（信号与信息处理专业论文）雷达大地回波测量方法及散射特性研究.pdf

摘要 摘要 散射系数的测量是雷达大地回波测量的重要部分。利用不同波段的雷达散射 计对地面实际地形进行散射系数的测量， 建模，以得到雷达大地回波的散射特性， 并对实际测量的数据进行分析、拟合和 从而形成一套对雷达大地回波散射系数 的有效测量方法和数据拟合方法，为雷达高度表以及杂波抑制等提供重要信息。 本文主要研究了利用8 r a m 、s 、l 波段调频连续波( l f m c w ) 雷达散射计， 在近垂直条件下对翻耕农田进行散射系数的测量与建模。其中论述了农田散射系 数的测量方法和标定工程实验方法，给出了外场实验的环境条件，根据实验数据 进行建模研究，在已有的模型上进行修正，提出了近垂直条件下新的散射系数与 入射角关系模型，此模型与实验数据获得了很好的吻合性。 研究找到适合于上述三个波段散射计系统的散射系数测量方法是保证测量准 确性和有效性的关键。本文首先分析了相对标定测量法对散射系数的测量机理， 然后通过仿真实验研究在l f m c w 中频信号处理时，不同窗函数和栅栏效应对测 量精度的影响，再根据相对标定测量法的测量精度要求来确定合适的窗函数和f f t 的长度并利用它们对多个r c s 理论值已知的散射点采用相对标定测量法来仿真得 到其r c s 实际值，结果显示，通过仿真得到的r c s 实际值与理论值相差很小，这 种测量方法是科学有效的，为本测量实验提供一种工程方法。 为了测量农田的散射系数，必须对散射计进行定标。本文介绍了标定工程实 验方法，首先采用金属球作为标准定标体，对散射计进行了外定标实验，获得了 金属球的回波数据，并计算得到其回波中频差拍功率。然后对散射计进行了距离 定标，确定了目标距离与其回波中频差拍频率的精准对应关系。又介绍了外场实 验的具体实现方法，包括目标回波中频信号的采集、目标高度和入射角的获取， 这些信息都是通过软件来实现的，最后介绍了实现这系列过程的软件流程图。 最后本文介绍了农田散射测量的实验数据的处理流程，其中包括定标回波数 据处理流程以及农田回波数据处理流程，对依据此处理流程计算得到的农田散射 系数进行了拟合分析，在已有的散射系数与入射角关系模型的基础上加以修正， 建立了近垂直条件下新的散射系数与入射角关系的模型。 关键字：近垂直，散射系数，测量，模型，农田 a b s t r a c t a b s t r a c t t 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 e m e n ti si m p o r t a n tf o rr e s e a r c ho fr a d a rt e r r a i n r e t u r n b yu s i n go fd i f f e r e n t - b a n dr a d a rs c a t t e r o m e t e rt om e a s u r et h es c a t t e r i n g c o e f f i c i e n to fa c t u a ll a n d f o r m ，a n a l y z i n g ，p l o y f i t t i n ga n dm o d e l i n go ft h em e a s u r e m e n t d a t a , w ec a nc r e a t eas e to fe f f e c t i v 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 e m e n ta n dd a t af i t t i n g m e t h o d so fr a d a rt e r r a i nr e t u r n t h e s ec a np r o v i d ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o nf o rr a d a r a l t i m e t e ra n dc l u t t e rs u p p r e s s i o n t 1 1 i sp a p e rr e s e a r c h e st h em e a s u r e m e n ta n dm o d e l i n go ft h ef a r m l a n dw i mt h e 8 m m ，sa n dlb a n d sf r e q u e n c y - m o d u l a t e dc o n t i n u o u sw a v e ( l f m c w ) r a d a r s c a t t e r o m e t c ri nt h en e a r - v e r t i c a lc o n d i t i o n t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ef a r m l a n d s 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 tm e t h o da n dc a l i b r a t i o ne n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t