一种多模式微波遥感器波谱仪模式的系统参数设计、模拟方法

摘要

本发明公开了一种多模式微波遥感器波谱仪模式的系统参数设计、模拟方法，属于微波遥感器测量技术领域，包括：获取波谱仪模式技术指标及已知系统参数；确定入射角、波束宽度和天线旋转速度；计算脉冲重复频率；计算确定信号发射带宽B；计算对距离向进行平均的单元个数Ng,avg；确定独立脉冲个数；由方位向波束宽度和距离向波束宽度确定方位向天线尺寸和距离向天线尺寸；确定波谱仪的最大扫描半径；确定方位向和距离向波束足迹宽度；利用雷达方程计算峰值发射功率Pt；验证后向散射系数测量精度；验证波长测量精度和波向测量精度；完成多模式微波遥感器波谱仪模式的系统参数设计。

说明书

技术领域

本发明公开了一种多模式微波遥感器波谱仪模式的系统参数设计、模拟方法，属于微波遥感器测量技术领域。

背景技术

随着小卫星平台技术的不断发展，小卫星系统的参数设计越来越受到人们的重视，多模式微波遥感器系统仿真平台的研究也迅速发展。多模式微波遥感器系统性能软件仿真平台是通过仿真实验对多模微波遥感器系统的工作模式进行模拟，为多模微波遥感器系统的开发提供参考。根据遥感器工作在不同模式时高程测量精度、风速测量精度、风向测量精度、波长测量精度、波向测量精度、波长测量范围、有效波高测量精度等技术指标的量级，研究波谱仪工作模式下的系统参数设计方法，提出基于技术指标与系统公共参数约束下的多模式微波遥感器参数设计方法，使可配置硬件系统能适应波谱仪工作模式的需要。现有技术中，已有有关小卫星SAR机载挂飞试验的雷达参数设计方法，本发明在此基础上，增加了信号发射带宽B、独立脉冲个数、最大扫描半径、离向波束足迹宽度等参数的具体计算方法，完善了波谱仪模式的参数设计方法；增加参数设计的模拟过程，结合软件的操作过程，将参数设计方法与系统融合，使参数设计过程与软件结合，执行自动程度更强的参数设计流程。

