專利名稱：一種海陸兼容并三維成象的雷達高度計系統(tǒng)及設計方法
技術領域：
本發(fā)明屬于航天微波遙感技術領域。
世界上第一臺星載雷達高度計搭載在Appolo 17號宇宙飛船上并進行了初步的實驗。緊接著美國的“天空實驗室-193”(73年)上的星載高度計取得了初步的成功，測高精度為1米左右。75年在Geos-3(美國)上的高度計測高精度達到了50厘米。1978年美國海洋衛(wèi)星Seasat-A上的高度計以及1985年發(fā)射的Geosat(美國Navy)上的高度計被稱作是第三代高度計，它們采用了線性調(diào)頻脈沖全去斜技術，使得測量精度大為提高。例如測高精度達到了10cm。進入90年代以來，歐空局先后發(fā)射的ERS-1(91年)和ERS-2(95年)上的高度計，92年發(fā)射的Topex/Poseidon衛(wèi)星上的高度計以及原定于1996年發(fā)射的Geosat/TP衛(wèi)星(推遲發(fā)射)上的高度計和定于2000年發(fā)射的ENVISAT-1衛(wèi)星上的高度計屬于第四代高度計。其中Topex/Poseidon衛(wèi)星上的高度計采用了雙頻(13.6GHz和5.3GHz)。測高精度達到了2厘米，并且可以進行電離層誤差自校準。此外還配置了多個波段的微波輻射計，因此可以同時進行大氣修正。近兩年美國Johns Hopkins大學應用物理實驗室(APL)的R.Keith Raney等提出了一種新的雷達高度計，即利用方位向的Doppler頻移回波信號的特點進行非聚焦合成處理從而得到沿方位向較高的分辨率的雷達高度計。根據(jù)理論分析的結(jié)果，該高度計對海冰的觀測非常有效。80年代后期，JPL的C.ELACHI等曾提出掃描雷達高度計，但沒有高度跟蹤，不同于本系統(tǒng)且沒有付諸實施。
迄今為止所有升空的雷達高度計都只能用于海洋觀測，不能用于陸地更不能成象。
參考文獻見C.Elachi,K.E.Im,F.K.Li,and E.Rodriquez,“Globaldigital topographic mapping with a synthetic aperture scanning radaraltimeter,”International Journal of Remote Sensing,1990,vol.11,no.4 585-601.
本發(fā)明的目的是研制一種新型的能夠三維成象并可以同時用于海洋和陸地觀測以及三維地形測量的新型雷達高度計，為我國國防和經(jīng)濟建設服務。
新型的海陸兼容三維成象雷達高度計的工作原理可以概括為以下幾個方面(1)偏離天頂點1.5°至2°觀測，采用波束有限工作方式，可以增加地面刈幅，同時可以獲得距離向的分辨率。
(2)在方位向采用孔徑合成技術，提高方位向的分辨率。
(3)采用雙天線相干技術，獲得相干信息并從中獲得分辨率單元的高度信息。
(4)采用傳統(tǒng)高度計的高度測量方法，采用脈沖有限方式獲得平均地表(海面、陸地)高度及海平面有效波高信息。
(5)采用偏離重心點高度跟蹤算法(Off-set Center of Gravity,OCOG)設計與回波模型無關高度跟蹤器，實現(xiàn)高度計的海陸兼容。
附

圖1給出了系統(tǒng)原理框圖。
附圖2給出了系統(tǒng)最佳實施例原理框圖。
技術實現(xiàn)途徑(1)天線采用切割拋物面反射天線，以獲得距離向和方位向不同的波束寬度以及高增益。
(2)成象處理器中采用非聚焦孔徑合成技術提高方位向的分辨率。
(3)根據(jù)海洋、海冰和陸地三個不同的工作模式，改變發(fā)射信號的帶寬。海洋模式信號帶寬最寬，海冰模式次之，陸地模式帶寬最小。
(4)主通道和輔助通道接收機均為寬帶接收機，帶寬為320MHz。要求兩個通道的相位在整個帶寬內(nèi)一致。
(5)跟蹤器利用高速DSP進行FFT，并采用軟件來實現(xiàn)。
(6)高度跟蹤采用實時方式，而三維成象處理采用非實時方式。
本發(fā)明工作過程寬帶Chirp(線性調(diào)頻信號)5提供并經(jīng)主天線1發(fā)射出去，經(jīng)過一定延時(天線到地面目標的雙程路徑延時)后，主天線1和輔天線2接收到信號經(jīng)過開關分別進入主通道寬帶接收機4和輔通道寬帶接收機3。主通道寬帶接收機4和輔通道寬帶接收機3輸出的中頻信號由高速A/D直接采樣，產(chǎn)生兩路數(shù)字IQ信號。數(shù)字IQ信號在進入大容量存儲器的同時，進入DSP進行FFT，由與回波模型無關的跟蹤器8對數(shù)字IQ信號進行譜分析，根據(jù)其幅度信息對數(shù)字I/O口進行操作從而控制主通道寬帶接收機4和輔通道寬帶接收機3的增益(即AGC控制)。與回波模型無關的跟蹤器8的數(shù)據(jù)輸出就是傳統(tǒng)高度計的數(shù)據(jù)(提供了精確的高度測量信息)。進入大容量存儲器的數(shù)字IQ信號，在飛行任務完成后進行后期處理。經(jīng)輔助通道成象處理器6和主通道成象處理器7處理后得到相對應的兩副相干原始圖象。兩幅圖象再進入圖象配準和相位校正處理器9進行圖象配準和相位校正，然后經(jīng)過相位解纏繞處理10解相位纏繞，獲得對同一地面區(qū)域完整的復圖象(即圖象中每個象素都有相位(差)和幅度信息)。最后對圖象中的每一個象素進行相位差-高度轉(zhuǎn)換11處理，便可以最終獲得三維圖象。
