 dB宽度的2.3倍来定义主瓣宽度。

合成孔径雷达距离向分辨率反映雷达在距离向区分两点的最小能力，通常指系统冲激响应半功率(−3 dB)点之间宽度对应的距离。由合成孔径雷达距离向脉冲压缩原理可知，距离向理论分辨率为：

式中c为光速，B为发射线性调频信号带宽。

主瓣展宽系数为实测的系统冲激响应函数距离向的3 dB宽度与式(9)理论值的比值。

SAR系统数据形成对每个通道的输出数据按帧划分，每帧数据包含一个发射脉冲对应的回波采样数据和相应的辅助数据。数传系统两个射频通道分别传输雷达测绘带内各一半宽度的遥感数据。

5.1 原始数据分析

(1) 可执行滚屏显示功能。

(2) 雷达工作状态分析及图形显示。

(3) 对直通数据进行时域的I,Q两路分别进行图形显示。

(4) 对BAQ数据进行解压前后时域的I,Q两路分别进行图形显示。

5.2 辅助数据分析

(1) 雷达各分机整个工作期间遥测参数历程曲线图形显示和保存。

(2) 辅助数据各参数与雷达工作指令包设置内容的一致性检查。

(3) 帧计数分析，对帧计数值和帧计数差分值进行图形显示。

(4) 辅助数据格式、帧长检查。

对各种雷达工作模式下的辅助数据进行检查，保证数据格式正确，无丢帧、错位现象，符合与数传系统的接口要求。

5.3 成像数据分析

5.3.1 定标数据分析 (1)直通数据距离向指标分析及图形显示。(2)分辨率、主瓣展宽系数、峰值旁瓣比、积分旁瓣比等指标计算。(3)定标阶梯衰减功能分析及图形显示。(4)参考定标、发射定标幅度相位一致性分析。

在 SAR系统的每个工作周期的开始前与结束后，都要进行一次内定标。内定标是相对定标，即只对每次成像前后的增益变化进行标定，以了解发射功率、脉冲信号特性以及雷达整个接收主通道增益和灵敏度的变化情况，为图像处理提供对辐射精度需要实现补偿的物理量。

全功率辐射试验时，对记录的定标数据进行脉冲压缩，进行定标阶梯衰减功能测试和图像指标分析处理。图5给出了SAR系统全功率辐射定标阶梯衰减过程，图6给出了SAR系统定标第6档信号时域波形显示及图像指标计算结果。通过对记录数据分析，参考定标、发射定标衰减档数为21档，每档持续8个PRF，线性部分每档衰减约3 dB，符合设计要求，距离向冲激响应特性符合设计要求，其中距离向分辨率为斜距分辨率，峰值旁瓣比和积分旁瓣比为未进行加权处理的结果。

5.3.2 成像数据分析 (1)BAQ 数据距离向指标分析及图形显示。(2)分辨率、主瓣展宽系数、峰值旁瓣比、积分旁瓣比等指标计算。(3)幅度相位一致性分析。

全功率辐射试验时，进行了雷达各种工作模式(常规模式、缺省模式、一次开机多次成像、立刻更新成像参数等)的测试，通过对记录数据脉冲压缩，进行图像分析处理，结果表明SAR系统功能正常。图7给出波束6的无线测试BAQ信号时域波形显示。

图5 SAR系统全功率辐射定标阶梯衰减幅度分析结果Fig.5 SAR system full-power radiometric calibration ladder attenuation results

图6 SAR系统全功率辐射第6档定标信号及距离向指标分析结果Fig.6 Full-power radiated SAR system sixth-grade calibration signal and range direction performance analysis results

图7 SAR系统全功率辐射波束6的回波信号Fig.7 Beam 6 echo signal in SAR system full-power radiation test

6 结束语

HJ-1-C SAR系统测试由于采用网状抛物面天线、集中大功率辐射的体制，在 SAR系统集成测试及试验验证方面，探索实践出一套全面的方案。HJ-1-C卫星SAR抛物面天线的各个组件不在同一个平面内，展开时运动轨迹也不相同，与以往相控阵天线展开不同，HJ-1-C卫星SAR抛物面天线为3维展开，无法直接集成测试，必须合理划分测试单元，分步实施，包括天线的无重力悬挂展开、转动结构的单独测试、大功率通道的分段测试、天线与电子设备分布组合形成大功率辐射测试等。

本文针对大功率辐射测试中出现的雷达安全性进行了分析，并给出相应的测试思路以及实现方法，构成雷达系统发射、接收闭环测试通道，来验证HJ-1-C SAR系统的电性能指标。在微波暗室中全功率辐射试验，验证了 SAR系统全功率辐射试验方法的正确性。上述工作为我国空间天线和大功率技术的集成测试和试验验证积累了宝贵经验。

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