a l m e t h o d ，s h o w e st h ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sf o ro u t f i e l de x p e r i m e n t sa n ds t u d i e st h e m o d e l i n go fe x p e r i m e n t a ld a t a b ya m e n d i n gt h ee x i s t i n gm o d e lw eg e tan e wm o d e lf o r s c a t t e r i n gc o e f f i c i e n ta n di n c i d e n c ea n g l e t l l i sm o d e li sw e l lf i tf o rt h ee x p e r i m e n t a l d a t a r e s e a r c ht of i n dt 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 e m e n tm e t h o ds u i t a b l ef o ro u r s c a t t e r o m e t e r si st h ek e yt oe n s u r et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n dv a l i d i t y 1 1 1 e m e a s u r e m e n tm e c h a n i s mo ft h er e l a t i v ec a l i b r a t i o nm e a s u r e m e n tm e t h o di si n t r o d u t e d b a r r i e re f f e c ta n dd i f f e r e n tw i n d o wf u n c t i o n s e f f e c to nt h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o ni s a n a l y z e db ys i m u l a t i o nw h e np r o c e s s i n gt h ei fs i g n a lo ft h el f m c w r a d a rd i g i t a l l y a n a p p r o p r i a t ew i n d o wf u n c t i o na n dt h el e n g t h o ff f ti ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to fm e a s u r e m e n tp r e c i s i o no ft h ec a l i b r a t i o no b j e c t n ea c t u a lr c so f m u l t i p l es c a t t e r sw h o s et h e o r e t i c a lv a l u ei sa l r e a d yk n o w ni so b t m n e db ys i m u l a t i o n w i mt h er e l a t i v ec a l i b r a t i o nm e t h o d t 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t sv 甜母t h es c i e n t i f i c i t ya n d e f f i c i e n c yo ft h em e a s u r e m e n tm e t h o d ，p r o v i d i n ga l le n g i n e e r i n gm e t h o df o ro u r m e a s u r e m e n t t h es c a t t e r o m e t e r sm u s t b ec a l i b r a t e dt om e a s u r et h ef a r m l a n d s c a t t e r i n g c o e f f i c i e n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e sac a l i b r a t i o ne n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t a lm e t h o d t h e o u t - f i e l dc a l i b r a t i o ne x p e r i m e n tu s i n gt h em e t a ls p h e r ea st h es t a n d a r dc a l i b r a t i o no b j e c t i i a b s i k a 匕l 一 i sc 谢e do u ta z l dt