專利名稱：實(shí)時變參數(shù)濾波筆形波束掃描雷達(dá)散射計及其設(shè)計方法
雷達(dá)散射計是用來測量擴(kuò)展目標(biāo)后向散射系數(shù)的雷達(dá)。星載雷達(dá)散射計主要用于測量海洋、海并和大尺度陸地目標(biāo)，是目前唯一的可以進(jìn)行海洋表面風(fēng)向和風(fēng)速測量的微波遙感器。它是通過測量海面的后向散射系數(shù)，根據(jù)后向散射系數(shù)隨關(guān)于風(fēng)向的方位角的各向異性，反演得到風(fēng)速和風(fēng)向的。雷達(dá)散射計測量風(fēng)矢量的關(guān)鍵是獲得不同方位角的后向散射系數(shù)，同時要求一定的測量刈幅，所采用的方法有兩種第一種方案是采用不同方位角入射的扇形波束天線，通過頻域Doppler濾波器或時域距離門獲得海面分辨單元的后向散射系數(shù)。(參考文獻(xiàn)I.S.Robinson,Satellite Oceanography-An Introduction for Oceanography and RemoteSensing Scientists,Ellis Horwood Limited,1985.R.H.Stewart,Methods ofSatellite Oceanography,University of California Press.)目前已有的風(fēng)散射計都是采用這種方法，如美國的SEASAT散射計采用的是四根正交的桿狀天線分別獲得天底方向兩側(cè)兩個方位角的散射系數(shù)，地面分辨單元是通過角度-速度(Doppler頻率)限制的方式；歐空局的ERS-1/2的風(fēng)散射計則采用三根分別具有相對正側(cè)視方向分別為±45°和0°夾角的三根桿狀天線獲得星下方向一側(cè)的三個方位角的散射系數(shù)，以克服風(fēng)向反演的模糊，ERS風(fēng)散射計的地面分辨單元是通過角度-距離限制的方式獲得(參考文獻(xiàn)E.RW.Attema,The Active MicrowaveInstrument on-board the ERS-1 Satellite,Proc.IEEE,1991,v.79,pp791.)；第二種方案是利用筆形波束獲得海面分辨單元的后向散射系數(shù)，通過圓錐掃描實(shí)現(xiàn)掃描刈幅和不同方位角的測量結(jié)果，在掃描中對于每個天線波束可以獲得相對正側(cè)視方向?qū)ΨQ的兩個方位角的散射系數(shù)，地面分辨單元采用角度-角度的限制方式獲得。這種方案由于天線尺寸小，發(fā)射功率低，近年來受到各國的注意，美國JPL研制的SeaWinds(參考文獻(xiàn)M.W.Spencer,C.Wu,and D.G.Long,Tradeoffs in the Design of aSpaceborne Scanning Pencil Beam Scatterometer:Application to SeaWinds,IEEE Trans.On Geoscience and Remote Sensing.1997,35(1),pp115.)，以及印度將要研制的星載風(fēng)散射計都采用這種方案。
對于星載風(fēng)場散射計，必須對由于分辨單元相對散射計不同視在速度引起的Doppler頻率的變化進(jìn)行補(bǔ)償。
對于角度-距離方式的散射計如ERS的散射計，在不同距離門采用不同的Doppler頻率補(bǔ)償，由于每個距離門的觀測入射角和方位角都是固定的，所以這種補(bǔ)償是固定的；對于采用筆形波束圓錐掃描的海面風(fēng)場雷達(dá)散射計，則須對在不同方位角上由于海面分辨單元相對散射計的運(yùn)動速度不同所引入的Doppler頻率的不同進(jìn)行補(bǔ)償。星載散射計通常采用連續(xù)波脈沖方式工作，系統(tǒng)的工作帶寬很窄(接近于點(diǎn)頻)，這種Doppler效應(yīng)引起的回波信號的頻率搬移和頻譜擴(kuò)展必須進(jìn)行補(bǔ)償，才能保證回波信號能量的完整有效的接收和后向散射系數(shù)的準(zhǔn)確測量。
筆形波束掃描的風(fēng)場測量雷達(dá)散射計由于不同方位角對應(yīng)不同的Doppler頻率搬移，同時由于分辨單元內(nèi)的面積擴(kuò)展引起回波頻譜的擴(kuò)展，隨著天線掃描角度的變化上述的雷達(dá)回波中心頻率偏移和頻譜擴(kuò)展在隨時變化。根據(jù)衛(wèi)星軌道、天線入射角和天線波束寬度可以得到頻率搬移和擴(kuò)展的結(jié)果。
