（信号与信息处理专业论文）l波段雷达大地回波测量系统的研制与应用.pdf

摘要 摘要 后向散射系数的测量是大地回波特性研究的重要组成部分，针对大地散射系 数测量需要而设计的雷达散射计则是支撑其发展的关键技术之一。 本文介绍了一种用于在近垂直入射情况下测量大地散射系数的l 波段雷达散 射计系统的设计方案和具体实现，该散射计系统采用窄波束双天线线性调频连续 波( l f m c w ) 体制。系统射频前端采用自差拍混频的方式，混频后得到的回波 差拍信号经预处理和p g a 放大后，由数字采集模块对该信号进行同步采集，并将 数据存储到计算机。对采集到的信号做功率谱估计后，结合测量时的雷达参数和 环境参数，就可以计算出被测目标的散射系数。 扫频非线性是影响调频连续波雷达系统性能的重要指标，它主要影响系统的 距离分辨力和测距精度。本文利用由闭环线性度校正方法构成的数字一模拟混合 系统对散射计进行了扫频非线性校正，其扫频非线性度由原始的1 0 校正到优于 0 5 ，对于本系统来说已经完全满足要求。 定标是雷达散射计区别于其他普通探测用雷达的主要特征，是雷达散射计能 够用于测量散射系数的重要因素之一，它直接影响到散射系数的测量精度。本文 介绍了散射计定标的一般方法：内定标和外定标，并针对本散射计特点制定了具 体的定标方案。实验时采用已知r c s 值的标准金属球作为定标体，使用相对定标 法对系统进行外定标实验，得到定标数据。内定标时，通过内外场实验，分别利 用延迟线和角反射器对散射计进行了p g a 的增益定标和系统的距离测量定标。 最后，利用本散射计对翻耕农田进行了散射系数测量实验，得到了测量数据， 并对测量结果做了分析处理。 本文主要完成了以下两个方面的工作： 一、雷达散射计系统的研制。包括从根据测量要求提出设计指标到整个测量 系统的设计实现全过程。其中主要有以下一些工作： 根据测量的要求，设计了l 波段雷达散射计的总体方案和相关参数。 设计调试了l f m c w 体制l 波段雷达散射计射频前段和中频硬件电路。 对系统进行扫频非线性校正，使系统非线性度达到使用标准。 二、散射计的定标与散射系数测量方法，包括： 研究了散射计的定标方法。通过内外场定标实验，对散射计增益和距离进 摘要 行了校正，并利用金属球完成系统的绝对定标。 使用散射计对翻耕农田散射系数进行了实地测量，并得到了该种地形的散 射系数曲线。 关键字：散射系数，线性调频连续波，雷达散射计，定标 i i a b s t r a c t a b s t r a c t b a c k s c a t t e rc o e f f i c i e n t sm e 龇e m e n ti sa l li m p o r t a n tp a r to ft h er e s e a r c ho i lt h e e c h oc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee a r t h ，a n dt h er a d a rs c a t t e r o m e t e rd e s i g n e df o rt h en e e d so f s c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t sm e a s u r e m e n to ft h ee a r t hi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yt o s u p p o r ti t sd e v e l o p m e n t t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fal - b a n dr a d a rs c a t t e r o m e t e r s y s t e mw h i c hi su s e dt om e a s u r et h es c a t t e r i n gc o e f f i c i e n to ft h ee a r t hw o r k e da tn e a r v e r t i c a li n c i d e n c e t h i sr a d a rs c a t t e r o m e t e ru s e san a r r o w - b e a ld u a l a n t e n n al i n e a r f r e q u e n c ym o d u l a t i o nc o n t i n u o u sw a v e ( l f m c w ) s y s t e m r f f r o n to ft h i ss y s t e m u s e saw a