CN112068133A - 一种多模式微波遥感器散射计模式的系统模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多模式微波遥感器散射计模式的系统模拟方法，属于微波遥感器测量技术领域。本发明所述方法包括如下步骤：获取散射计模式的性能指标及系统参数、计算内外波束视角和入射角、计算方位向天线尺寸与距离向天线尺寸、计算天线转速范围和PRF范围、计算信号带宽、计算去调频处理后的信号带宽、计算信噪比SNR、计算峰值发射功率、输出系统参数的设计结果、分别设置低中高风速条件下的风场、海面模拟、计算每个分辨单元后向散射系数的理论值、模拟海面雷达回波信号、模拟回波功率的测量值、由雷达方程计算后向散射系数测量值、风场反演。

Description

一种多模式微波遥感器散射计模式的系统模拟方法
技术领域
本发明公开了一种多模式微波遥感器散射计模式的系统模拟方法，属于微波遥感器测量 技术领域。
背景技术
多模式微波遥感器是一种搭载于小卫星平台的新型雷达系统，它利用二维相控阵天线波 束指向控制灵活的优势，在星上可以分时实现条带、聚束、扫描等多种SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)成像模式，以及高度计、散射计、波谱仪等海洋动力要素探测模式。 多模式微波遥感器具有非常高的灵活性，既能实现高精度的目标探测，又能实现高精度的海 洋动力要素反演，具有良好的发展前景。
SAR模式是多模式微波遥感器的主工作模式，其它工作模式的载波频率、平台高度等参 数的数值必须与SAR模式的参数保持一致。SAR模式已被设计为工作于X波段，平台高度 为530Km。目前的星载散射计一般工作于C或Ku波段，平台高度一般在700-1000Km。因此，现有散射计的系统工作参数不能应用于多模式微波遥感器，必须设计出一种用于其散射 计模式的系统参数设计方法，并通过研发软件模拟系统估计出其风速、风向反演精度，从而 对多模式微波遥感器用于海面风场反演的可行性进行验证。
发明内容
本发明公开了一种多模式微波遥感器散射计模式的系统模拟方法，以解决现有技术中散 射计的系统工作参数不能应用于多模式微波遥感器的问题。
一种多模式微波遥感器散射计模式的系统模拟方法，包括以下步骤：
S1.多模式微波遥感器散射计模式的系统参数设计；
S2.分别设置低中高风速条件下的风场；
S3.海面模拟；
S4.计算每个分辨单元后向散射系数的理论值；
S5.模拟海面雷达回波信号；
S6.模拟接收机输出端回波功率的测量值；
S7.由雷达方程计算后向散射系数测量值；
S8.风场反演。
步骤S1中参数设计的过程如下：
S1.1.获取散射计模式性能指标及系统参数；
S1.2.计算内波束视角、内波束入射角、外波束视角和外波束入射角；
S1.3.计算方位向天线尺寸与距离向天线尺寸；
S1.4.计算天线转速范围和PRF范围；
S1.5.计算信号带宽；
S1.6.计算去调频处理后的信号带宽；
S1.7.计算信噪比SNR；
S1.8.计算峰值发射功率；
S1.9.输出系统参数的设计结果。
步骤S1.1中，由用户指定的散射计模式性能指标包括：地距分辨率ρgr、方位分辨率ρaz、 内波束刈幅Wn、外波束刈幅Wf和回波功率归一化标准偏差Kp；需与合成孔径雷达(SAR)模 式保持一致的散射计模式系统参数包括：平台高度H、平台速度v、平台地面速度vg和载波频 率fc；需由用户综合各种因素给出的散射计模式系统参数包括：脉冲宽度Tr、接收机噪声系 数F和系统损耗Ls。
步骤S1.2中，波束视角α与入射角θ间的关系式为：
Figure BDA0002618095030000021
式中，Re为地球平 均半径；内、外波束的刈幅与波束视角、入射角间的关系为：Wn＝2·Re·(θn-αn)，Wf＝2·Re·(θf-αf)， 式中，αn和θn为内波束的视角和入射角，αf和θf为外波束的视角和入射角。
步骤S1.3中，计算方位向天线尺寸与距离向天线尺寸的步骤如下：
