[发明专利]实时变参数滤波笔形波束扫描雷达散射计及其设计方法

说明书

雷达散射计是用来测量扩展目标后向散射系数的雷达。星载雷达散射计主要用于测量海洋、海并和大尺度陆地目标，是目前唯一的可以进行海洋表面风向和风速测量的微波遥感器。它是通过测量海面的后向散射系数，根据后向散射系数随关于风向的方位角的各向异性，反演得到风速和风向的。雷达散射计测量风矢量的关键是获得不同方位角的后向散射系数，同时要求一定的测量刈幅，所采用的方法有两种：第一种方案是采用不同方位角入射的扇形波束天线，通过频域Doppler滤波器或时域距离门获得海面分辨单元的后向散射系数。(参考文献I.S.Robinson,Satellite Oceanography-An Introduction for Oceanography and RemoteSensing Scientists,Ellis Horwood Limited,1985.R.H.Stewart,Methods ofSatellite Oceanography,University of California Press.)目前已有的风散射计都是采用这种方法，如美国的SEASAT散射计采用的是四根正交的杆状天线分别获得天底方向两侧两个方位角的散射系数，地面分辨单元是通过角度-速度(Doppler频率)限制的方式；欧空局的ERS-1/2的风散射计则采用三根分别具有相对正侧视方向分别为±45°和0°夹角的三根杆状天线获得星下方向一侧的三个方位角的散射系数，以克服风向反演的模糊，ERS风散射计的地面分辨单元是通过角度-距离限制的方式获得(参考文献E.RW.Attema,The Active MicrowaveInstrument on-board the ERS-1 Satellite,Proc.IEEE,1991,v.79,pp791.)；第二种方案是利用笔形波束获得海面分辨单元的后向散射系数，通过圆锥扫描实现扫描刈幅和不同方位角的测量结果，在扫描中对于每个天线波束可以获得相对正侧视方向对称的两个方位角的散射系数，地面分辨单元采用角度-角度的限制方式获得。这种方案由于天线尺寸小，发射功率低，近年来受到各国的注意，美国JPL研制的SeaWinds(参考文献M.W.Spencer,C.Wu,and D.G.Long,Tradeoffs in the Design of aSpaceborne Scanning Pencil Beam Scatterometer:Application to SeaWinds,IEEE Trans.On Geoscience and Remote Sensing.1997,35(1),pp115.)，以及印度将要研制的星载风散射计都采用这种方案。

对于星载风场散射计，必须对由于分辨单元相对散射计不同视在速度引起的Doppler频率的变化进行补偿。

对于角度-距离方式的散射计如ERS的散射计，在不同距离门采用不同的Doppler频率补偿，由于每个距离门的观测入射角和方位角都是固定的，所以这种补偿是固定的；对于采用笔形波束圆锥扫描的海面风场雷达散射计，则须对在不同方位角上由于海面分辨单元相对散射计的运动速度不同所引入的Doppler频率的不同进行补偿。星载散射计通常采用连续波脉冲方式工作，系统的工作带宽很窄(接近于点频)，这种Doppler效应引起的回波信号的频率搬移和频谱扩展必须进行补偿，才能保证回波信号能量的完整有效的接收和后向散射系数的准确测量。

笔形波束扫描的风场测量雷达散射计由于不同方位角对应不同的Doppler频率搬移，同时由于分辨单元内的面积扩展引起回波频谱的扩展，随着天线扫描角度的变化上述的雷达回波中心频率偏移和频谱扩展在随时变化。根据卫星轨道、天线入射角和天线波束宽度可以得到频率搬移和扩展的结果。

在一般情况下，由于接收机噪声和外部宽带噪声的存在，需要尽量减小接收机带宽，使其与要接收的信号带宽匹配，最大限度地减小接收到的噪声功率，提高接收信号的信噪比。对于以检测为目的的接收机(如大多数的通信系统的接收机)，减小接收带宽是一种有效的手段，最佳匹配接收是这种系统的一个典型例子。