CN1301970A - 实时变参数滤波笔形波束扫描雷达散射计及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
实时变参数滤波笔形波束扫描雷达散射计及其设计方法属于笔形波束扫描雷达散射计技术领域。它采用较宽的接收信道频带、数字滤波等技术,以保证噪声功率测量的精度,并进一步得到回波信号的功率和后向雷达散射系数;由于,对回波信号的中心频率和频带宽度可以根据Doppler频移引起的雷达回波中心频率的偏移和频谱扩展实时改变。主要用于测量海洋、海并和大尺度陆地目标。
Description
雷达散射计是用来测量扩展目标后向散射系数的雷达。星载雷达散射计主要用于测量海洋、海并和大尺度陆地目标，是目前唯一的可以进行海洋表面风向和风速测量的微波遥感器。它是通过测量海面的后向散射系数，根据后向散射系数随关于风向的方位角的各向异性，反演得到风速和风向的。雷达散射计测量风矢量的关键是获得不同方位角的后向散射系数，同时要求一定的测量刈幅，所采用的方法有两种：第一种方案是采用不同方位角入射的扇形波束天线，通过频域Doppler滤波器或时域距离门获得海面分辨单元的后向散射系数。(参考文献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.)目前已有的风散射计都是采用这种方法，如美国的SEASAT散射计采用的是四根正交的杆状天线分别获得天底方向两侧两个方位角的散射系数，地面分辨单元是通过角度-速度(Doppler频率)限制的方式；欧空局的ERS-1/2的风散射计则采用三根分别具有相对正侧视方向分别为±45°和0°夹角的三根杆状天线获得星下方向一侧的三个方位角的散射系数，以克服风向反演的模糊，ERS风散射计的地面分辨单元是通过角度-距离限制的方式获得(参考文献E.RW.Attema,The Active MicrowaveInstrument on-board the ERS-1 Satellite,Proc.IEEE,1991,v.79,pp791.)；第二种方案是利用笔形波束获得海面分辨单元的后向散射系数，通过圆锥扫描实现扫描刈幅和不同方位角的测量结果，在扫描中对于每个天线波束可以获得相对正侧视方向对称的两个方位角的散射系数，地面分辨单元采用角度-角度的限制方式获得。这种方案由于天线尺寸小，发射功率低，近年来受到各国的注意，美国JPL研制的SeaWinds(参考文献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.)，以及印度将要研制的星载风散射计都采用这种方案。
对于星载风场散射计，必须对由于分辨单元相对散射计不同视在速度引起的Doppler频率的变化进行补偿。
对于角度-距离方式的散射计如ERS的散射计，在不同距离门采用不同的Doppler频率补偿，由于每个距离门的观测入射角和方位角都是固定的，所以这种补偿是固定的；对于采用笔形波束圆锥扫描的海面风场雷达散射计，则须对在不同方位角上由于海面分辨单元相对散射计的运动速度不同所引入的Doppler频率的不同进行补偿。星载散射计通常采用连续波脉冲方式工作，系统的工作带宽很窄(接近于点频)，这种Doppler效应引起的回波信号的频率搬移和频谱扩展必须进行补偿，才能保证回波信号能量的完整有效的接收和后向散射系数的准确测量。
笔形波束扫描的风场测量雷达散射计由于不同方位角对应不同的Doppler频率搬移，同时由于分辨单元内的面积扩展引起回波频谱的扩展，随着天线扫描角度的变化上述的雷达回波中心频率偏移和频谱扩展在随时变化。根据卫星轨道、天线入射角和天线波束宽度可以得到频率搬移和扩展的结果。
在一般情况下，由于接收机噪声和外部宽带噪声的存在，需要尽量减小接收机带宽，使其与要接收的信号带宽匹配，最大限度地减小接收到的噪声功率，提高接收信号的信噪比。对于以检测为目的的接收机(如大多数的通信系统的接收机)，减小接收带宽是一种有效的手段，最佳匹配接收是这种系统的一个典型例子。