yo fs e l f - b e a tm i x i n g ，t h ee c h os i g n a l sr e c e i v e df r o mt h em i x e rw i l lb e g a t h e r e ds y n c h r o n o u s l ya n d s a v e dt ot h ec o m p u t e rb yad i g i t a la c q u i s i t i o nm o d u l ea f t e r t h ep r e t r e a t m e n ta n dp g a a m p l i f i c a t i o n a f t e rt h ep o w e rs p e c t r u me s t i m a t i o nf o rt h e c o l l e c t e ds i g n a l s ，t h em e a s u r e do b j e c t i v e s s c a t t e r i n gc o e f f i c i e n tc a nb ec a l c u l a t e do u t c o m b i n e dt ot h er a d a rp a r a m e t e r sa n de n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s f mn o n - l i n e a r i t yo ff m c wr a d a ri sa ni m p o r t a n ti n d i c a t o ro ft h e s y s t e m p e r f o r m a n c e ，i ta f f e c t sm a i n l yo nt h es y s t e m sr a n g er e s o l u t i o na n dr a n g m ga c c u r a c y i nt h i st h e s i s ，ad i g i t a l a n a l o gh y b r i ds y s t e mc o n s t i t u t e db yt h ec l o s e d - l o o pl i n e a r i t y c o r r e c t i o nm e t h o dh a sb e e nu s e dt oc o r r e c tt h ef mn o n 1 i n e a r i t yf o r t h er a d a r s c a t t e r o m e t e r , a n dc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a l 10 t h ef mn o n l i n e a r i t yo ft h i s s y s t e m i sb e t t e rt h a n0 5 a f t e r c o r r e c t i o n ，w h i c hi sa l r e a d yf u l l ym e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m c a l i b r a t i o ni st h ec o r ed i f f e r e n c eb e t w e e ns c a t t e r o m e t e ra n dn o r m a ld e t e c t i o nr a d a r , i td i r e c t l ya f f e c t st h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h es c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t t h i st h e s i s d e s c r i b e st h eg e n e r a lm e t h o df o rs c a t t e r o m e t e r sc a l i b r a t i o n ：i n t e m a lc a l i b r a t i o na n d e x t e r n a l c a l i b r a t i o n ，a n dc o n s i d e rt o t h i s s y s t e m sf e a t u r e ，as p e c i f i cc a l i b r a t i o n p r o g r a mh a sb e e nd e v e l o p e dt of