专利名称：：扇形波束圆锥扫描微波散射计信号处理方法
技术领域：
：本方法涉及对微波散射计在线信号处理方法，特别涉及对扇形波速圓锥扫描微波散射计的信号处理，属于微波遥感
技术领域：
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背景技术：
：微波散射计是一种测量目标表面后向散射系数a°的雷达系统。星载微波散射计的主要用途是海面风场测量，它是目前唯一能够同时测量海面风速和风向的遥感仪器。国内外已经在轨工作过或在研的星载微波散射计有固定多波束和笔形波束圆锥扫描两种体制。星载扇形波束圓锥扫描微波散射计(RFSCAT)是近年来国外学者提出的一种新型体制的微波散射计，其结合了传统固定扇形波束体制散射计和笔形波束圆锥扫描体制散射计两者的优点，具有极大提高风场(包括风速和风向)反演精度和去风向模糊的能力，具有向陆地观测等其它应用扩展的潜力，研究意义重大。在线信号处理是扇形波束圆锥扫描微波散射计的关键技术之一。国外有关星载扇形波束圆锥扫描微波散射计的主要文章有2篇，其中比较重要的一篇如Chung國ChiLin撰写的"AnAnalysisofaRotating,Range-Gated,FanbeamSpaceborneScatterometerConcept"主要4十对这一散射i十的才既念以及系统参数的设计进行了论述，并未对具体的后续信号处理进行讨论；而另一篇由Chung國ChiLin和AdStoffelen撰写的"WindRetrievalCapabilityofRotating,Range-Gated,FanbeamSpaceborneScatterometer"主要对这一散射计后续风场反演的所需注意的问题进行论述，并简要介绍了专为这一散射计风场反演所建的模型函数，也未对信号处理进行分析。因此，为开发实际的扇形波束圆锥扫描微波散射计系统，还必须在其信号处理方面进行突破。扇形波束圆锥扫描微波散射计系统与信号处理(指在线信号处理)有关的工作特点为发射信号形式为线性调频脉冲信号，通过距离滤波来提高分辨率，脉压方式采用解线频调的方式，釆用同时同频带的纯净回波信号才全测方式等。在体制上和所采取的信号处理方法方面，扇形波束圓锥扫描孩支波散射计与笔形波束圓锥扫描散射计具有更多的可比性。国内外研制过的星载笔形波束圆锥扫描微波散射计有QuikSCAT卫星的SeaWinds(已发射)、ADEOS-II卫星的SeaWinds(已发射)、ADEOS-3卫星的SeaWinds-1B、以及HY-2卫星微波散射计。这些散射计的信号总的处理方法可概括为釆集回波(或内定标)信号，采用不同带宽的数字滤波器分成噪声通道和信号通道分别进行处理，求取能量。具体实现起来，根据系统设计不同，会有些具体的不同。如SeaWinds信号处理是基带的，首先对噪声通道进行简单的^t平方、累加，得到能量值；信号通道进行de-chirp、FFT、模平方、累力口，得到各分辨单元的能量值，框图如图1。
发明内容本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，针对扇形波束圓锥扫描微波散射计的回波特性，提供一种扇形波束圆锥扫描微波散射计信号处理方法。本发明的技术解决方案是扇形波束圆锥扫描微波散射计信号处理方法，包括下列步骤将采集的回波或内定标信号模数转换后，分成噪声通道和信号通道分别进行处理；a.噪声通道对转换后信号依次进行数字下变频、模平方、累加处理，得到能量值；b.信号通道对转换后信号依次进行数字下变频、傅立叶变换FFT、模平方、实时频率定位，根据频率定位结果进行各分辨单元数据的能量累加，最终得到各分辨单元的能量值；其中，实时频率定位过程如下(1)计算各分辨单元不计多普勒频率偏移时的起始频率人、终止频率人和多普勒频率预补偿量/^;(2)根据步骤(1)的结果确定各分辨单元近端预补偿后的多普勒频率偏移项(fdib-fd1b)及远端预补偿后的多普勒频率偏移项(fdie-fd1b);(3)根据步骤(1)和步骤(2)得计算结果，确定各分辨单元最终的起始频率fih+fdib-fd1b和终止频率为fie+fdie-fd1b完成实时频率定位。所述步骤(1)中的起始频率fib终止频率fie计算公式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，Rib为分辨单元xi近端距雷达的斜距；Rie为分辨单元xi远端距雷达的斜距；Rref为解线频调信号以足迹中心为参考信号对应的参考距离；r为发射线性调频信号的调频斜率；c为光速;i为足迹沿距离向分辨单元个数。所述步骤(1)中多普勒频率预补偿量的计算公式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，vs为卫星地速；lambda为发射信号波长；thetauz为散射计天线的扫描角；&为散射计天线波束的视角；sinib(thetael)为第一个分辨单元近端对应视角的sin值。