但是对于以功率绝对测量为目的的接收机，由于噪声功率是不可消除的，造成测量结果的偏差和散布，降低了测量结果的精确度和准确度，一种合适的解决手段是系统能够通过测量噪声功率得到高精度的信号功率的测量结果。特别是对于星载散射计，地海面的回波功率通常并不明显大于噪声功率，而且由于地海面回波本身具有的类似于噪声的非相干特性，使得通过相关接收提高信噪比的手段的应用效果受到限制，噪声的测量就成为一个必须进行的步骤。
如果进行噪声测量，并通过噪声功率的测量提高信号功率测量精确度，则一味减小接收带宽并不一定有利于信号功率的测量和最终估计，因为噪声功率的精确测量需要足够的测量带宽和足够的积分时间。
目前的圆锥扫描风散射计在不进行噪声测量时，Doppler频率的补偿有两种方式：一是根据天线旋转角度改变接收本振，如我国的多模态微波遥感器的散射计；另一种是对发射信号的频率进行预补偿，保持接收中心频率不变。这两种方案都要求实时改变频率，给系统带来一定的复杂性，而且要求对平台的姿态进行准确测量，以保证补偿的准确。更重要的是上述方案要求足够的接收带宽，以确保回波功率的完整接收。这种预置的带宽通常要求足够的冗余度，但这种冗余度制约了后向散射系数测量精度的提高。
为了解决上述的Doppler频率引起的雷达回波信号中心频率偏移和频谱扩展等问题，发明本专利。
本发明提出一种采用实时变参数滤波技术的笔形波束圆锥扫描的星载雷达散射计，它采用较宽的接收信道频带，以保证噪声功率测量的精度，对接收信号进行数字滤波实现噪声功率和雷达信号回波功率的分离，得到“回波信号+噪声”功率和“噪声”功率，并进一步得到回波信号的功率和后向雷达散射系数；由于采用数字滤波器，对回波信号的中心频率和频带宽度可以根据Doppler频移引起的雷达回波中心频率的偏移和频谱扩展实时改变。采用这种方案，接收机硬件系统带宽固定，而进行信号功率估计时采用的信号频率和带宽将通过变参数数字滤波根据回波功率进行自适应实时调整，可以从回波数据中提取方位角信息，提高系统的可靠性和测量精度。
在本项发明提出的雷达散射计系统中，为了降低采样率，降低数据量和运算量，在中频采用相干检波的方法。
图1是实时变参数笔形波束扫描雷达散射计系统框图。
结合图1说明本发明的工作流程：发射机10发射信号通过环行器2和天线1，被地物目标散射后进入接收天线1，接收的信号经过过环行器2进入微波前端3和中频单元4，进行高放、混频和中放，到相干检波5进行正交检波的到I、Q视频信号，该视频信号进入数字滤波器6，有噪声功率7处理，回波信号+噪声功率8，到雷达回波功率9，然后估计得到雷达回波功率和后向雷达散射系数。数管与控制单元11提供天线扫描与平台运动参数并根据这些参数决定功率分离处理单元的参数，包括回波信号中心频率和带宽根据天线扫描参数和平台运动参数决定。
图1中数字滤波器6包括FFT处理单元12和功率分离处理单元13，当得到噪声功率7和“回波信号+噪声”功率8，然后由数管与控制单元11提供天线扫描与平台运动参数并根据这些参数决定功率分离处理单元的参数，包括回波信号中心频率和带宽根据天线扫描参数和平台运动参数决定。
本发明的设计方法是：(1)接收信道带宽的设计：接收信道带宽首先覆盖Doppler频率引起的回波中心频率偏移和频谱扩展范围，其次接收信道带宽应保证测量噪声的精度要求；(2)数字滤波器的设计：数字滤波器实现噪声功率和“回波信号+噪声”功率的分离和估计，该分离在频谱域进行，所以数字滤波器包括一个FFT变换和功率分离过程。在FFT变换后，根据回波信号中心频率偏移和频谱扩展的变化确定“回波信号+噪声”功率的频谱范围和噪声功率的频谱范围；数字滤波器的中心频率和带宽等参数随着天线扫描方位角的变化实时变化，以适应Doppler频率引起的雷达回波信号的中心频率偏移和频谱扩展；回波信号跟踪的方法：采用频谱域波形重心跟踪算法。通过接收信号的功率跟踪，得到信号频谱的中心频率和带宽，然后根据“信号+噪声”功率和“噪声”功率的测量结果，得到回波“信号”的功率，进一步可以得到散射系数的估计。在功率跟踪时，可以根据扫描天线角编码器的输出作为进行估计的初值。在测量的运行过程中，通常实时跟踪只需在卫星平台的姿态发生变化每次散射计开机时进行，而在正常运行中，只需按照天线扫描所处的方位角位置根据预置的中心频率和带宽进行变参数的数字滤波和参数估计。
本发明具体实施例包括：
实施例l：实时功率跟踪方式：对接收信号进行自适应功率跟踪，不需要预置天线扫描角度和平台运动与轨道参数。数字滤波6的结果经过FFT变换12，得到频谱由数管与控制单元11进行频域波形重心并根据跟踪结果确定功率分离处理单元13的参数，实现信号功率与噪声功率的分离与估计。
实施例2：预置Doppler频率方式
在该实现方案中，根据数管与控制单元11采集天线扫描和平台运动参数，并确定回波信号的中心频率、带宽和功率分离处理单元13的参数，然后由功率估计处理单元13确定接收功率中的噪声功率和回波信号功率。
实施例3：固定数字滤波方式：
在该实现方案中，当Doppler频率的影响可以忽略时，采用固定的数字滤波器的中心频率和带宽，经过FFT变换12和功率分离处理单元13，确定接收功率中的噪声功率和回波信号功率。
本项发明提出的实时变参数滤波笔形波束扫描雷达散射计的主要优点是：
(1)系统同时进行回波功率和噪声功率的测量，能够提高回波功率测量的精度，提高后向散射系数的测量精度；
(2)系统通过实时改变数字滤波器中心频率和带宽对回波功率的Doppler频率引起的中心频率偏移和频谱扩展进行处理，获得准确的回波功率估计。能够根据进行功率的跟踪，避免由于平台运动和天线转动参数的误差造成的接收机频带失配，提高了测量的可靠性；
(3)对回波信号可以获得Doppler频谱分布，为通过多次观测后处理提高分辨率提供了条件。
Claims (5)
1．一种笔形波束圆锥扫描的雷达散射计的设计方法，其特征在于：
(1)根据Doppler频移和频谱扩展和噪声测量精度要求确定系统接收信道带宽；
(2)采用数字滤波器进行噪声功率和“回波信号+噪声”的功率分离，并进行回波信号功率和后向雷达散射系数的估计；接收系统首先进行FFT变换，然后根据Doppler频移和频谱扩展确定数字滤波器进行噪声与信号功率分离的滤波器参数；
(3)根据平台参数和天线参数是否可以准确得到确定是否采用功率跟踪方案；
2．一种笔形波束圆锥扫描的雷达散射计，其特征在于包括有天线，环行器单元，微波前端，中频单元，相干检波，数字滤波器，噪声功率，“回波信号+噪声”功率，雷达回波功率，为发射机，数管与控制单元；工作流程是发射机发射信号通过环行器和天线，被地物目标散射后进入接收天线，接收的信号经过环行器单元，进入微波前端和中频单元，进行高放、混频和中放，到相干检波进行正交检波的到I、Q视频信号，该视频信号进入数字滤波器，数字滤波器包括FFT处理单元和功率分离处理单元，得到噪声功率和“回波信号+噪声”功率，然后估计得到雷达回波功率和后向雷达散射系数；数管与控制单元提供天线扫描与平台运动参数并根据这些参数决定功率分离处理单元的参数，包括回波信号中心频率和带宽根据天线扫描参数和平台运动参数决定。
3．根据权利要求2所述散射计，其特征在于对接收信号进行自适应功率跟踪，不需要预置天线扫描角度和平台运动与轨道参数。数字滤波6的结果经过FFT变换12，得到频谱由数管与控制单元11进行频域波形重心并根据跟踪结果确定功率分离处理单元13的参数，实现信号功率与噪声功率的分离与估计。
4．根据权利要求2所述散射计，其特征在于预置Doppler频率方式，根据数管与控制单元采集天线扫描和平台运动参数，并确定回波信号的中心频率、带宽和功率分离处理单元的参数，然后由功率估计处理单元确定接收功率中的噪声功率和回波信号功率。
5．根据权利要求2所述散射计，其特征在于采用固定数字滤波方式，当Doppler频率的影响可以忽略时，采用固定的数字滤波器的中心频率和带宽，经过FFT变换和功率分离处理单元，确定接收功率中的噪声功率和回波信号功率。
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