i ti t as t a n d a r dm e t a lb a l lw i t hk n o w nr c s v a l u eh a s b e e n u s e da st h ec a l i b r a t i o nb o d yi nt h ee x t e r n a lc a l i b r a t i o ne x p e r i m e n tw h i c hu s e da r e l a t i v ec a l i b r a t i o nm e t h o da n da c q u i r e dt h ec a l i b r a t i o nd a t a i nt h ei n t e r n a lc a l i b r a t i o n ， p g a g a i n sa n dr a n gm e a s u r e m e n ta l s oh a v e b e e nc a l i b r i t e du s i n gr a d a rd e l a yl i n ea n d i i i a b s t r a c t 一_ 一 t h ec o m e rr e f l e c t o ra ti n d o o ra n do u t d o o r e x p e r i m e n t s f i n a l l y , a l le x p e r i m e n th a sb e e nd o n et om e a s u r et h es c a t t e r i n gc o e 伍c i e i l to ft h e t i l l a g ef i e l d su s i n gt h i ss e a t t e r o m e t e ra n da c q u i r em e a s u r e m e n td a t a , a n dt h ea n a l y s i s o fm e a s u r e m e n td a t ah a sb e e nd o n et o o i nc o n c l u s i o n ，t h et w oa s p e c t so ff o l l o w i n gw o r k sh a v e b e e nd o n e i n 吐l et h e s i s f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n to ft h er a d a rs c a t t e r o m e t e rs y s t e m ，i n c l u d i n g ： a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fm e a s u r e m e n td e s i g n e dt h ew h 0 1 es y s t e ma n d s p e c i f i e di t sp a r a m e t e r s d e s i g n e da n dd e b u g e dt h er f f r o n ta n di fm o d u l eo ft h el - b a n dl f m c w r a d a r s c a t t e r o m e t e r c o r r e c t e dt h ef m n o n - l i n e a r i t yo ft h i ss y s t e mt om a k et h es y s t e mt oa c h i e v et l l e u s i n gs t a n d a r d s e c o n d , t h ec a l i b r a t i o na n ds c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t sm e a s u r e m e n tm e t h o do ft h i s s c a t t e r o m e t e r , i n c l u d i n g ： r e s e a r c ht h ec a l i b r a t i o n m e t h o d 。