（信号与信息处理专业论文）s波段雷达散射计研制与散射系数测量.pdf

摘要 摘要 大地回波特性对于星载机载雷达、微波遥感和雷达高度计有重要的意义。散 射系数测量是获得大地回波特性的主要手段，而为散射系数测量而设计的雷达散 射计又是散射系数测量的关键技术之一。 本文介绍了一种以接近垂直入射大地回波测量为应用背景的s 波段雷达散射 计系统的设计方案与具体实现。系统采用线性调频连续波雷达( l f m c w ) 体制，双天 线设计。目标回波差拍后的中频信号经过放大滤波后被直接数字化，并通过数据 采集卡被采集存储到计算机。利用存储的中频信号的功率谱，结合测量时的雷达 参数和几何配置，就可以计算得到被测目标的散射系数。 定标是雷达散射计与探测用普通雷达的核心区别，是雷达散射计进行散射测量 的最重要要素之一，定标好坏直接决定了测量精度。文中介绍了散射计的一般定 标手段，并针对本系统设计了定标方法。实验利用两个已知r c s 值的定标金属球， 使用相对标定法对散射计系统进行外定标实验，得到了定标数据。对比标准定标 体的测试数据，结果表明，整个系统工作正常、性能良好。此外，通过内外场实 验，分别利用雷达延迟线和角反射器对该散射计作了p g a 增益和距离测量的校正。 最后，本文还利用该散射计对均匀树冠进行了散射系数测量，对测量结果做了 分析处理。并对近垂直入射时的散射系数测量方法作了一定讨论。 本文主要完成了以下两个方面的工作： 一、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。其中主要有以下一些工作： 根据测量要求，设计了s 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s 波段雷达散射计射频前段和中频软硬件电路。 开发了基于p c 平台的中频数字信号采集与存储软件。 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。通过内外场实验，对散射计增益和距离进行了 校正，并利用金属球完成了绝对定标。 使用该散射计对大树均匀树冠散射系数进行了测量与分析。讨论了近垂直 入射散射系数测量中的几个实际问题。 关键字：雷达散射计，散射系数，定标，l f m c w a b s t r a c t a b s t r a c t c h a r a c t e r i s t i co fr a d a rt e r r a i nr e t u r ni sv e r yi m p o r t a n tf o rr & do fs p a c e b r o n e a i r b r o n er a d a r , r e m o t es e n s i n ge q u i p m e n t , a n dr a d a ra l t i m e t e r s c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t m e a s u r e m e n ti st h em o s ti m p o r t a n tw a yt or e t r i e v et h ec h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h e d e v e l o p m e n to ft h ee q u i p m e n to fs c a t t e r i n gc o e f f i c i e n tm e a s u r e m e n t ，s c a t t e r o m e t e r , i s o n eo ft h ek e yt e c h n i q u e so ft h em e a s u r e m e n t a nsb a n dr a d a rs c a t t e r o m e t e ra n di t si m p l e m e n th a v eb e e ni n t r o d u c e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h es c a t t e r o m e t e ri sd e s i g n e dt ow o r ka tn e a rv e r t i c a li n c i d e n c e 、析t ht r u c k m o u n t e d i ti sal f m c w s y s t e m 、析t l ls e p a r a t e dt r a n s m i ta n dr e c e i v ea n t e n n a s t h ep o s t m i x e rs i g n a lo fr a d a rr e t u r ni sd i r e c t l yd i g i t a l i z e da f t e ra m p l i f i e da n df i