h ep o w e ro f t h ei fs i g n a lf r o mt h em e t a ls p h e r er e t u r ni sc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h em e t a ls p h e r er e t u r n t h ed i s t a n c e c a l i b r a t i o ni sa l s oc a r r i e do t a tt o d e t e r n l i n et h ep r e c i s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et a r g e td i s t a n c ea n d i t si fr e t u r ns l g n a 上 t h ec o n c r e t er e a l i z a t i o no fe x p e r i m e n t a lm e t h o d sa re f u r t h e ri n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h e i fs i g n a la c q u i s i t i o nf r o mt h et a r g e tr e t u r n ，t h ea c q u i s i t o no f t h et a r g e td i s t a n c e 趾dt h e i n c i d e n c ea n g l e a tl a s tt h es o f t w a r ef l o a tc h a r to f t h i ss e r i e so ft h ep r o c e s si ss h o w n f i n a l l v t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ep r o c e s s i n g o ft h ee x p e r i m e n t a ld a t af o rt h e 觚1 a i l ds c a t t e r i n gm e a s u r m e n t ，w h i c hc a na c q u i r et h es c a t t e r i n g c o e f f i c i e n to ft h e 伽m l 狮d 1 1 1 e i lt h ef i t t i n ga n a l y s i so f t h ef a r m l a n ds c a t t e r i n gc o e f f i c i e n ti su n d e r t a k e n ，a n e wm o d e l 南rs c a t t 舐n gc o e f f i c i e n ta n di n c i d e n c ea n g l ei sa c q u i r e db ya m e n d i n gt h e e x i s t i n gm o d e l k e y w o r d s ：n e a r - v e r t i c a l ，s c a t t e d n gc o e 伍c i e n t ，m e a s u r e m e n t ，m o d e l ，f a r m l 锄d 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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：去彦j 匿日期：。户年多月2 _ e t 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：丝导师签名： 日期：d 第一章引言 1 1 研究的背景和意义 第一章引言弟一早 i 目 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 。) ，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【l 】【2 1 。 被雷达照射的地面可能是农田、沙漠、岩石、森林、海洋、湖泊以及城镇建 筑等，构成这些表面的化学成分不同以及这些表面的温度、湿度、结构尺寸等物 理参数也不同，因此它们将反射不同的电磁波，这些都会对雷达大地回波产生影 响。此外，雷达发射波的入射角、工作频率、极化方式等雷达参数也会影响雷达 大地回波，这就使得雷达大地回波与地物间的关系更加复杂了。 因为雷达大地回波可以为卫星、导弹等提供高度等重要信息，并且可以根据 大地回波性质，科学合理的选择发射信号波形等雷达参数，因此研究大地回波测 量方法和散射特性都具有非常重要的理论和实践意义。 一般研究雷达大地散射特性分为两种方法：一种是采用理论模型的方法；一 种是采用实验测量方法。理论模型的方法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。实 验测量的方法是对各种实际的的地形进行测量，虽然在人力、物力、财力等方面 的成本更高，但却可以得到真实的自然表面的雷达回波，更具有实践价值。