在一般情況下，由于接收機(jī)噪聲和外部寬帶噪聲的存在，需要盡量減小接收機(jī)帶寬，使其與要接收的信號帶寬匹配，最大限度地減小接收到的噪聲功率，提高接收信號的信噪比。對于以檢測為目的的接收機(jī)(如大多數(shù)的通信系統(tǒng)的接收機(jī))，減小接收帶寬是一種有效的手段，最佳匹配接收是這種系統(tǒng)的一個典型例子。
但是對于以功率絕對測量為目的的接收機(jī)，由于噪聲功率是不可消除的，造成測量結(jié)果的偏差和散布，降低了測量結(jié)果的精確度和準(zhǔn)確度，一種合適的解決手段是系統(tǒng)能夠通過測量噪聲功率得到高精度的信號功率的測量結(jié)果。特別是對于星載散射計，地海面的回波功率通常并不明顯大于噪聲功率，而且由于地海面回波本身具有的類似于噪聲的非相干特性，使得通過相關(guān)接收提高信噪比的手段的應(yīng)用效果受到限制，噪聲的測量就成為一個必須進(jìn)行的步驟。
如果進(jìn)行噪聲測量，并通過噪聲功率的測量提高信號功率測量精確度，則一味減小接收帶寬并不一定有利于信號功率的測量和最終估計，因?yàn)樵肼暪β实木_測量需要足夠的測量帶寬和足夠的積分時間。
目前的圓錐掃描風(fēng)散射計在不進(jìn)行噪聲測量時，Doppler頻率的補(bǔ)償有兩種方式一是根據(jù)天線旋轉(zhuǎn)角度改變接收本振，如我國的多模態(tài)微波遙感器的散射計；另一種是對發(fā)射信號的頻率進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，保持接收中心頻率不變。這兩種方案都要求實(shí)時改變頻率，給系統(tǒng)帶來一定的復(fù)雜性，而且要求對平臺的姿態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確測量，以保證補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確。更重要的是上述方案要求足夠的接收帶寬，以確保回波功率的完整接收。這種預(yù)置的帶寬通常要求足夠的冗余度，但這種冗余度制約了后向散射系數(shù)測量精度的提高。
為了解決上述的Doppler頻率引起的雷達(dá)回波信號中心頻率偏移和頻譜擴(kuò)展等問題，發(fā)明本專利。
本發(fā)明提出一種采用實(shí)時變參數(shù)濾波技術(shù)的筆形波束圓錐掃描的星載雷達(dá)散射計，它采用較寬的接收信道頻帶，以保證噪聲功率測量的精度，對接收信號進(jìn)行數(shù)字濾波實(shí)現(xiàn)噪聲功率和雷達(dá)信號回波功率的分離，得到“回波信號+噪聲”功率和“噪聲”功率，并進(jìn)一步得到回波信號的功率和后向雷達(dá)散射系數(shù)；由于采用數(shù)字濾波器，對回波信號的中心頻率和頻帶寬度可以根據(jù)Doppler頻移引起的雷達(dá)回波中心頻率的偏移和頻譜擴(kuò)展實(shí)時改變。采用這種方案，接收機(jī)硬件系統(tǒng)帶寬固定，而進(jìn)行信號功率估計時采用的信號頻率和帶寬將通過變參數(shù)數(shù)字濾波根據(jù)回波功率進(jìn)行自適應(yīng)實(shí)時調(diào)整，可以從回波數(shù)據(jù)中提取方位角信息，提高系統(tǒng)的可靠性和測量精度。
在本項發(fā)明提出的雷達(dá)散射計系統(tǒng)中，為了降低采樣率，降低數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量，在中頻采用相干檢波的方法。


圖1是實(shí)時變參數(shù)筆形波束掃描雷達(dá)散射計系統(tǒng)框圖。
結(jié)合圖1說明本發(fā)明的工作流程發(fā)射機(jī)10發(fā)射信號通過環(huán)行器2和天線1，被地物目標(biāo)散射后進(jìn)入接收天線1，接收的信號經(jīng)過過環(huán)行器2進(jìn)入微波前端3和中頻單元4，進(jìn)行高放、混頻和中放，到相干檢波5進(jìn)行正交檢波的到I、Q視頻信號，該視頻信號進(jìn)入數(shù)字濾波器6，有噪聲功率7處理，回波信號+噪聲功率8，到雷達(dá)回波功率9，然后估計得到雷達(dá)回波功率和后向雷達(dá)散射系數(shù)。數(shù)管與控制單元11提供天線掃描與平臺運(yùn)動參數(shù)并根據(jù)這些參數(shù)決定功率分離處理單元的參數(shù)，包括回波信號中心頻率和帶寬根據(jù)天線掃描參數(shù)和平臺運(yùn)動參數(shù)決定。