S1.3.1.计算内波束斜距Rn，公式为：
Figure BDA0002618095030000022
S1.3.2.计算外波束斜距Rf，公式为：
Figure BDA0002618095030000023
S1.3.3.计算距离向波束宽度
Figure BDA0002618095030000029
公式为：
Figure BDA0002618095030000024
S1.3.4.计算方位向波束宽度
Figure BDA0002618095030000028
公式为：
Figure BDA0002618095030000025
S1.3.5.计算距离向天线尺寸lr，公式为：
Figure BDA0002618095030000026
式中，λ为雷达波长；
S1.3.6.计算方位向天线尺寸la，公式为：
Figure BDA0002618095030000027
步骤S1.4中，天线旋转速度Ω的范围公式为：
Figure BDA0002618095030000031
脉冲重复频率PRF的下限公式 为：
Figure BDA0002618095030000032
式中，M为散射计的波束个数，vt为波束足印在地面扫描时的切向速度；脉 冲重复频率PRF的上限公式为：
Figure BDA0002618095030000033
式中，C为光速。
步骤S1.5中，信号带宽B的计算公式为：
Figure BDA0002618095030000034
式中，rdvrms、
Figure BDA00026180950300000311
分别为风速相对误差的均方根误差和风向相对误差的均方根误差。
步骤S1.6中，去调频处理后的带宽Bs计算公式为：
Figure BDA0002618095030000035
步骤S1.7中，信噪比SNR计算公式为：
Figure BDA0002618095030000036
式中，Kp为回波功率归一化标准偏差，N为独立采样数，N＝4BsTr；取信噪比SNR计算值的2倍做为输出的信噪比SNR。
步骤S1.8中，峰值发射功率Pt的计算公式为：
Figure BDA0002618095030000037
式中，kb为玻 尔兹曼常数，T0＝290K，G为天线增益，NEσ0为系统的归一化等效噪声系数。
步骤S2中，选取了随机和实测两类风场作为输入风场，对两类风场分别设置选取了低、 中、高三种风速下的风场；随机风场分别设置为均值为5m/s、标准差为2m/s的低速高斯风 场，均值为10m/s、标准差为2m/s的中等风速高斯风场，均值为15m/s、标准差为2m/s的高速高斯风场。
步骤S3中，粗糙海面上每一点处的高度h(xm,yn)计算公式为：
Figure BDA0002618095030000038
式中，(xm,yn)为面元中 心位置的x和y坐标，Lx、Ly分别代表二维海面方位向和距离向的长度，M′、N′分别为方位向和距离向抽样的点数,S(km,kn)为随机粗糙海面的直角坐标形式的二维海浪谱，rand(0,1)为 满足零均值、标准差为1的高斯分布的随机数。
步骤S4中，后向散射系数的理论值的计算公式为：
Figure BDA0002618095030000039
式中，B0、B1、B2为与海面风速和入射角等因素有关的函数，
Figure BDA00026180950300000310
为利用模型计算出的海面 归一化后向散射系数，φ为风向角，φv为雷达视线的方位角。
步骤S5中，多模式微波遥感器散射计模式下海面雷达回波信号对应的计算公式为：
Figure BDA0002618095030000041
式中，
Figure BDA0002618095030000042
为第i个距离单元对应的后向散射系数，Ai为第i个距离单元对应的足迹面积，Gi为第i个距 离单元对应的雷达天线增益，Ri为第i个距离单元与雷达间的距离，rect为矩形函数，t为时 间，kr为线性调频斜率；去调频处理后的海面雷达回波信号的计算公式为：
Figure BDA0002618095030000043
