CN101672914B - 一种圆锥扫描高分辨率微波散射计的信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种圆锥扫描高分辨率微波散射计的信号处理方法，通过采集回波(或内定标)信号、直接数字下变频(DDC)处理、窄带距离滤波、距离去斜、距离FFT变换、方位多普勒滤波、方位高分辨率处理(多普勒处理或去卷积处理)、模平方、实时频率定位(扇形波束需要，笔形波束不需要)和累加等步骤实现方位高分辨率信号处理。本发明在方位向采用DBS或去卷积处理，可以提高方位分辨率，避免采用大尺寸天线；本发明通过采用距离滤波解决距离模糊，采用方位滤波解决方位多普勒模糊，可以进一步降低天线尺寸，使在小尺寸天线形式下，可以采用DBS处理来提高方位分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波散射计信号处理方法，特别是涉及一种新型体制微波散射计方位高分辨率信号处理方法，属于微波遥感技术领域。
背景技术
微波散射计是一种测量目标表面后向散射系数σ的典型雷达系统。星载微波散射计的主要用途是海面风场测量，它是目前能够同时测量海面风速和风向的重要遥感仪器。国内外目前在轨工作或在研的星载微波散射计有固定扇形波束、圆锥扫描笔形波束和圆锥扫描扇形波束三种体制，国内外目前更多采用后两种散射计，即圆锥扫描微波散射计。星载圆锥扫描高分辨率微波散射计是近年来由国外学者提出的一种新型体制的微波散射计，它综合了国内外现有体制散射计(传统固定扇形波束、圆锥扫描笔形波束和圆锥扫描扇形波束体制散射计)的优点，使散射计不但可以用于海面应用，也可以用于陆地和极冰应用，被誉为新一代微波散射计，研究意义重大。
信号处理是圆锥扫描高分辨率微波散射计这一新型体制散射计的关键技术之一。
圆锥扫描高分辨率微波散射计系统与信号处理(指星上实时信号处理)的工作特点为：发射宽带线性调频脉冲信号，通过脉冲压缩来提高距离向分辨率，脉压方式为解线频调方式(去斜)；方位向根据合成孔径原理或去卷积原理来提高分辨率；采用同时同频带的纯净回波信号检测方式等。
在体制上和所采取的信号处理方法方面，圆锥扫描高分辨率微波散射计与传统的圆锥扫描笔形波束散射计和圆锥扫描扇形波束散射计具有较多的可比性，因此，需要对传统圆锥扫描散射计星上实时信号处理特点作一简单总结。
国内外目前在轨或在研的星载圆锥扫描笔形波束微波散射计有QuikSCAT卫星的SeaWinds(已发射)、ADEOS II卫星的SeaWinds(已发射)、ADEOS-3卫星的SeaWinds-1B、以及HY-2卫星的微波散射计(中国，在研)，中法海洋卫星的CFOSCAT(圆锥扫描扇形波束体制，中国，在研)。
这些散射计的信号处理方法可概括为：采集回波(或内定标)信号，采用不同带宽的数字滤波器分成噪声通道和信号通道分别进行处理，求取能量。由于具体工程实现的原因，现有在轨或在研的各实际系统稍有不同：SeaWinds微波散射计信号处理中的噪声通道进行简单的滤波、模平方、累加，得到能量值；信号通道进行滤波、去斜、FFT、模平方、累加，得到各分辨单元的能量值，处理框图如图1所示。SeaWinds-1B和HY-2微波散射计信号处理中的噪声通道进行数字下变频、滤波、模平方、累加，得到能量值；信号通道进行数字下变频、滤波、FFT、模平方、累加，得到各分辨单元的能量值，处理框图如图2所示。CFOSCAT微波散射计信号处理中的噪声通道进行数字下变频、滤波、模平方、累加，得到能量值；信号通道进行数字下变频、滤波、FFT、模平方、实时频率定位、根据频率定位结果进行各分辨单元数据的能量累加，最终得到各分辨单元的能量值，处理框图如图3所示。
