一種掃描波束高分辨率的雷達散射計的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種掃描波束高分辨率的雷達散射計，所述雷達散射計采用筆形波束圓錐掃描體制，其包括：天線單元、發(fā)射機單元、接收機單元、信號處理與控制單元、多普勒銳化處理單元和高分辨處理單元；該天線單元采用窄波束圓錐掃描體制，該發(fā)射機單元生成線性調頻脈沖信號，發(fā)射該脈沖時對應一個觀測方位角該接收機單元將接收到的該脈沖信號進行低噪聲放大、中頻接收、混頻去斜坡和相位檢波處理，提取出回波信號，該數(shù)字處理與控制單元記錄所述發(fā)射信號對應觀測方位角根據(jù)該觀測方位角大小，判斷所述雷達散射計的天線指向的波束照射區(qū)域；即刈幅兩側或刈幅中間；從而確定采用多普勒波束銳化方法或者高采樣重建方法，得到高分辨率的后向散射系數(shù)。
【專利說明】
一種掃描波束高分辨率的雷達散射計
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及雷達散射計的技術領域，特別涉及一種掃描波束高分辨率的雷達散射 計。
【背景技術】
[0002] 雷達散射計是一種用來測量地球表面歸一化后向散射系數(shù)的雷達系統(tǒng)，其最初的 設計目標應用于大尺度海洋表面風的測量，即通過地球物理模型方程(GMF)將測得的后向 散射數(shù)據(jù)反演出海面風場。散射計作為一種主動微波遙感器，具有觀測刈幅寬、全球覆蓋速 度快、測量精度高等優(yōu)點，已經成為陸地定量遙感的理想傳感器。
[0003] 根據(jù)天線配置和觀測方位角測量實現(xiàn)方式，星載微波散射計分為固定扇形波束散 射計、筆形波束旋轉掃描散射計和扇形波束旋轉掃描散射計三類。由于采用高增益的筆形 波束天線，使筆形波束掃描散射計所需功率較小，從而使其逐漸成為星載雷達散射計的主 流。由于雷達散射計在地面上形成分辨單元具有兩維尺度，即距離向分辨率和方位向分辨 率;所以分辨單元需要在兩個不同的方向上實現(xiàn)高分辨率，即通過提高距離向和方位向的 分辨率來提高空間分辨率。目前，傳統(tǒng)的筆形波束散射計只使用了脈沖壓縮技術來提高距 離向分辨率，而方位向分辨率由于受天線波束寬度的限制，能達到的分辨率相對較低。隨著 雷達散射計觀測技術的發(fā)展，兼顧寬刈幅和高分辨率要求成為觀測需求和技術發(fā)展的重要 趨勢。
[0004] 寬刈幅的實現(xiàn)，采用波束掃描方式是一種有效的解決方案，而圍繞星下方向的圓 錐掃描刈幅寬度決定于入射角外沿，能夠實現(xiàn)寬的觀測刈幅。
[0005] 為了提高空間分辨率，采用調頻脈沖和脈沖壓縮技術，可以有效提高距離方向（俯 仰方向）的分辨率，已經成為現(xiàn)代星載雷達提高分辨率的有效手段。對于方位方向分辨率的 提高，采用多普勒波束銳化方案的綜合孔徑信號處理和采用超采樣高分辨率重建是提高分 辨率的途徑。
[0006] 綜合孔徑處理技術在距離-方位二維向上可以采用聯(lián)合距離-多普勒處理算法來 提高空間分辨率，這與合成孔徑雷達(SAR)獲得高分辨率的方法相類似。雖然，在原理上，圓 錐掃描微波散射計采用的多普勒濾波技術與SAR的情形相類似;但是，兩者仍具有重要差 另|J:(1)SAR系統(tǒng)通常采用陣列天線，以固定的方位角(一般是側視)觀測地面，存在觀測刈幅 窄、方位角單一的問題;而圓錐掃描微波散射計的天線足跡連續(xù)旋轉掃描目標場景，能夠實 現(xiàn)寬刈幅、多方位角的觀測；（2)對于圓錐掃描微波散射計，測量方位角隨著測量幅寬而變 化，這相當于每個測量單元的斜視角不同，導致幅寬內分辨率性能的變化。
