CN1164650A - 获取海洋回波全程曲线的方法和设备 - 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了一种获取海洋雷达高度计海面回波全程曲线的方法和设备。该方法除了能够进行传统的基本工作模式外，它采用步进搜索的方法，实现了获取全程曲线的要求，对数据进行了拟合和平滑，使曲线更精确。弥补了传统跟踪方法只能获得回波曲线前半部分这一不足，实现了由回波曲线后半部分简便计算海洋表面风速。

Description

获取海洋回波全程曲线的方法和设备

本发明涉及一种遥感技术和设备，特别是涉及一种采用步进搜索和拟合平滑处理，获取海洋回波全程曲线的方法和设备。

海洋雷达高度计是一种新型的主动式海洋遥感仪器，它通过天线向海面发射电磁波并接收海面的反射信号，能够在大范围内实时地全天候地准确测量作业平台到海面的平均高度、海浪的有效波高和海面的后向散射系数。

海洋雷达高度计可以完成仪器的各种模式控制、数据采集，以及跟踪回波的半功率点。雷达高度计最终获得的三个产品：平均高度由回波的半功率点可以得到；浪高由回波曲线的上升沿可以得到；后向散射系数可以由回波信号的强弱可以得到。

传统方法在信号处理部分侧重于对回波信号半功率点的捕获跟踪，这样就可以实时地获得三个产品。对于机载中分辨率海洋雷达高度计常采用分裂门跟踪方式(参见Final Report of the Advanced Application F1ight ExperimentBreadboard Pul se Compression Radar Altimeter Program，page EO-G8 NASACR-141411，1976)，对于星载高分辨率海洋雷达高度计常采用准最佳最大似然算法跟踪，如SEASET-A卫星(参见Technical Guidance and AnalyticServices in Support of SEASET-A，page I-3-1 to I-3-3 3，NASA CR-141399，1974)和ERS-1卫星(参见《ERS-1卫星地面系统技术规范》，第276到278页，国家海洋局科学技术司，1992年10月)上搭载的高度计，不同跟踪方式都是为了实现对海洋回波半功率点的精确定位。

图6是海洋回波曲线示意图，其中A点对应海洋回波的半功率点，传统跟踪方法力求准确地跟踪到这一点，故而只能得到曲线的前半部分(图中虚线以左的部分)，对于后半部分(图中虚线以右的部分)则没有涉及。

有关海洋用户的新近研究发现，回波曲线的后半部分也很重要，其中包含很多有用信息。例如从回波曲线后半部分的下降沿，可以提取Ts参数，即均方根波抖参数，从该参数中可以进一步计算出海洋表面的风速。传统方法是利用后向散射系数计算海洋表面风速，但是利用这种方法需要对高度计进行严格的散射系数定标，这种定标方法不但需要大量的仪器和大量的软硬件设备，还需要有环境仿真，所以投资很大；采用Ts参数进行计算不需要进行散射系数定标，只需要软件处理就行了，可以节省大量的物力和财力。目前有关专家也正在进一步研究回波曲线后半部分的下降沿中所包含的其他信息，所以要在跟踪回波曲线前半部分的同时，也要获取海面回波的后沿，利用高度计的现有资源为用户提供更多的信息。同时回波全程曲线的获得可以验证雷达高度计的理论基础，能够对传统方法获得的前半波进行校验。

本发明的目的之一是获取海洋回波全程曲线。

本发明的目的之二是为海洋用户提供回波全程曲线，使他们从回波曲线的后半部分提取Ts参数，进而计算出海洋表面风速。

本发明的目的之三是利用获得的海洋回波全程曲线，可以对传统的方法获得的回波前半部分进行验证。

本发明的目的之四是提供一种获取海洋回波全程曲线的设备。

本发明的任务是这样实现的：由于不同海况回波后沿的变化较大，并且后沿较前沿相比信号带宽很大，所以对后沿的获取不能用跟踪的方式实现，只能在捕获跟踪的基础上采用步进搜索的方法来实现。且步进搜索时在各斜波门内出现的曲线只是全程曲线的一部分，所以还需经过拟合和平滑处理才能最终得到精确的全程曲线。