圖2與圖1相比增加了多視處理單元15和16，自適應變帶寬單元17。多視處理單元15和16，分別對主通道和輔通道圖象進行多視處理，消除斑點噪聲，提高圖象質(zhì)量。自適應變帶寬單元17，根據(jù)海洋、海冰和陸地工作模式改變相應的發(fā)射信號帶寬。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比所具有的優(yōu)點(1)具備海陸兼容和三維成象能力，而常規(guī)雷達高度計只能用于海洋觀測；(2)目前能夠進行三維地形測量的微波遙感器只有相干SAR。但是相干SAR并不具備精確的距離測量能力，需要其它輔助的距離傳感器。而本發(fā)明提出的雷達高度計本身具備了精確的距離測量能力，這樣就不需要其它的輔助距離測量設備。
本發(fā)明提出的高度計可以用于海洋、海冰和陸地觀測，測量平均地表高度，三維地形測量，以及軍事測繪及偵察。
權利要求
1.一種能夠?qū)崿F(xiàn)海陸兼容并三維成象雷達的高度計的設計方法，其特征在于(1)偏離天頂點1.5°至2°觀測，采用波束有限工作方式，可以增加地面刈幅，同時可以獲得距離向的分辨率；(2)在方位向采用孔徑合成技術，提高方位向的分辨率；(3)采用雙天線相干技術，獲得相干信息并從中獲得分辨率單元的高度信息；(4)采用傳統(tǒng)高度計的高度測量方法，采用脈沖有限方式獲得平均地表(海面、陸地)高度及海平面有效波高信息；(5)采用偏離重心點高度跟蹤算法(Off-set Center of Gravity,OCOG)設計與回波模型無關高度跟蹤器，實現(xiàn)高度計的海陸兼容；技術實現(xiàn)途徑(1)天線采用切割拋物面反射天線，以獲得距離向和方位向不同的波束寬度以及高增益；(2)成象處理器中采用非聚焦孔徑合成技術提高方位向的分辨率；(3)根據(jù)海洋、海冰和陸地三個不同的工作模式，改變發(fā)射信號的帶寬。海洋模式信號帶寬最寬，海冰模式次之，陸地模式帶寬最小；(4)主通道和輔助通道接收機均為寬帶接收機，帶寬為320MHz。要求兩個通道的相位在整個帶寬內(nèi)一致；(5)跟蹤器利用高速DSP進行FFT，并采用軟件來實現(xiàn)；(6)高度跟蹤采用實時方式，而三維成象處理采用非實時方式。
2.一種海陸兼容并三維成象雷達的高度計系統(tǒng)，其特征在于由用作發(fā)射和接收的主天線，只接收不發(fā)射的輔天線，輔助通道寬帶接收機，主通道寬帶接收機，發(fā)射機，輔助通道成象處理器，主通道成象處理器，與回波模型無關的跟蹤器(采用OCOG算法來實現(xiàn))，圖象配準和相位校正處理器，相位解纏繞處理器，相位差-高度轉(zhuǎn)換單元，傳統(tǒng)高度計數(shù)據(jù)單元，三維圖象單元，平臺參數(shù)單元(例如姿態(tài)，運動軌跡，速度等)組成；工作過程為寬帶Chirp(線性調(diào)頻信號)發(fā)射機提供并經(jīng)主天線發(fā)射出去，經(jīng)過一定延時(天線到地面目標的雙程路徑延時)后，主天線和輔天線接收到信號經(jīng)過開關分別進入主通道寬帶接收機和輔通道寬帶接收機。主通道寬帶接收機和輔通道寬帶接收機輸出的中頻信號由高速A/D直接采樣，產(chǎn)生兩路數(shù)字IQ信號。數(shù)字IQ信號在進入大容量存儲器的同時，進入DSP進行FFT，由與回波模擬無關的跟蹤器主通道寬帶接收機和輔通道寬帶接收機對數(shù)字IQ信號進行譜分析，根據(jù)其幅度信息對數(shù)字I/O口進行操作從而控制的增益(即AGC控制)。與回波模擬無關的跟蹤器的數(shù)據(jù)輸出就是傳統(tǒng)高度計的數(shù)據(jù)(提供了精確的高度測量信息)。進入大容量存儲器的數(shù)字IQ信號，在飛行任務完成后進行后期處理。經(jīng)輔助通道成象處理器和主通道成象處理器處理后得到相對應的兩副相干原始圖象。兩幅圖象再進入圖象配準和相位校正單元進行圖象配準和相位校正，然后經(jīng)過10解相位纏繞，獲得對同一地面區(qū)域完整的復圖象(即圖象中每個象素都有相位(差)和幅度信息)。最后對圖象中的每一個象素進行相位差-高度轉(zhuǎn)換處理，便可以最終獲得三維圖象。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種海陸兼容并三維成象雷達的高度計系統(tǒng)，其特征在于分別在輔助通道成象處理器和主通道成象處理器后增加多視處理單元，分別對主通道和輔通道圖象進行多視處理，消除斑點噪聲，提高圖象質(zhì)量。和自適應變帶寬單元，根據(jù)海洋、海冰和陸地工作模式改變相應的發(fā)射信號帶寬。
全文摘要
一種海陸兼容并三維成象的雷達高度計系統(tǒng)及設計方法屬于航天微波遙感技術領域。采用偏離天頂點1.文檔編號G01S13/90GK1301968SQ99127340
公開日2001年7月4日 申請日期1999年12月30日 優(yōu)先權日1999年12月30日
發(fā)明者張云華, 姜景山 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心