圖1中數(shù)字濾波器6包括FFT處理單元12和功率分離處理單元13，當(dāng)?shù)玫皆肼暪β?和“回波信號+噪聲”功率8，然后由數(shù)管與控制單元11提供天線掃描與平臺運(yùn)動參數(shù)并根據(jù)這些參數(shù)決定功率分離處理單元的參數(shù)，包括回波信號中心頻率和帶寬根據(jù)天線掃描參數(shù)和平臺運(yùn)動參數(shù)決定。
本發(fā)明的設(shè)計方法是(1)接收信道帶寬的設(shè)計接收信道帶寬首先覆蓋Doppler頻率引起的回波中心頻率偏移和頻譜擴(kuò)展范圍，其次接收信道帶寬應(yīng)保證測量噪聲的精度要求；(2)數(shù)字濾波器的設(shè)計數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)噪聲功率和“回波信號+噪聲”功率的分離和估計，該分離在頻譜域進(jìn)行，所以數(shù)字濾波器包括一個FFT變換和功率分離過程。在FFT變換后，根據(jù)回波信號中心頻率偏移和頻譜擴(kuò)展的變化確定“回波信號+噪聲”功率的頻譜范圍和噪聲功率的頻譜范圍；數(shù)字濾波器的中心頻率和帶寬等參數(shù)隨著天線掃描方位角的變化實(shí)時變化，以適應(yīng)Doppler頻率引起的雷達(dá)回波信號的中心頻率偏移和頻譜擴(kuò)展；回波信號跟蹤的方法采用頻譜域波形重心跟蹤算法。通過接收信號的功率跟蹤，得到信號頻譜的中心頻率和帶寬，然后根據(jù)“信號+噪聲”功率和“噪聲”功率的測量結(jié)果，得到回波“信號”的功率，進(jìn)一步可以得到散射系數(shù)的估計。在功率跟蹤時，可以根據(jù)掃描天線角編碼器的輸出作為進(jìn)行估計的初值。在測量的運(yùn)行過程中，通常實(shí)時跟蹤只需在衛(wèi)星平臺的姿態(tài)發(fā)生變化每次散射計開機(jī)時進(jìn)行，而在正常運(yùn)行中，只需按照天線掃描所處的方位角位置根據(jù)預(yù)置的中心頻率和帶寬進(jìn)行變參數(shù)的數(shù)字濾波和參數(shù)估計。
本發(fā)明具體實(shí)施例包括
實(shí)施例l實(shí)時功率跟蹤方式對接收信號進(jìn)行自適應(yīng)功率跟蹤，不需要預(yù)置天線掃描角度和平臺運(yùn)動與軌道參數(shù)。數(shù)字濾波6的結(jié)果經(jīng)過FFT變換12，得到頻譜由數(shù)管與控制單元11進(jìn)行頻域波形重心并根據(jù)跟蹤結(jié)果確定功率分離處理單元13的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)信號功率與噪聲功率的分離與估計。
實(shí)施例2預(yù)置Doppler頻率方式在該實(shí)現(xiàn)方案中，根據(jù)數(shù)管與控制單元11采集天線掃描和平臺運(yùn)動參數(shù)，并確定回波信號的中心頻率、帶寬和功率分離處理單元13的參數(shù)，然后由功率估計處理單元13確定接收功率中的噪聲功率和回波信號功率。
實(shí)施例3固定數(shù)字濾波方式在該實(shí)現(xiàn)方案中，當(dāng)Doppler頻率的影響可以忽略時，采用固定的數(shù)字濾波器的中心頻率和帶寬，經(jīng)過FFT變換12和功率分離處理單元13，確定接收功率中的噪聲功率和回波信號功率。
本項發(fā)明提出的實(shí)時變參數(shù)濾波筆形波束掃描雷達(dá)散射計的主要優(yōu)點(diǎn)是(1)系統(tǒng)同時進(jìn)行回波功率和噪聲功率的測量，能夠提高回波功率測量的精度，提高后向散射系數(shù)的測量精度；(2)系統(tǒng)通過實(shí)時改變數(shù)字濾波器中心頻率和帶寬對回波功率的Doppler頻率引起的中心頻率偏移和頻譜擴(kuò)展進(jìn)行處理，獲得準(zhǔn)確的回波功率估計。能夠根據(jù)進(jìn)行功率的跟蹤，避免由于平臺運(yùn)動和天線轉(zhuǎn)動參數(shù)的誤差造成的接收機(jī)頻帶失配，提高了測量的可靠性；(3)對回波信號可以獲得Doppler頻譜分布，為通過多次觀測后處理提高分辨率提供了條件。