图1是获取海洋回波基本工作模式流程图；

图2是步进搜索的流程图；

图3是拟合处理的流程图；

图4是中值平滑的流程图；

图5是获取全程曲线设备的结构方框图。

图6为海洋回波曲线示意图。

图7-1为采用步进方法获得不同高度下的回波波形。

图7-2为经过拟合平滑处理后的海洋回波全程曲线。

图6是海洋回波曲线示意图，A点对应海洋回波的半功率点，传统跟踪方式只能得到曲线的前半部分(图中虚线以左的部分)。

图5是本发明设备的结构方框图。

一个PC工控机1是整个系统的控制中心，它除了具有大容量硬盘和显示器7外，还要配备8M的内存和键盘，其中键盘用来作为人机对话的工具，8M的内存用来作为数据的缓存。PC工控机还用来实现对延时控制单元6、A/D采集单元2、D/A单元3和定时单元4的控制。PC工控机1同延时控制单元6的通讯是通过PC工控机送端口数据至延时单元，延时单元计数结束后给PC工控机中断信号来完成的。PC工控机和A/D采集单元2、D/A单元3和定时单元4的通讯是通过互送端口数据来完成的。一个显示单元7是用来实时显示数据和图形。一个16路高速A/D采集单元2用来完成对于16路采样保持单元5的A/D变换。一个D/A单元3用于实现雷达接收信号中频自动增益控制量(AGC)的数模转换。目的是对回波信号进行放大或缩小。一个定时单元4用来实现雷达脉冲重复频率(PRF)的定时工作。即确定两个相邻雷达脉冲发射的时间间隔。一个16路采样保持单元5在1ns级延时控制单元6的控制下，完成对12路斜波门、早门、晚门、功率检测和加速度计的峰值采样保持，其中12路斜波门、早门和晚门分别是雷达接收信号在不同频带上的检波输出，功率检测是用来监测雷达发射脉冲的发射功率的大小，加速度计是用来测量作业平台(指载有海洋雷达高度计的飞机或卫星)垂直方向的加速度。一个1ns级延时控制单元6在PC工控机的控制下，用108MHz(赫兹)的时钟作为高速计数器的计数脉冲，再将计数结果经过1ns精度的可控数字延迟线从而实现1ns的精确延时，其中高速计数器的计数值和可控数字延迟线的控制值都是由工控机提供的。一个1ns级延时控制单元6的另一个作用是根据定时单元4定时结果发出雷达发射脉冲和根据延时控制单元6中的高速计数器的计数结果通过1ns量级可控延迟线产生雷达接收脉冲。

下面具体说明本发明的获取海洋回波曲线的方法，雷达高度计的测高是通过测量发射脉冲和接收脉冲的时间差来完成的，雷达高度计首先向海面发射线性调频脉冲信号，这一发射过程是由雷达发射脉冲来启动的，发射的线性调频脉冲信号到达海面后被反射回来，雷达高度计接收这一反射信号，这一接收过程是由雷达接收脉冲来启动的，所以发射和接收脉冲的时间间隔是对应着作业平台到海面的高度。PC工控机软件的工作就是依据捕获跟踪算法和全程搜索算法(将在下面部分详细介绍)实时的调整这一时间间隔，以便在海面回波到来的时刻准确地发出雷达接收脉冲来接收回波信号，由于系统时间间隔的调整精度为1ns，1ns对应着15cm的雷达脉冲信号往返距离，所以本高度计的测高精度为15cm。具体工作过程是这样的：首先工控机由基本工作模式测定飞行高度和接收机中频自动增益(AGC)的值；在全程搜索过程中，首先设定(AGC)的值，这一过程是通过D/A单元3来实现的。将跟踪高度作为中间值，确定搜索上下限，并将此搜索下限换算成时间，存入延迟控制单元6中的计数器及可控延迟线中。1ns级延时控制单元6根据定时单元4产生的脉冲重复频率(PRF)，在每个脉冲重复周期内首先产生雷达发射脉冲，向海面发射线性调频信号，在产生发射脉冲的同时启动计数器开始计数，并将计数结果通过1ns级延迟线，产生雷达接收脉冲，接收海面回波信号，在接收脉冲产生同时延迟控制单元6控制16路采样保持单元5进行采样保持，并给PC工控机1发出中断信号，PC工控机接到中断信号后发出采集信号到16路高速A/D采集单元2，采集单元2对保持单元5所保持的信号进行A/D变换，并将采集到的信号送入PC工控机，完成一次采集。在同一高度下采集100次，进行平均、去噪声和校准处理，然后控制单元6从搜索下限开始，每增加1ns的延迟时间进行100次数据采集，直到搜索上限。在整个过程中，PC工控机将采集到的数据实时的在显示单元7上显示出来并存储于工控机的硬盘上。机载海洋雷达高度计的基本工作模式用来实现捕获跟踪回波，这也是传统雷达高度计的主要工作模式，步进搜索模式用来获取海面回波的全程曲线，拟合平滑是PC工控机的后处理部分，即在飞行结束后在地面对全程曲线所作的再处理以便得出精确的曲线，步进搜索模式和拟合平滑处理是本发明的发明点。

