CN1089903C - 获取海洋雷达高度计中频仿真信号的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种遥感技术和设备，本发明的目的是提供一种获取星载海洋雷达高度计中频仿真信号的方法和设备。利用该方法中所采用的全中频数字仿真模型，实现了实时提供星载海洋雷达高度计中频回波仿真信号的功能，为星载海洋雷达高度计的地面测试和校准提供了有效手段。

Description

获取海洋雷达高度计中频回波仿真信号的方法和设备

本发明涉及一种遥感技术和设备，特别是涉及一种采用全中频数字仿真模型来提供星载海洋雷达高度计中频回波仿真信号的方法和设备。

星载海洋雷达高度计是一种新型的主动式海洋遥感仪器，它能在大范围内实时地、全天候地测量卫星平台到海面的平均高度、有效波高和海面的后向散射系数。利用高度计数据可以反演大地水准面等海洋参数，为进一步科学的认识海洋，合理的开发海洋资源提供了一种科学的测量手段。

星载海洋雷达高度计的地面仿真设备十分重要，为了完成地面测试和校准，要求地面仿真设备能提供遥感器在卫星上工作的数据环境。传统的中频仿真设备实现的原理框图如图1所示，参见RadarAltimeter Test and Calibration Study，ESS/SS 1077，July 1982，其中信号生成器产生带有海面回波噪声的正交数字信号(I、Q)，它们各有64个采样点的数据，将它们存储于快速RAM中，通过D/A变换生成模拟信号，再通过一个合成器，实现和白噪声的叠加，然后过一个低通滤波器和一个可调增益放大器，其可调增益放大器用来完成来自高度计数控AGC的调节作用，即通过查寻数字衰减表实现I、Q信号的增益调整。

从上面的分析可以看出，传统的中频仿真设备在实现上有两个难点：一个是白噪声的叠加过程，因为I、Q信号是从0频～截止频率的通带信号，在这里是0～1.35MHz，要实现这种通带内的白噪声的线性叠加是比较困难的；二是可调增益放大器，因为受放大器线性度的影响，I、Q信号要做到线性放大很困难，其放大器的通带性能会引起I、Q信号的失真，所以传统的中频仿真设备的实现是以牺牲信噪比为代价的。

本发明的目的之一就是克服已有技术的缺陷，提供一种能够获得较为理想的中频回波仿真信号的方法。

本发明的目的之二是提供一种基于全中频数字仿真模型以获取上述较为理想的中频回波仿真信号的设备。

本发明的任务是这样实现的：本发明提出了一种全中频数字仿真模型，在传统的中频仿真设备模型的基础上将白噪声的叠加过程和AGC的控制过程用软件来实现，其采用软件叠加白噪声的原因是由于I、Q信号在叠加白噪声后，通过了一个低通滤波器，这样实际上叠加的是一限带白噪声，所以这一过程可以通过在信号生成器中直接在I、Q信号功率谱上叠加限带白噪声的方法来实现，这种方法是由软件来实现的；另外AGC的控制也可以采用软件的办法来实现，即当信号生成器生成离散的I、Q信号以后，用AGC的数值来调整I、Q信号的幅度，从而完成了AGC的控制。由于白噪声的叠加和AGC的控制都是采用数字技术来实现，取代了传统的模拟方法，所以信噪比提高了。

在全中频数字仿真模型中取消了噪声合成器和可调增益放大器，同时在合成I、Q信号时，采用了256个采样点的离散数据，这样比64个采样点的传统仿真器的信噪比又提高了一步。

本发明获取的中频回波仿真信号具有模拟海面回波变化的能力和实时性的特点，且能体现连续高度的变化；体现连续浪高的变化；体现连续后向散射系数的变化；具有模拟海面回波噪声的能力；具有模拟系统白噪声的能力；能够使高度计数控单元完成高度跟踪环、浪高跟踪环和后向散射系数跟踪环的闭环工作；为高度计数控单元提供测试和校准手段；这是传统设备所不能完成的。