所述步骤(2)中各分辨单元近端预补偿后的多普勒频率偏移项及远端预补偿后的多普勒频率偏移项计算公式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，sin,"&)、sin,J《,)分别为第/'个分辨单元近端、远端对应—见角的S/力值；^为卫星地速；义为发射信号波长；^为散射计天线的扫描角；&为散射计天线波束的视角。本发明的原理是对于扇形波束圆锥扫描微波散射计而言，回波具有如下特性1)相比于点波束，足迹距离向(沿波束方向)大尺寸使得解线性调频de-chirp后的信号带宽较大；2)扫描角在0°~360°变化时，各回波的多普勒频率是变化的；3)处于足迹不同部分的各分辨单元的回波具有不同的多普勒频率偏移，足迹远端对应的偏移大，足迹近端对应的偏移小；4)对于地面相同大小的分辨单元，处于足迹远端的对应多普勒带宽窄，而处于足迹近端的对应多普勒带宽要宽。图2是天线扫描一周，处于足迹不同部分的几个分辨单元的多普勒历程仿真结果。从图中可以看出，天线扫描一周，处于足迹远端分辨单元的多普勒频移变化为-410KHZ到+410KHZ,处于足迹近端分辨单元的多普勒频移变化为-260KHZ到+260KHZ。当天线扫描到0°、180°时足迹远端和近端的多普勒频率差最大，约为150KHZ,这一数量级已与几个分辨单元对应的频带相比，必须加以考虑。为提高回波信号的测量精度以及各分辨单元的定位精度，需对不同扫描角、不同分辨单元的多普勒频率进行考虑，采取预补偿或其它方法消除其影响。本发明在发射端预先补偿最近足迹处分辨单元回波的多普勒频移的基础上，大尺寸足迹内各分辨单元不同多普勒频率的影响需通过数据处理器实时频率定位来消除。本发明与现有技术相比有益效果为本发明在扇形波束圆锥扫描微波散射计RFSCAT信号处理中事先计算出地面足迹最近处的多普勒频率，控制使系统的发射载频向相反的方向偏移相同的量，即对发射端的信号进行预补偿，以此在一定程度上减小系统接收机的带宽，提高回波信号的测量精度。并且本发明在信号处理中，对经过下变频处理后的回波信号进行实时频率定位，消除大尺寸足迹内各分辨单元不同多普勒频率的影响，进一步提高波束足迹内各分辨单元回波信号的测量精度。散射计的主要目标就是观测海洋表面的风场，而测量精度的提升对于海面风场反演时风速精度的反演有直接作用，测量精度越高，则风速反演的越准确。此外，测量精度的提升还对海面风场反演时风向的去模糊有一定帮助。图1为SeaWinds信号处理框图2为本发明天线扫描一周不同分辨单元的多普勒历程；图3为本发明圆锥扫描扇形波束散射计观测示意图4为本发明信号处理框图5为本发明时/频变换后足迹各距离段和频率的对应关系示意图。具体实施例方式本发明中所述的扇形波束圆锥扫描微波散射计(RFSCAT)为一种新体制散射计。扇形波束圓锥扫描微波散射计通过一个长度为1m左右的棍状天线发射一个窄长的扇形波束，天线绕着垂直轴緩慢的旋转，波束照射的足迹由于圆锥扫描在海洋表面上形成一个圆环状的宽广区域，其圆锥扫描扇形波束散射计观测示意图如图3所示，其系统参凄t如表1所示。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>如图4所示，本发明扇形波束圆锥扫描微波散射计(RFSCAT)信号处理的方法为在接收机内实现解线性调频信号(de-chirp)，得到中频模拟数据，即回波(或内定标)信号，将该信号进行模数转换后，分成噪声通道和信号通道分别进行处理，噪声通道进行数字下变频、模平方、累加，得到能量值；信号通道进行数字下变频、FFT、模平方、实时频率定位、多普勒频率预补偿量的计算、根据频率定位结果进行各分辨单元数据的能量累加，最终得到各分辨单元的能量值。下面分析一下其具体的实现方法在不考虑多普勒频率偏移时，微波散射计回波信号解线频调后的频率和距离的对应关系为其中乂为频率，z为发射线性调频信号的调频^f率；《为目标点距雷达的斜距；Rref为解线频调信号对应的参考距离(以足迹中心为参考信号)，c为光速，可用图5来示意。假设足迹沿距离向可分为12个分辨单元(分辨单元的数量才艮据散射计的分辨率来确定)为[x1,x2,...,x12]，设各分辨单元时频变换后对应的频率范围为其中fib、fie(i=1~12)分别为分辨单元xi对应的起始频率和终止频率。在没有多普勒频率偏移的情况下，将各分辨单元起始频率fib与终止频率fie范围内的数求模平方即是其能量值。fie或fib可根据下式得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(3)其中Rib为分辨单元x'近端距雷达的斜距；Rie为分辨单元x1远端距雷达的斜距。有多普勒频率偏移fd的情况时，在同一方位角下，各分辨单元[x1,x2…x12]由于视角不同，对应的fd也不同，且远端的fde大于近端的fdb、则此时分辨单元[x1,X2，…x12]时频变换后对应的频率范围为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(4)其中fdib,fdie(i=1~12)分别为分辨单元^近端、远端的多普勒频率偏移。