一种获取海洋回波的基本工作模式示于图1的流程图中，该方法目的是获取回波的前半部分。现予以简要描述。

获取海洋回波基本工作模式首先是测量仪器的环境噪声，其方法是设置当前飞行平台高度的两倍为噪声测量高度(s1)，并设置AGC值为最大(s2)，这时海洋雷达高度计向海面发射脉冲并接收海面反射信号，通过A/D采集单元2采到的都是噪声和偏置的叠加信号，采集1000次(s3)进行平均可以得到系统噪声偏置电平。仪器的偏置测量首先要置AGC值为最小(s4)，这时采集1000(s5)次进行平均可以得到系统的偏置电平，将(s3)和(s5)测量的平均结果相减可以得到环境噪声的平均值。该平均值的3倍即为捕获跟踪门限(s6)。此后系统进行校准(s7)，以确定系统内部的延迟误差，该误差用作数据修正，同时系统显示当前校准值并存储该值(s8)。回波的捕获过程是这样完成的，首先通过PC工控机1的键盘输入比实际飞行高度低50米的高度值作为捕获起始高度(s9)，系统对该高度下的海洋回波信号进行采集，判断早晚门内的信号是否超过捕获门限(s10)，如果没有超过门限，将捕获高度增加3米(s11)，继续捕获，如果超过捕获门限，则捕获成功，系统显示当前捕获高度及各斜波门的采样值(s12)。捕获成功后系统进入跟踪状态(s13)，跟踪过程中要达到早晚门内信号的强度比为1/2，以跟踪回波的半功率点，随着飞行平台高度的变化，要实时调整中频(AGC)自动增益控制量值，以使各斜波门内的回波达到归一化强度，还要调整1ns级脉冲延时控制单元6的计数值以跟踪高度的变化。跟踪过程中还要根据加速度计的值和系统的校准值实时的对数据进行修正，跟踪过程中如果出现早晚门内的信号都低于各自的跟踪门限(s13)，则跟踪失败重新捕获(s9)，如果跟踪时间超过2分，则跟踪成功，此时输出跟踪高度、海浪的有效波高、后向散射系数、各斜波门的采样值和AGC值(s14)。

获取海洋回波的基本测量工作能够实时提供作业平台的高度、海浪的有效波高和后向散射系数，同时也能提供各斜波门的采样值，作为基本工作模式的扩展，全程搜索的方法提供了获取海洋回波全程曲线的能力，该过程示于图2流程图中，现予以描述。

在全程搜索过程中，首先通过设置定时系统4的定时周期为1ms，则雷达的脉冲重复频率(PRF)被设置为1000Hz(s21)。在跟踪过程中得到了当前的飞行高度，设定该高度上下20米为搜索范围(s22)，设跟踪过程中得到的AGC值为当前AGC值(s23)，通过PC工控机1向延时单元6设置起始搜索高度并且开中断处理程序(s24)。在同一高度下各斜波门采集100次(s25)作平均，将平均后的结果减去跟踪过程中测到的环境噪声和系统偏置值(s26)，并依据校准结果进行修正，这时的结果为该高度下的回波信号值。将该信号数据在PC工控机1的屏幕上以图形的方式实时的显示出来(s27)，以便于操作者观察处理，同时将现场数据记录在工控机的硬盘上(s28)。同一高度数据处理完成后，系统判别当前搜索高度是否超出了搜索范围(s29)，如果没有超出范围，则搜索高度再增加15cm(s30)，这是通过使延时单元6的计数值增加1ns来完成的，因为1ns的时间对应于15cm的微波往返距离，如果此时超出了搜索范围，则系统作关中断处理(s31)，结束本次全程搜索过程。

