专利名称：一种宽带有源转发器的制作方法
技术领域：
本发明涉及微波遥感技术领域，特别是应用于高分辨率合成孔径雷达辐射定标的 一种宽带有源转发器。
背景技术：
合成孔径雷达(SAR)是一种先进的微波遥感工具，它具有全天时、全天候、高分辨 率、大面积遥感成像的能力，其图像数据已经在地质、农业、水文、林业、海洋、制图测绘、军 事侦察和目标识别及信息提取等领域发挥了巨大作用。早期SAR应用主要集中在定性遥感 方面，即主要依据的是SAR图像提供的位置、形状和回波强弱等信息，然而在杂波统计特性 研究、土壤湿度测量、作物精确分类、海面实况调查、目标识别等方面，定性遥感应用受到了 很大限制，实际上在这些应用过程中，需要建立雷达图像与目标截面积或散射系数之间的 定量关系。这种定量关系的确定，由SAR福射定标完成。SAR福射定标就是对雷达图像中每 一个像素的灰度值所代表的该分辨单元的雷达截面积(RCS)进行精确的和正确的测定。国 际上的SAR系统，如ERS-1，SIR-C，X-SAR和RADARSAT等，都采用了辐射定标技术。
随着技术的不断进步，SAR的分辨率越来越高。目前，国外星载SAR的分辨率达到 Im左右，国外机载SAR的分辨率已达O. lm。国内近几年在SAR领域的发展也较快，一些科 研院所分别研制成功了各自的SAR系统，获得了分辨率为3-0. 5m的图像。
对SAR进行辐射定标需要用到已知雷达截面积的定标设备，定标设备的尺寸要求 不能大于一个分辨单元，传统的做法是采用无源角反射器。但随着SAR分辨率的不断提高， 无源角反射器受到尺寸的限制，不能提供足够大的RCS。另外，定标场的背景地物杂波很容 易混进定标信号中，使得辐射定标精度大大降低。相比之下，有源转发器通过将SAR信号接 收、放大、再转发，模拟地面目标，其RCS不再依赖于物理尺寸，而是仅与放大链路的增益有 关。另外，有源转发器还可以将接收到的信号进行延时、调制等处理，使得定标信号与背景 杂波信号脱离相关性，从而提高辐射定标的精度，满足高分辨率合成孔径雷达的辐射定标 要求。发明内容
本发明的目的是提供一种宽带有源转发器，克服无源定标设备在高分辨率合成孔 径雷达辐射定标中的不足，通过接收、放大、转发SAR信号来模拟地面目标，从而实现较大 的、且精确、可调的雷达截面积；在转发之前可对信号进行延时和正弦幅度调制，使得定标 信号与背景杂波信号消除相关性，提高辐射定标的精度；可对接收到的信号进行幅度检波， 并对检波信号进行采样和记录，有助于对SAR天线方向图进行分析。另外，本发明的一种宽 带有源转发器还具有供电方式灵活、便于携带等特点，适应高分辨合成孔径雷达的外场辐 射定标要求。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是
—种宽带有源转发器，其包括收发单元和控制单元，收发单元监控接口通过监控线缆和控制单元监控接口连接，收发单元供电接口通过供电线缆与控制单元供电接口连 接；收发单元的主要功能是将信号进行滤波、放大、延迟、调制等处理，然后再将信号转发给 雷达，同时对信号进行耦合、检波和采样；控制单元主要功能是对收发单元的工作参数进行 控制，监测收发单元的工作状态，接收并记录收发单元发来的采样数据。
所述的宽带有源转发器，其所述收发单元包括接收天线、信号处理�？�、发射天 线，接收天线与信号处理�？槭淙攵说缌樱⑸涮煜哂胄藕糯砟？槭涑龆说缌樱�
接收天线，接收SAR发射的脉冲信号；
信号处理�？椋越邮盏降男藕沤新瞬�、放大、延迟、调制处理，同时对信号进行 率禹合、检波和米样；
发射天线，将处理后的信号转发给SAR。
所述的宽带有源转发器，其所述接收天线、发射天线，为Ku波段标准增益喇叭天 线。