[0007] 提高散射計空間分辨率的另一種方法是高采樣重建方法。眾所周知，隨著散射計 天線掃描獲得的真實孔徑條帶后向散射系數(shù)實際上是視場范圍內地表散射強度被天線方 向圖加權模糊的結果，因此地表條帶后向散射系數(shù)高分辨重建可等價為對天線方向圖的反 卷積過程。利用這種反卷積方法的前提是已知天線方向圖且滿足重建區(qū)域充分采樣。通常， 天線方向圖可在發(fā)射前測得。對于傳統(tǒng)的用于風場測量的散射計而言，重建區(qū)域的充分采 樣可通過覆蓋這一區(qū)域多軌、多天的觀測數(shù)據(jù)實現(xiàn)。但對于如凍融監(jiān)測這種晝夜變化較大 的陸地觀測情況，如果采用多天的觀測數(shù)據(jù)無疑會使反演精度下降。特別是隨著星載微波 散射計發(fā)展，逐步提高其采樣頻率已成為散射計發(fā)展的重要趨勢。因此，通過提高散射計采 樣頻率并結合反卷積處理算法實現(xiàn)條帶后向散射系數(shù)高分辨重建是提高雷達散射計空間 分辨率的重要方法。

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于，為解決現(xiàn)有的合成孔徑雷達觀測刈幅窄，以及傳統(tǒng)的雷達散 射計空間分辨率低的觀測缺陷，進而提供一種掃描波束高空間分辨率的雷達散射計;所述 雷達散射計采用旋轉掃描天線，其包括:天線單元、發(fā)射機單元，接收機單元、數(shù)字處理與控 制單元、多普勒銳化處理單元和高分辨處理單元;所述發(fā)射機單元生成并發(fā)射線性調頻脈 沖信號，在發(fā)射該線性調頻脈沖信號時，對應一個觀測方位角所述接收機單元接收該脈 沖信號并對其進行低噪聲放大、中頻接收、混頻去斜坡和相位檢波的處理，提取出回波信 號，所述數(shù)字處理與控制單元記錄所述發(fā)射信號對應的觀測方位角切 :當所述觀測方位角識 為刈幅兩側時，波束照射區(qū)域為多普勒波束銳化區(qū)域，在所述多普勒銳化處理單元，采用多 普勒波束銳化方法，將去載頻后的回波進行方位向和距離向的兩維去調頻，再進行距離向 和方位向脈沖壓縮，得到由多個分辨單元組成的二維的高分辨率的處理數(shù)據(jù)，從而得到高 分辨后向散射系數(shù)；當所述觀測方位角在刈幅中間時，所述波束照射區(qū)域為高采樣重建區(qū) 域，在所述高分辨處理單元中，采用高采樣重建方法，測得條帶回波功率，并計算條帶后向 散射系數(shù)，再根據(jù)反卷積法，得到高分辨后向散射系數(shù)。
[0009] 所述天線單元采用窄波束圓錐掃描體制，用于實現(xiàn)旋轉筆形波束掃描;其包括反 射面天線和掃描伺服機構;該掃描伺服機構用于控制天線旋轉。
[0010] 當所述波束照射區(qū)域為多普勒波束銳化區(qū)域時，即刈幅兩側，采用多普勒波束銳 化方法，所述多普勒銳化處理單元對經過所述接收機單元和所述數(shù)字處理與控制單元的回 波信號去載頻，將所述去載頻后的回波進行方位向和距離向的兩維去調頻，再進行距離向 和方位向脈沖壓縮，得到由多個分辨單元組成的二維的高空間分辨率的處理數(shù)據(jù)，該處理 數(shù)據(jù)需要下傳到星下進行處理，進一步得到觀測的后向散射系數(shù)，所述后向散射系數(shù)作為 觀測目標特性的反演數(shù)據(jù)。
[0011] 當所述波束照射區(qū)域為高采樣重建區(qū)域時，即別幅中間，采用高采樣重建方法，由 所述高分辨處理單元下傳的地面反射的條帶回波功率，計算條帶后向散射系數(shù)，利用反卷 積方法，進而得到高分辨后向散射系數(shù)。
[0012] 所述多普勒波束銳化方法進一步包括：
[0013] (a)將所述多普勒銳化處理單元對經過所述接收機單元和所述數(shù)字處理與控制單 元的回波信號進行去載頻，得到雷達在一個Burst數(shù)據(jù)塊內獲得的基帶回波數(shù)據(jù)s r(t，T)， 記為(1)式，