由于全程回波曲线的带宽很大，用步进搜索的方法在某一高度下获得的曲线只是全程曲线的一部分，所以要对搜索到的曲线进行拟合处理，才能够得到完整的全程回波曲线。该过程示于图3的流程图中，现予以描述。

拟合处理是计算机的后处理过程，首先读入全程搜索数据文件(s32)，为了便于操作和观察，数据文件以图形方式同步显示于计算机屏幕上(s33)。用键盘在前台操作，使计算机屏幕上再现全程搜索过程中，随搜索高度变化各斜波门内出现的回波波形(s34)，由于全程搜索过程中开始部分没有海洋回波信号，只有噪声信号，所以要通过屏幕上显示的数据波形寻找到回波到来的起始点(s35)，从这一点开始对后面的信号进行拟合处理。确定起始点以后，从键盘键入一字符‘A’启动后台进行拟合操作。首先从起始点开始，一次读入5条曲线数据(s36)，每一条曲线上有12个点，每点之间的分辨距离为75cm，相邻两条曲线之间的距离为15cm，拟合的方法是在第一条曲线上每两点之间插入四个点，这四个点分别是第二、三、四、五条曲线上的于之对应的点(s37)。例如：如果在第一条曲线的第一和第二点之间插入四个点，这四个点分别是第二、三、四、五条曲线上的第一点，同样如果在第一条曲线的第八和第九点之间插入四个点，这四个点分别是第二、三、四、五条曲线上的第八点，这样内插后一条曲线由60点组成，每两点之间的分辨距离为15cm。然后系统判断全程曲线是否处理完毕(s38)，如果没处理完，继续执行(s36)，如果执行完毕，就将内插后得到的一批曲线首尾相连拼接成一条全程曲线(s39)，然后在计算机屏幕上显示拟合后的全程曲线结果(s40)，并存储最终结果(s41)。

拟合处理后的曲线混迭有噪声，主要包括海面回波噪声，系统的热噪声和A/D量化噪声，所以要进行平滑处理，这里采用5点的中值平滑处理，该过程示于图4的流程图中，现在予以描述。

平滑处理是对拟合后的全程曲线进行的，首先打开拟合曲线数据文件(s42)，将数据指针指向第一个数据(s43)，读入指针所指数据以后的五个数据(s44)，将这五个数据进行5点的中值平滑，其具体方法是：首先将这五个数据按由大到小的顺序排成一对(s45)，取出第三个数据作为中值平滑的结果加以保存(s46)，然后将数据指针加1(s47)，指向下一个数据，此时系统判断文件是否处理完毕(s48)，如果没有处理完，则转回(s44)继续处理，如果处理完毕，则将所有中值平滑后的数据作为最终的平滑结果(s49)，同时在计算机屏幕上以图形的方式显示平滑后的曲线(s50)，并存储平滑数据(s51)。

图7-1是由低到高步进搜索时在各斜波门内出现的回波信号波形，其中横轴代表12个斜波门，纵轴代表回波信号的归一化强度，从(A)到(D)搜索高度逐步增加。

图7-2是将上面得到的全程曲线进行拟合和平滑处理的结果，其中横轴代表时间，纵轴代表回波信号的归一化强度。

经过上述处理就可以得到平滑后的海面回波全程曲线，从回波曲线后半部分的下降沿可以提取均方根波抖参数(Ts)，采用Ts参数进行计算不需要复杂定标，只需要软件处理就行了，可以节省大量的物力和财力。同时回波全程曲线的获得可以验证海洋雷达高度计的理论基础，对由传统方法获得的前半波进行校验，并能由此全程回波为用户提供更多信息。

现在说明一个具体的实例。

实验中首先进行基本模式测量，确定系统的偏置值，噪声值和校准值，然后进行捕获跟踪。在跟踪状态下确定AGC值和跟踪高度。

跟踪状态下确定飞行高度为3000米，则2980米～3020米为搜索范围。在搜索过程中，首先置起始搜索高度为2980米，置PRF为1000Hz，将2980米的高度换算成时间计数值，并将该值置入1ns级脉冲延时单元6，这样在每一个PRF周期开始时雷达发射一个脉冲，同时延时单元开始计时，当计时完毕后产生接收脉冲，该脉冲启动雷达接收机接收海面回波信号，同时启动16路采样保持单元5将回波信号进行采样保持，并中断工控机通知它启动A/D采集单元2采集数据，并将数据以图形方式显示于屏幕上，这样，完成一次采集操作。在该高度下采集100次后，进行平均，然后将搜索高度增加15cm，计算出一个新的时间计数值，在新的高度下再采集100次进行平均，直到超出搜索范围为止。