l t e r e d ，a n dt h e n a c q u i e s c e da n ds t o r e di nc o m p u t e rb yad a t aa c q u i e s c i n gc a r d u s i n gt h es p e c t r u mo f t h es t o r e dp o s tm i x e rs i g n a l ，r a d a rp a r a m e t e ra n dg e o m e t r i ci n f o r m a t i o n , s c a t t e r i n g c o e f f i c i e n to ft h et a r g e tc o u l db ec a l c l u t e d c a l i b r a t i o ni st h ec o r ed i f f e r e n to fs c a t t e r o m e t e rf r o mn o r m a lr a d a r , a n dd i r e c t l y d e c i d e st h ep r e c i s i o no ft h em e a s u r e m e n t t h eo r d i n a r yc a l i b r a t i o np r o c e d u r eh a sb e e n s u m m e du p ，a n das p e c i f i e dc a l i b r a t i o np r o c e d u r ef o rt h el f m c ws c a t t e r o m e t c rh a s b e e nd e s i g n e di nt h ed i s s e r t a t i o n t w om e t a lb a l l s 、 ，i t l lk n o w nr c sw e r eu s e di nt h e e x t e mc a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t a c c o r d i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l t ，t h es y s t e mw o r k s p r o p e r l ya n dh a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e o t h e r w i s e ，p g ag a i n sa n dr a n gm e a s u r e m e n t a l s oh a v eb e e nc a l i b r a t e du s i n gr a d a rd e l a yl i n ea n dc o m e rr e f l e c t o ra ti n d o o ra n d o u t d o o re x p e r i m e n t f i n a l l y , s c a t t e r i n gc o e f f i c i e n to ft h e c r o w no fb i gt r e ew a sm e a s u r e d 埘也t h e l f m c ws c a t t e r o m e t e r , a n dt h ed a t aw e r ea n a l y z e d t h ed i s s e r t a t i o na l s od i s c u s s e d s o m ep r o b l e m so fs c a t t e r i n gc o e f f i c i e n tm e a s u r e m e n tw i t hn e a rv e r t i c a li n c i d e n c e i nc o n c l u s i o n , t h et w o a s p e c t so ff o l l o w i n gw o r kh a v e b e e nd o n ei nt h ed i s s e r t a t i o n ： f i r s t , t h ed e v e l o p m e n to ft h es c a t t e r i n gc o e f f i c i e n tm e a s u r ee q u i p m e n t i n c l u d i n g ： a c c o r d i n gt h em e a s u r em e t h o dd e s i g n e dt h ew h o l es y s t e ma n ds p e c i f i e di t s p a r a m e t e r s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt h er ff r o n ta n di fm o d u l eo f t h es y s t e m i i a b s t r a c t d e v e l o p e dp o s tm i x e rs i g n a la c q u i s i t i o na n ds t o r a g es o f t w a r ea tp cp l a t f o r m s e c o n d ，c a l i b r a t i o na n dm e 嬲u r e m e mm e t h o d ，i n c l u d i n g ： d e v e l o p e das p e c i f i e dc a l i b r a t i o np r o c e d u r ef o rt h ee q u i p m e n t 晰t 1 1i n d o o ra n d o u t d o o re x p e r i m e n tp g a g a i n sa n dr a n gm e a s u r e m e n th a v e b e e nc a l i b r a t e d ，a n d a l s oa b s o l u t ec a l i b r a t i o nh a v eb e e nd o n ew i t ht w om e t a lb a l l s m e a s u r e da n da n a l y z e ds c a t t e r i n gc o e f f i c i e n to ft h ec r o w no fb i gt r e e s o m e p r o b l e m so fs c a t t e r i n gt o e m c i e n tm e a s u r e m e m 谢吐ln e a rv e r t i c a li n c i d e n c e w e r ed i s c u s s e di nt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：s c a t t e r o m e t e r , s c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t , c a l i b r a t i o n , l f m c w i i i 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：童 晕日期：汕7 年中月) l f 日 关于论文使用授权的说明 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：童垡导师签名： ，日期：、d 。气年月2 f 日 第一章引言 1 1 研究的背景和意义 第一章引言 随着现代雷达技术的发展，机载、星载雷达以其独特的优势成为雷达技术的 一个重要方向。它们都有一个共同的特点，雷达波束往下照射，大地回波成为其 探测目标的主要障碍，成为杂波。因此，研究大地回波的特性对提高该类雷达的 检测性能具有重要意义【l 】。另一方面，雷达遥感技术中，大地回波是遥感雷达获得 地面各种信息的直接依据，大地雷达回波特性是雷达遥感技术研究的一项重要内 容【2 】：在雷达高度计中，大地成为测高雷达的探测目标，大地回波特性更是该类雷 达的设计基础【3 j 。 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。 掌握回波的基本特性，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 上还是在实践上都具有非常重要的意义。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【3 5 】。 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1 6 1 ；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，获取了大量的数据【7 】【引。国内由于人力和物力的限制，除 电子科技大学硕士学位论文 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 。) 对大地的反射系数 和散射系数进行过实地测量外【9 】，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 索就显得非常迫切和必要。 对于实际测量大地回波的研究方法，需要有专门的测量设备。一般来讲，这样 的散射测量设备是一个可测量照射区域并且可以幅度定标的雷达系统，通常称为 微波散射计( m i c r o w a v es c a t t e r o m e t e r ，m s ) 。