图1是传统的中频仿真设备实现的原理框图。

图2是基于全中频数字模型的中频仿真设备的原理框图。

图3是获取理想海面回波功率曲线的流程图。

图4是获取海面回波噪声和系统白噪声的流程图。

图5是获取I、Q信号的流程图。

图6是获取I、Q信号的结构方框图。

图6是本发明的结构方框图。

图7-1和7-2分别是高度计数控单元采集到的信号，图7-3是高度计数控单元处理后得到的回波功率波形。

下面结合实施例，具体说明本发明。图6是本发明的结构方框图。其中监控PC机1用来实现同仿真器处理单元2的联系，它除了具有大容量的硬盘和显示器外，还配备16M的内存和键盘，其中键盘用来作为人机对话的工具，16M的内存用来作为数据的缓存。监控PC机1将仿真器处理单元2的运行软件和仿真环境数据送入仿真器处理单元2，监控PC机1同时还接受并实时以图形的方式显示仿真器处理单元2的处理结果，该结果包括：当前实时合成的海面回波曲线、飞行高度、浪高和后向散射系数。该仿真器处理单元2是一个以高速信号处理器TMS320C30为核心的处理单元，其中的运行软件和仿真环境数据是从监控PC1机加载的，其中的运行软件是一个基于全中频数字仿真模型的实时合成软件，用来实时合成当前海况下的I、Q数字信号，该信号能够反映当前状态下的卫星距海面的高度、浪高、后向散射系数、海面噪声情况和系统白噪声情况。其中的仿真环境数据用来提供模拟的飞行高度值、浪高值、后向散射系数值、海面回波噪声的信噪比和系统白噪声的信噪比。该仿真器处理单元2从外围接口3接收来自高度计数控单元的粗距离字、AGC值和输出门控信号，其中的粗距离字用来同当前的模拟飞行高度比较从而决定合成回波功率信号半功率点的位置，AGC值用来决定I、Q信号的幅度，输出门控信号决定仿真器处理单元2何时将I、Q数字信号放入数据输出端口4，当数据输出端口4正在进行D/A变换时，输出门控信号为高电平，不能输出数据；否则当输出门控信号为低平时，D/A变换停止，仿真器处理单元2将其合成的I、Q数字信号放入数据输出端口4。外围接口3可以接收来自高度计数控单元的粗距离字和AGC值，这两种数据是以串行的方式进入外围接口3的，外围接口3实现将串行数据转换成并行数据，并将该数据通过并行口传送给仿真器处理单元2，外围接口3接收高速寻址逻辑5的输出门控信号，并将该信号传送给仿真器处理单元2，使仿真器处理单元2在高速寻址期间不向数据输出端口4输出数据。该数据输出端口4是一个高速双口RAM缓存区，它存储256个采样点的I信号和256个采样点的Q信号，其中每个采样点的信号都是8位数据，数据输出端口4占有仿真器处理单元2的一段地址，所以仿真器处理单元2可以直接用写数据存储器的方式将I、Q数据写入数据输出端口4，数据输出端口4将其存储的数据送入D/A单元6和D/A单元7进行D/A转换，数据输出端口4的快速寻址是由高速寻址逻辑5来完成的。高速寻址逻辑5用来提供数据输出端口4的快速寻址和D/A变换使能信号，其使能频率为10.8MHz，高速寻址逻辑5的寻址操作是由来自高度计数控单元的接收脉冲来同步的，每同步一次完成256个I信号和256个Q信号的快速寻址功能并输出256个D/A使能信号，高速寻址期间输出门控信号置为高电平，其他时间为低电平，并将输出门控信号传送给外围接口3。高速D/A单元6和D/A单元7分别实现I信号和Q信号的D/A变换，其变换频率为10.8MHz，其使能脉冲由高速寻址逻辑5来提供，D/A变换的数据来源于数据输出端口4，D/A变换后的I、Q模拟信号被送入低通滤波器8和9。低通滤波器8和9用来实现I、Q信号的低通滤波以消除量化噪声，滤波器的3db带宽为1.75MHz，将滤波后的I、Q信号送给高度计的数控单元。