图7-1是步进搜索时在不同搜索高度下得到的四条海面回波曲线。从(A)到(D)搜索高度逐步增加。

将全程搜索到的数据进行拟合处理，再经过平滑处理，就得到图7-2所示的曲线。目前有关海洋用户已经从该曲线中提取出了Ts参数，计算出了海表面风速。

本发明所提供的方法，除了适用于机载海洋雷达高度计外，对于高分辨率的星载海洋雷达高度计同样适用。

Claims (11)

1、一种获取海洋回波全程曲线的方法，包括以下步骤：

获取海洋回波的基本工作模式测量；

步进搜索测量获取海洋回波全程曲线数据；

曲线数据的拟合处理；和

曲线数据的平滑处理。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述获取海洋回波基本工作模式测量，包括以下步骤：

测量海洋雷达高度计的环境噪声，获得捕获跟踪门限；对海洋雷达高度计进行校准；

捕获回波，

跟踪回波，输出数据。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步进搜索测量是获取海洋回波全程曲线数据，包括以下步骤：

通过定时系统(4)设置雷达脉冲重复频率；

根据目前作业平台高度，确定步进搜索高度范围和起始搜索高度，并由PC工控机(1)将数据传递给脉冲延时单元(6)；

脉冲延时单元(6)在搜索范围内控制采样保持单元(5)在每个雷达脉冲重复周期内，搜索高度每增加15m进行一组数据采集。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述数据拟合处理包括以下步骤：计算机读入步进搜索数据，再现飞行搜索过程，计算机图形显示，寻找起始处理点，从起始点开始，以后每连续五条曲线内插成一条曲线，将内插后的一组曲线拼接成一条全程曲线。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述曲线数据的平滑处理包括以下步骤：将数据指针指向拟合后数据文件的第一个数据，一次读入五个数据，将五个数据由大到小排列，取出中间的数据作为平滑结果，数据指针加1，再读入五个数据取中间值，直到全部数据处理完毕。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的跟踪回波，输出数据包括以下步骤：工控机通过采样保持单元(5)，A/D数据采集单元(2)采集早、晚门信号，加速度计值，工控机依据早晚门信号的比值算出高度误差，并用加速度计的值加以修正，将修正后的高度值送入脉冲延时单元(6)，工控机依据晚门信号的强弱，确定AGC值，将新的AGC值送入D/A单元(3)，工控机将跟踪过程中的数据实时显示于显示单元(7)，并存入硬盘。

7、一种用于权力要求1获取海洋回波全程曲线的设备，包括：

作为整个设备控制中心的PC工控机(1)；

和PC工控机(1)相连用来实时显示数据和图形的显示单元(7)；

受PC工控机(1)控制并对采样保持单元(5)中的数据进行A/D转换的高速A/D数据采集单元(2)；

受PC工控机(1)控制，用于实现对采样保持单元(5)雷达接收信号自动增益控制(AGC)的数模转换的D/A单元(3)；

受PC工控机(1)控制，实现雷达脉冲重复频率(PRF)的定时工作的定时单元(4)；

根据定时系统(4)确定的雷达脉冲重复频率(PRF)，控制雷达发射脉冲，根据PC工控机(1)提供的计数时间，控制接收雷达脉冲，同时控制采样保持单元(5)对数据进行采样保持，并向PC工控机(1)发出中断信号通知PC工控机(1)向高速A/D数据采集单元(2)发出采集信号的脉冲延时单元(6)；

受脉冲延时单元(6)控制，采集保持数据，向高速A/D数据采集单元(2)输送数据的采样保持单元(5)；

8、如权利要求7所述的设备，其特征在于：所述脉冲延时单元(6)包括计数器和1ns级可控延时线。

9、如权利要求7所述的设备，其特征在于：所述脉冲延时单元(6)为1ns级精确延时。

10、如权利要求7所述的设备，其特征在于：所述采样保持单元(5)为16路采样保持。

11、根据权利要求7所述的设备，其特征在于：所述的高速A/D数据采集单元(2)为16路。

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