在发射端已按照近端多普勒频率预补偿后，各分辨单元对应的频率范围为(5)此时，各分辨单元的能量值是对应频率范围(fib+fdib-fdib,fie+fdie-fd1b)内数的模平方。其中(fdib-fd1b)和(fdie-fd1b)可初步根据下两式得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(6)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(7)其中vs为卫星地速，义为发射信号波长，^为散射计天线的扫描角,thetael为散射计天线波束的视角，sin^《')、sin"《》分别为第/个分辨单元近端、远端对应视角的Sin值，sin"&)为第一个分辨单元近端对应视角的s/>值。根据以上分析，可将多普勒频率预补偿量的计算和实时频率定位的具体实现步骤总结为(1)根据(3)式计算各分辨单元不计多普勒频率偏移时的起始频率,A、终止频率厶，根据式(8)计算多普勒频率预补偿量/^提供给发射机；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(8)式中各字母含义同前所述。(2)根据式(6)确定各分辨单元近端预补偿后的多普勒频率偏移项(fdib-fd1b);-根据(7)式确定其远端预补偿后的多普勒频率偏移项(fdie-fd1b);(3)根据上面计算结果确定各分辨单元最终的起始频率fib+fdib-fd1b和终止频率为fie+fdie-fd1b,完成实时频率定位。本发明未详细说明部分属本领域:技术人员公知常识。权利要求1、扇形波束圆锥扫描微波散射计信号处理方法，其特征在于包括下列步骤将采集的回波或内定标信号模数转换后，分成噪声通道和信号通道分别进行处理；a.噪声通道对转换后信号依次进行数字下变频、模平方、累加处理，得到能量值；b．信号通道对转换后信号依次进行数字下变频、傅立叶变换FFT、模平方、实时频率定位，根据频率定位结果进行各分辨单元数据的能量累加，最终得到各分辨单元的能量值；其中，实时频率定位过程如下(1)计算各分辨单元不计多普勒频率偏移时的起始频率fib、终止频率fie和多普勒频率预补偿量fdlb；(2)根据步骤(1)的结果确定各分辨单元近端预补偿后的多普勒频率偏移项(fdib-fdld)及远端预补偿后的多普勒频率偏移项(fdie-fdlb)；(3)根据步骤(1)和步骤(2)得计算结果，确定各分辨单元最终的起始频率fib+fdib-fdlb和终止频率为fie+fdie-fdlb，完成实时频率定位。2、根据权利要求1所述的扇形波束圓锥扫描微波散射计信号处理方法，其特征在于所述步骤(1)中的起始频率尺、终止频率叉计算公式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中，《*为分辨单元&近端距雷达的斜距；&为分辨单元x'远端距雷达的斜距；为解线频调信号以足迹中心为参考信号对应的参考距离；z为发射线性调频信号的调频斜率；c为光速J;为足迹沿距离向分辨单元个数。3、根据权利要求1所述的扇形波束圆锥扫描微波散射计信号处理方法，其特征在于所述步骤(1)中多普勒频率预补偿量/《的计算公式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，、为卫星地速；义为发射信号波长；^为散射计天线的扫描角；&为散射计天线波束的视角；sinj&)为第一个分辨单元近端对应一见角的5/>值。4、根据权利要求1所述的扇形波束圆锥扫描微波散射计信号处理方法，其特征在于所述步骤(2)中各分辨单元近端预补偿后的多普勒频率偏移项及远端预补偿后的多普勒频率偏移项计算公式为2v凡-=fcos(。[sm,應)-sin,)]/《-/"w=，c0S(《z)[S<(。-Sini6(。]其中，sini6(《,)、sin&(A)分别为第/'个分辨单元近端、远端对应3见角的S/'A7值；^为卫星地速；义为发射信号波长；^为散射计天线的扫描角；&为散射计天线波束的视角。全文摘要扇形波束圆锥扫描微波散射计信号处理方法，步骤为将采集的回波或内定标信号模数转换后，分成噪声通道和信号通道分别进行处理；a.噪声通道对转换后信号依次进行数字下变频、模平方、累加处理，得到能量值；b.信号通道对转换后信号依次进行数字下变频、傅立叶变换FFT、模平方、实时频率定位，根据频率定位结果进行各分辨单元数据的能量累加，最终得到各分辨单元的能量值。本发明可以消除大尺寸足迹内各分辨单元不同多普勒频率的影响，进一步提高波束足迹内各分辨单元回波信号的测量精度。文档编号G01S7/48GK101363913SQ20081016684公开日2009年2月11日申请日期2008年9月27日优先权日2008年9月27日发明者刘丽霞,段崇棣,王小宁,语郭申请人:中国航天科技集团公司第五研究院第五○四研究所