式中，Rref为参考信号对应的目标距离。
步骤S6中，接收机输入端的噪声功率计算公式为：Ni＝kbT0B；接收机输出端回波功率 的测量值计算公式为：
Figure BDA0002618095030000044
式中，f(k)为离散化后的接收机输出端回波信号， Nvalid为有效抽样点数。
步骤S7中，雷达方程计算的后向散射系数测量值
Figure BDA0002618095030000045
的计算公式为：
Figure BDA0002618095030000046
本发明公开了一种多模式微波遥感器散射计模式的系统模拟方法，通过系统模拟，取得 了与HY2卫星量级相当的分辨率、刈幅、风场反演精度等性能指标。在取得与专用星载散射 计量级相当的性能指标的同时，多模式微波遥感器具备非常高的灵活性，具有良好的发展前 景。
附图说明
图1为多模式微波遥感器散射计模式的系统参数设计流程图；
图2为散射计模式的系统模拟流程图；
图3为低风速风速均方根误差图；
图4为低风速风向均方根误差图；
图5为中风速风速均方根误差图；
图6为中风速风向均方根误差图；
图7为高风速风速均方根误差图；
图8为高风速风向均方根误差图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
本发明选取了随机和实测两类风场作为输入风场。对这两类风场又都分别设置或选取了 低、中、高三种风速下的风场。系统模拟中所采用的随机风场分别设置为均值为5m/s、标准 差为2m/s的低速高斯风场，均值为10m/s、标准差为2m/s的中等风速高斯风场，均值为15 m/s、标准差为2m/s的高速高斯风场。
步骤S1.1中的散射计模式性能指标及系统参数作为已知数据，无需计算，只需收集统计， 如表1所示。
表1用于多模式微波遥感器散射计模式参数设计的性能指标和已知技术参数
地面分辨单元要求ρ<sub>gr</sub> 25Km 后向散射系数测量精度 0.5dB
内波束刈幅W<sub>n</sub> 1400Km 外波束刈幅W<sub>f</sub> 1800Km
平台高度H 530Km 平台速度v 7600m/s
载波频率f<sub>c</sub> 9.6GHz 系统损耗L<sub>s</sub> 7dB
接收机噪声系数F 5dB 脉冲宽度T<sub>r</sub> 1.5ms
由步骤S1.2计算得内波束视角αn、内波束入射角θn、外波束视角αf、外波束入射角θf；
由步骤S1.3.5计算得距离向天线尺寸lr；
由步骤S1.3.6计算得方位向天线尺寸la；
由步骤S1.4计算得天线转速PRF最小值、PRF最大值；
由步骤S1.5计算得信号带宽B；
由步骤S1.6计算得去调频后的带宽Bs；
由步骤S1.7计算得信噪比SNR；
由步骤S1.8计算得峰值发射功率Pt。
不同风速、不同带宽条件下的风速均方根误差、风向均方根误差的变化规律图如图3-图8所示，图中信号带宽B分别取1MHZ、2MHZ、5MHZ时，可验证信号带宽B取优化方法 输出的1MHZ时可获得最低的风速均方根误差和风向均方根误差。多模式微波遥感器散射计模式的系统参数设计结果如表2所示。
表2多模式微波遥感器散射计模式的系统参数设计结果
内波束视角α<sub>n</sub> 50.9° 内波束入射角θ<sub>n</sub> 57.2°
外波束视角α<sub>f</sub> 56.5° 外波束入射角θ<sub>f</sub> 64.6°
天线转速Ω 17转/分 PRF最小值 127Hz
PRF最大值 6106Hz 峰值发射功率P<sub>t</sub> 75W
方位向天线尺寸l<sub>a</sub> 1.12m 距离向天线尺寸l<sub>r</sub> 2.08m
信号带宽B 1MHz 信噪比SNR 10dB
去调频后的带宽B<sub>s</sub> 238KHz PRF输出值 191Hz
利用表1中的性能指标和已知技术参数和表2中的系统参数设计结果开展系统模拟，多 模式微波遥感器工作于散射计模式下的风场反演误差统计对比结果如表3所示。利用目前公 开的HY2卫星系统参数开展了系统模拟，不同风速条件下HY2卫星模拟数据风场测量误差 如表4所示。