權(quán)利要求
1．一種筆形波束圓錐掃描的雷達(dá)散射計的設(shè)計方法，其特征在于(1)根據(jù)Doppler頻移和頻譜擴(kuò)展和噪聲測量精度要求確定系統(tǒng)接收信道帶寬；(2)采用數(shù)字濾波器進(jìn)行噪聲功率和“回波信號+噪聲”的功率分離，并進(jìn)行回波信號功率和后向雷達(dá)散射系數(shù)的估計；接收系統(tǒng)首先進(jìn)行FFT變換，然后根據(jù)Doppler頻移和頻譜擴(kuò)展確定數(shù)字濾波器進(jìn)行噪聲與信號功率分離的濾波器參數(shù)；(3)根據(jù)平臺參數(shù)和天線參數(shù)是否可以準(zhǔn)確得到確定是否采用功率跟蹤方案；
2．一種筆形波束圓錐掃描的雷達(dá)散射計，其特征在于包括有天線，環(huán)行器單元，微波前端，中頻單元，相干檢波，數(shù)字濾波器，噪聲功率，“回波信號+噪聲”功率，雷達(dá)回波功率，為發(fā)射機(jī)，數(shù)管與控制單元；工作流程是發(fā)射機(jī)發(fā)射信號通過環(huán)行器和天線，被地物目標(biāo)散射后進(jìn)入接收天線，接收的信號經(jīng)過環(huán)行器單元，進(jìn)入微波前端和中頻單元，進(jìn)行高放、混頻和中放，到相干檢波進(jìn)行正交檢波的到I、Q視頻信號，該視頻信號進(jìn)入數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器包括FFT處理單元和功率分離處理單元，得到噪聲功率和“回波信號+噪聲”功率，然后估計得到雷達(dá)回波功率和后向雷達(dá)散射系數(shù)；數(shù)管與控制單元提供天線掃描與平臺運(yùn)動參數(shù)并根據(jù)這些參數(shù)決定功率分離處理單元的參數(shù)，包括回波信號中心頻率和帶寬根據(jù)天線掃描參數(shù)和平臺運(yùn)動參數(shù)決定。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述散射計，其特征在于對接收信號進(jìn)行自適應(yīng)功率跟蹤，不需要預(yù)置天線掃描角度和平臺運(yùn)動與軌道參數(shù)。數(shù)字濾波6的結(jié)果經(jīng)過FFT變換12，得到頻譜由數(shù)管與控制單元11進(jìn)行頻域波形重心并根據(jù)跟蹤結(jié)果確定功率分離處理單元13的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)信號功率與噪聲功率的分離與估計。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述散射計，其特征在于預(yù)置Doppler頻率方式，根據(jù)數(shù)管與控制單元采集天線掃描和平臺運(yùn)動參數(shù)，并確定回波信號的中心頻率、帶寬和功率分離處理單元的參數(shù)，然后由功率估計處理單元確定接收功率中的噪聲功率和回波信號功率。
5．根據(jù)權(quán)利要求2所述散射計，其特征在于采用固定數(shù)字濾波方式，當(dāng)Doppler頻率的影響可以忽略時，采用固定的數(shù)字濾波器的中心頻率和帶寬，經(jīng)過FFT變換和功率分離處理單元，確定接收功率中的噪聲功率和回波信號功率。
全文摘要
實(shí)時變參數(shù)濾波筆形波束掃描雷達(dá)散射計及其設(shè)計方法屬于筆形波束掃描雷達(dá)散射計技術(shù)領(lǐng)域。它采用較寬的接收信道頻帶、數(shù)字濾波等技術(shù),以保證噪聲功率測量的精度,并進(jìn)一步得到回波信號的功率和后向雷達(dá)散射系數(shù);由于,對回波信號的中心頻率和頻帶寬度可以根據(jù)Doppler頻移引起的雷達(dá)回波中心頻率的偏移和頻譜擴(kuò)展實(shí)時改變。主要用于測量海洋、海并和大尺度陸地目標(biāo)。
文檔編號G01S13/00GK1301970SQ9912734
公開日2001年7月4日 申請日期1999年12月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月30日
發(fā)明者董曉龍, 張德海, 朱素云 申請人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心