由图1、图2和图3表示的现有圆锥扫描微波散射计信号处理方法均只进行距离处理，没有进行方位处理，不能用于圆锥扫描高分辨率微波散射计的信号处理。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种提高方位分辨率的可以用于圆锥扫描高分辨率微波散射计的信号处理方法。
本发明的技术解决方案是：一种圆锥扫描高分辨率微波散射计的信号处理方法，通过以下步骤实现：
第一步，通过A/D采集圆锥扫描高分辨率微波散射计的回波或内定标信号，对A/D采集的信号进行直接数字下变频处理，处理后的信号分成两路，一路传送到噪声通道，另一路传送到信号通道；
第二步，对传送到信号通道的经直接数字下变频处理后的信号依次进行窄带距离滤波、距离去斜、距离FFT变换和方位滤波处理；
第三步，对经过第二步处理的信号进行方位高分辨率处理，在区域1即距卫星星下点100km以上的刈幅外测区域，采用方位多普勒DBS处理方法进行方位高分辨率处理；在区域2即距卫星星下点100km以下的刈幅内测区域，采用方位去卷积处理方法进行方位高分辨率处理；
第四步，对经过第三步方位高分辨率处理后的信号进行模平方后，进行累加处理后输出。
所述的圆锥扫描高分辨率微波散射计采用扇形波束，第四步中方位高分辨率处理后的信号经模平方处理后还要进行实时频率定位。
所述的实时频率定位可以在累加处理前的任意位置进行。
所述第三步中，在区域1可选用方位去卷积处理方法进行方位高分辨率处理。
所述第三步中，方位多普勒DBS处理方法可以采用基于合成孔径的方位匹配滤波处理方法替代。
所述第一步中，直接数字下变频处理可以改在中频进行正交解调得到I/Q两路基带信号，对I/Q两路基带信号进行A/D进行采样后，传送到噪声通道和信号通道。
所述第二步中，距离去斜处理可以改在射频进行模拟去斜。
所述第二步中，距离去斜处理中的脉冲压缩处理方式可以用距离匹配滤波处理的脉冲压缩处理方式代替。
所述第一步中，传送到噪声通道的信号经过宽带距离滤波、模平方和累加处理后输出。
本发明设计原理：对于传统圆锥扫描微波散射计，其回波信号的等距离线和等多普勒线的特性如图4所示(图中为笔形波束情况，扇形波束情况与之类似)。
由图5、6可知，在距卫星星下点100km以上的刈幅外测区域，天线波束在进行圆锥扫描时，雷达回波的等距离线和等多普勒线不平行，此时，任一观测单元由于海面与卫星的相对运动而在天线波束对其观测驻留内多普勒带宽不为零；而在距卫星星下点100km以下的刈幅内测区域，天线波束在进行圆锥扫描时，雷达回波的等距离线和等多普勒线近似平行，此时，任一观测单元在天线波束对其观测驻留内多普勒带宽近似为零。图5、6中的椭圆为笔形波束天线足迹。
传统散射计由于方位向不进行高分辨率处理，分辨率由波束在海面的足迹大小决定，脉冲重复频率可以取较低，还不存在距离模糊和方位模糊问题。但是，对于基于合成孔径原理的高分辨率散射计由于需要利用观测单元的多普勒带宽进行信号处理，因而脉冲重复频率必须大于多普勒带宽，导致脉冲重复频率较高，而且天线尺寸越小，多普勒带宽越宽，重复频率也越高，而高脉冲重复频率又会导致距离模糊。所以，在小尺寸天线情况下，高分辨率散射计方位模糊和距离模糊比较严重，而且相互矛盾，不能同时保证方位和距离都不模糊。
为了解决上述矛盾，需要对脉冲重复频率进行综合考虑，脉冲重复频率可以取为多普勒带宽的一半以上，使方位向存在部分多普勒模糊，同时距离向也存在距离模糊。
方位向通过滤波恢复波束足迹区域中间无模糊部分区域，滤除足迹两侧模糊部分区域。利用方位处理脉冲串之间波束照射有很大的重叠，头一个相干脉冲串滤除的目标可以在下一个相干脉冲串恢复。