[0017] 其中，積分區(qū)域為掃描場景范圍，C為光速，〇(x，r)表示地面(x，r)處的條帶后向散 射系數(shù)，€(%)為天線方向圖：
為天線方位角，Go為天 線的最大增益，為天線方位向波束寬度;t和τ分別對應表示方位向的"慢時間"和表示距 離向的"快時間"，τΡ表示發(fā)射脈沖寬度，γ表示發(fā)射脈沖的調頻率，λ表示波長，Tb為脈沖簇 發(fā)射長度，R(t;r，x)表示斜距；
[0018] (b)將步驟(a)中的所述去載頻后的回波在距離向和方位向分別進行脈沖壓縮處 理。該方法根據(jù)線性調頻脈沖信號時間和頻率的對應關系，進行方位向和距離向的兩維去 調頻;即將所述(1)式乘以exp [ - j2JTf QTr-jJT γ (t-Tr)2 ]，記為⑵式，
[0020] 其中f o為中心頻率，~為距離向的延遲時間；
[0021] 隨后，在所述多普勒銳化處理單元中，對該(2)式進行距離向FFT，記為(3)式，
[0022] FFT[Sr_dechirp(t,T)] (3)
[0023] 然后，將(3)式再乘以exp[-jJifrg2/y ]，記為⑷式，
[0024] FFT {t, Γ)] exp(-yX/；; / γ) (4)
[0025] 其中，frg為距離向頻率；
[0026]最后，再進行距離向IFFT，記為(5)式
[0027] r) = IFFT[FFT[sr_Jechhp(t, r)] (5)
[0028] 上述的FFT/IFFT運算有很好的高效性，比在時域作卷積運算有效。
[0029] 通過上述操作將步驟(a)中的所述去載頻后的回波進行方位向和距離向的兩維去 調頻，得到回波基帶信號在距離快時間域和方位慢時間域的表述形式；
[0030] 通過上述的距離向FFT/IFFT運算，消除殘余視頻相位誤差，校正距離向帶寬隨著 距離向延伸產生的帶寬展寬；
[0031] 最后，再對上述結果進行距離向FFT、方位向FFT處理，即
[0032] FFTx{FFTt[srd(t,T)]}
[0033] 得到由多個分辨單元組成的二維的高空間分辨率的處理數(shù)據(jù)；
[0034] (c)旋轉所述具有掃描體制的雷達散射計的觀測幾何可知，所述觀測方位角辦與方 位向分辨率之間的關系，用(6)式表示為：
[0036] 其中，δ3Ζ為考慮地球斜視影響和觀測系統(tǒng)的方位向分辨率，f(0az)為由于斜視變 形而影響方位向分辨率的降低因子，9 az天線方位角，λ為載波波長，R〇為觀測斜距，Vsat為衛(wèi) 星速度，Tdw為有效駐留時間；
[0037] 因此，根據(jù)該方位向分辨率來劃分觀測單元，實現(xiàn)高空間分辨率的觀測;而所述觀 測單元是由所述步驟(b)中得到的分辨單元的處理數(shù)據(jù)組成；
[0038] (d)在完成所述步驟(c)后，所述步驟(b)中得到的分辨單元的處理數(shù)據(jù)下傳到星 下的地面接收站進行處理，進一步得到位于刈幅兩側的觀測的后向散射系數(shù)，所述后向散 射系數(shù)作為觀測目標特性的反演數(shù)據(jù)。
[0039]所述高采樣重建方法進一步包括以下具體處理過程：
[0040] (aa)由所述高分辨處理單元下傳得到的地面反射的條帶回波功率數(shù)據(jù)來計算條 帶后向散射系數(shù)，記為茂6 ;那么，所述條帶后向散射系數(shù)護用(7)式表示為：
[0042] 其中，Ps為散射計條帶回波功率，X為定標因子；
[0043] (bb)所述步驟(aa)中的條帶后向散射系數(shù)實際為高分辨的后向散射系數(shù)的空間 加權平均值，因此步驟(aa)中的條帶后向散射系數(shù)進一步表示為(8)式：