发明内容

本发明公开了一种多模式微波遥感器波谱仪模式的系统参数设计、模拟方法，以解决现有技术中波谱仪的系统工作参数不能应用于多模式微波遥感器的问题。

多模式微波遥感器波谱仪模式的系统参数设计方法，包括：

S1.获取波谱仪模式技术指标及已知系统参数；

S2.确定入射角、波束宽度和天线旋转速度；

S3.计算脉冲重复频率；

S4.计算确定信号发射带宽B；

S5.计算对距离向进行平均的单元个数N

S6.确定独立脉冲个数；

S7.由方位向波束宽度和距离向波束宽度确定方位向天线尺寸和距离向天线尺寸；

S8.确定波谱仪的最大扫描半径；

S9.确定方位向和距离向波束足迹宽度；

S10.利用雷达方程计算峰值发射功率P

S11.验证后向散射系数测量精度；

S12.验证波长测量精度和波向测量精度；

S13.完成多模式微波遥感器波谱仪模式的系统参数设计。

优选地，步骤S1中，由用户指定的技术指标包括：波长测量范围[λ

优选地，步骤S3中，计算公式为

步骤S4中，利用ΔR＝C/(2B)计算B；

步骤S5中，

步骤S6中，若PRF＞2B

优选地，步骤S7中，计算距离向天线尺寸l

计算方位向天线尺寸l

步骤S8中，天线波束视角α和入射角θ之间的关系为

优选地，步骤S9中，入射角为10°时对应的斜距为：

步骤S10中，

优选地，步骤S11中，采用测量相对标准差K

步骤S12中，验证波长测量精度计算式为：

多模式微波遥感器波谱仪模式的系统模拟方法，使用所述的多模式微波遥感器波谱仪模式的系统参数设计方法，包括：

B1.计算基于准镜面散射的波谱仪后向散射系数；

B2.计算波谱仪雷达接收功率；

B3.进行波谱仪海浪谱的反演。

优选地，步骤B1中，波谱仪接收的后向散射系数为

优选地，步骤B2中，没有噪声影响下，波谱仪的接收功率为

设波谱仪接收的后向散射截面表示为：

优选地，步骤B3包括：

B3.1.对接收到的单脉冲的接收功率进行热噪声的修正，即减去每个单脉冲功率中的热噪声的影响；

B3.2.积累时间内的N

B3.3.计算某一方向的调制函数：

B3.4.用谱估计的方法，根据m(X,φ)计算出调制谱，调制谱与调制函数有如下关系：

B3.5.以上步骤得到一维调制谱，在360度方位向内进行仿真，可以得到360度范围的调制谱，由二维调制谱根据下式可以反演出二维波高谱：

本发明通过系统模拟，研究了波谱仪工作模式下的系统参数设计方法，通过梳理技术指标与系统参数间的约束关系，归纳出详细的系统参数设计步骤，用于根据技术指标要求确定高度计、散射计、波谱仪模式下的天线尺寸、峰值发射功率、脉冲重复频率、脉冲宽度等系统参数，给出了平台高度和速度、载波频率等参数受限的条件下符合典型技术指标要求的系统参数设计结果。

附图说明

图1为多模式微波遥感器波谱仪模式的系统参数设计流程图；

图2为波谱仪模式的系统模拟流程图；

图3为准镜面散射模型示意图。

图4为波谱仪模式的参数设计与性能指标验证界面；

图5为波谱仪模式参数设计模块界面；

图6为波谱仪模式准镜面散射模型模块界面；

图7为波谱仪回波接收功率模块界面；

图8(a)为一维PM谱模型反演调制谱模块界面；

图8(b)为PM海谱模型不同风速下反演仿真质量指标模块界面；

图9(a)为二维海浪谱反演结果图示模块界面；

图9(b)为二维海浪谱反演结果参数模块界面；

图10为多模式微波遥感器系统性能软件仿真平台在波谱仪模式下运行结果界面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。

多模式微波遥感器波谱仪模式的系统参数设计方法，包括：

S1.获取波谱仪模式技术指标及已知系统参数；

S2.确定入射角、波束宽度和天线旋转速度；海浪波谱仪工作在准镜面散射条件的小入射角下，因此将入射角确定为0°和10°。0°入射角测量海面有效波高，10°入射角测量海浪方向谱。由波谱仪工作机理，方位向波束宽度的设计要使方位向信号接近平均值，使距离向海浪信息保留下来。同时距离向波束宽度决定了可测量的海浪波长范围，波束宽度越宽，覆盖的观测区域越大，可测量的最大波长越长。综上将波束宽度设计为2°×2°。当天线旋转速度Ω设置得较快时，则重复采样点多，海浪谱空间分辨率高。但另一方面，天线旋转快时谱平均个数减少，波谱反演质量降低。因此，天线旋转速度Ω的设置应综合考虑上述两方面因素。参考国际上现有系统的设计参数，将Ω设置为6转/分。

S3.计算脉冲重复频率；PRF主要取决于波束入射角、卫星高度。PRF小则分辨率降低；PRF大可以对同一观测区域多次测量来提高信噪比，但是回波信号不能在足迹内产生混叠。对于海浪波谱仪，可以利用SAR的PRF选择标准。

S4.计算确定信号发射带宽B；

S5.计算对距离向进行平均的单元个数N

S6.确定独立脉冲个数；

S7.由方位向波束宽度和距离向波束宽度确定方位向天线尺寸和距离向天线尺寸；

S8.确定波谱仪的最大扫描半径；

S9.确定方位向和距离向波束足迹宽度；

S10.利用雷达方程计算峰值发射功率P

S11.验证后向散射系数测量精度；

S12.验证波长测量精度和波向测量精度；

S13.完成多模式微波遥感器波谱仪模式的系统参数设计。

步骤S1中，由用户指定的技术指标包括：波长测量范围[λ

步骤S3中，计算公式为

步骤S4中，利用ΔR＝C/(2B)计算B；

步骤S5中，

步骤S6中，若PRF＞2B

步骤S7中，计算距离向天线尺寸l

计算方位向天线尺寸l

步骤S8中，天线波束视角α和入射角θ之间的关系为

步骤S9中，入射角为10°时对应的斜距为：

步骤S10中，

步骤S11中，采用测量相对标准差K

步骤S12中，验证波长测量精度计算式为：

表1给出了多模式微波遥感器系统波谱仪模式的技术指标要求和已知的技术参数。根据这些给出的参数，利用参数设计方法，得出了表2所示的多模式微波遥感器系统波谱仪模式下的系统参数设计结果。

表1多模式微波遥感器波谱仪模式参数设计的性能指标和已知技术参数

表2多模式微波遥感器波谱仪模式的系统参数设计结果

对多模式微波遥感器波谱仪模式下的系统参数进行了设计之后，为了验证参数设计结果的准确性，开展了波谱仪模式的系统模拟。通过比较输入的海浪谱波长波向与反演海浪谱的波长波向的测量误差，从而来衡量参数设计结果的准确性。多模式微波遥感器波谱仪模式的系统模拟方法，使用所述的多模式微波遥感器波谱仪模式的系统参数设计方法，包括：