所述的宽带有源转发器，其所述信号处理�？椋ㄊ淙敫衾肫�、带通滤波器、定 向耦合器、低噪声放大器、同轴延迟线、幅度均衡器、小信号放大器、大步进数控衰减器、幅 度调制模块、小步进数控衰减器、功率放大器、输出隔离器、对数检波放大器、A/D采样及控 制板；
输入隔离器、带通滤波器、定向耦合器、低噪声放大器、同轴延迟线、幅度均衡器、 小信号放大器、大步进数控衰减器、幅度调制�？椤⑿〔浇厮ゼ跗�、功率放大器、输出隔 离器依次顺序串联连接；
定向耦合器的耦合端经对数检波放大器与A/D采样及控制板的脉冲信号输入端 电连接，A/D采样及控制板的控制端分别与大步进数控衰减器、幅度调制�？�、小步进数控 衰减器的控制端电连接，并双向通讯；A/D采样及控制板的数据端经监控线缆与控制单元 相连。
所述的宽带有源转发器，其所述控制单元，包括微型计算机系统、高速数据采集 卡、固态电子盘、键盘、显示器；微型计算机系统，分别与高速数据采集卡、固态电子盘、键 盘、显示器电连接，并双向通讯；
微型计算机系统中拷有宽带有源转发器控制软件；
微型计算机系统的RS422串口、高速数据采集卡的接口分别经监控线缆与A/D采 样及控制板的数据端电连接，并双向通讯。
所述的宽带有源转发器，其所述微型计算机系统，为PC104工控计算机。
所述的宽带有源转发器，其流程为
a)接收天线，接收SAR发射的脉冲信号，经输入隔离器传输给信号处理�？椋�
b)信号处理�？樽鋈缦铝鞒�
带通滤波器滤除接收信号的带外杂波；定向耦合器将大部分信号直接通过，将一 小部分功率耦合输出用于后面的检波；低噪声放大器将接收到的信号进行第一级低噪声放 大；同轴延迟线将接收到的信号进行延时；幅度均衡器对同轴延迟线引起的幅度畸变进行 补偿；小信号放大器，将接收到的信号进行第二级放大，补偿同轴延迟线引起的衰减；大步 进数控衰减器对信号进行较大的定量衰减，调整系统增益；幅度调制�？槎越邮盏降男藕� 进行正弦幅度调制，同时将环境温度信息发送给A/D采样及控制板；小步进数控衰减器对系统增益进行微量调整，补偿因环境温度变化引起的系统增益变化，保持系统增益的稳定 性；对数检波放大器对定向耦合器耦合输出的信号进行幅度检波；A/D采样及控制板对检 波出的SAR脉冲包络信号进行A/D采样，并将采样数据发送给控制单元，同时完成对大步进 数控衰减器、幅度调制�？�、小步进数控衰减器的控制；
c)在PC104工控计算机上运行宽带有源转发器控制软件，对整个有源转发器进行 控制和监测；
d)软件运行时，由键盘输入控制参数给PC104工控计算机，计算机通过RS422串口 通信将指令发送给A/D采样及控制板，并接收A/D采样及控制板传来的监测信息；
e)显示器显示宽带有源转发器控制软件界面，方便人机交互；
f)高速数据采集卡，把A/D采样及控制板传递过来的采样数据进行缓存、处理，通 过PCI总线送PC104工控计算机，并存储至固态电子盘；
g)功率放大器对处理好的信号进行末级功率放大后，经输出隔离器，由发射天线 转发给雷达。
所述的宽带有源转发器,其所述小信号放大器,为最大输出功率IOdBm的放大器; 大步进数控衰减器，为3db步进数控衰减器；小步进数控衰减器，为O. 2db步进数控衰减器。
本发明的积极效果是
I)由于采用放大器对接收到的信号进行放大后再转发，可以在转发器体积不变的 情况下实现较大的RCS。
2)由于采用数控衰减器对系统增益进行调节，可以实现多种不同的RCS。
3)由于采用小步进数控衰减器根据系统环境温度变化实时地对系统增益进行补 偿衰减以保持系统增益稳定，提高了宽带有源转发器RCS的精确度。
4)由于采用了延时和幅度调制技术，使得被转发器转发的信号与背景杂波信号脱 离相关性，采用相应的定标信号处理方法可以有效抑制背景杂波干扰，提高辐射定标精度。
5)由于将接收到的SAR脉冲信号进行包络检波并采样记录，从而能够通过记录下 来的数据对SAR天线方位向方向图进行分析。