[0045] 其中3代表地面坐標系，用來表征條帶范圍內高分辨散射點的位置，為位于芬 處的散射計空間響應函數(shù)，在散射計發(fā)射前通過實驗手段獲得，為位于？處的高分辨 后向散射系數(shù)，Α表示條帶照射區(qū)域，η表征散射計測得的條帶后向散射系數(shù)受到熱噪聲、儀 器測量誤差、數(shù)據(jù)處理誤差影響引入的測量誤差，該誤差服從均值為零方差為
的高斯分布，其中，Κρ為歸一化測量誤差，
varpl表示#的方差表示?0的均值；
[0046] (cc)在所述反卷積子單元中，在刈幅中間區(qū)域，即高采樣重建區(qū)域，隨著波束足印 的運動軌跡，利用相同條帶的多次重疊測量，增大采樣頻率，采用反卷積重建方法實現(xiàn)散射 計方位向分辨率的提高;根據(jù)所述步驟(bb)給出的（8)式，采用反卷積方法對(8)式進行反 卷積重建得到高分辨的σ 13，所述過程等價為以下優(yōu)化問題的求解：
[0048] 其中，f 亦-歲2為數(shù)值保真項，保證估計的符合(8)式，W( 〇Q)表示 對施加的約束條件，估計的#滿足已知的或假設的先驗信息，α為可調參數(shù)；
[0049] α值越大，解越接近先驗信息項;α值越小，解越接近于數(shù)值保真項;α為0,（8)式退 化為最小二乘問題。
[0050] (dd)在完成所述步驟(CC)后，所得的估計的#即為具有高分辨率的位于刈幅中間 的后向散射系數(shù)。
[0051] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0052] 采用旋轉掃描天線波束，實現(xiàn)寬刈幅觀測(>1000km)，能夠實現(xiàn)全天時持續(xù)工作以 及快速的全球覆蓋，同時結合采用脈沖壓縮和高分辨率信號處理能夠實現(xiàn)高分辨率(優(yōu)于 2_5km);根據(jù)觀測方位角的值來分區(qū)域采用多普勒波束銳化和高采樣重建兩種方法，實現(xiàn) 散射計全刈幅范圍的高分辨處理。
【附圖說明】
[0053] 圖1是本發(fā)明的掃描波束高分辨率的雷達散射計的觀測幾何；
[0054]圖2是本發(fā)明的掃描波束高分辨率的雷達散射計的系統(tǒng)處理示意圖；
[0055] 圖3是本發(fā)明的掃描波束高分辨率的雷達散射計的高分辨處理流程圖；
[0056] 1、地面足印 2、刈幅
[0057] 3、反饋面 4、斜距
[0058] 5、觀測方位角妒 6、天線饋源
[0059] 7、波束足印 8、多普勒銳化區(qū)域
[0060] 9、高采樣重建區(qū)域
【具體實施方式】
[0061]以下結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0062] 本發(fā)明提供了一種掃描波束高分辨率的雷達散射計，同時，本發(fā)明提出一種結合 波束圓錐掃描和高分辨率處理的技術方案，實現(xiàn)兼顧寬刈幅和高分辨率的觀測要求。所述 雷達散射計采用波束旋轉掃描天線，如圖2所示，其包括:天線單元、發(fā)射機單元、接收機單 元、數(shù)字處理與控制單元、多普勒銳化處理單元和高分辨處理單元;所述天線單元采用窄波 束圓錐掃描體制，用于實現(xiàn)旋轉筆形波束掃描，所述發(fā)射機單元生成并發(fā)射線性調頻脈沖 信號，在發(fā)射該線性調頻脈沖信號時，對應一個觀測方位角，5,所述接收機單元接收該脈 沖信號并對其進行低噪聲放大、中頻接收、混頻去斜坡和相位檢波的處理，提取出回波信 號，所述數(shù)字處理與控制單元記錄所述發(fā)射信號對應的觀測方位角供5:當所述觀測方位角 爐5為刈幅2兩側時，波束照射區(qū)域為多普勒波束銳化區(qū)域8,在所述多普勒銳化處理單元8 中，采用多普勒波束銳化方法，將去載頻后的回波進行方位向和距離向的兩維去調頻，再進 行距離向和方位向脈沖壓縮，得到由多個分辨單元組成的二維的高分辨率的處理數(shù)據(jù)，從 而得到高分辨后向散射系數(shù)；當所述觀測方位角爐5在刈幅2中間時，所述波束照射區(qū)域為 高采樣重建區(qū)域9,在所述高分辨處理單元9中，采用高采樣重建方法，測得條帶回波功率， 并計算條帶后向散射系數(shù)，再根據(jù)反卷積法，得到高分辨后向散射系數(shù)。
[0063] 所述天線單元采用窄波束圓錐掃描體制，用于實現(xiàn)旋轉筆形波束掃描;其包括反 射面天線和掃描伺服機構;該掃描伺服機構用于控制天線旋轉。
[0064] 如圖1所示，地面足印1反射信號到反饋面3,反射路徑稱為斜距4,當所述筆形波束 天線的觀測方向與飛行方向垂直時，即所述觀測方位角辦：5為90°，則所述波束照射區(qū)域為 多普勒波束銳化區(qū)域8,即刈幅2兩側，在實際操作過程中，如圖2所示，在星上進行高分辨處 理，采用多普勒波束銳化方法來提高所述雷達散射計的分辨率；
[0065] (3)如圖1所示，當所述筆形波束天線的觀測方向與衛(wèi)星方向平行時，即所述觀測 方位角識5為0°，則所述波束照射區(qū)域為高采樣重建區(qū)域9,即刈幅2的中間，所述高采樣重 建區(qū)域9為非多普勒波束銳化區(qū)域，如圖2所示，在星下進行高空間分布處理，采用高采樣重 建方法來提高所述雷達散射計的分辨率；
[0066]如圖3所示，所述多普勒波束銳化方法進一步包括以下具體處理過程：
[0067] (a)將所述多普勒銳化處理單元對經過所述接收機單元和所述數(shù)字處理與控制單 元的回波信號進行去載頻，得到雷達在一個Burst數(shù)據(jù)塊內獲得的基帶回波數(shù)據(jù)sr(t，T)， 記為(1)式，
[0071] 其中積分區(qū)域為掃描場景范圍，c為光速，〇(x，r)表示地面(x，r)處的條帶后向散 射系數(shù)，為天線方向圖，
，外為天線方位角，Go為天 線的最大增益，為天線方位向波束寬度;t和τ分別對應表示方位向的"慢時間"和表示距 離向的"快時間"，τΡ表示發(fā)射脈沖寬度，γ表示發(fā)射脈沖的調頻率，λ表示波長，Tb為脈沖簇 發(fā)射長度，R(t;r，x)表示斜距；
[0072] (b)將步驟(a)中的所述去載頻后的回波在距離向和方位向分別進行脈沖壓縮處 理。該方法根據(jù)線性調頻脈沖信號時間和頻率的對應關系，進行方位向和距離向的兩維去 調頻;即將所述(1)式乘以exp [ - j2JTf QTr-jJT γ (t-Tr)2 ]，記為⑵式，
[0074] 其中f o為中心頻率，~為距離向的延遲時間；
[0075]隨后，在所述多普勒銳化處理單元中，對該(2)式進行距離向FFT，記為(3)式，
[0076] FFT[sr_dechirp(t,x)] (3)
[0077] 然后，將(3)式再乘以exp[-jJifrg2/y ]，記為⑷式，
[0078] FFT\sr JeLhjrp{t, r)] expf-jyr./；；//) ⑷
[0079] 其中，心為距離向頻率；
[0080] 最后，再進行距離向IFFT，記為(5)式
[0081] sni{Lr) = !FFT\FFT[sr ,A,,,?X^r)]-exp(-^/；.；：//)} (5)
[0082] 上述的FFT/IFFT運算有很好的高效性，比在時域作卷積運算有效。
[0083] 通過上述操作將步驟(a)中的所述去載頻后的回波進行方位向和距離向的兩維去 調頻，得到回波基帶信號在距離快時間域和方位慢時間域的表述形式；
[0084] 通過上述的距離向FFT/IFFT運算，消除殘余視頻相位誤差，校正距離向帶寬隨著 距離向延伸產生的帶寬展寬；
[0085] 最后，再對上述結果進行距離向FFT、方位向FFT處理，即 [0086] FFTx{FFTt[srd(t,T)]}
[0087 ]得到由多個分辨單元組成的二維的高空間分辨率的處理數(shù)據(jù)；
[0088] (c)旋轉所述具有掃描體制的雷達散射計的觀測幾何可知，如圖3所示，所述觀測 方位角0 5與方位向分辨率之間的關系，用(6)式表示為：