作为测量仪器，散射计系统的性 能直接影响了雷达回波测量的准确性和可信度。因此，散射计的研制是雷达回波 分析中的关键技术之一。 1 2 大地回波测量技术国内处研究概况 国外在五十至七十年代在雷达大地回波特性实际测量与分析方面作了大量的 理论和实验工作【7 】【1 0 】【1 1 】，国内自八十年代以来的中国电波研究所等单位利用散射 计也开展了该方面的工作 1 2 - 1 4 】。国内外的大多数回波测量工作都针对某项特定用 途，以选取测量的目标与测量方法和设备。其中以遥感判读、机载雷达和地面雷 达目标检测杂波环境为研究目的的散射测量最为常见。以这样目的测量时，所选 取的入射余角都不大，很少有大于8 0 度的测量【_ 。但雷达高度计正是工作在垂直 或者接近垂直入射的情形下，这时雷达回波较其它入射角度呈现出不同的特型1 1 j 。 而在公开发表的学术界，国内外对这方面的测量研究较为少见。 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。 1 2 1 大地回波特性的研究方法 回波是雷达探测目标信息的依据。要描述雷达照射大地时反射或散射的回波 可以从以下两个方面考虑：a ：对回波产生影响的因素。包括，大地特性，风速， 2 第一章引言 雷达波入射角，照射波极化方式，照射波频率和带宽等。b ：对散射或反射回的回 波本身特性的描述。包括，回波功率，极化特性，各种极化之间的相互关系等。 其中回波功率是最为重要的信息。 研究者通过改变前者中各种因素，观察后者中各项的变化。最后总结拟合出 经验公式或模型，最后更进一步探索产生这样规律的机理。 各种组合中，以研究入射角变化对散射系数的影响最为常见，该处散射系数 一般指散射系数的中值或平均值。如，国内中国电波传播研究所等在8 0 年代就做 了大量该方面的研究，得到了各种地型下的入射角一散射系数关系刚”17 1 。国外该 类研究的报道也很常见。研究者们根据自己的试验数据各自都得到了一些经验结 论，但普适结论极为少见。但该类研究的入射角大多数尽局限在平直区和近切向 入射区 刁。 学者们针对c r 0 随入射角变化的曲线分析，可将平原、海域区段特征划分为五 类。第一类t 包括平静的水面、机场评、道路，属光滑表面。第二类：包括耕地、 沙漠、河床、矿山坪、海浪等，属粗糙表面。第三类：包括种植小麦、水稻棉花、 蔬菜等农作物的农田、草原、灌木丛，属混合介质的随机表面层。第四类：包括 树林、果园等，与第三类表面相似，但介质与空气的体积比较小。第五类：包括 城市、居民区、岩石裸露层等属含有反射表面的组合表面。综合分析这些变化有 以下几个明显的特点：( 1 ) 近似垂直入射时光滑表面的叮。远大于粗燥表面，而近 似切向入射时则相反。( 2 ) 近似光滑表面的仃。有达5 0 d b 的取值宽度，而一般粗燥 表面只有2 0 3 0 d b ，植被尽5 - 1 0 d b 。( 3 ) 去极化效应以植被最为显著，与粗糙表面 类似，交叉极化散射系数比同极化散射系数低约5 - 1 0 d b ，而光滑表面两者相差 1 0 - 1 5 d b 。( 4 ) 入射角在6 1 0 度范围，所有特性曲线交聚在一起，呈现出与表面粗 糙度无关的现象1 2 j 。 众所周知，回波功率是起伏的，研究回波功率的起伏规律即回波功率分布率 和自相关函数( 功率谱) 也具有重要意义。起伏分布率通常认为可以用瑞利分布、 莱斯分布和对数正态分布描述，而起伏功率谱则随外在因素变化较大。国外该方 面进行了大量研究，国内较少见。如，d e k e n ，r d h a y e s ，t l i n c l l ，f i s h b e i n 等在 五、六十年代分别得到了起伏功率谱与风速、频率等的经验公式。其中d e k e r r 经过分析得到了回波功率谱与散射元概率分布关系的计算式 7 1 。 t l i n e l l 报道了一项为期两年的x 波段测量项目所获的成果，该项目专门研究耕 地和树林的回波。在数据处理时，对回波脉冲中幅度最大的1 0 以及最小的1 0 不 予考虑，根据留下的占总个数8 0 的回波脉冲计算短时幅度分布。据称，这样计算 3 电子科技大学硕士学位论文 得的回波幅度分布是接近于对数正态分布的。这些观测是用一部x 波段雷达置于 1 0 0 英尺高的水塔进行的，所以可以以很小的入射余角来研究陆地回波【7 】。 1 9 9 9 年孙芳、罗贤云等利用多波段极化散射计对中原地区常见的几种农作物 的后向散射特性进行了测量，并从散射系数的测量结果得出了其在不同频率及不同 地物参数下的散射特点【1 8 之o 】。他们得出了如下结论。水稻的散射系数在小入射角 时明显较大，这是由于水稻的株高、密度及单茎叶面积较其他几种作物都小，散射系 数主要取决于植被、土壤及其相互作用的共同影响，加之经常灌水，土壤表面较平且 含水量较大，所以散射系数随入射角变化的镜反射区和平直区表现较为明显，尤其 是在频率低时更明显，这与频率越低穿透力越强是相吻合的。交叉极化明显低于同 极化。由于水稻的垅向不十分明显，所以散射系数与垅向的关系不太大。