專利名稱：：扇形波束圓錐掃描微波散射計信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本方法涉及對微波散射計在線信號處理方法，特別涉及對扇形波速圓錐掃描微波散射計的信號處理，屬于微波遙感
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：微波散射計是一種測量目標(biāo)表面后向散射系數(shù)a°的雷達(dá)系統(tǒng)。星載微波散射計的主要用途是海面風(fēng)場測量，它是目前唯一能夠同時測量海面風(fēng)速和風(fēng)向的遙感儀器。國內(nèi)外已經(jīng)在軌工作過或在研的星載微波散射計有固定多波束和筆形波束圓錐掃描兩種體制。星載扇形波束圓錐掃描微波散射計(RFSCAT)是近年來國外學(xué)者提出的一種新型體制的微波散射計，其結(jié)合了傳統(tǒng)固定扇形波束體制散射計和筆形波束圓錐掃描體制散射計兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有極大提高風(fēng)場(包括風(fēng)速和風(fēng)向)反演精度和去風(fēng)向模糊的能力，具有向陸地觀測等其它應(yīng)用擴(kuò)展的潛力，研究意義重大。在線信號處理是扇形波束圓錐掃描微波散射計的關(guān)鍵技術(shù)之一。國外有關(guān)星載扇形波束圓錐掃描微波散射計的主要文章有2篇，其中比較重要的一篇如Chung國ChiLin撰寫的"AnAnalysisofaRotating,Range-Gated,FanbeamSpaceborneScatterometerConcept"主要4十對這一散射i十的才既念以及系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計進(jìn)行了論述，并未對具體的后續(xù)信號處理進(jìn)行討論；而另一篇由Chung國ChiLin和AdStoffelen撰寫的"WindRetrievalCapabilityofRotating,Range-Gated,FanbeamSpaceborneScatterometer"主要對這一散射計后續(xù)風(fēng)場反演的所需注意的問題進(jìn)行論述，并簡要介紹了專為這一散射計風(fēng)場反演所建的模型函數(shù)，也未對信號處理進(jìn)行分析。因此，為開發(fā)實際的扇形波束圓錐掃描微波散射計系統(tǒng)，還必須在其信號處理方面進(jìn)行突破。扇形波束圓錐掃描微波散射計系統(tǒng)與信號處理(指在線信號處理)有關(guān)的工作特點(diǎn)為發(fā)射信號形式為線性調(diào)頻脈沖信號，通過距離濾波來提高分辨率，脈壓方式采用解線頻調(diào)的方式，釆用同時同頻帶的純凈回波信號才全測方式等。在體制上和所采取的信號處理方法方面，扇形波束圓錐掃描孩支波散射計與筆形波束圓錐掃描散射計具有更多的可比性。國內(nèi)外研制過的星載筆形波束圓錐掃描微波散射計有QuikSCAT衛(wèi)星的SeaWinds(已發(fā)射)、ADEOS-II衛(wèi)星的SeaWinds(已發(fā)射)、ADEOS-3衛(wèi)星的SeaWinds-1B、以及HY-2衛(wèi)星微波散射計。這些散射計的信號總的處理方法可概括為釆集回波(或內(nèi)定標(biāo))信號，采用不同帶寬的數(shù)字濾波器分成噪聲通道和信號通道分別進(jìn)行處理，求取能量。具體實現(xiàn)起來，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計不同，會有些具體的不同。如SeaWinds信號處理是基帶的，首先對噪聲通道進(jìn)行簡單的^t平方、累加，得到能量值；信號通道進(jìn)行de-chirp、FFT、模平方、累力口，得到各分辨單元的能量值，框圖如圖1。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對扇形波束圓錐掃描微波散射計的回波特性，提供一種扇形波束圓錐掃描微波散射計信號處理方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是扇形波束圓錐掃描微波散射計信號處理方法，包括下列步驟將采集的回波或內(nèi)定標(biāo)信號模數(shù)轉(zhuǎn)換后，分成噪聲通道和信號通道分別進(jìn)行處理；a.噪聲通道對轉(zhuǎn)換后信號依次進(jìn)行數(shù)字下變頻、模平方、累加處理，得到能量值；b.