下面具体说明本发明的获取海洋雷达高度计中频仿真信号的方法，中频仿真信号要求能够实时仿真星载高度计工作时飞行高度的变化、海面的浪高和海面后向散射系数的变化，这些变化的参数事先都存储在仿真环境数据中，监控PC机1将这些数据从硬盘中取出，连同仿真运行软件一起传送给仿真器处理单元2。仿真器处理单元2是一个基于TMS320C30的高速信号处理系统，它把从监控PC机1传来的运行软件和仿真环境数据存储于程序存储区和数据存储区，然后开始执行软件，这时它首先从外围接口3读取来自高度计数控单元的粗距离字和AGC数值，将粗距离字的数值同仿真环境数据中当前模拟高度相比较，计算出当前状态下的理想海面回波功率曲线。下一步是在理想海面回波功率曲线上叠加海面回波噪声，依据海面回波噪声同海面回波功率呈指数分布的特点，利用计算机伪随机数的方法生成指数分布的随机数作为海面回波噪声值，将这些数值用仿真环境数据中海面噪声的信噪比加以调整，并将调整后的数据叠加到回波曲线上，这样就完成了海面噪声的叠加工作；白噪声的叠加是依据白噪声在回波功率的通带内呈均匀分布的特点，利用计算机伪随机数的方法生成均匀分布的随机噪声值，将该值用白噪声的信噪比加以调整，并调整后的白噪声叠加到回波曲线上，这样就完成了白噪声的叠加工作。此时的回波曲线叠加了两种噪声：海面回波噪声和系统的白噪声，将回波曲线用AGC值加以调整，将调整后的回波曲线送给监控PC机1，监控PC机将回波曲线、AGC值、当前飞行状态实时记录并显示，与此同时，仿真器处理单元用256点的IFFT对回波功率进行运算就产生了正交的256个采样点的I信号和Q信号。仿真处理单元2还要通过外围接口3读取输出门控信号，当此时高速寻址逻辑5没有进行寻址时，将I、Q数据存入数据输出端口4。I、Q信号进入数据端口4以后，当高速寻址逻辑单元5接收到高度计数控单元的接收脉冲时，就将I、Q信号以10.8MHz的数率从数据输出端口4送到D/A变换单元6、7，同时形成同步的D/A使能脉冲给D/A变换单元6、7，使其完成D/A转换工作。经过D/A变换的I、Q模拟信号经过3db带宽为1.75MHz的低通滤波器8和9，然后送入高度计的数控单元，从而完成一次I、Q信号的合成。高度计数控单元接收到一组I、Q信号以后进行跟踪处理，跟踪处理后得到新的粗距离字和AGC值，再将新的粗距离字和AGC值送入外围接口单元3，中频仿真器再根据这些新的数值进行新的一轮处理，从而为高度计数控单元提供实时的仿真数据。

一种获取理想海面回波功率曲线的工作过程模式示于图3的流程中，该方法的目的是获取理想海面回波功率曲线，现在予以描述。

在获取理想海面回波功率曲线的过程中，首先仿真器处理单元2从外围接口3中读取粗距离字(S1)，将其表示的距离同仿真环境数据中模拟的当前飞行高度相比较，从而确定此时的海面回波的半功率点(S2)，再依据此时的浪高值和后向散射系数值确定此时的理想海面回波功率曲线(S3)，其确定方法如(1)式所示，其中P_r代表回波功率，A为常数，τ代表时间，σ为回波曲线总的上升沿时间，γ为表示天线波束宽度的参数，c代表光速，H代表星下点的高度。 $P_r\left(\mathrm{\&tau;}\right)=A[1+\mathrm{erf}\left(\frac{\mathrm{\&tau;}}{\sqrt{2}\mathrm{\&sigma;}}\right)]\&CenterDot;{\{}_{\exp (-\frac{4c}{\mathrm{\&gamma;H}}\mathrm{\&tau;}),\mathrm{\&tau;}\&GreaterEqual;0}^{1,\mathrm{\&tau;}<0}---\left(1\right)$

得到了理想海面回波功率曲线以后，还要将其叠加上海面回波噪声和仪器的白噪声，一种获取海面回波噪声和系统白噪声的工作过程模式示于图4的流程中，该方法的目的是获取全中频数字仿真模型中的海面回波噪声值和仪器的白噪声值，现在予以描述。

在获取海面回波噪声和仪器的白噪声过程中，首先将当前理想海面回波曲线的功率值读入内存(S21)，回波功率值共有256个采样点，先读读取第一点数据(S22)，以该点的功率数据值作为指数分布随机数的方差值(S23)，调用指数分布随机数函数可以得到一个随机数，将该数作为该点的海面回波噪声值(S24)，这一过程要进行256次(S25)，如果没做完，就指向下一点(S27)，并重复S23的过程，如果做完了就会得到256个采样点的海面回波噪声值，将这些噪声值用海面回波噪声的信噪比加以调整，并将结果叠加到理想海面回波功率上(S26)，此时就会得到一条叠加有海面回波噪声的功率曲线。下一步是计算系统的白噪声，由于系统的白噪声是呈均匀分布的，所以调用均匀分布随机函数生成256个采样点的随机数(S28)，然后用白噪声的信噪比数值加以修正(S29)，修正后的随机数就作为白噪声数值加入回波曲线中(S30)，此时的回波曲线既含有海面回波噪声又含有系统的白噪声，从而完成系统的噪声叠加的工作。