图1是本发明宽带有源转发器的结构框图；其中，I为收发单元，2为控制单元。
图2是本发明宽带有源转发器的结构原理框图3是本发明中涉及的收发单元的结构原理框图；其中，201为接收天线，202为输 入隔离器，203为带通滤波器，204为定向耦合器，205为低噪声放大器，206为同轴延迟线， 207为幅度均衡器，208为小信号放大器，209为大步进衰减器，210为幅度调制模块，211为 小步进数控衰减器，212为功率放大器，213为输出隔离器，214为发射天线，215为对数检波 器，216为A/D采样及控制�？�。
图4是本发明中涉及的控制单元的结构原理框图；其中，31为PC104工控计算机， 32为高速数据采集卡，33为固态电子盘，34为键盘，35为显示器。
具体实施方式
本发明的一种宽带有源转发器，其结构框图如图1所示，其结构原理框图如图2所示。图1中包括收发单元1、控制单元2。其中，收发单元I的监控接口通过监控线缆和控 制单元2的监控接口连接；收发单元I的供电接口通过供电线缆与控制单元2的供电接口 连接。收发单元I的主要功能是将信号进行滤波、放大、延迟、调制等处理，然后再将信号转 发给雷达，同时对信号进行耦合、检波和采样；控制单元2主要功能是对收发单元的工作参 数进行控制，监测收发单元的工作状态，接收并记录收发单元发来的采样数据。
本发明宽带有源转发器的收发单元I的结构原理框图如图3所示，图中包括
依次互连为接收天线201、输入隔离器202、带通滤波器203、定向耦合器204、低噪 声放大器205、同轴延迟线206、幅度均衡器207、小信号放大器208、大步进数控衰减器209、 幅度调制�？�210、小步进衰减器211、功率放大器212、输出隔离器213、发射天线214，另外 还有对数检波放大器215、A/D采样及控制板216。其中定向耦合器204的耦合输出端与对 数检波放大器215的输入端连接；对数检波放大器215的输出端与A/D采样及控制板216 的脉冲信号输入端连接；A/D采样及控制板216的控制端与大步进数控衰减器209、幅度调 制�？�210以及小步进数控衰减器211的控制端连接，数据端经监控线缆与控制单元2连 接。
接收天线201接收来自SAR雷达发射的脉冲线性调频信号，信号经输入隔离器202 改善匹配特性后输出至带通滤波器203的输入端；
带通滤波器203滤除接收信号的带外杂波，并输出至定向耦合器204的输入端；
定向I禹合器204使绝大部分信号直接通过并输出至低噪声放大器205的输入端, 另外耦合出一小部分信号通过耦合端输出至对数检波放大器215的输入端；
低噪声放大器205将接收到的信号进行第一级低噪声放大，并输出至同轴延迟线 206的输入端；
同轴延迟线206将信号进行延时，并输出至幅度均衡器207的输入端；
幅度均衡器207对信号因延时造成的幅度畸变进行校正，并输出至小信号放大器 208的输入端；
小信号放大器208将信号进行第二级放大，补偿因延时造成的信号功率衰减，并 输出至大步进数控衰减器209的输入端；
大步进数控衰减器209根据A/D采样及控制板216发来的数控值对信号进行大步 进的定量衰减，并输出至幅度调制�？�210的输入端；
幅度调制�？�210根据A/D采样及控制板216发来的频率控制字产生压控波形， 压控波形控制压控衰减器对信号进行相应的正弦幅度调制，并输出至小步进数控衰减器211;另外，幅度调制�？�210还负责监测系统环境温度，并将温度值发送给A/D采样及控制 板 216。
小步进数控衰减器211根据A/D采样及控制板216发来的数控值对信号进行相应 的微量衰减，以补偿系统因环境温度变化引起的增益变化，保持系统增益稳定，并将信号输 出至功率放大器212的输入端；
功率放大器212将信号进行末级功率放大并通过输出隔离器213改善匹配特性后 输出至发射天线214，并由发射天线214将信号转发给SAR ；
对数检波放大器215对定向I禹合器204 f禹合出的信号进行幅度检波，并将检波后 的脉冲包络信号输出至A/D采样及控制板216的脉冲信号输入端；
A/D采样及控制板216将对数检波放大器215发来的脉冲包络信号进行A/D采样， 并将采样数据通过监控线缆发送给控制单元2 ;通过串口通信接收来自控制单元2的数控 信号、调制频率信号，将信号进行转换后通过控制端将信号分别对大步进数控衰减器209、 幅度调制�？�210以及小步进数控衰减器211进行控制。
本发明宽带有源转发器的控制单元2的结构原理框图如图4所示，图中包括
PC104工控计算机31、高速数据采集卡32、固态电子盘33、键盘34和显示器35， 其中，固态电子盘33、键盘34和显示器35分别连接到PC104工控计算机31上对应的标准 接口 ；高速数据采集卡32的PCI总线接口与PC104工控计算机31的PCI总线接口连接； PC104工控计算机31的RS422串口以及高速数据采集卡32的数据接口通过监控线缆与A/ D采样及控制板216的数据端连接。
PC104工控计算机31为整个系统的核心控制器，由键盘34输入控制参数，PC104 工控计算机31将输入参数通过RS422串口发送给A/D采样及控制板216，同时接收A/D采 样及控制板216发来的监测数据；A/D采样及控制板216将输入参数转换成相应的控制量 对数控衰减器、幅度调制�？榻锌刂�。所有的控制量和监测量均由PC104工控计算机31 输出至显示器35进行显示。
高速数据采集卡32通过差分数据线接收来自A/D采样及控制板216的采样数据， 将数据缓存、打包后通过PCI总线发送给PC104工控计算机31并最终存储至固态电子盘 33。
下面通过具体实施例对本发明的工作原理进行详细说明。
本发明宽带有源转发器工作频段为Ku波段，中心频率14. 8GHz，带宽3. 2GHz，可实 现的最大RCS为40dBsm。
本发明主要由两部分构成，如图1所示，包括收发单元I和控制单元2。收发单元 I主要完成对信号的接收、放大、调制、耦合、检波、采样、转发，控制单元通过供电线缆和监 控线缆完成对收发单元的供电和参数监控。
上述的收发单元内部原理框图如图3所示，其中接收天线201和发射天线214均 采用Ku波段标准增益喇叭天线，天线增益20dBi，E面和H面3dB波束宽度分别为14°和 16° ;输入隔离器202和输出隔离器213均采用Ku波段宽带隔离器；带通滤波器203选择中 心频率14. 8GHz、通带宽度3. 3GHz的腔体带通滤波器；定向耦合器204采用耦合度为_6dB 的宽带定向耦合器；低噪声放大器205采用增益40dB，噪声系数2. 5dB的Ku波段宽带低噪 声放大器；同轴延迟线206选择总延迟量150ns ;幅度均衡器207选择带内均衡度12dB ;小 信号放大器208选择增益45dB，最大输出功率IOdBm ;大步进数控衰减器209控制位4位； 幅度调制�？�210调制频率O-1OOOHz ;小步进数控衰减器211控制位7位；功率放大器212 选择最大输出功率25dBm ;对数检波放大器215选择对数斜率20mV/dR，最大输出脉冲幅度 2V。
本发明一种宽带有源转发器工作时，首先运行宽带有源转发器控制程序，显示器 35显示程序操作界面，由键盘34输入RCS设置值、调制频率值，PC104工控计算机31将输入 量通过RS422串口发送给A/D采样及控制板216，A/D采样及控制板216将输入量转换成控 制字对数控衰减器209以及幅度调制�？�210进行控制，同时，不断读取幅度调制�？�210 发过来的环境温度信息，并将温度通过串口发送给PC104工控计算机31，控制程序根据事先存好的温度-衰减量对应表自动向A/D采样及控制板216发出数控衰减器211的数控量， 并由A/D采样及控制板216对数控衰减器211进行控制，从而使得系统增益随环境温度变 化不断进行微调，保持总增益的稳定性。参数设置完毕后，宽带有源转发器进入等待状态。 当SAR飞过时，宽带有源转发器一方面将接收到的信号进行放大、延迟、衰减、调制并转发， 另一方面通过宽带定向耦合器将信号耦合出一部分功率进行检波，检波出的脉冲包络信号 送至A/D采样及控制板216进行A/D采样，采样数据通过差分数据线被送至高速数据采集 卡32进行缓存、打包，再通过PCI总线传输至PC104工控计算机31，最终将数据存储到固态 电子盘33中。
本发明一种宽带有源转发器的供电部分置于控制单元中，供电方式有3种
1.自带蓄电池供电。供电部分装有两组卷绕式铅酸蓄电池，每组12V，两组串联提 供24V直流供电电压，可维持系统工作2小时以上。另外，卷绕式铅酸蓄电池具有体积小、 抗振动、耐高低温、可任意方向放置的特点，非常适合外场环境使用。
2.外部直流供电。提供了外部直流电源输入接口，可直接用外部直流电源供电。
3.交流供电。供电部分装有AC/DC转换器，可将外部交流220输入转换成直流30V 输出，为整个系统提供直流供电，同时也可以为蓄电池进行充电。
上述三种供电方式通过开关进行选择，24V或30V供电电压通过宽输入范围DC/DC �？榛怀�12V和5V直流电压再为系统各个�？榻泄┑�。
本发明一种宽带有源转发器的结构设计考虑到便携性，控制单元采用 PELICAN1520中型便携式密封箱，显示器安装于上盖板内侧，键盘、开关、指示灯及各种接口 均安装于机箱面板上。PC104工控机、高速数据采集卡以及供电部分置于机箱内部，机箱合 盖后可手提。收发单元除收发天线外所有�？橹糜谄帘魏兄校煜叽┕刑骞潭ǎ潭ǚ绞� 可以是水平极化也可以是垂直极化，并通过刚性同轴电缆与盒体的射频接口连接，盒体表 面覆盖Ku波段吸波材料。屏蔽盒置于转台上，以便调整天线指向。转台可以调平，方位向 可360度旋转，俯仰向可调整角度范围为80度。收发单元包装采用PELICAN0340密封箱， 该箱带滑轮和拉杆，方便运输和携带。
权利要求
1.一种宽带有源转发器，其特征在于，包括收发单元和控制单元，收发单元监控接口通过监控线缆和控制单元监控接口连接，收发单元供电接口通过供电线缆与控制单元供电接口连接；收发单元的主要功能是将信号进行滤波、放大、延迟、调制等处理，然后再将信号转发给雷达，同时对信号进行耦合、检波和采样；控制单元主要功能是对收发单元的工作参数进行控制，监测收发单元的工作状态，接收并记录收发单元发来的采样数据。
2.如权利要求1所述的宽带有源转发器，其特征在于，所述收发单元包括接收天线、信号处理�？�、发射天线，接收天线与信号处理�？槭淙攵说缌樱⑸涮煜哂胄藕糯砟？槭涑龆说缌樱� 接收天线，接收SAR发射的脉冲信号； 信号处理�？椋越邮盏降男藕沤新瞬�、放大、延迟、调制处理，同时对信号进行耦合、检波和米样； 发射天线，将处理后的信号转发给SAR。
3.如权利要求2所述的宽带有源转发器，其特征在于，所述接收天线、发射天线，为Ku波段标准增益喇叭天线。
4.如权利要求2所述的宽带有源转发器，其特征在于，所述信号处理�？椋ㄊ淙敫衾肫鳌⒋瞬ㄆ�、定向耦合器、低噪声放大器、同轴延迟线、幅度均衡器、小信号放大器、大步进数控衰减器、幅度调制�？�、小步进数控衰减器、功率放大器、输出隔离器、对数检波放大器、A/D采样及控制板； 输入隔离器、带通滤波器、定向耦合器、低噪声放大器、同轴延迟线、幅度均衡器、小信号放大器、大步进数控衰减器、幅度调制�？�、小步进数控衰减器、功率放大器、输出隔离器依次顺序串联连接； 定向耦合器的耦合端经对数检波放大器与A/D采样及控制板的脉冲信号输入端电连接，A/D采样及控制板的控制端分别与大步进数控衰减器、幅度调制�？�、小步进数控衰减器的控制端电连接，并双向通讯；A/D采样及控制板的数据端经监控线缆与控制单元相连。