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【3 刮。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 。- 8 0 。之间【7 】。国内由于条件的限制，这种实验做的很少，没有这种 大量的有效的数据可用，这就使得我们国家在雷达测高、遥感等方面的研究发展 受到很大的制约。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 大地回波散射特性及测量方法国内外研究概况 国外在这方面作了大量的理论和实验工作1 】 2 】【8 】，国内的一些单位利用散射计 也开展了这方面的工作【9 】【1 0 】 1 1 】【1 2 1 。 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 2 1 大地回波的散射特性 雷达大地回波的散射特性的理论研究的实质是相对于不同波长的无线电波建 立适用于各种不同地面的散射特性模型，并基于这些散射特性模型指导各种雷达 系统的设计与实现。 对于雷达高度计来说，散射是将雷达能量从地面返回的一个主要过程。在一 些情况下，这个过程需要被镜面反射所补充。鉴于一些学者遇到的雷达高度计的 性能，通常假设镜面反射是主要的过程。在s a n d i ac o r p o r a t i o n 的实验测量已经表 明了这个假设是不正确的，实际上，镜面反射不是雷达回波的常见模式，即使在 垂直入射的情况下。一个很常见的散射过程是：地表由大量的独立的散射单元组 成，这些散射单元对总的散射信号的贡献是差不多的。一些特殊情况是：在被照 射的区域内的某个散射体的回波信号要远远大于其他散射体的回波信号。实验测 量表明采用宽波束天线的雷达高度计所照射的表面区域很少有这种特殊情况发 生。这正好与飞机上装置的搜索雷达相反，它们所需要的信息就是分开强散射目 标和它所在的背景【1 3 j 。 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 世纪中期开始的理论研 究已经建立了几种主要的理论模型，如c l a p p 在1 9 4 6 年提出的“粗糙表面简化模 型 【1 4 】，在入射角从1 0 。到8 0 。这一很大范围内，都能与实验数据符合的比较 好；s c h o o l e y 和m u h l e l m a n 等人在6 0 年代提出的“小平面理论”【1 5 】【1 6 】，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 7 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”f 1 8 】，在这以前的模型 或只针对于尺度大的粗糙表面，或是尺度小的，然而用单一的尺度都不能准确的 描述自然界中的实际表面，双尺度模型就是双尺度粗糙表面，即一个大尺度粗糙 2 第一章引言 表面上叠加一个小尺度粗糙表面。 由于地面的不均匀性，一些雷达观测实验项目都获得了散布范围很广的散射 系数的数值。即是对于相当均匀的地面来说，也会由于传播系数( 以及由地面的 湿度、表面粗糙度和极化所引起的有关变化) 的影响使得散射系数具有很大差别。 因为散射系数的变化很大，所以想要从中找出仃。与雷达频率的一致关系，一直是 未有可能。显然盯。取决于地面粗糙度、含水量、地面和树木的介电特性以及植被 的总面积和细节尺寸这些特性对仃。的影响全部都与雷达波长有关。不过，平 均来说，莎。显然是随着雷达频率的增高而缓慢的增大的【l9 1 。 s p e t n e r 和k a t z 采用统计学的方法来研究大地散射系数，并得出用两个统计模 型来计算大地散射系数【2 0 1 。这两种模型具体的描述为：第一个模型是由一些独立 的散射体得到的。对于这种表面，盯。决定于波长、散射体的密度和它们的平均尺 寸。这个理论模型显示仃。与波长a 的关系是旯_ 6 、五_ 4 或兄- 2 。这种表面的一与入 射角0 无关。反射来自目标的镜面反射的平面，当目标表面斜度服从高斯分布时， 仃。与0 的关系是p “甜创2 盯，晶是表面斜度分布的标准偏差。盯。的精确形式由表面 斜度的空间谱决定。这里有两种情况，一种是对于一些表面它的斜度空间谱是平 坦的，另一种空间谱在特定的波长处呈现一个单峰。对于任一种情况，对于足够 小的兄，盯。随着a _ 2 变化。当波长变得相对于表面很大时，表面不再表现为一个镜 面反射体，更像一个各向同性的散射体。大的表面将表现为一个镜面反射体，而 小一些的表面看做是各向同性的散射体。 1 2 2 国内外大地回波的测量方法 散射系数是表征雷达大地回波特性的一个重要因素，因此对大地回波的研究 一般都集中于对散射系数的研究。目前，散射系数的测量系统一般是基于陆基或 飞机上的散射计。基于陆基的测量一般是在固定的塔上或者卡车等可移动的平台。 