t h r o u g ht h ei n d o o ra n do u t d o o rc a l i b r a t i o n e x p e r i m e n t s ，c a l i b r i t e dt h ep g ag a i n sa n dr a n gm e a s u r e m e n t ，a n du s e dm e t a lb a l l t oc o m p l e t et h es y s t e ma b s o l u t ec a l i b r a t i o n m e a s u r e da n da n a l y s i s e dt h es c a t t e r i n gc o e f f i c i e n to ft h et i l l a g ef i e l d s g o t 也e s c a t t e r i n gc o e 伍c i e n tc u r v e so ft h i sk i n do ft e r r a i n k e y w o r d s ：s c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t ，l f m c w , r a d a rs c a t t e r o m e t e r , c a l i b r a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：上监吼训年莎月明 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：拉导师签名： 日期：伽f o 第一章前言 1 1 课题研究的背景和意义 第一章前言 雷达测高技术广泛应用于各种飞行器如飞机、卫星、导弹等。尽管用途和要 求有所不同，但其核心功能是为载体提供飞行高度等信息。雷达高度表的对地天 线波束较宽( 3 d b 宽度可达6 0 0 ) ，波束照射到地表面后，一部分能量将透射进地 表层而被吸收衰减，一部分从地表面反射，在各个方向呈现为不同强度的散射， 其中，后向散射成为雷达高度表所需的回波【1 ，2 】。 地球表面有多种多样的复杂情况，有水面、大片植被的平原、起伏的山峦、 沙漠、城市、森林等，不同的地面对雷达测高性能的影响各不相同。为了从大地 回波中准确可靠地提取出高度表等所需信息，就需要充分认识大地回波的特性。 弄清楚回波的基本特性，可以使雷达设计根据目标的不同特性合理选择信号波形， 针对目标的特点提出新的信号处理方法。不掌握回波的特性难以科学选取雷达测 高参数，不能够实现整个系统的优化设计。深入研究大地回波的特性无论在理论 上还是在实践上都是非常有意义的。目前，雷达测高技术正朝着更高的工作频率、 数字化、智能化和多功能化方向发展，大地回波特性研究是支撑其发展的一个关 键技术。 雷达大地回波是雷达发射信号作用于复杂系统所产生的信号。该复杂系统的 特性除与大气介质的衰减及散射等特性有关外，主要取决于大地的反射及散射特 性。这些特性不是恒定的，它们会随波束的入射角和天气等环境条件而变化，尤 其是当雷达载体与地面存在较大的相对运动时，这种变化更加明显。 目前研究大地回波特性有两个方向：一个是用模型、仿真和数学计算方法；一 种是对大地的不同地形做实际测量，直接得到该类地形的雷达大地回波特性。前 一种方法费用低，对平坦裸地的效果好 3 】；后一种方法费用高，但能得到任何地 形的实际大地回波特性。国外如美国在2 0 世纪5 0 、6 0 年代针对许多不同的地面 进行了大量的飞行实验【1 】，获取了大量的数据。国内由于人力和物力的限制，除中 国工程物理研究院在1 9 9 5 年使用高度表( 3 d b 宽度达6 0 0 ) 对大地的反射系数和 散射系数进行过实地测量；, f t 7 1 ，到目前为止还未进行过类似的实验，而这样的实验 无论在军事和民用上都有重要的理论和实践价值，因此在该领域进行深入的探索 电子科技大学硕士学位论文 就显得非常迫切和必要。 本项目就是利用窄波束主动雷达，在l 波段的频率上对翻耕农田的雷达回波 进行测量，获得该种地形的回波数据。这些数据的获得，有利于大地回波特性研 究，并且将对雷达的优化设计，降低雷达系统的冗余度，提高雷达精度等有十分 重要的意义。 1 2 国内外研究概况 国外在这方面作了大量的理论和实验工作【1 】 2 1 ，国内的一些单位利用散射计 也开展了该方面的工作【4 蚓。 从二十世纪五、六十年代以来，国外对雷达大地回波特性在理论和实际测量 方面开始了大量的研究工作，涉及到理论和工程实际的各个方面： ( 1 ) 雷达波的地面散射特性理论和技术 雷达波的地面散射特性理论研究实质上就是建立各种地面针对不同波长的无 线电波的散射特性模型，并基于所建的数学模型指导各种雷达电子设备的设计和 实现。 雷达地物回波理论提供了判断地面介电质性质、地面粗糙度、植被或雪覆盖、 雷达波长、入射角等诸因素变化对回波影响的基础，自2 0 世纪中叶开始的理论研 究已经建立了数种主要的理论模型，如c l a p p 在1 9 4 6 年提出的“粗糙表面简化模 型【8 】，s c h o o l e y 和m u h l e m a n 等人在6 0 年代提出的“小平面理论【9 ，1 0 1 ，以及 最早由r i c e 在1 9 5 1 年提出的相对较为理想的描述了海面和陆地散射的“小扰动 模型 1 1 1 ，该理论在8 0 年代被f u n g 等人完善成为双尺度模型” 1 2 】。 任何地物回波理论都依赖于地面状态的数学模型的有效性，然而实际地面太 过复杂，以至于不能用任何模型进行精确的完备的数学描述，所以必须用实验测 量的方法描述自然表面的雷达回波，理论研究只能对所做的测量进行指导和解释， 以及对试验数据进行外推。 ( 2 ) 雷达的地面回波特性的试验测量技术及数据 鉴于上述理论模型的局限性，上世纪7 0 年代以后国外的研究者们在卡车和直 升机上进行了广泛的测量试验。堪萨斯大学、荷兰、法国的测量主要集中在植被 的散射特性上，这些实验的入射角大多集中在1 0 0 - - 8 0 0 之间。 为研究更大范围的散射区域，必须用飞机测量，其中p h i c o 公司、g o o d y e a r 航宇公司、通用精密实验室和美国海军研究实验室都利用机载散射仪做了大量的 2 第一章前言 早期测量实验研究，通常的散射仪既可以利用连续波信号，也可以脉冲或调频测 量技术，甚至某些科研人员利用合成孔径成像雷达s a r 进行散射测量，但普遍缺 乏很好的校准。 2 0 世纪7 0 年代，人们基于散射测量提出了一些关于大面积反射地面的平均 后向散射模型，包括美国空间实验室辐射计省定射机( 融如s c a t ) 的测量和堪萨 斯大学车载微波有源频谱仪( m a s ) 的测量，在这些数据基础上得出了简单的线 性模型和更加复杂的方程描述的模型。线性模型综合了空间实验室在北美的试验 结果和堪萨斯大学在三个季节内对耕地的测量结果，其中后者采用1 1 g h z 微波 有源频谱仪在5 0 0 时，有效照射区域5 5 m 8 5 m ，1 7 g h z 则是1 4 m 2 1 m 。该模 型较好的吻合了北美地区相当多的实验测试数据，其中包括沙漠、草地、耕地和 森林等典型的陆地形态的各个季节时期，对于描述北美地面的平均散射系数有一 定的代表性。 上述的试验测量有一些数据公开发表，但是8 0 年代之后的大部分测量测试数 据由于某些原因逐渐淡出公开发表的学术界，给国内9 0 年代起步的类似科学研究 带了一定的不便。国内的研究主要是在散射系数的试验测量和数据分析上，例如 罗贤云等人通过x 、l 波段调频连续波测量雷达对含有植被的陆地进行散射系数 测量和回波的空间相关性分析【l 引，得到了一些关于雷达极化方向和空间相关性的 结论，张海等人利用s 波段非相干脉冲雷达配合宽波束天线对油菜地进行了散射 和反射系数的测量 7 】，得到了较为接近“线性模型”散射系数曲线，汤明等人利 用x 、l 波段的h h 、w 极化方式的散射仪测量不同角度的裸地散射特性分析， 用来寻找测量地面湿度最佳的入射角度【4 矧。 综上所述，针对雷达高度表的接近垂直入射这种典型用途，地面反射特性和散 射特性的实际测量工作在国外已于上世纪五、六十年代已经完成，并且得到了大 量的数据和实际可用的不同地面、不同环境因素的反射系数公式和散射数据公式， 并且在上世纪七十年代后向更深入的方向发展。这些数据和公式的获得，极大地 推动了先进国家的雷达、通信技术的发展。但由于巨大的军事应用背景，我国没 有这些数据可供使用，国内对这种无直接经济效益的基础科学研究也没有给予足 够的重视，这种情况在一定程度已经制约了我国雷达系统设计和探测性能方面的 发展。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 本文依托于国家自然科学基金8 毫米、s 、l 波段雷达大地回波特性测量与 研究，是该自然科学基金项目的重要研究内容之一。本文主要完成了以下两个方 面的工作： 1 、雷达散射计系统的研制，包括从根据测量方法提出设计要求到整个测量系 统的设计实现全过程。在研究各种散射测量设备的基础上，制定了适合子本测量 方案的l 波段雷达散射计的总体方案和系统参数；设计调试了l f m c w 体制l 波 段雷达散射计射频前段和中频部分硬件电路，并对射频前端v c o 进行了扫频非 线性校正，最后联调测试了整个硬件系统。 2 、雷达散射计的定标、散射系数测量方法以及外场测量实验。包括：研究了 散射计的定标方法。通过内外场实验，利用相对定标法完成了该散射计的绝对定 标，得到了定标数据。最后，制定了外场实验方案，使用该散射计对翻耕农田散 射系数进行了测量，得到了测量数据。 全文分为六章进行论述，具体内容安排如下： 第一章为绪论，首先介绍了课题研究的背景和意义，然后总结了国内外近年 来主要的大地回波测量和研究方法，最后对全文工作和结构安排做了简单叙述。 第二章首先介绍了散射系数及其相关的一些的基本概念，分析了在近垂直入 射情况下散射系数的特点，然后对一般的雷达散射机原理作了简要介绍。 