5.如权利要求1或4所述的宽带有源转发器，其特征在于，所述控制单元，包括微型计算机系统、高速数据采集卡、固态电子盘、键盘、显示器；微型计算机系统，分别与高速数据采集卡、固态电子盘、键盘、显示器电连接，并双向通讯； 微型计算机系统中拷有宽带有源转发器控制软件； 微型计算机系统的RS422串口、高速数据采集卡的接口分别经监控线缆与A/D采样及控制板的数据端电连接，并双向通讯。
6.如权利要求5所述的宽带有源转发器，其特征在于，所述微型计算机系统，为PC104工控计算机。
7.如权利要求4、5或6所述的宽带有源转发器，其特征在于，其工作流程为 a)接收天线，接收SAR发射的脉冲信号，经输入隔离器传输给信号处理�？椋� b)信号处理�？樽鋈缦铝鞒� 带通滤波器滤除接收信号的带外杂波；定向耦合器将大部分信号直接通过，将一小部分功率耦合输出用于后面的检波；低噪声放大器将接收到的信号进行第一级低噪声放大；同轴延迟线将接收到的信号进行延时；幅度均衡器对同轴延迟线引起的幅度畸变进行补偿；小信号放大器，将接收到的信号进行第二级放大，补偿同轴延迟线引起的衰减；大步进数控衰减器对信号进行较大的定量衰减，调整系统增益；幅度调制�？槎越邮盏降男藕沤姓曳鹊髦疲苯肪澄露刃畔⒎⑺透鳤/D采样及控制板；小步进数控衰减器对系统增益进行微量调整，补偿因环境温度变化引起的系统增益变化，保持系统增益的稳定性；对数检波放大器对定向耦合器耦合输出的信号进行幅度检波；A/D采样及控制板对检波出的SAR脉冲包络信号进行A/D采样，并将采样数据发送给控制单元，同时完成对大步进数控衰减器、幅度调制模块、小步进数控衰减器的控制； c)在PC104工控计算机上运行宽带有源转发器控制软件，对整个有源转发器进行控制和监测； d)软件运行时，由键盘输入控制参数给PC104工控计算机，计算机通过RS422串口通信将指令发送给A/D采样及控制板，并接收A/D采样及控制板传来的监测信息； e)显示器显示宽带有源转发器控制软件界面，方便人机交互； f)高速数据采集卡，把A/D采样及控制板传递过来的采样数据进行缓存、处理，通过PCI总线送PC104工控计算机，并存储至固态电子盘； g)功率放大器对处理好的信号进行末级功率放大后，经输出隔离器，由发射天线转发给雷达。
8.如权利要求4所述的宽带有源转发器，其特征在于，所述小信号放大器，为最大输出功率IOdBm的放大器；大步进数控衰减器，为3dB步进数控衰减器；小步进数控衰减器，为.O.2dB步进数控衰减器。
全文摘要
本发明公开了一种宽带有源转发器，涉及微波遥感技术，包括收发单元和控制单元。收发单元主要功能为接收雷达发射的脉冲信号，将信号进行滤波、放大、延迟、调制等处理，然后再将信号转发给雷达，同时对信号进行耦合、检波和采样；控制单元主要功能是对收发单元的工作参数进行控制，监测收发单元的工作状态，接收并记录收发单元发来的采样数据。收发单元和控制单元之间通过供电线缆和监控线缆进行连接。本发明的宽带有源转发器，适用于高分辨率合成孔径雷达(SAR)辐射定标。
文档编号G01S7/40GK103018724SQ20111028083
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月21日 优先权日2011年9月21日
发明者郭俊栋, 马艳敏, 李鹏程, 洪瀑, 曹舸 申请人:中国科学院电子学研究所
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