信號通道對轉(zhuǎn)換后信號依次進(jìn)行數(shù)字下變頻、傅立葉變換FFT、模平方、實時頻率定位，根據(jù)頻率定位結(jié)果進(jìn)行各分辨單元數(shù)據(jù)的能量累加，最終得到各分辨單元的能量值；其中，實時頻率定位過程如下(1)計算各分辨單元不計多普勒頻率偏移時的起始頻率人、終止頻率人和多普勒頻率預(yù)補(bǔ)償量/^;(2)根據(jù)步驟(1)的結(jié)果確定各分辨單元近端預(yù)補(bǔ)償后的多普勒頻率偏移項(fdib-fd1b)及遠(yuǎn)端預(yù)補(bǔ)償后的多普勒頻率偏移項(fdie-fd1b);(3)根據(jù)步驟(1)和步驟(2)得計算結(jié)果，確定各分辨單元最終的起始頻率fih+fdib-fd1b和終止頻率為fie+fdie-fd1b完成實時頻率定位。所述步驟(1)中的起始頻率fib終止頻率fie計算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，Rib為分辨單元xi近端距雷達(dá)的斜距；Rie為分辨單元xi遠(yuǎn)端距雷達(dá)的斜距；Rref為解線頻調(diào)信號以足跡中心為參考信號對應(yīng)的參考距離；r為發(fā)射線性調(diào)頻信號的調(diào)頻斜率；c為光速;i為足跡沿距離向分辨單元個數(shù)。所述步驟(1)中多普勒頻率預(yù)補(bǔ)償量的計算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，vs為衛(wèi)星地速；lambda為發(fā)射信號波長；thetauz為散射計天線的掃描角；&為散射計天線波束的視角；sinib(thetael)為第一個分辨單元近端對應(yīng)視角的sin值。所述步驟(2)中各分辨單元近端預(yù)補(bǔ)償后的多普勒頻率偏移項及遠(yuǎn)端預(yù)補(bǔ)償后的多普勒頻率偏移項計算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，sin,"&)、sin,J《,)分別為第/'個分辨單元近端、遠(yuǎn)端對應(yīng)—見角的S/力值；^為衛(wèi)星地速；義為發(fā)射信號波長；^為散射計天線的掃描角；&為散射計天線波束的視角。本發(fā)明的原理是對于扇形波束圓錐掃描微波散射計而言，回波具有如下特性1)相比于點(diǎn)波束，足跡距離向(沿波束方向)大尺寸使得解線性調(diào)頻de-chirp后的信號帶寬較大；2)掃描角在0°~360°變化時，各回波的多普勒頻率是變化的；3)處于足跡不同部分的各分辨單元的回波具有不同的多普勒頻率偏移，足跡遠(yuǎn)端對應(yīng)的偏移大，足跡近端對應(yīng)的偏移小；4)對于地面相同大小的分辨單元，處于足跡遠(yuǎn)端的對應(yīng)多普勒帶寬窄，而處于足跡近端的對應(yīng)多普勒帶寬要寬。圖2是天線掃描一周，處于足跡不同部分的幾個分辨單元的多普勒歷程仿真結(jié)果。從圖中可以看出，天線掃描一周，處于足跡遠(yuǎn)端分辨單元的多普勒頻移變化為-410KHZ到+410KHZ,處于足跡近端分辨單元的多普勒頻移變化為-260KHZ到+260KHZ。當(dāng)天線掃描到0°、180°時足跡遠(yuǎn)端和近端的多普勒頻率差最大，約為150KHZ,這一數(shù)量級已與幾個分辨單元對應(yīng)的頻帶相比，必須加以考慮。為提高回波信號的測量精度以及各分辨單元的定位精度，需對不同掃描角、不同分辨單元的多普勒頻率進(jìn)行考慮，采取預(yù)補(bǔ)償或其它方法消除其影響。本發(fā)明在發(fā)射端預(yù)先補(bǔ)償最近足跡處分辨單元回波的多普勒頻移的基礎(chǔ)上，大尺寸足跡內(nèi)各分辨單元不同多普勒頻率的影響需通過數(shù)據(jù)處理器實時頻率定位來消除。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為本發(fā)明在扇形波束圓錐掃描微波散射計RFSCAT信號處理中事先計算出地面足跡最近處的多普勒頻率，控制使系統(tǒng)的發(fā)射載頻向相反的方向偏移相同的量，即對發(fā)射端的信號進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，以此在一定程度上減小系統(tǒng)接收機(jī)的帶寬，提高回波信號的測量精度。并且本發(fā)明在信號處理中，對經(jīng)過下變頻處理后的回波信號進(jìn)行實時頻率定位，消除大尺寸足跡內(nèi)各分辨單元不同多普勒頻率的影響，進(jìn)一步提高波束足跡內(nèi)各分辨單元回波信號的測量精度。散射計的主要目標(biāo)就是觀測海洋表面的風(fēng)場，而測量精度的提升對于海面風(fēng)場反演時風(fēng)速精度的反演有直接作用，測量精度越高，則風(fēng)速反演的越準(zhǔn)確。此外，測量精度的提升還對海面風(fēng)場反演時風(fēng)向的去模糊有一定幫助。