第三章介绍了l f m c w 雷达散射计系统的设计与实现，是本文主要工作之一， 包括系统参数和方案的设计以及各个功能模块的具体设计实现。本章详细介绍了 射频前端、中频和扫频各个功能模块的设计与实现，针对系统的扫频非线性做了 校正实验，并介绍了本散射计数据采集的实现方案。最后对整个系统进行了测试， 得到了测试结果。 第四章首先介绍了雷达散射计定标的一般方法。然后针对本系统的设计特点， 对p g a 增益和距离测量设计了校正实验，得到了校正数据。最后，介绍了使用标 准定标体对系统进行绝对标定的实验，并分析了实验数据。 第五章中，利用本散射计对翻耕农田进行了散射系数测量，对测量得到的数 据进行了分析，得到了散射系数测量值。 第六章为结束语，总结了本文的主要研究内容，并指出了需进一步研究和解 决的问题。 4 第二章散射系数及雷达散射计原理 2 1 散射系数仃。 第二章散射系数及雷达散射计原理 雷达回波与被雷达发射的电磁波所照射的地物性质有着直接的关系。由于存 在着许多影响雷达回波的复杂地物参数，所以雷达回波与地物间的关系是极其复 杂的。被照射区域内地物的组成成分、含水量以及入射角、发射波与接收波的极 化和发射波的频率等都会对回波产生影响。因此，我们在设计和使用雷达时，能 够定量或者采用其他方式来描述雷达回波，尤其是用雷达所照射目标的特性来描 述回波，显得特别重要。目标问题可以归结于一个有效照射面积即雷达截面积 ( r c s ) 。一个目标的雷达截面积可以等效为一个与它具有相同回波信号的金属球 的投影面积。然而不同的是，球体的回波与视角无关，而几乎所有的目标回波都 明显地随取向而变化。因此，这一假想球的大小就需要随目标的姿态角的变化而 变化。 受照目标每单位面积的雷达截面积仃。是一种归一化参数，通常用来描述扩展 目标区的一种与照射面积无关的电磁特性。影响目标散射系数盯。的因素有很多， 如雷达波束的入射角、波长a 、入射和反射波的极化方式等。此外，雷达回波还 对风速、风向、含水量和目标表面粗糙度敏感 14 】。 2 1 1 雷达截面积 暴露在电磁波中的物体将入射能量向各个方向散开，这种能量的空间分布称 为散射，物体本身称为散射体。返回到发射源方向的散射能量( 称为后向散射) 就形成了物体的雷达回波。回波的强度用物体的r c s 明确描述。r c s 的正式定 义为 1 5 】： 仃：l i m4 乃r 2 隧( 2 1 ) ” i 毛1 2 式中，乓是雷达所在处的散射波的电场强度，磊是照射到目标处的入射波 的电场强度。表达式的推导假定目标截获入射波功率，然后将功率向各个方向均 匀地辐射出去。虽然大多数目标并不是向每个方向均匀地散射功率，但定义中仍 电子科技大学硕士学位论文 然这样假定。这样就可以计算出一散射体为中心，半径为尺的大球表面上的散射 功率密度，尺取值为雷达到目标的距离。这样，r c s 即是接收机处的散射功率密 度罡与目标处的入射功率密度s t 之比。目标散射特性如图2 - 1 所示。 图2 - 1 目标散射特性 若雷达发射功率e 各向均匀地向外辐射，则在距离辐射源r 处的功率密度可 表示为： s2 森 q 2 ) d 式中4 z c r t 2 表示半径为r t 的球的表面积。实际上，大多数天线的辐射并不是 各向均匀的，而是有一定方向性的，它们的辐射场与方位角有关，对于这种定向 天线来说，在距辐射天线兄处的功率密度可以表示为： s ：上呈( 2 3 ) a 冗r ： 式中g 为定向天线的增益。增益g 与天线的有效孔径彳。有如下关系： g ：4 万a e ( 2 4 ) 九 式中a 为辐射信号波长。根据上面目标的雷达截面积仃的定义可知，仃定义 为这样一个面积：当它截获了来自某个雷达的发射功率，然后无损地把该功率各 向均匀地散射出去的时候，所产生的回波功率与接收到的实际功率相等。因此， 与目标( 散射体) 相距为足处的散射功率密度为： s = 嚣伊碍1 协5 ， 6 第二章散射系数及雷达散射计原理 如果把增益为g ，的接受天线置于距目标( 散射体) 足处，那么接收到的目标 散射功率为： e = 嚣伊志= 两p 6 , 6 研r t 2 呵 协6 ， 式( 2 6 ) 适用于收发分置雷达。如果雷达的收发天线位于同一位置( 相隔很 近的双天线雷达) ，那么可得到雷达接收到的目标回波功率表达式为： e = 掰呵 ( 2 - 7 ) 式( 2 7 ) 称为雷达方程。从雷达方程可以看出，目标的雷达截面积仃是一个 正比于回波功率的参数。 一般来说，目标的雷达截面积是目标取向和雷达波长的敏感函数。由1 3 - 的定 义可以看出，对于一个各向均匀散射的目标来说，它的雷达截面积就等于它的投 影面积。半径口 五的球具有各向均匀散射的特性；因此，若口 旯，一个无损 耗金属球的雷达截面积为： 盯= r 1 2 2( 2 8 ) 半径口 2 4 z r 。 