B1.计算基于准镜面散射的波谱仪后向散射系数；

B2.计算波谱仪雷达接收功率；

B3.进行波谱仪海浪谱的反演。

步骤B1中，波谱仪主要工作在0°-10°的小入射角下，其海面散射模型主要是准镜面散射。海面可以看作是由长波和其叠加在上面的短波组成，波谱仪接收的海面后向散射信号是由短波直接贡献，但长波对短波有倾斜调制作用，由此改变了局地入射角，因此波谱仪接收到后向散射信号也会发生改变，也就是说σ

步骤B2中，星载波谱仪的系统模拟主要分为正演和反演两个部分。正演部分主要是通过海面模拟生成海面的斜率信息，然后根据斜率信息计算海面的调制函数，并且模拟斑点噪声和热噪声，这样就可以生成具有噪声影响的波谱仪接收功率。

正演仿真主要是为了生成波谱仪的雷达接收功率，没有噪声影响下，波谱仪的接收功率为

设波谱仪接收的后向散射截面表示为：

步骤B3包括：

B3.1.对接收到的单脉冲的接收功率进行热噪声的修正，即减去每个单脉冲功率中的热噪声的影响；

B3.2.积累时间内的N

B3.3.计算某一方向的调制函数：

B3.4.用谱估计的方法，根据m(X,φ)计算出调制谱，调制谱与调制函数有如下关系：

B3.5.以上步骤得到一维调制谱，在360度方位向内进行仿真，可以得到360度范围的调制谱，由二维调制谱根据下式可以反演出二维波高谱：

下面介绍波谱仪模式仿真模块功能与运行结果实例，图4所示为波谱仪模式的参数设计与性能指标验证界面，其中“指标设置”、“已知参数”、“参数输出”标签下的模块组成波谱仪模式的参数设计模块，剩下的部分为波谱仪模式性能指标验证模块。

如图5所示，指标设置标签下用户可以自己进行波长测量范围、波长测量精度、波向测量精度、有效波高测量精度这些指标的输入，也可以点击“配置文件导入”按钮将已经提前设置好的参考值进行导入。“已知参数”标签下为平台高度、平台速度、载频、系统损耗、接收机噪声系数、脉冲宽度、入射角、方位向波束宽度、距离向波束宽度、天线转速、信噪比这些雷达系统已知的参数。“输出参数”标签下为发射信号带宽、最大扫描半径、积分时间、波束距离向足迹、波束方位向足迹、PRF范围、独立脉冲个数、距离向天线尺寸、方位向天线尺寸、峰值发射功率、后向散射系数测量精度、波向测量精度、波长测量精度这些系统输出参数。点击“参数输出”按钮，就会按照波谱仪模式参数设计方法计算出参数设计结果。

如图6所示，准镜面散射模型标签下用户可以对准镜面散射模型进行仿真，点击“仿真按钮”软件调用MATLAB仿真不同风速和入射角下准镜面散射模型的后向散射系数示意图。

如图7所示，波谱仪回波接收功率标签下用户可以使用图7标签下设计的波谱仪系统参数，并且按照波谱仪雷达接收功率的计算方法进行波谱仪接收功率的仿真。用户点击“正演”按钮，调用MATLAB程序进行波谱仪回波接收功率示意图的仿真。

如图8所示，一维PM海浪谱反演调制谱标签下用户可以根据波谱仪调制谱的反演方法进行一维调制谱的反演，点击“反演调制谱”按钮，调用MATLAB程序，将不同风速条件下反演的调制谱与理论调制谱进行比对并将示意图显示在(a)一维PM谱模型反演调制谱模块中，同时将计算的谱相关系数显示在(b)PM海谱模型不同风速下反演仿真质量指标模块中。由仿真结果可以看出，风速和有效波高成正比，且风速越大反演的结果越好。

如图9所示，二维海浪谱反演标签下，用户可以按照波谱仪海浪谱反演方法进行不同风速条件下的二维海浪谱反演，点击(a)二维海浪谱反演模块中的“反演结果”按钮将不同风速条件下的二维海浪谱反演结果示意图显示出来，并将波长、波向的反演结果显示在(b)二维海浪谱反演结果模块中。

如图10所示，给出了多模式微波遥感器系统性能软件仿真平台在波谱仪模式下的设计结果实例，其中包括了系统参数设计模块以及性能指标验证模块。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。