距离向需要在一个相干脉冲串内，各脉冲发射具有不同中心频率或编码方式的宽带信号，而且各脉冲信号的中心频率间隔不但要保证通过距离窄带滤波器能够准确取出不被相邻脉冲污染的信号通道回波信号，还要保证通过距离宽带滤波器能够准确取出不被相邻脉冲信号污染的噪声通道回波信号。则叠加在一起即距离模糊了的脉冲信号通过带通滤波器恢复得到如同低脉冲重复频率情况下的脉冲信号。
解决了方位模糊和距离模糊问题，就可以进行方位多普勒处理或去卷积处理，实现方位高分辨率。
针对圆锥扫描散射计的方位高分辨率信号处理方法的选择，如图7所示，在距卫星星下点100km以上的刈幅外测区域(区域1)，由于观测单元的多普勒带宽不为零，采用方位多普勒处理(DBS)来获得高分辨率，分辨率指标由驻留时间和分辨单元在测量幅宽的位置决定；在距卫星星下点100km以下的刈幅内测区域(区域2)，采用方位去卷积处理来获得高分辨率。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明在方位向采用DBS或去卷积处理，可以提高方位分辨率，避免采用大尺寸天线；
(2)本发明通过采用距离滤波解决距离模糊，采用方位滤波解决方位多普勒模糊，可以进一步降低天线尺寸，使在小尺寸天线形式下，可以采用DBS处理来提高方位分辨率。
附图说明
图1为SeaWinds信号处理框图；
图2为SeaWinds-1B、HY-2卫星微波散射计信号处理框图；
图3为CFOSCAT微波散射计信号处理框图；
图4为圆锥扫描散射计的等距离线和等多普勒线示意图；
图5为图4中足迹A放大图；
图6为图4中足迹B放大图；
图7为本发明原理图；
图8为本发明信号处理框图a；
图9为本发明信号处理框图b；
图10为本发明信号处理框图c；
图11为本发明点目标处理实例距离去斜后的处理效果图；
图12为本发明点目标处理实例DBS处理后的效果图；
图13为本发明点目标处理实例去卷积处理后的效果图。
具体实施方式
圆锥扫描微波散射计的射频发射端需要在一个相干脉冲串里发射不同中心频率或编码方式的宽带信号(例如LFM信号)，便于距离向通过滤波处理解除距离模糊，同时还需要进行多普勒频率预补偿，补偿的频率为第一个距离分辨单元近端对应的多普勒平移。
如图8所示，本发明的信号处理方法为：
1)通过A/D采集圆锥扫描高分辨率微波散射计的回波或内定标信号，对A/D采集的信号进行直接数字下变频处理，处理后的信号分成两路，一路传送到噪声通道，另一路传送到信号通道。也可如图9所示，直接数字下变频处理可以改在中频进行正交解调得到I/Q两路基带信号，对I/Q两路基带信号进行A/D进行采样后，传送到噪声通道和信号通道。
传送到噪声通道的信号经过宽带距离滤波、模平方和累加处理后输出。
2)对传送到信号通道的信号依次进行窄带距离滤波、距离去斜、距离FFT变换和方位滤波处理。也可如图10所示，距离去斜处理改在射频进行模拟去斜。距离去斜处理中的脉冲压缩处理方式可以用距离匹配滤波处理的脉冲压缩处理方式代替。
3)对经过方位滤波处理的信号进行方位高分辨率处理，在区域1即距卫星星下点100km以上的刈幅外测区域，采用方位多普勒DBS处理方法进行方位高分辨率处理；在区域2即距卫星星下点100km以下的刈幅内测区域，采用方位去卷积处理方法进行方位高分辨率处理。在区域1可选用方位去卷积处理方法或基于合成孔径的方位匹配滤波处理方法进行方位高分辨率处理。
4)对经过方位高分辨率处理后的信号进行模平方后，进行累加处理后输出。如果圆锥扫描高分辨率微波散射计采用扇形波束，方位高分辨率处理后的信号经模平方处理后还要进行实时频率定位。实时频率定位可以在累加处理前的任意位置进行，均不影响最终结果。
下面结合具体实例来进一步说明本发明的处理过程。