在这个意义上，对于我们关心的大部分地表来说，在近垂直入射情况下，都呈现 为粗糙表面。因此，在近垂直入射情况下测量大地散射系数，散射系数中反射和 散射分量各占不同的比重，随着入射角的减小，反射分量比重增加，雷达回波功 率急剧增大。 2 2 雷达散射计原理 f m c w 雷达的组成框图如图2 2 所示【1 7 1 。发射机产生连续的高频等幅波，其 接收机 图2 2 调频连续波雷达组成框图 频率在时间上按照调制电压的规律变化。目标回波和发射机直接耦合过来的信号 加到接收机的混频器内。在无线电波传播到目标并返回接收天线的时间内，发射 机发射频率与回波频率已有了变化，在混频器输出端便出现了差频电压。后者经 放大、限幅后加到频率计上。由于差频电压与目标距离有关，因而频率计上的刻 9 电子科技大学硕士学位论文 度可以直接采用距离长度作为刻度。 连续波雷达工作时，不能像脉冲工作时那样采用时间分割的办法公用天线， 但可以用混合接头、环形器等来隔离发射机和接收机。为了得到发射和接收之间 的高的隔离度，通常采用分开的发射和接收天线。 当f m c w 雷达工作于多目标的情况时，接收机输入端有多个目标的回波信 号。要区分这些信号并分别决定这些目标的距离是比较复杂的，因此，目前f m c w 雷达多用于测定只有单一目标的情况，例如在飞机的高度表中，大地就是单一的 目标。 f m c w 雷达常用的调制信号有正弦波信号、锯齿波信号和三角波信号等。本 文的l f m c w 雷达所采用的调制信号为对称三角波信号。发射频率按周期性三角 波的规律变化。在理想情况下，即不考虑多普勒效应的影响和寄生调幅的存在时， 调制信号的频率时间曲线如图2 3 。 fj 一尸惮 j _ l i i b ：氐i 一一、 i fo 2 一一：一0 一j 一一一一l r 一 。f弋l k 一。 i i i _r 图2 3 三角波调制信号的频翠时间曲线 其中b 为发射信号带宽，丁为三角波调制信号周期。从上图可以看出，反射 信号与发射信号形状相同，只是在时间上有一个延迟出，对于距离为尺的目标回 波，有： f：2r(2-12) 式中c 为光速。 为混频器输出的信号频率，即发射信号与反射信号的差频，根据三角关系， 由图3 可得： i a f = 可a t ( 2 1 3 ) b 1 0 第二章散射系数及雷达散射计原理 由式( 2 - 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 可以得到目标距离尺为： r r = 兰a f ( 2 1 4 ) 4 b 从上式我们可以看出，目标距离r 与混频器输出的信号频率厂是成正比的。 在距离为r 处的目标反射回来的信号功率就集中在混频器输出信号功率中频率为 矽的部分。因此，在中频差拍信号的频谱中，只要测量出频率为厂部分的功率， 就能得到该散射目标的散射系数。 2 3 本章小结 本章介绍了散射系数的基本定义。文中介绍了散射系数测量时需要的一般概 念以及对测量的影响。最后，本章介绍了雷达散射计的基本原理。 电子科技大学硕士学位论文 第三章l f m c w 体制雷达散射计的研制 3 1l 波段雷达散射计的系统设计 3 1 1 散射计体制的选择 根据课题的要求，需要测量接近垂直入射时农田和沙漠地形的雷达大地回波 特性。由于所需测量的地形相对特定，考虑到成本等具体的工程实现问题，散射 计系统选定为地面测量系统。相对安装于直升机或者飞艇上的散射计系统，安装 于吊车或其它支撑物( 如铁塔) 上的散射计具有体积和功耗较低，操作方便等优 点。另外，由于需要在近垂直情况下进行测量，所以地面散射计还具有所需测量 距离近，易于标定和校正的特点。 在近垂直入射时测量大地回波，回波强度会随着入射角度的减小而急剧增大， 因而需要雷达有足够的分辨力来区分不同角度的回波。从这个意义上来说，雷达 照射波的波束宽度越窄，雷达的距离和角度分辨力越高，可以确定的照射区域就 越小，测得的近垂直散射系数就越精确。 在测量中，需要将散射计悬挂于空中向地面照射。考虑到实际的工程应用， 散射计离地面的高度不易太大，但必须保证地面目标在散射计天线的远场。本系 统的发射天线口径为1 2 米，由下式可以算出天线的远场距离为： 厂堡( 3 - 1 ) 彳， 其中，为远场距离，五为发射信号频率，d 为发射天线口径。当散射计发射 机工作在1 7 g 时，系统的远场距离，约为1 6 米。因此，散射计的悬挂高度因该 大于1 6 米。 综上所述，设计的雷达散射计有以下几个特点：测量距离近、距离和角度分 辨力高、波束宽度窄、易于标定和校正。 现在常见的雷达散射计体制有连续波( c w ) 体制、调频连续波( f m c w ) 体制、连续波多普勒体制和单载频脉冲体制等。表3 1 列出了这几种体制雷达的 特点【l5 1 。