棉花的散 射系数随入射角的变化不向水稻那样明显，这是由于它们的植株都较高，密度较大， 单茎叶面积亦较大，电磁波未能穿透植被照射在土壤上，因此主要表现为植被的体 散射作用，所以小入射角下无明显的镜反射区。棉花地的垅向较为清楚，所以散射系 数与垅向有明显关系。花生虽然株高较小但土壤完全被花生叶子覆盖，电磁散射主 要体现为随机取向的叶子的体散射，因此镜反射区亦表现得不明显，随着入射角的 变化散射系数较为平缓。并且由于枝叶的杂乱性，使得去极化现象较为严重。玉米 的散射特性与棉花相类似，它们的植株也都较高，单茎叶面积较大，但由于该玉米地 的植株较稀疏，所以土壤亦对散射产生贡献，使得在小入射角时的散射系数比棉花 的略高，镜反射区已明显表现出来，随着入射角的增大，散射主要表现为植被的体散 射作用，散射系数变化缓慢，去极化现象亦明显表现出来。 l a n g 在其著作1 7 】中对该方面研究进行了较为详尽的总结。 此外，由于散射矩阵能完全的描述一个散射现象，能最大程度地得到相关的 信息。但是散射矩阵里的各项在描述大地散射回波时都是随机复数变量，给测量 带来了一定困难。该类测量研究者们也有所尝试【2 。 尽管如此，对大地回波随各种因素变化的内在机理和相应模型建立仍是学者 们研究主要兴趣所在。如，把植被地面回波分为地面和植被本省散射两部分分别 讨论，把沙漠回波分为表面散射和地下卷积散射两部分，并得出计算式等等。 关于接近垂直入射时雷达回波特性，报道较少。垂直入射时回波有较其它入 射角度的很大特殊性，但该类研究对无线电高度计设计具有重要意义。m o o r e 等把 垂直入射时雷达回波分解为相位和功率都较为恒定的反射分量和相位随机功率起 伏的散射分量，并以此定义反射系数，并在此基础上进行了测量【帅1 11 1 。 4 第一章引言 1 2 2 国内外大地回波测量方法 如以上的分析所述，同是回波特性研究但侧重点可能会有所差异。待研究的 回波特性方面不同，测量方法也有所差异。具体地，测量归一化雷达截面积( 回 波功率信息) 、回波起伏功率谱、功率分布率、回波去极化特性、回波极化间相位 关系等决定了测量雷达的体制和部分参数。如，若需要测量极化间相位关系则要 求接收机在不同极化通道间是相干解调体制。另一方面，测量中对入射角的要求、 大地类型、天线波束宽度等则决定了测量时场地的几何配置和部分测量的方法。 大多数已报道的测量研究的主要内容都集中在对不同地型随入射角变化，不 同极化回波功率变化关系的研究上【2 】【7 1 。该类测量的测量方法也各异，主要有以下 几种。 在早期测量中，大多数测量设备都是采用已有雷达而成。改装方法多为在雷 达接收机视频上加装记录设备，记录设备主要为胶片或笔式记录仪【8 】。需要测量多 种极化方式时，研究者们通常在已有雷达上加装多极化天线或将发射接收天线分 置。该类雷达通常都为窄波束脉冲体制。设备挂载平台通常选取吊车、桥梁或飞 机，测量时，改变照射角度同时记录回波功率。 近年来，测量更多地倾向采用专门设计的散射计用a d 采样记录回波【2 2 1 ，或用 网络分析仪等仪器搭建特定测量设备。如，国内电波传播研究所用一台窄波束收 发天线分置的调频连续波散射计开展了大量该类测量。c r g r a n t ，b s y a p l e e 采用 窄波束、零中频超外差连续波、收发天线分置的散射计，将散射计挂载在桥梁上， 对桥下地面散射系数进行了测量j 。 为了保证精度，降低成本增强灵活性，近年有的测量采用了用精密射频仪器 搭建测量设备的方案。如a d i bn a s h a s h i b i 等用h p 8 7 5 3 c 矢量网络分析仪配合变频模 块和极化切换模块组成测量设备，对各种湿度下的沙漠进行了回波特性测量【2 4 】。 国内的温芳茹、罗贤云等用矢量网络分析仪组成测量设备，对大地散射矩阵测量 进行了研究和尝试【2 。 在所有的带标定的回波测量中，校准技术和等效照射面积的计算都是研究者 需要重点关心的问题。根据散射计类型的不同，校准也有所差异。但原理和方法 都大致相同，分为内校准和外校准两方面f 2 】。姚传亮、朱为中详细讨论了散射计的 校准方法，能为大多数散射计校准提供参考【2 5 】。另一方面，等效照射面积的计算 与几何配置、天线参数和雷达体制息息相关，也是散射系数测量的基本要素之一1 2 】。 5 电子科技大学硕士学位论文 在地面回波测量中，散射计的测量精度对后期的回波特性分析至关重要。在 测量精度方面，有学者也做了相关的研究。俞顺弟、朱为中定量地系统分析了地 面散射的测量精度和可能对测量产生影响的因素【2 6 1 。作者对可能引起地面散射计 测量精度的各种因素进行了分析，指出下列雷达参数对保证测量精度是很重要的： 发射机功率、接收机增益、工作波长、天线波束形状及其指向角、天线波束旁瓣 电平和发射信号调频非线性。作者还提出了确定调频非线性所引起的误差的方法。 垂直照射地面时雷达回波有很多特殊性。为了描述垂直入射时回波的功率特 性，一般在散射系数的基础上引入反射系数。m o o r e 提出了反射系数的概念并用宽 波束，窄脉冲垂直照射的雷达对反射系数进行了测旦【8 】【1 1 】。