表3不同风速条件下多模式微波遥感器散射计模式的风场测量误差
测试风速 风速均方根误差(m/s) 风向均方根误差(°)
低风速随机风场 2.2 27.6
中风速随机风场 1.4 15.0
高风速随机风场 0.6 16.8
低风速实测风场 2.4 35.3
中风速实测风场 0.8 11.3
高风速实测风场 0.6 21.2
表4不同风速条件下HY2卫星模拟数据风场测量误差
测试风速 风速均方根误差(m/s) 风向均方根误差(°)
低风速随机风场 1.9 23.4
中风速随机风场 1.5 12.8
高风速随机风场 1.3 20.5
低风速实测风场 2.2 32.3
中风速实测风场 1.4 14.2
高风速实测风场 1.3 24.1
对比表3和表4发现，利用所设计的多模式微波遥感器散射计模式下的系统参数进行系 统模拟，与利用HY2卫星的系统参数进行系统模拟相比，两种情况下的风速、风向反演精度 相当。HY2卫星实测数据风向反演、风速反演的典型均方根误差值约为25.3°和1.44m/s，与 模拟结果的误差量级基本相当。所设计的多模式微波遥感器散射计模式下的分辨率和刈幅与 HY2卫星的指标相同。
综上分析，工作于X波段、平台高度为530Km的多模式微波遥感器可取得与HY2卫星这样的专用星载散射计相当的分辨率、刈幅、风场反演精度等性能指标。与此同时，多模式微波遥感器具有非常高的灵活性，通过分时工作于SAR、高度计、散射计、波谱仪等模式下，既能实现高精度的目标探测，又能实现高精度的海洋动力要素反演。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的 技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护 范围。

Claims (8)

1.一种多模式微波遥感器散射计模式的系统模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.多模式微波遥感器散射计模式的系统参数设计；
S2.分别设置低中高风速条件下的风场；
S3.海面模拟；
S4.计算每个分辨单元后向散射系数的理论值；
S5.模拟海面雷达回波信号；
S6.模拟接收机输出端回波功率的测量值；
S7.由雷达方程计算后向散射系数测量值；
S8.风场反演。
2.根据权利要求1所述的多模式微波遥感器散射计模式的系统模拟方法，其中步骤S1中参数设计的过程如下：
S1.1.获取散射计模式性能指标及系统参数；
S1.2.计算内波束视角、内波束入射角、外波束视角和外波束入射角；
S1.3.计算方位向天线尺寸与距离向天线尺寸；
S1.4.计算天线转速范围和PRF范围；
S1.5.计算信号带宽；
S1.6.计算去调频处理后的信号带宽；
S1.7.计算信噪比SNR；
S1.8.计算峰值发射功率；
S1.9.输出系统参数的设计结果。
3.根据权利要求2所述的多模式微波遥感器散射计模式的系统模拟方法，其中步骤S1.1中，由用户指定的散射计模式性能指标包括：地距分辨率ρgr、方位分辨率ρaz、内波束刈幅Wn、外波束刈幅Wf和回波功率归一化标准偏差Kp；需与合成孔径雷达(SAR)模式保持一致的散射计模式系统参数包括：平台高度H、平台速度v、平台地面速度vg和载波频率fc；需由用户综合各种因素给出的散射计模式系统参数包括：脉冲宽度Tr、接收机噪声系数F和系统损耗Ls；步骤S1.2中，波束视角α与入射角θ间的关系式为：
Figure FDA0002618095020000011
式中，Re为地球平均半径；内、外波束的刈幅与波束视角、入射角间的关系为：Wn＝2·Re·(θn-αn)，Wf＝2·Re·(θf-αf)，式中，αn和θn为内波束的视角和入射角，αf和θf为外波束的视角和入射角；步骤S1.3中，计算方位向天线尺寸与距离向天线尺寸的步骤如下：
S1.3.1.计算内波束斜距Rn，公式为：