[0090]其中，δ3Ζ為考慮地球斜視影響和觀測系統(tǒng)的方位向分辨率，f(0az)為由于斜視變 形而影響方位向分辨率的降低因子，9az天線方位角，λ為載波波長，R〇為觀測斜距，Vsat為衛(wèi) 星速度，Tdw為有效駐留時間；
[0091]因此，根據(jù)該方位向分辨率來劃分觀測單元，實現(xiàn)高空間分辨率的觀測;而所述觀 測單元是由所述步驟(b)中得到的分辨單元的處理數(shù)據(jù)組成；
[0092] (d)在完成所述步驟(c)后，所述步驟(b)中得到的分辨單元的處理數(shù)據(jù)下傳到星 下的地面接收站進行處理，進一步得到位于刈幅兩側的觀測的后向散射系數(shù)，所述后向散 射系數(shù)作為觀測目標特性的反演數(shù)據(jù)。
[0093] 所述多普勒波束銳化方法應用于空對地中提供高分辨率的地圖測繪和高分辨率 的局部放大測繪，以及空對空敵情判斷狀態(tài)可分辨出密集編隊的群目標。
[0094]如圖3所示，所述高采樣重建方法進一步包括以下具體處理方法：
[0095] (aa)由所述圖2中的高分辨處理單元下傳得到的地面反射的條帶回波功率數(shù)據(jù)來 計算條帶后向散射系數(shù)，記為歹° ;那么，所述條帶后向散射系數(shù)爐可以用(7)式表示為：
[0097] 其中，Ps為散射計條帶回波功率，X為定標因子；
[0098] (bb)所述步驟(aa)中的條帶后向散射系數(shù)實際為高分辨的后向散射系數(shù)的空間 加權平均值，因此步驟(aa)中的條帶后向散射系數(shù)可進一步表示為(8)式：
[0100] 其中j代表地面坐標系，用來表征條帶范圍內高分辨散射點的位置，為位于交 處的散射計空間響應函數(shù)，可在散射計發(fā)射前通過實驗手段獲得，#(?)為位于β處的高分 辨后向散射系數(shù)，Α表示條帶照射區(qū)域，η表征散射計測得的條帶后向散射系數(shù)受到熱噪聲、 儀器測量誤差、數(shù)據(jù)處理誤差等影響引入的測量誤差，該誤差服從均值為零方差為 被^/^/辦^間而/的高斯分布以中…為歸一化測量誤差， var ]表示的方差，< 斤° ]表示#的均值；
[0101] (cc)如圖1所示，在所述反卷積子單元中，在刈幅中間區(qū)域，即高采樣重建區(qū)域9， 隨著波束足印7的運動軌跡，可利用相同條帶的多次重疊測量，增大采樣頻率，采用反卷積 重建方法實現(xiàn)散射計方位向分辨率的提高;根據(jù)所述步驟(bb)給出的（8)式，可采用反卷積 方法對(8)式進行反卷積重建得到高分辨的(Λ所述過程可等價為以下優(yōu)化問題的求解：
[0103] 其中，f /^)σ?(?〇亦-歲 '為數(shù)值保真項，保證估計的符合(8)式，Ψ(σ?)表示 J} 對0°施加的約束條件，使估計的#滿足已知的(或假設的)先驗信息，α為可調參數(shù)；
[0104] α值越大，解越接近先驗信息項;α值越小，解越接近于數(shù)值保真項；當α為0時，（8) 式退化為最小二乘問題。
[0105] (dd)在完成所述步驟(cc)后，所得的估計的#即為具有高分辨率的位于刈幅中間 的后向散射系數(shù)。
[0106] 所述高分辨雷達散射計，除了可應用在諸如雪水當量、地表凍融、極地冰蓋冰架等 陸地觀測中還可應用在海面風場、熱帶氣旋等海洋觀測。