国内张海等在1 9 9 5 年也 进行了类似的工作阳。他们测量都采用宽波束、高距离分辨力、垂直入射、单极化 天线的总体测量方案。高距离分辨力他们都采用了窄脉冲宽度实现。 由于采用脉冲雷达体制，脉冲的宽度与入射角度( 距离单元) 一起决定了在 某一时间的雷达波等效照射面积。根据不同距离单元内的回波功率与等效照射面 积的关系可计算在该入射角度下的散射系数。再根据大地反射系数的模型，可以 由不同角度的散射系数拟合出目标地面的反射系数。另一方面，由于雷达回波可 以被完全连续的记录，研究回波的起伏特性也是可行的。 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 、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，制定了适合于本测量方案的s 波段雷达散射计的总体方案；设计调试了l f m c w 体制s 波段雷达散射计射频前段 和中频部分硬件电路，并开发了基于p c 平台的中频数字信号采集与存储软件，最 后联调测试了整个硬件系统。2 、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，使用该散射计对大树均匀树冠散射系数进行了测 量与分析，并对近垂直入射散射系数测量中的几个实际问题作了一定讨论。 全文分为六章进行论述，具体内容安排如下： 第一章是本文绪论，首先介绍了课题研究的背景及意义，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。 6 第一章引言 第二章首先介绍了散射系数的基本概念，对散射系数测量的基本方法和一些重 要相关概念作了总结阐述。特别地，针对近垂直入射时，介绍了m o o r e 关于散射 的模型和反射系数概念和测量方法。 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和各个功能模块的设计实现。详细介绍了射频前端、 中频、扫频和采集存储软件各个功能模块的设计与实现。最后对整个系统的测试 方法和结果进行了介绍。 第四章首先介绍了雷达散射计的一般定标方法。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，利用散射计对均匀大树树冠进行了散射系数测量，对测量得到的一 组数据进行了分析，得到了散射系数测量值。然后对垂直入射时散射系数测量的 几个实际问题作了一定讨论。 第六章是结束语，总结了本文的主要研究内容，指出了需进一步研究和解决的 问题。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章散射系数与雷达散射计 2 1 面目标的散射系数c r o 雷达回波与雷达波所照射的地物性质有着密切的关系。由于存在着许多能影响 回波的复杂的地物参数，回波与地物间的这一关系是极其复杂的。照射区内地物 的细小组分、甚至它的含水量都对回波发生影响。此外，回波还与发射彼的入射 角、发射波和接收波的极化方式以及发射波频率有密切关系，这使得回波与地物 间的关系更加复杂。 受照地表每单位面积的雷达截面积盯。是一种归一化参数，通常用它来描述扩 展目标区( 面目标) 一种与照射面积无关的雷达回波特性。仃。与多种因素有关， 包括照射时的入射余角汐、雷达波波长五、入射波和反射波的极化方式等雷达相关 因素。此外，根据地表本身的性质不同，地物的盯。值还会随着风速、风向、含水 量和表面粗糙度敏感等的改变而改变【z j 。 2 1 1 目标的雷达截面积 在本节中，将简单回顾在自由空间的散射方程和雷达截面积定义。虽然自由空 间的假设是极为理想化的，但是推导出的方程对描述雷达波在地球大气内的传播 通常也是适用的。 如果一个辐射源以功率只各向均匀地向外辐射，则在离辐射源距离为天，处的 功率密度为p , 4 r c r , 2 ，其中，4 r c r ，2 是半径为r 的球的表面积。实际上，大多数天 线不是各向均匀辐射的。对于这种定向天线来说，它的功率密度可表为： ，= 器 ( 2 - 1 ) 4 冗r g 是定向天线的增益。我们知道，增益g 与天线的有效孔径4 有如下关系： g ：下4 i r a e( 2 2 ) 式中彳为波长。由于大多数天线的发射增益等于接收增益，所以在这个意义上 来说，同一个天线的发射增益和接收增益是可以互易的。尽管如此，我们还是以g ， 8 第二章散射系数与雷达散射计 和g 分别表示接收天线和发射天线的增益。所以，天线接收到的信号功率可表为： p = 皿= 嚣4 = 器 ( 2 3 ) 式( 2 - 3 ) 给出了单程传播情况下的接收功率。 目标的雷达截面积盯定义为这样一个面积：这个虚拟面积截获来自某一雷达 的发射功率，然后无损耗地把该功率各向均匀地散射出去，在接收天线处所产生 的回波功率与实际目标所散射的回波功率相等。则这个面积值就是该目标的雷达 截面积。与散射体( 目标) 相距为足处的散射功率密度可表为： 以= 嚣素 ( 2 - 4 ) 4 万冠24 万r 。 、 如果把增益为g 的接收天线置于距离目标为r r 的地方，那末接收到的目标散 射功率为： p = 器舞小斋寿呵 p 5 ， 上式适用于收发分置雷达，也就是发射天线与接收天线不是置于同一位置的 雷达。对于发射和接收共用一个天线的单基地雷达，有g ，= q 。由式( 2 - 5 ) 可得到 用来计算单基地雷达接收到的目标回波功率的下述表达式： e = 器仃 ( 2 - 6 ) 上式即为所熟知的“雷达方程”。该式并没有考虑到大气损耗等因素，在实 际精确计算时需要一定的修正。 如上面所述，雷达截面积是一个散射体或者雷达目标的电磁特性，它包含在 雷达方程中，表征了该物体在某个方向上散射雷达波的强度。从雷达截面积的定 义可以看出，它是对目标的散射能力的一个表征，而并不是一个目标的真实面积。 当波长远远小于其尺寸的时候，理想的金属球就是这样的一个散射体，具有各向 均匀的散射特性。这时，金属球的投影面积即就是它的雷达截面积r c s 。然而实际 绝大多数散射体都不具有被照射时各向均匀散射这样的特性，所以他们的r c s 也 就随着照射角度的变化而变化，而且这样的变化可能会非常剧烈。这种变化与照 射波的波长也有很大的关系。 由于简单物体的表面和坐标系一致，可以得到之间的关系，雷达截面积可以 在其坐标系通过求解波动方程，按照雷达截面积的定义来精确求解。精确解要求 9 电子科技大学硕士学位论文 物体表面内外电场和磁场满足某些条件，这些条件由构成目标材料的电磁特性确 定。另外还有通过计算目标表面感应场的方法得到目标雷达截面积。除了这些通 过计算的方法得到目标的雷达截面积以外，对复杂目标的雷达截面积更多地依靠 实际测量得到。测量时可以是全尺寸的实物，也可以是按比例而成的缩小模型阳。 2 1 2 雷达地物回波的散射系数 与上面讨论的点目标不同，来自于陆地或者海面的雷达回波来自于一个散射 面。如果把被照射的陆地看成一个目标，一定范围内反射来的平均雷达回波强度 与其被照射面积成比例。为了度量这个与被照射面积无关的目标雷达波散射特性， 用单位面积的雷达截面积盯。来描述地物回波。它可以用下式来计算： 盯。= 旦4 c ( 2 - 7 ) 式中，疋是面积4 上杂波的雷达截面积，符号仃。则被用来表示散射系数。它 同时也被称为微分散射横截面积、归一化的雷达反射率、后向散射系数，以及归 一化雷达截面积。其中的零是上标，因为下标是为所有极化方式保留的，盯。是一 个无量纲的数，并经常用分贝来表示，参考值是1 朋2 朋2 。 使用微分散射截面积意味着，地物回波是由大量相位彼此独立的散射单元产 生的。这主要是由于各散射单元的距离差异所致，尽管这个差别仅是总距离的很 小一部分，但却是波长的数倍。功率的叠加可用于计算平均回波强度。如果该条 件不适用于一些特殊的地面目标，那么微分散射截面积的概念对这些目标也就失 去了意义。例如，高分辨力雷达可以分辨出小轿车的各部分，则仃。就不能正确地 描述小轿车的光滑表面。另一方面，分辨力较差的雷达看到的是大型停车场上的 很多小轿车，这时测得的停车场的就是有效的。 假定在某一时刻某个雷达照射区域内有 个散射单元，并且也满足上述条件， 因此功率可以相加，其雷达方程则变为： p = 辜篙静= 季盟铲 ( 2 8 ) 争( 4 刀足2 ) 2争( 4 万足2 ) 2 p 叫 式中，m 为面积元；，g f ，4 是与m 相对应的z ，g f ，4 值。在等式 右面分子中，括号内的因子是第i 个单元的散射截面积增量。需要指出的是，此概 念只适用于平均值。于是，平均回波功率由下式给出： l o 第二章散射系数与雷达散射计 e = 车学 p 9 ， 式中，c r 0 用来表示q 似的平均值。刀一时，得到的形式为： 万= 击照孚出 任埘 式中，只表示平均值。这种积分实际上并不正确，因为任何实际的独立散射 中心都有一个最小尺寸。然而，这种概念还是被广泛采用，并且只要照射面积大 到足以包含许多这样的散射中心，这一概念就是可用的。 2 2 散射系数盯。的测量 要测量反射系数盯。需要得到两方面的信息，一方面是接收到的雷达回波功率 有多强，另一方面这些能测量的回波功率来自于多大的面积。也就是说，需要得 到在一个可以测量的面积上产生的一个可以测量的功率，因此散射系数的测量就 涉及到目标的分辨问题。所谓分辨，就是指出哪块面积产生了哪些功率。分辨可 以是多方面的，可以是天线波束宽度、雷达的距离分辨、相对移动速度的不同等 等。此外，由于被测目标的复杂性，地面回波会呈现像噪声一样的衰落特性。反 射系数矿。通常描述的是大地雷达回波的平均回波强度。要测量反射系数仃o ，需要 对一块认为相同散射特性的地面测量多次，以得到多个独立的测量样本。样本的 数量越多，反射系数平均值的估值的方差也就越小，精度也就越高。 2 ，2 1 雷达照射目标的分辨 散射计的分辨问题与散射系数测量中的照射面积计算直接对应。要有效测量散 射系数，就必须讨论雷达的各种分辨。散射系数测量中，接收来自一块面积上不 同部位的信号的空间分辨是靠下面一些方法得到的：不同角度、不同距离和相对 于雷达位置有不同相对速度的区域。 