圖1為SeaWinds信號處理框圖2為本發(fā)明天線掃描一周不同分辨單元的多普勒歷程；圖3為本發(fā)明圓錐掃描扇形波束散射計觀測示意圖4為本發(fā)明信號處理框圖5為本發(fā)明時/頻變換后足跡各距離段和頻率的對應(yīng)關(guān)系示意圖。具體實施例方式本發(fā)明中所述的扇形波束圓錐掃描微波散射計(RFSCAT)為一種新體制散射計。扇形波束圓錐掃描微波散射計通過一個長度為1m左右的棍狀天線發(fā)射一個窄長的扇形波束，天線繞著垂直軸緩慢的旋轉(zhuǎn)，波束照射的足跡由于圓錐掃描在海洋表面上形成一個圓環(huán)狀的寬廣區(qū)域，其圓錐掃描扇形波束散射計觀測示意圖如圖3所示，其系統(tǒng)參凄t如表1所示。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>如圖4所示，本發(fā)明扇形波束圓錐掃描微波散射計(RFSCAT)信號處理的方法為在接收機(jī)內(nèi)實現(xiàn)解線性調(diào)頻信號(de-chirp)，得到中頻模擬數(shù)據(jù)，即回波(或內(nèi)定標(biāo))信號，將該信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，分成噪聲通道和信號通道分別進(jìn)行處理，噪聲通道進(jìn)行數(shù)字下變頻、模平方、累加，得到能量值；信號通道進(jìn)行數(shù)字下變頻、FFT、模平方、實時頻率定位、多普勒頻率預(yù)補(bǔ)償量的計算、根據(jù)頻率定位結(jié)果進(jìn)行各分辨單元數(shù)據(jù)的能量累加，最終得到各分辨單元的能量值。下面分析一下其具體的實現(xiàn)方法在不考慮多普勒頻率偏移時，微波散射計回波信號解線頻調(diào)后的頻率和距離的對應(yīng)關(guān)系為其中乂為頻率，z為發(fā)射線性調(diào)頻信號的調(diào)頻^f率；《為目標(biāo)點(diǎn)距雷達(dá)的斜距；Rref為解線頻調(diào)信號對應(yīng)的參考距離(以足跡中心為參考信號)，c為光速，可用圖5來示意。假設(shè)足跡沿距離向可分為12個分辨單元(分辨單元的數(shù)量才艮據(jù)散射計的分辨率來確定)為[x1,x2,...,x12]，設(shè)各分辨單元時頻變換后對應(yīng)的頻率范圍為其中fib、fie(i=1~12)分別為分辨單元xi對應(yīng)的起始頻率和終止頻率。在沒有多普勒頻率偏移的情況下，將各分辨單元起始頻率fib與終止頻率fie范圍內(nèi)的數(shù)求模平方即是其能量值。fie或fib可根據(jù)下式得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(3)其中Rib為分辨單元x'近端距雷達(dá)的斜距；Rie為分辨單元x1遠(yuǎn)端距雷達(dá)的斜距。有多普勒頻率偏移fd的情況時，在同一方位角下，各分辨單元[x1,x2…x12]由于視角不同，對應(yīng)的fd也不同，且遠(yuǎn)端的fde大于近端的fdb、則此時分辨單元[x1,X2，…x12]時頻變換后對應(yīng)的頻率范圍為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(4)其中fdib,fdie(i=1~12)分別為分辨單元^近端、遠(yuǎn)端的多普勒頻率偏移。在發(fā)射端已按照近端多普勒頻率預(yù)補(bǔ)償后，各分辨單元對應(yīng)的頻率范圍為(5)此時，各分辨單元的能量值是對應(yīng)頻率范圍(fib+fdib-fdib,fie+fdie-fd1b)內(nèi)數(shù)的模平方。其中(fdib-fd1b)和(fdie-fd1b)可初步根據(jù)下兩式得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(6)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(7)其中vs為衛(wèi)星地速，義為發(fā)射信號波長，^為散射計天線的掃描角,thetael為散射計天線波束的視角，sin^《')、sin"《》分別為第/個分辨單元近端、遠(yuǎn)端對應(yīng)視角的Sin值，sin"&)為第一個分辨單元近端對應(yīng)視角的s/>值。根據(jù)以上分析，可將多普勒頻率預(yù)補(bǔ)償量的計算和實時頻率定位的具體實現(xiàn)步驟總結(jié)為(1)根據(jù)(3)式計算各分辨單元不計多普勒頻率偏移時的起始頻率,A、終止頻率厶，根據(jù)式(8)計算多普勒頻率預(yù)補(bǔ)償量/^提供給發(fā)射機(jī)；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(8)式中各字母含義同前所述。