[0107] 最后需要說明的是，【具體實施方式】中所述的實驗用圖僅用來說明本發(fā)明的技術方 案軟件算法的可行性而非局限于此例，算法已經經過大量實驗數(shù)據(jù)驗證，是真實可靠的，搭 配硬件便可實現(xiàn)本發(fā)明的技術方案。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的 普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技 術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種掃描波束高分辨率的雷達散射計，其特征在于，所述雷達散射計采用筆形波束 圓錐掃描體制并且實現(xiàn)全球寬刈幅覆蓋和高分辨率觀測，其包括:天線單元、發(fā)射機單元、 接收機單元、信號處理與控制單元、多普勒銳化處理單元和高分辨處理單元;所述天線單元 采用窄波束圓錐掃描體制，用于實現(xiàn)旋轉筆形波束掃描，所述發(fā)射機單元生成并發(fā)射線性 調頻脈沖信號，在發(fā)射該線性調頻脈沖信號時，對應一個觀測方位角與，所述接收機單元接 收該脈沖信號并對其進行低噪聲放大、中頻接收、混頻去斜坡和相位檢波的處理，提取出回 波信號，所述數(shù)字處理與控制單元記錄所述發(fā)射信號對應的觀測方位角口;當所述觀測方位 角口為刈幅兩側時，波束照射區(qū)域為多普勒波束銳化區(qū)域，在所述多普勒銳化處理單元，采 用多普勒波束銳化方法，將去載頻后的回波進行方位向和距離向的兩維去調頻，再進行距 離向和方位向脈沖壓縮，得到由多個分辨單元組成的二維的高分辨率的處理數(shù)據(jù)，從而得 到高分辨后向散射系數(shù)；當所述觀測方位角在刈幅中間時，所述波束照射區(qū)域為高采樣重 建區(qū)域，在所述高分辨處理單元中，采用高采樣重建方法，測得條帶回波功率，并計算條帶 后向散射系數(shù)，再根據(jù)反卷積法，得到高分辨后向散射系數(shù)。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種掃描波束高分辨率的雷達散射計，其特征在于，所述天線 單元包括一個反射面天線和掃描伺服機構;該掃描伺服機構用于控制天線旋轉。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種掃描波束高分辨率的雷達散射計，其特征在于，所述多普 勒波束銳化方法進一步包括： (a) 將所述多普勒銳化處理單元對經過所述接收機單元和所述數(shù)字處理與控制單元的 回波信號進行去載頻，得到雷達在一個Burst數(shù)據(jù)塊內獲得的基帶回波數(shù)據(jù)Sr(t，T)，記為 …式，其中，積分區(qū)域為掃描場景范圍，C為光速，〇(x，r)表示地面(x，r)處的條帶后向散射系 數(shù)，巧，(從）為天線方向圖，即，從為天線方位角，Go為天線的 最大增益，Paz為天線方位向波束寬度;t和τ分別對應表示方位向的"慢時間"和表示距離向 的"快時間"，τρ表示發(fā)射脈沖寬度，丫表示發(fā)射脈沖的調頻率，λ表示波長，Tb為脈沖簇發(fā)射 長度，3(1;1',義)表不斜距； (b) 將步驟(a)中的所述去載頻后的回波在距離向和方位向分別進行脈沖壓縮處理;該 方法根據(jù)線性調頻脈沖信號時間和頻率的對應關系，進行方位向和距離向的兩維去調頻； 即將所述（1)式乘W exp [ - j化f〇T廣jJT 丫（ t-Tr)2 ]，記為（2)式，其中fo為中屯、頻率，Tr為距離向的延遲時間； 隨后，在所述多普勒銳化處理單元中，對該(2)式進行距離向FFT，記為(3)式， FFT [ Sr_dechirp (t , ? ] ( 3 ) 然后，將(3)式再乘We邱[-j灶rgV 丫]，記為(4)式，(4) 其中，f rg為距離向頻率； 最后，再進行距離向IFFT，記為巧)式上述的FFT/IFFT運算有很好的高效性，比在時域作卷積運算有效； 通過上述操作將步驟(a)中的所述去載頻后的回波進行方位向和距離向的兩維去調 頻，得到回波基帶信號在距離快時間域和方位慢時間域的表述形式； 通過上述的距離向FFT/IFFT運算，消除殘余視頻相位誤差，校正距離向帶寬隨著距離 