一种获取I、Q信号的工作过程模式示于图5的流程中，该方法的目的是获取I、Q数字信号，现在予以描述。

在获取I、Q信号的过程中，首先用上面提到的方法得到叠加有海面回波噪声和系统白噪声的回波曲线(S31)，将该曲线的256个采样点数据作为256个复数的模，再采用均匀分布随机数发生器产生256个相角(S32)，这样就能构造256个复数(S33)，将这256个复数进行逆FFT变换(S34)，取其实部作为I信号，虚部作为Q信号(S35)，这样就完成了I、Q信号的产生过程。

经过上述处理就可以得到一个基于全中频数字仿真模型的中频回波仿真信号，实现了实时提供星载海洋雷达高度计中频回波仿真信号的功能，从而为星载海洋雷达高度计的地面测试和校准提供了有效手段。

现在说明一个具体的实例。

实验中采用的一些主要参数如下：

接收脉冲重复频率：1KHz。

当前模拟飞行高度：800Km。

浪高：15米

跟踪高度：800Km。

AGC值：最大

噪声：白噪声、海面回波噪声

图7-1和7-2分别是高度计数管单元采集到的信号，图7-3是高度计数管单元处理后得到的回波功率波形。

Claims (5)

1、一种获取海洋雷达高度计中频仿真信号的设备，其特征在于：

该设备由监控PC机(1)，仿真器处理单元(2)，外围接口(3)，数据输出端口(4)，高速寻址逻辑(5)，D/A单元(6)，D/A单元(7)，低通滤波器(8)和低通滤波器(9)组成；

监控PC机(1)将仿真器处理单元(2)的运行软件和仿真环境数据送入仿真器处理单元(2)，监控PC机(1)同时还接受并实时以图形的方式显示仿真器处理单元(2)的处理结果，该仿真器处理单元(2)从外围接口(3)接收来自高度计数控单元的粗距离字、AGC值和输出门控信号，外围接口(3)接收来自高度计数控单元的粗距离字和AGC值，并将数据传送给仿真器处理单元(2)，外围接口(3)接收高速寻址逻辑(5)的输出门控信号，并将该信号传送给仿真器处理单元(2)，使仿真器处理单元(2)在高速寻址期间不向数据输出端口(4)输出数据，数据输出端口(4)将其存储的数据送入D/A单元(6)和D/A单元(7)分别实现I信号和Q信号的D/A转换，高速寻址逻辑(5)用来提供数据输出端口(4)的快速寻址和D/A变换使能信号，D/A变换后的I、Q模拟信号被送入低通滤波器(8)和低通滤波器(9)，低通滤波器(8)和低通滤波器(9)将滤波后的I、Q信号送给高度计的数控单元。

2、一种获取海洋雷达高度计中频仿真信号的方法，其特征在于：监控PC机(1)将仿真器处理单元(2)的运行软件和仿真环境数据送入仿真器处理单元(2)，监控PC机(1)同时还接受并实时以图形的方式显示仿真器处理单元(2)的处理结果，该仿真器处理单元(2)从外围接口(3)接收来自高度计数控单元的粗距离字、AGC值和输出门控信号，外围接口(3)接收来自高度计数控单元的粗距离字和AGC值，并将数据传送给仿真器处理单元(2)，外围接口(3)接收高速寻址逻辑(5)的输出门控信号，并将该信号传送给仿真器处理单元(2)，使仿真器处理单元(2)在高速寻址期间不向数据输出端口(4)输出数据，数据输出端口(4)将其存储的数据送入D/A单元(6)和D/A单元(7)分别实现I信号和Q信号的D/A转换，高速寻址逻辑(5)用来提供数据输出端口(4)的快速寻址和D/A变换使能信号，D/A变换后的I、Q模拟信号被送入低通滤波器(8)和低通滤波器(9)，低通滤波器(8)和低通滤波器(9)将滤波后的I、Q信号送给高度计的数控单元。

3、如权利要求1所述的获取海洋雷达高度计中频仿真信号的设备，其特征在于：所述的仿真器处理单元(2)是一个基于TMS320C30的高速信号处理系统。

4、如权利要求1所述的获取海洋雷达高度计中频仿真信号的设备，其特征在于：所述的外围接口(3)接收来自高度计数控单元的粗距离字和AGC值，这两种数据是以串行的方式进入外围接口(3)的，外围接口(3)实现将串行数据转换成并行数据，并将该数据通过并行口传送给仿真器处理单元(2)。

5、如权利要求1所述的获取海洋雷达高度计中频仿真信号的设备，其特征在于：所述的数据输出端口(4)是一个高速双RAM缓存区。

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