(2)根據(jù)式(6)確定各分辨單元近端預(yù)補(bǔ)償后的多普勒頻率偏移項(fdib-fd1b);-根據(jù)(7)式確定其遠(yuǎn)端預(yù)補(bǔ)償后的多普勒頻率偏移項(fdie-fd1b);(3)根據(jù)上面計算結(jié)果確定各分辨單元最終的起始頻率fib+fdib-fd1b和終止頻率為fie+fdie-fd1b,完成實時頻率定位。本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬本領(lǐng)域:技術(shù)人員公知常識。權(quán)利要求1、扇形波束圓錐掃描微波散射計信號處理方法，其特征在于包括下列步驟將采集的回波或內(nèi)定標(biāo)信號模數(shù)轉(zhuǎn)換后，分成噪聲通道和信號通道分別進(jìn)行處理；a.噪聲通道對轉(zhuǎn)換后信號依次進(jìn)行數(shù)字下變頻、模平方、累加處理，得到能量值；b．信號通道對轉(zhuǎn)換后信號依次進(jìn)行數(shù)字下變頻、傅立葉變換FFT、模平方、實時頻率定位，根據(jù)頻率定位結(jié)果進(jìn)行各分辨單元數(shù)據(jù)的能量累加，最終得到各分辨單元的能量值；其中，實時頻率定位過程如下(1)計算各分辨單元不計多普勒頻率偏移時的起始頻率fib、終止頻率fie和多普勒頻率預(yù)補(bǔ)償量fdlb；(2)根據(jù)步驟(1)的結(jié)果確定各分辨單元近端預(yù)補(bǔ)償后的多普勒頻率偏移項(fdib-fdld)及遠(yuǎn)端預(yù)補(bǔ)償后的多普勒頻率偏移項(fdie-fdlb)；(3)根據(jù)步驟(1)和步驟(2)得計算結(jié)果，確定各分辨單元最終的起始頻率fib+fdib-fdlb和終止頻率為fie+fdie-fdlb，完成實時頻率定位。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的扇形波束圓錐掃描微波散射計信號處理方法，其特征在于所述步驟(1)中的起始頻率尺、終止頻率叉計算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中，《*為分辨單元&近端距雷達(dá)的斜距；&為分辨單元x'遠(yuǎn)端距雷達(dá)的斜距；為解線頻調(diào)信號以足跡中心為參考信號對應(yīng)的參考距離；z為發(fā)射線性調(diào)頻信號的調(diào)頻斜率；c為光速J;為足跡沿距離向分辨單元個數(shù)。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的扇形波束圓錐掃描微波散射計信號處理方法，其特征在于所述步驟(1)中多普勒頻率預(yù)補(bǔ)償量/《的計算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，、為衛(wèi)星地速；義為發(fā)射信號波長；^為散射計天線的掃描角；&為散射計天線波束的視角；sinj&)為第一個分辨單元近端對應(yīng)一見角的5/>值。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的扇形波束圓錐掃描微波散射計信號處理方法，其特征在于所述步驟(2)中各分辨單元近端預(yù)補(bǔ)償后的多普勒頻率偏移項及遠(yuǎn)端預(yù)補(bǔ)償后的多普勒頻率偏移項計算公式為2v凡-=fcos(。[sm,應(yīng))-sin,)]/《-/"w=，c0S(《z)[S<(。-Sini6(。]其中，sini6(《,)、sin&(A)分別為第/'個分辨單元近端、遠(yuǎn)端對應(yīng)3見角的S/'A7值；^為衛(wèi)星地速；義為發(fā)射信號波長；^為散射計天線的掃描角；&為散射計天線波束的視角。全文摘要扇形波束圓錐掃描微波散射計信號處理方法，步驟為將采集的回波或內(nèi)定標(biāo)信號模數(shù)轉(zhuǎn)換后，分成噪聲通道和信號通道分別進(jìn)行處理；a.噪聲通道對轉(zhuǎn)換后信號依次進(jìn)行數(shù)字下變頻、模平方、累加處理，得到能量值；b.信號通道對轉(zhuǎn)換后信號依次進(jìn)行數(shù)字下變頻、傅立葉變換FFT、模平方、實時頻率定位，根據(jù)頻率定位結(jié)果進(jìn)行各分辨單元數(shù)據(jù)的能量累加，最終得到各分辨單元的能量值。本發(fā)明可以消除大尺寸足跡內(nèi)各分辨單元不同多普勒頻率的影響，進(jìn)一步提高波束足跡內(nèi)各分辨單元回波信號的測量精度。文檔編號G01S7/48GK101363913SQ20081016684公開日2009年2月11日申請日期2008年9月27日優(yōu)先權(quán)日2008年9月27日發(fā)明者劉麗霞,段崇棣,王小寧,語郭申請人:中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五○四研究所