向延伸產生的帶寬展寬； 最后，再對上述結果進行距離向FFT、方位向FFT處理，即 FFTx{FFTt[srd(t,T)]} 得到由多個分辨單元組成的二維的高空間分辨率的處理數(shù)據(jù)； (C)旋轉所述具有掃描體制的雷達散射計的觀測幾何可知，所述觀測方位角管與方位向 分辨率之間的關系，用(6)式表示為：(6) 其中，Saz為考慮地球斜視影響和觀測系統(tǒng)的方位向分辨率，f(0az)為由于斜視變形而影 響方位向分辨率的降低因子，目az天線方位角，λ為載波波長，Ro為觀測斜距，Vsat為衛(wèi)星速度， Tdw為有效駐留時間； 因此，根據(jù)該方位向分辨率來劃分觀測單元，實現(xiàn)高空間分辨率的觀測；而所述觀測單 元是由所述步驟(b)中得到的分辨單元的處理數(shù)據(jù)組成； (d)在完成所述步驟(C)后，所述步驟(b)中得到的分辨單元的處理數(shù)據(jù)下傳到星下的 地面接收站進行處理，進一步得到位于刈幅兩側的觀測的后向散射系數(shù)，所述后向散射系 數(shù)作為觀測目標特性的反演數(shù)據(jù)。4.根據(jù)權利要求1所述的一種掃描波束高分辨率的雷達散射計，其特征在于，所述高采 樣重建方法進一步包括： (aa)由所述高分辨處理單元下傳得到的地面反射的條帶回波功率數(shù)據(jù)來計算條帶后 向散射系數(shù)，記為滬挪么，所述條帶后向散射系數(shù)護用(7)式表示為：17) 其中，Ps為散射計條帶回波功率，X為定標因子； (bb)所述步驟(aa)中的條帶后向散射系數(shù)實際為高分辨的后向散射系數(shù)的空間加權 平均值，因此步驟(aa)中的條帶后向散射系數(shù)進一步表示為(8)式：(8) 其中，代表地面坐標系，用來表征條帶范圍內高分辨散射點的位置，W 為位于P處的散 射計空間響應函數(shù)，在散射計發(fā)射前通過實驗手段獲得，0·0巧)為位于處的高分辨后向散射 系數(shù)，A表示條帶照射區(qū)域，η表征散射計測得的條帶后向散射系數(shù)受到熱噪聲、儀器測量誤 差、數(shù)據(jù)處理誤差影響引入的測量誤差，該誤差服從均值為零方差夫的高斯分布，其中，Κρ為歸一化測量誤差，且滿足表示巧《的方差， S[滬]表示5。的均值； (CC)在所述反卷積子單元中，在刈幅中間區(qū)域，即高采樣重建區(qū)域，沿著波束足印的運 動軌跡，利用相同條帶的多次重疊測量，增大采樣頻率，采用反卷積重建方法實現(xiàn)散射計方 位向分辨率的提高;根據(jù)所述步驟(bb)給出的（8)式，采用反卷積方法對(8)式進行反卷積 重建得到高分辨的cA所述過程等價為W下優(yōu)化問題的求解：其中對數(shù)值保真項，保證估計的〇*^符合(8)式，Ψ (0*^)表示對曰^^施 加的約束條件，估計的馬足已知的或假設的先驗信息，α為可調參數(shù)； α值越大，解越接近先驗信息項；α值越小，解越接近于數(shù)值保真項；α為0,（8)式退化為 最小二乘問題； ((1(1)在完成所述步驟((3(3)后，所得的估計的〇<^即為具有高分辨率的位于刈幅中間的后 向散射系數(shù)。
【文檔編號】G01S13/95GK106093932SQ201610656894
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月11日 公開號201610656894.9, CN 106093932 A, CN 106093932A, CN 201610656894, CN-A-106093932, CN106093932 A, CN106093932A, CN201610656894, CN201610656894.9
【發(fā)明人】董曉龍, 劉麗玲, 王剛, 朱迪, 徐星歐
【申請人】中國科學院國家空間科學中心