在以探测目标为目的的雷达中，雷达分辨力通常用来回答被观察目标单元是一 个还是一个以上的能力的度量，如果客观上确实存在两个目标，系统或者观察者 能分辨出两个而不是一个，则就认为在这个系统中这两个目标是可以分辨的。但 是在以散射系数测量为目的的雷达中，系统面对的目标通常是在空间上连续的面 目标。在这里，目标个数的概念比较模糊，可以认为是无限多个目标的组合。这 电子科技大学硕士学位论文 样的情况下，雷达系统的分辨力则用来表征雷达接收到的功率与目标在空间上的 对应关系。在一次的发射一接收的过程中，经过处理后的雷达信号的一部分的功率 可以对应成为空间上目标的某一块面积所散射回来接收到的。这个对应关系可以 细分到哪个程度就由分辨力来度量。 在散射系数测量中，雷达系统的分辨力一般采用两个半功率点之间的间隔来表 示分辨力，这个间隔可以是角度域、距离域，也可以是速度域。分辨力由相应域 的半功率点间的宽度确定，如图2 - 1 所示。 功率相 _ 距离( 由延迟测量获得) 一角度( 由天线方向图测量获得) 一速度( 由多普勒测量获得) 图2 - 1 半功率雷达分辨力 图中的目标相应半功率点宽度w 就为分辨力。 也就是说，微波系统的分辨力是靠测量( 一个或者几个) 角度、距离和速度量 而获得的。角度分辨力是通过对天线的波束宽度测量而得到的，如果天线波束越 窄，角度分辨力就越好。距离分辨通常由测量时间延迟得到。对于脉冲体制，其 时间分辨力就近似等于脉冲的宽度。在调频连续波，或者有脉压体制的雷达中， 也有类似的等效。速度的分辨也广泛的应用在散射系数的测量上。例如，遥感雷 达运载器在地球上空飞行，其几何关系使得地球上各点具有不同的相对速度，利 用能辨别不同多普勒频移的滤波器组就可以分辨来自地面不同部位的信号。 2 2 2 雷达目标回波的起伏 如果雷达装在运动的车辆上，由于照射区域各部分回波相移的变化，雷达所接 收到的地物回波的幅度会大幅变化。实际上，即使雷达静止不动，由于地面上车 辆、植被等的运动也常常可观察到地物回波的起伏【2 引。 事实上不管用什么模型来描述地面状态，信号都是从不同平面上的各部分反射 回来的。若雷达正在照射某一地面，当它移动了段距离后，入射角就发生了变 化，到照射区域内各部分的相对距离也随之改变，这也就导致相对相移的变化。 1 2 第二章散射系数与雷达散射计 它与表示天线阵列的相对相移随指向变化的规律( 天线方向图) 相同。由于散射阵 列的激励源是随机的，所以空间的散射方向图也是随机的。 这种衰落现象通常用信号的多普勒频移来描述。由于目标各部分所处的角度略 有差别，目标各部分反射信号的多普勒频移也有差别。各部分的散射总回波由各 部分的产生多普勒频移后的各部分回波的矢量累加。然而，平台与散射体的运动 矢量不同，所产生的各部分多普勒回波也不同，导致回波总功率也不同。如果位 置是随机的，那么回波功率就出现了起伏。其他起伏的理论与其类似，都把收到 的信号等效为了具有随机相位独立频率的很多振荡源所产生的信号的叠加。这样 的模型也经常用来描述噪声，所以衰落信号的统计特性与随机信号的统计特性有 相似之处。 这就是说，接收到的信号的包络是随机变量。理论上可以证明，对均匀目标而 言，起伏的规律可用瑞利分布来描述。虽然实际的分布变化较大，但是对相对均 匀的目标而言，瑞利分布是最好的描述。 当目标信号由一个强回波( 例如金属屋顶反射的强回波) 决定时，用噪声中的正 弦波描述目标起伏规律更为合适。如果此强回波信号比其余回波信号的平均值强 很多，则在强回波附近接近正态分布。但实际上大目标的回波分布比上述任何一 种简单模型都要复杂。 2 2 3 独立样本数与反射系数测量精度 目标的回波在绝大部分是随机起伏的，也就是说单次测量接收到得功率是对 该随机变量的一个采样。散射系数描述的是这个随机变量的平均值，需要从一系 列独立采样中估算得到，这是一个参数估计的问题。精确估算平均值需要有足够 多的独立样本，并且与分布规律相关。瑞利分布是一种常用的信号衰减规律。假 定信号按瑞利分布衰落，则对于某一给定精度所需的独立抽样数可从图2 2 中查 得。该图所说的精度“范围”系指在分布图5 与9 5 两点之间的平均值范围。这 一精度范围和任何与校准及天线方向图相联系的精度问题都是无关的【2 8 】。 可见足够多的独立样本对精确计算散射系数是至关重要的。需要注意的是，测 量精度取决于独立样本的数目，而不取决于样本的总数。独立样本数目与所使用 的雷达系统参数和实际环境来决定，通过适当分析可以得到独立抽样数目的估计 值。获得独立样本也有很多种方法，可以使雷达与目标发生相对位移，也可以增 加雷达的分辨力，让雷达一次照射区分出跟多的分辨元，每个分辨元可以得到一 1 3 电子科技大学硕士学位论文 个独立样本。 o ， 蕊r 逻 墼 箕 独立采样数 图2 - 2 独立样本数与测量精度 2 3 近垂直入射目标的反射系数及其测量 当雷达波束垂直或者是近垂直入射到地面时，回波显现出很多较其他入射角特 殊的性质。一般来讲，雷达回波的功率会随着入射角的减小而增加。但对某些地 面目标，如水面和沙漠，在接近垂