Figure FDA0002618095020000021
S1.3.2.计算外波束斜距Rf，公式为：
Figure FDA0002618095020000022
S1.3.3.计算距离向波束宽度
Figure FDA00026180950200000215
公式为：
Figure FDA0002618095020000023
S1.3.4.计算方位向波束宽度
Figure FDA00026180950200000216
公式为：
Figure FDA0002618095020000024
S1.3.5.计算距离向天线尺寸lr，公式为：
Figure FDA0002618095020000025
式中，λ为雷达波长；
S1.3.6.计算方位向天线尺寸la，公式为：
Figure FDA0002618095020000026
4.根据权利要求2所述的多模式微波遥感器散射计模式的系统模拟方法，其中步骤S1.4中，天线旋转速度Ω的范围公式为：
Figure FDA0002618095020000027
脉冲重复频率PRF的下限公式为：
Figure FDA0002618095020000028
式中，M为散射计的波束个数，vt为波束足印在地面扫描时的切向速度；脉冲重复频率PRF的上限公式为：
Figure FDA0002618095020000029
式中，C为光速；步骤S1.5中，信号带宽B的计算公式为：
Figure FDA00026180950200000210
式中，rdvrms、
Figure FDA00026180950200000214
分别为风速相对误差的均方根误差和风向相对误差的均方根误差；步骤S1.6中，去调频处理后的带宽Bs计算公式为：
Figure FDA00026180950200000211
5.根据权利要求2所述的多模式微波遥感器散射计模式的系统模拟方法，其中步骤S1.7中，信噪比SNR计算公式为：
Figure FDA00026180950200000212
式中，Kp为回波功率归一化标准偏差，N为独立采样数，N＝4BsTr，取信噪比SNR计算值的2倍做为输出的信噪比SNR；步骤S1.8中，峰值发射功率Pt的计算公式为：
Figure FDA00026180950200000213
式中，kb为玻尔兹曼常数，T0＝290K，G为天线增益，NEσ0为系统的归一化等效噪声系数。
6.根据权利要求1所述的多模式微波遥感器散射计模式的系统模拟方法，其中步骤S2中，选取了随机和实测两类风场作为输入风场，对两类风场分别设置选取了低、中、高三种风速下的风场；随机风场分别设置为均值为5m/s、标准差为2m/s的低速高斯风场，均值为10m/s、标准差为2m/s的中等风速高斯风场，均值为15m/s、标准差为2m/s的高速高斯风场。
7.根据权利要求1所述的多模式微波遥感器散射计模式的系统模拟方法，其中步骤S5中，所模拟的多模式微波遥感器散射计模式下海面雷达回波信号对应的计算公式为：
Figure FDA0002618095020000031
式中，
Figure FDA0002618095020000032
为第i个距离单元对应的后向散射系数，Ai为第i个距离单元对应的足迹面积，Gi为第i个距离单元对应的雷达天线增益，Ri为第i个距离单元与雷达间的距离，rect为矩形函数，t为时间，kr为线性调频斜率；去调频处理后的海面雷达回波信号的计算公式为：
Figure FDA0002618095020000033
式中，Rref为参考信号对应的目标距离。
8.根据权利要求1所述的多模式微波遥感器散射计模式的系统模拟方法，其中步骤S6中，接收机输入端的噪声功率计算公式为：Ni＝kbT0B；接收机输出端回波功率的测量值计算公式为：
Figure FDA0002618095020000034
式中，f(k)为离散化后的接收机输出端回波信号，Nvalid为有效抽样点数。
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