从表中可以看出，简单的连续波体制散射计设备简单易于操作，但这种 系统只能靠天线的方向图在角度上区分照射区域，不能进行距离分辨；连续波 1 2 第三章l f l m c w 体制雷达散射计的研制 多普勒体制需要以多普勒频率来区分回波的角度，这就要求测量平台与地面有相 对运动，不适合这里的地面测量系统；单载频脉冲体制散射计技术复杂度高并且 测量的盲区相对较大，不适合近距离的测量。 表3 - 1 几种雷达体制的特点 连续波调频连续波单载频脉冲连续波多普勒 技术复杂度低低尚低 测距精度无尚局无 距离分辨力无局一般无 盲区无 近 较大无 作用距离近近远近 峰值功率 低低商低 除了上面列出的几种雷达体制外，使用现有仪器搭建雷达散射计也是一种常 见的实现方案。使用矢量网络分析仪等微波测量仪器搭建的地面散射计系统具有 指标高、功能多、频率覆盖范围大、精度高等特点。但作为精密仪器，并考虑到 成本问题，并不适合本课题在野外恶劣环境下进行测量的需求。 l f m c w 雷达的特点为【l8 】： 1 l f m c w 雷达发射一种连续波信号，峰值功率低，适合采用固态发射机， 简化了收发机的设计，并减小其重量、体积和成本。 2 l f m c w 信号的带宽决定了雷达系统的距离分辨力，因而宽带的l f m c w 雷达具有极高的距离分辨力，并且可以任意改变。 3 l f m c w 信号为雷达提供了很大的时间带宽积，信号能量大，远大于具有 同等信号电平和信号带宽的脉冲信号的能量。根据雷达统计检测理论，在噪声功 率一定得情况下，雷达的检测能力由信号能量决定。 4 几乎不存在距离盲区。由于连续波雷达的发射和接收机是同时工作的，不 像脉冲雷达那样需要在发射机工作时关闭接收机，所以调频连续波雷达不存在距 离盲区。 5 l f m c w 雷达可以通过回波频率和目标距离的线性关系，用距离增益来控 制目标回波信号的动态范围，易于实现距离增益( 时间灵敏度) 控制。 6 工作频率范围宽。在微波、毫米波波段可以采用一体化的l f m c w 集成组 件( 如m m i c ) ，从而使得整机结构简单、体积小、重量轻，易于工程实现。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 正因如此，调频连续波体制( f m c w ) 被广泛应用于地面雷达散射计中。本 文的雷达散射计也选择f m c w 体制作为测量体制。 3 1 2 散射计系统参数的设计 由上文分析可知，本文设计的雷达散射计用于测量接近垂直入射时的大地回 波特性。该散射计有两方面的需求：精确测距与测量大地回波功率。在近垂直入 射时，散射计对目标主要依据角度来分辨，这就需要散射计有高的角度分辨力， 即要求天线方向图尽量窄，增益尽量高。高增益需要大的天线口径，但太大的天 线口径会对工程施工带来困难。考虑到实际的测量需要，本散射计的发射天线采 用口径为1 2 米的抛物面反射天线，该天线的增益约为2 4 5 d b ，半功率波束宽度 为9 6 0 。系统总的照射区域由发射和接收天线的重叠区域决定，由于发射天线为 窄波束天线，该系统为一窄波束系统，分辨目标时以窄波束天线为准。如果接收 天线也采用窄波束天线，测量时对两个天线的指向要求就会很高。如果测量时一 个天线的指向略有偏差，那么两个天线公共照射区域的增益就会发生很大的变化。 这就要求两个天线的指向要尽量相同，这对于两个9 6 0 的窄波束天线来说是比较 困难的，天线支撑架的形变或者实际测量时的其他因素都会造成指向的较大偏差。 为了避免这种情况，这里选择半功率波束宽度为3 0 0 的标准增益喇叭天线作为接 收天线，该天线增益为1 5 5 d b 。这样一宽一窄的配置，即满足了测量的要求，又 保证了该散射计为窄波束系统。 在l 波段，农田地形的散射系数d r o 的起伏范围大约在3 5 d b 与1 0 d b 之间【l6 1 ， 这就要求接收机有4 5 d b 的动态范围。根据雷达方程： 只：丝肇掣a ( 3 _ 2 ) ( 4 万) 3 r 雷达发射机和接收机的功率比( d b ) 为： 只一只( 据) = g r + g f + 2 0 1 0 9 2 + 仃o + 1 0 1 0 9 a 一3 0 1 0 9 ( 4 万) - 4 0 1 0 9 r ( d b ) ( 3 3 ) 其中g ，为接收天线增益，g f 为发射天线增益，五为发射信号波长，么为有效 照射面积。考虑测量时的实际情况，目标距离r 取2 4 米，彳约为1 0 平方米。代 入上述公式，可得发射功率和目标回波功率比约在一8 8 2 4 d b 和4 3 2 4 d b 之间。考 虑到器件和工程因素，发射机功率不易取得过高，这里取1 7 d b m ( 5 0 m w ) ，这样， 1 4 第三章l f l m c w 体制雷达散射计的研制 散射计接收机灵敏度