某卫星风场测量雷达(高分辨率微波散射计)：卫星轨道高度为965km，工作波段为Ku波段，天线尺寸为0.92m(距离)×1.27m(方位)，分辨率指标要求为10km×10km。以笔形波束微波散射计的外波束为例来说明问题，(其余形式原理相同)外波束测量距离为1147km，波束足迹为20km左右，因此，方位向必须进行高分辨率信号处理，才能使方位分辨率达到指标要求。确定的高分辨率信号处理方案包括如下几个处理步骤：(为方便解释假设只有一个点目标)
1、发射端在一个相干脉冲串里发射不同中心频率或编码方式的LFM信号，便于距离向滤波处理解除距离模糊，同时进行多普勒频率预补偿，补偿的频率为第一个距离分辨单元近端对应的多普勒平移；
2、距离向滤波处理解除距离模糊，以及脉压处理(去斜)距离去斜后，距离向实现了高分辨率，方位向分辨率由波束足迹决定，因而为沿方位向分布一条直线，如图11所示中心处的直线；
3、方位向滤波处理解除方位模糊，采用多普勒处理(DBS)方位处理后，方位向实现了高分辨率，因而为一点，如图12所示图中心B处的点；
4、采用去卷积处理方位去卷积处理后，方位向也实现了高分辨率，因而为一点，如图13所示图中心A处的点；由于去卷积处理性能与信噪比有关，去卷积处理会使信噪比降低，因此图中存在噪声斑点，如图13所示除A处的点之外的黑色斑点。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (8)
1.一种圆锥扫描高分辨率微波散射计的信号处理方法，其特征在于通过以下步骤实现：
第一步，通过A/D采集圆锥扫描高分辨率微波散射计的回波或内定标信号，对A/D采集的信号进行直接数字下变频处理，处理后的信号分成两路，一路传送到噪声通道，另一路传送到信号通道；传送到噪声通道的信号经过宽带距离滤波、模平方和累加处理后输出；
第二步，对传送到信号通道的经直接数字下变频处理后的信号依次进行窄带距离滤波、距离去斜、距离FFT变换和方位滤波处理；
第三步，对经过第二步处理的信号进行方位高分辨率处理，在区域1即距卫星星下点100km以上的刈幅外测区域，采用方位多普勒DBS处理方法进行方位高分辨率处理；在区域2即距卫星星下点100km以下的刈幅内测区域，采用方位去卷积处理方法进行方位高分辨率处理；
第四步，对经过第三步方位高分辨率处理后的信号进行模平方后，进行累加处理后输出。
2.根据权利要求1所述的一种圆锥扫描高分辨率微波散射计的信号处理方法，其特征在于：所述的圆锥扫描高分辨率微波散射计采用扇形波束，第四步中方位高分辨率处理后的信号经模平方处理后还要进行实时频率定位。
3.根据权利要求2所述的一种圆锥扫描高分辨率微波散射计的信号处理方法，其特征在于：所述的实时频率定位可以在累加处理前的任意位置进行。
4.根据权利要求1所述的一种圆锥扫描高分辨率微波散射计的信号处理方法，其特征在于：所述第三步中，在区域1选用方位去卷积处理方法代替方位多普勒DBS处理方法进行方位高分辨率处理。
5.根据权利要求1所述的一种圆锥扫描高分辨率微波散射计的信号处理方法，其特征在于：所述第三步中，方位多普勒DBS处理方法可以采用基于合成孔径的方位匹配滤波处理方法替代。
6.根据权利要求1所述的一种圆锥扫描高分辨率微波散射计的信号处理方法，其特征在于：所述第一步中，直接数字下变频处理替换为在中频进行正交解调得到I/Q两路基带信号，对I/Q两路基带信号进行A/D采样后，传送到噪声通道和信号通道。
7.根据权利要求1所述的一种圆锥扫描高分辨率微波散射计的信号处理方法，其特征在于：所述第二步中，距离去斜处理替换为在射频进行模拟去斜。
8.根据权利要求1所述的一种圆锥扫描高分辨率微波散射计的信号处理方法，其特征在于：所述第二步中，距离去斜处理中的脉冲压缩处理方式可以用距离匹配滤波处理的脉冲压缩处理方式代替。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |