專利名稱：一種圓錐掃描高分辨率微波散射計的信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微波散射計信號處理方法，特別是涉及一種新型體制微波散射計方位高分辨率信號處理方法，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的典型雷達(dá)系統(tǒng)。星載微波散射計的主要用途是海面風(fēng)場測量，它是目前能夠同時測量海面風(fēng)速和風(fēng)向的重要遙感儀器。國內(nèi)外目前在軌工作或在研的星載微波散射計有固定扇形波束、圓錐掃描筆形波束和圓錐掃描扇形波束三種體制，國內(nèi)外目前更多采用后兩種散射計，即圓錐掃描微波散射計。星載圓錐掃描高分辨率微波散射計是近年來由國外學(xué)者提出的一種新型體制的微波散射計，它綜合了國內(nèi)外現(xiàn)有體制散射計(傳統(tǒng)固定扇形波束、圓錐掃描筆形波束和圓錐掃描扇形波束體制散射計)的優(yōu)點(diǎn)，使散射計不但可以用于海面應(yīng)用，也可以用于陸地和極冰應(yīng)用，被譽(yù)為新一代微波散射計，研究意義重大。
信號處理是圓錐掃描高分辨率微波散射計這一新型體制散射計的關(guān)鍵技術(shù)之一。
圓錐掃描高分辨率微波散射計系統(tǒng)與信號處理(指星上實時信號處理)的
工作特點(diǎn)為發(fā)射寬帶線性調(diào)頻脈沖信號，通過脈沖壓縮來提高距離向分辨率，脈壓方式為解線頻調(diào)方式(去斜)；方位向根據(jù)合成孔徑原理或去巻積原理來提高分辨率；采用同時同頻帶的純凈回波信號檢測方式等。
在體制上和所采取的信號處理方法方面，圓錐掃描高分辨率樹:波散射計與傳統(tǒng)的圓錐掃描筆形波束散射計和圓錐掃描扇形波束散射計具有較多的可比性，因此，需要對傳統(tǒng)圓錐掃描散射計星上實時信號處理特點(diǎn)作一簡單總結(jié)。
國內(nèi)外目前在軌或在研的星載圓錐掃描筆形波束微波散射計有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)星的微波散射計(中國，在研)，中法海洋衛(wèi)星的CFOSCAT (圓錐掃描扇形波束體制，中國，在研)。
這些散射計的信號處理方法可概括為采集回波(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。由于具體工程實現(xiàn)的原因，現(xiàn)有在軌或在研的各實際系統(tǒng)稍有不同SeaWinds
樣支波散射計信號處理中的噪聲通道進(jìn)行簡單的濾波、模平方、累加，得到能量值；信號通道進(jìn)行濾波、去斜、FFT、模平方、累加，得到各分辨單元的能量值，處理框圖如圖1所示。SeaWinds-1B和HY-2微波散射計信號處理中的噪聲通道進(jìn)行數(shù)字下變頻、濾波、模平方、累加，得到能量值；信號通道進(jìn)行數(shù)字下變頻、濾波、FFT、模平方、累加，得到各分辨單元的能量值，處理框圖如圖2所示。CFOSCAT微波散射計信號處理中的噪聲通道進(jìn)行數(shù)字下變頻、濾波、模平方、累加，得到能量值；信號通道進(jìn)行數(shù)字下變頻、濾波、FFT、^=莫平方、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，處理框圖如圖3所示。
由圖1、圖2和圖3表示的現(xiàn)有圓錐掃描凝:波散射計信號處理方法均只進(jìn)行距離處理，沒有進(jìn)行方位處理，不能用于圓錐掃描高分辨率微波散射計的信號處理。

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，提供一種提高方位分辨率的可以用于圓錐掃描高分辨率微波散射計的信號處理方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種圓錐掃描高分辨率微波散射計的信號處理方法，通過以下步驟實現(xiàn)
第一步，通過A/D采集圓錐掃描高分辨率微波散射計的回波或內(nèi)定標(biāo)信號，對A/D采集的信號進(jìn)行直接數(shù)字下變頻處理，處理后的信號分成兩路， 一路傳送到噪聲通道，另一路傳送到信號通道；第二步，對傳送到信號通道的經(jīng)直接數(shù)字下變頻處理后的信號依次進(jìn)行窄
帶距離濾波、距離去斜、距離FFT變換和方位濾波處理；
第三步，對經(jīng)過第二步處理的信號進(jìn)行方位高分辨率處理，在區(qū)域1即距 衛(wèi)星星下點(diǎn)100km以上的刈幅外測區(qū)域，采用方位多普勒DBS處理方法進(jìn)4亍 方位高分辨率處理；在區(qū)域2即距衛(wèi)星星下點(diǎn)100km以下的刈幅內(nèi)測區(qū)域，采 用方位去巻積處理方法進(jìn)行方位高分辨率處理；
第四步，對經(jīng)過第三步方位高分辨率處理后的信號進(jìn)行模平方后，進(jìn)行累 加處理后輸出。
所述的圓錐掃描高分辨率孩t波散射計采用扇形波束，第四步中方位高分辨 率處理后的信號經(jīng)^^莫平方處理后還要進(jìn)^f亍實時頻率定位。 所述的實時頻率定位可以在累加處理前的任意位置進(jìn)行。 所述第三步中，在區(qū)域1可選用方位去巻積處理方法進(jìn)行方位高分辨率處理。
所述第三步中，方位多普勒DBS處理方法可以采用基于合成孔徑的方位匹 配濾波處理方法替代。
所述第一步中，直接數(shù)字下變頻處理可以改在中頻進(jìn)行正交解調(diào)得到I/Q 兩路基帶信號，對I/Q兩路基帶信號進(jìn)行A/D進(jìn)行采樣后，傳送到噪聲通道和 信號通道。
所述第二步中，距離去斜處理可以改在射頻進(jìn)行模擬去斜。 所述第二步中，距離去斜處理中的脈沖壓縮處理方式可以用距離匹配濾波
處理的脈沖壓縮處理方式代替。
所述第一步中，傳送到噪聲通道的信號經(jīng)過寬帶距離濾波、模平方和累加
處理后輸出。
本發(fā)明設(shè)計原理對于傳統(tǒng)圓錐掃描微波散射計，其回波信號的等距離線 和等多普勒線的特性如圖4所示(圖中為筆形波束情況，扇形波束情況與之類 似)。由圖5、 6可知，在距衛(wèi)星星下點(diǎn)100km以上的刈幅外測區(qū)域，天線波束在進(jìn)行圓錐掃描時，雷達(dá)回波的等距離線和等多普勒線不平行，此時，任一觀測單元由于海面與衛(wèi)星的相對運(yùn)動而在天線波束對其觀測駐留內(nèi)多普勒帶寬不為零；而在距衛(wèi)星星下點(diǎn)100km以下的刈幅內(nèi)測區(qū)域，天線波束在進(jìn)行圓錐掃描時，雷達(dá)回波的等距離線和等多普勒線近似平行，此時，任一觀測單元在天線波束對其觀測駐留內(nèi)多普勒帶寬近似為零。圖5、 6中的橢圓為筆形波束天線足跡。
傳統(tǒng)散射計由于方位向不進(jìn)行高分辨率處理，分辨率由波束在海面的足跡大小決定，脈沖重復(fù)頻率可以取較低，還不存在距離模糊和方位模糊問題。但是，對于基于合成孔徑原理的高分辨率散射計由于需要利用觀測單元的多普勒帶寬進(jìn)行信號處理，因而脈沖重復(fù)頻率必須大于多普勒帶寬，導(dǎo)致脈沖重復(fù)頻率較高，而且天線尺寸越小，多普勒帶寬越寬，重復(fù)頻率也越高，而高脈沖重復(fù)頻率又會導(dǎo)致距離模糊。所以，在小尺寸天線情況下，高分辨率散射計方位模糊和距離模糊比較嚴(yán)重，而且相互矛盾，不能同時保證方位和距離都不模糊。
為了解決上述矛盾，需要對脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行綜合考慮，脈沖重復(fù)頻率可以取為多普勒帶寬的一半以上，使方位向存在部分多普勒模糊，同時距離向也存在距離模糊。
方位向通過濾波恢復(fù)波束足跡區(qū)域中間無模糊部分區(qū)域，濾除足跡兩側(cè)模糊部分區(qū)域。利用方位處理脈沖串之間波束照射有很大的重疊，頭一個相干脈沖串濾除的目標(biāo)可以在下一個相干脈沖串恢復(fù)。
距離向需要在一個相干脈沖串內(nèi)，各脈沖發(fā)射具有不同中心頻率或編碼方式的寬帶信號，而且各脈沖信號的中心頻率間隔不但要保證通itif巨離窄帶濾波器能夠準(zhǔn)確取出不被相鄰脈沖污染的信號通道回波信號，還要保證通過距離寬帶濾波器能夠準(zhǔn)確取出不被相鄰脈沖信號污染的噪聲通道回波信號。則疊加在一起即距離模糊了的脈沖信號通過帶通濾波器恢復(fù)得到如同低脈沖重復(fù)頻率情況下的脈沖信號。
7解決了方位模糊和距離模糊問題，就可以進(jìn)行方位多普勒處理或去巻積處理，實現(xiàn)方位高分辨率。
針對圓錐掃描散射計的方位高分辨率信號處理方法的選擇，如圖7所示，在距衛(wèi)星星下點(diǎn)100km以上的刈幅外測區(qū)域(區(qū)域1),由于觀測單元的多普勒帶寬不為零，采用方位多普勒處理(DBS)來獲得高分辨率，分辨率指標(biāo)由駐留時間和分辨單元在測量幅寬的位置決定；在距衛(wèi)星星下點(diǎn)100km以下的刈幅內(nèi)測區(qū)域(區(qū)域2)，采用方位去巻積處理來獲得高分辨率。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為
(1) 本發(fā)明在方位向采用DBS或去巻積處理，可以提高方位分辨率，避免采用大尺寸天線；
(2) 本發(fā)明通過采用距離濾波解決距離模糊，采用方位濾波解決方位多普勒模糊，可以進(jìn)一步降低天線尺寸，使在小尺寸天線形式下，可以采用DBS處理來提高方位分辨率。


圖1為SeaWinds信號處理框圖2為SeaWinds-1B、 HY-2衛(wèi)星微波散射計信號處理框圖3為CFOSCAT微波散射計信號處理框圖4為圓錐掃描散射計的等距離線和等多普勒線示意圖5為圖4中足跡A放大圖6為圖4中足跡B放大圖7為本發(fā)明原理圖8為本發(fā)明信號處理框圖a ;
圖9為本發(fā)明信號處理框圖b;
圖10為本發(fā)明信號處理框圖c;
圖11為本發(fā)明點(diǎn)目標(biāo)處理實例距離去斜后的處理效果圖；圖12為本發(fā)明點(diǎn)目標(biāo)處理實例DBS處理后的效果圖；圖13為本發(fā)明點(diǎn)目標(biāo)處理實例去巻積處理后的效果圖。
具體實施例方式
圓錐掃描微波散射計的射頻發(fā)射端需要在一個相干脈沖串里發(fā)射不同中心頻率或編碼方式的寬帶信號(例如LFM信號)，便于距離向通過濾波處理解除距離模糊，同時還需要進(jìn)行多普勒頻率預(yù)補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)念l率為第一個距離分辨單元近端對應(yīng)的多普勒平移。
如圖8所示，本發(fā)明的信號處理方法為
1 )通過A/D采集圓錐掃描高分辨率微波散射計的回波或內(nèi)定標(biāo)信號，對A/D采集的信號進(jìn)行直接數(shù)字下變頻處理，處理后的信號分成兩路， 一路傳送到噪聲通道，另一路傳送到信號通道。也可如圖9所示，直接數(shù)字下變頻處理可以改在中頻進(jìn)行正交解調(diào)得到I/Q兩路基帶信號，對I/Q兩路基帶信號進(jìn)行A/D進(jìn)行釆樣后，傳送到噪聲通道和信號通道。
傳送到噪聲通道的信號經(jīng)過寬帶距離濾波、模平方和累加處理后輸出。
2) 對傳送到信號通道的信號依次進(jìn)行窄帶距離濾波、距離去斜、距離FFT變換和方位濾波處理。也可如圖10所示，距離去斜處理改在射頻進(jìn)行模擬去斜。距離去斜處理中的脈沖壓縮處理方式可以用距離匹配濾波處理的脈沖壓縮處理方式代替。
3) 對經(jīng)過方位濾波處理的信號進(jìn)行方位高分辨率處理，在區(qū)域1即距衛(wèi)星星下點(diǎn)100km以上的刈幅外測區(qū)域，采用方位多普勒DBS處理方法進(jìn)行方位高分辨率處理；在區(qū)域2即距衛(wèi)星星下點(diǎn)100km以下的刈幅內(nèi)測區(qū)域，采用方位去巻積處理方法進(jìn)行方位高分辨率處理。在區(qū)域1可選用方位去巻積處理方法或基于合成孔徑的方位匹配濾波處理方法進(jìn)行方位高分辨率處理。
4 )對經(jīng)過方位高分辨率處理后的信號進(jìn)行模平方后，進(jìn)行累加處理后輸出。如果圓錐掃描高分辨率微波散射計采用扇形波束，方位高分辨率處理后的信號經(jīng)模平方處理后還要進(jìn)行實時頻率定位。實時頻率定位可以在累加處理前的任意位置進(jìn)ff,均不影響最終結(jié)果。下面結(jié)合具體實例來進(jìn)一步說明本發(fā)明的處理過程。
某衛(wèi)星風(fēng)場測量雷達(dá)(高分辨率微波散射計)衛(wèi)星軌道高度為965km，工作波^險為Ku波,爻，天線尺寸為0.92m (距離)xl.27m (方位)，分辨率指標(biāo)要求為10kmx 10km。以筆形波束孩i波散射計的外波束為例來說明問題，(其余形式原理相同)外波束測量距離為1147km,波束足跡為20km左右，因此，方位向必須進(jìn)行高分辨率信號處理，才能使方位分辨率達(dá)到指標(biāo)要求。確定的高分辨率信號處理方案包括如下幾個處理步驟(為方便解釋^f叚設(shè)只有一個點(diǎn)目標(biāo))
1 、發(fā)射端在一個相干脈沖串里發(fā)射不同中心頻率或編碼方式的LFM信號，便于距離向濾波處理解除距離模糊，同時進(jìn)行多普勒頻率預(yù)補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)念l率為第 一個距離分辨單元近端對應(yīng)的多普勒平移；
2、 距離向濾波處理解除距離模糊，以及脈壓處理(去斜)距離去斜后，距離向?qū)崿F(xiàn)了高分辨率，方位向分辨率由波束足跡決定，因而為沿方位向分布一條直線，如圖11所示中心處的直線；
3、 方位向濾波處理解除方位才莫糊，采用多普勒處理(DBS)方位處理后，方位向?qū)崿F(xiàn)了高分辨率，因而為一點(diǎn)，如圖12所示圖中心B處的點(diǎn)；
4、 采用去巻積處理方位去巻積處理后，方位向也實現(xiàn)了高分辨率，因而為一點(diǎn)，如圖13所示圖中心A處的點(diǎn)；由于去巻積處理性能與信噪比有關(guān)，去巻積處理會使信噪比降低，因此圖中存在噪聲斑點(diǎn)，如圖13所示除A處的點(diǎn)之外的黑色斑點(diǎn)。
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、一種圓錐掃描高分辨率微波散射計的信號處理方法，其特征在于通過以下步驟實現(xiàn)第一步，通過A/D采集圓錐掃描高分辨率微波散射計的回波或內(nèi)定標(biāo)信號，對A/D采集的信號進(jìn)行直接數(shù)字下變頻處理，處理后的信號分成兩路，一路傳送到噪聲通道，另一路傳送到信號通道；第二步，對傳送到信號通道的經(jīng)直接數(shù)字下變頻處理后的信號依次進(jìn)行窄帶距離濾波、距離去斜、距離FFT變換和方位濾波處理；第三步，對經(jīng)過第二步處理的信號進(jìn)行方位高分辨率處理，在區(qū)域1即距衛(wèi)星星下點(diǎn)100km以上的刈幅外測區(qū)域，采用方位多普勒DBS處理方法進(jìn)行方位高分辨率處理；在區(qū)域2即距衛(wèi)星星下點(diǎn)100km以下的刈幅內(nèi)測區(qū)域，采用方位去卷積處理方法進(jìn)行方位高分辨率處理；第四步，對經(jīng)過第三步方位高分辨率處理后的信號進(jìn)行模平方后，進(jìn)行累加處理后輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓錐掃描高分辨率微波散射計的信號處理 方法，其特征在于所述的圓錐掃描高分辨率孩t波散射計采用扇形波束，第四 步中方位高分辨率處理后的信號經(jīng)^t平方處理后還要進(jìn)行實時頻率定位。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種圓錐掃描高分辨率孩t波散射計的信號處理方 法，其特征在于所述的實時頻率定位可以在累加處理前的任意位置進(jìn)行。
4、 才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓錐掃描高分辨率孩"皮散射計的信號處理方 法，其特征在于所述第三步中，在區(qū)域1可選用方位去巻積處理方法進(jìn)行方 位高分辨率處理。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓錐掃描高分辨率微波散射計的信號處理方 法，其特征在于所述第三步中，方位多普勒DBS處理方法可以釆用基于合成 孔徑的方位匹配濾波處理方法替ft 。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓錐掃描高分辨率微波散射計的信號處理方 法，其特征在于所述第一步中，直接數(shù)字下變頻處理可以改在中頻進(jìn)行正交 解調(diào)得到l/Q兩路基帶信號，對l/Q兩路基帶信號進(jìn)行A/D進(jìn)行釆樣后，傳送 到噪聲通道和信號通道。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓錐掃描高分辨率微波散射計的信號處理方 法，其特征在于所述第二步中，距離去斜處理可以改在射頻進(jìn)行模擬去斜。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓錐掃描高分辨率微波散射計的信號處理方 法，其特征在于所述第二步中，距離去斜處理中的脈沖壓縮處理方式可以用 距離匹配濾波處理的脈沖壓縮處理方式代替。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓錐掃描高分辨率微波散射計的信號處理方 法，其特征在于所述第一步中，傳送到噪聲通道的信號經(jīng)過寬帶距離濾波、 模平方和累加處理后輸出。
全文摘要
一種圓錐掃描高分辨率微波散射計的信號處理方法，通過采集回波(或內(nèi)定標(biāo))信號、直接數(shù)字下變頻(DDC)處理、窄帶距離濾波、距離去斜、距離FFT變換、方位多普勒濾波、方位高分辨率處理(多普勒處理或去卷積處理)、模平方、實時頻率定位(扇形波束需要，筆形波束不需要)和累加等步驟實現(xiàn)方位高分辨率信號處理。本發(fā)明在方位向采用DBS或去卷積處理，可以提高方位分辨率，避免采用大尺寸天線；本發(fā)明通過采用距離濾波解決距離模糊，采用方位濾波解決方位多普勒模糊，可以進(jìn)一步降低天線尺寸，使在小尺寸天線形式下，可以采用DBS處理來提高方位分辨率。
文檔編號G01S7/28GK101672914SQ200910180340
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日
發(fā)明者劉麗霞, 王萬林, 王旭艷, 田棟軒, 陳文新 申請人:西安空間無線電技術(shù)研究所