在荷兰，测量系统就安装在一个固定的电视塔上，但测量观察视野受限使这种固 定塔的二个缺点，并且研究散射系数随入射角的变化情况是研究回波特性很重要 的一个部分，而且测量也需要足够多的独立样本，这些都要求测量系统的平台可 以移动，因此带有悬臂的卡车是一个很好的测量平台， 当用飞机作为测量平台时，可以测量大片的自然表面，其中p h i c o 公司【1 4 儿2 1 】、 g o o d y e a r 航宇公司、通用精密实验室【捌和美国海军研究实验室 2 3 】【2 4 1 都利用机载散 射仪做了大量的早期测量实验研究，测量系统可以为脉冲、连续波、调频等信号 电子科技大学硕士学位论文 形式，一些研究学者也会利用s a r 来测量【2 5 】 2 6 1 【2 7 】，但这些测量均没有很精确的 校对。 m o r r e 等人在近垂直条件下做了大地电磁散射特性的实验，为了得到美国很多 不同地面目标的雷达回波特性，就采用了c 4 7 型号的飞机，飞机上的装备为两个 经过定标的频率分别为4 1 5 m h z 和3 8 0 0 m h z 的雷达装置【1 。为了测量装置的简易 性，采用了脉冲式的雷达，对应测量的结果可能也是用于调频雷达或者其他系统。 为了模仿雷达高度计就选择了宽波束的天线，这样可以保证每次的回波信号都是 由大量的独立的散射单元散射的，而且也可以在一个很大角度范围内对一个目标 进行散射测量。发射脉冲采用窄脉冲，这样可以保证被照区域有效的被脉冲宽度 限制。得出的结论为：当雷达工作频率在4 0 0 n i z 以上时，则大地可看做是一个粗 糙表面。在回波能量中，后向散射能量相比镜面反射或相干成分占主导地位。并 且大地的散射系数随着入射角的增大而降低。像茂密的森林这样很粗糙的目标， 他们基本上可以看作是各向同性的散射体，但像农田和草地这样跟光滑的目标来 说，他们的散射系数在近垂直入射时有很高的峰值。当入射角偏离垂直方向2 5 度 时，来自大部分农田和城市的回波信号比在垂直入射时下降了大约2 0 d b ，对于森 林来说，是不到2 0 d b ，水面是大于2 0 d b 。镜面反射成分主要来自垂直入射方向， 并且回波中镜面反射部分的宽度与发射信号脉宽相同。但散射回波的宽度要延长， 这延长的时间由天线波束宽度，大地后向散射图以及脉冲宽度决定。如果采用宽 波束天线，一个窄发射脉冲由接收机回来时其脉宽要展宽。回波信号的衰减范围 由被照地面类型和天线模式决定。当在2 0 0 0 英尺或更高的高度采用宽波束天线时， 来自很光滑的表面的回波信号的衰减仅为很少的d b ，而大部分的目标的回波信号 的衰减范围是1 2 到1 6 d b 。如果采用窄波束天线，回波信号衰减范围会减小。回波 信号的衰减范围并不是一个将目标归类为光滑或粗糙的有效方法。 国内也有一些单位探索了大地后向散射系数的测量方法。其中有温芳茹、罗贤 云等人利用矢量网络分析仪组成了多个波段的极化散射计来测量地物的后向散射 系数 2 8 1 ；许赛卿、朱为中等人讨论了用x 波段散射计测量地物后向散射系数的方 法【2 9 】；冯忠华研究介绍了宽带调频连续波微波散射计等 3 0 - 3 6 1 。这些都为准确测量 地物散射系数做了很好的铺垫。 4 第一章引言 1 3 本文的主要工作 本文针对于国家自然科学基金8 毫米、s 、l 波段雷达大地回波测量及特性 研究，主要工作分为以下几个方面：1 、研究大地散射系数的测量方法，包括制 定散射计的定标( 内定标、外定标和距离定标) 方案、仿真验证采用相对标定测 量法测量面目标雷达截面积时的准确性。2 、在v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 环境下编写了读 取倾角传感器来控制a d 采集卡采集中频差拍信号并将其存储，并通过了功能调 试验证。3 、基于m a t l a b 编写了批处理实验采集的数据文件以计算目标在不同 入射角下散射系数的程序。4 对计算得到的目标的散射系数拟合分析，建立了近垂 直条件下新的散射系数和入射角关系的模型，并分析了雷达波长对散射系数的影 响。 本文内容共六章，下面简要介绍各章的主要内容： 第一章为引言，先论述了本课题的研究背景和意义，然后对大地回波散射特 性及测量方法国内外概况做了介绍，最后再对本文主要内容做了介绍。 第二章首先介绍了雷达大地回波性质和幅度分布，然后介绍了雷达截面积的 基本概念，进而引出散射系数的概念以及散射系数测量中需要的照射面积和独立 样本数的介绍。 第三章主要介绍了l f m c w 体制散射计的散射系数测量方法，对相对标定测 量法是否适用于求面目标散射系数在理论上做了仿真验证。 第四章对散射系数测量的实验现场测量方法和实现方法做了详细介绍，首先 介绍了各种定标方法、定标结果以及农田散射系数测量的实验场景，然后介绍了 基于v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 平台开发的软件，此软件实现了实验中所需的雷达接收机 中频信号的采集、获取被测目标高度和入射角的功能。 第五章主要分析了l f m c w 散射计外场实验数据的处理分析，首先介绍了定 标数据和农田数据的处理流程，然后分析了经过数据处理计算得到的农田散射系 数，得到了近垂直条件下新的散射系数和入射角关系的模型以及波长对散射系数 的影响。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章雷达大地回波和散射系数 2 1 雷达大地回波起伏 一个简单目标例如其构成元素为同一种类型的表面，它的取向以及雷达频率 等都将影响该简单目标的回波幅度。如果一个目标为复杂目标，即它是由大量的 处于相对运动中的简单目标构成的，例如复杂的地球表面目标，它的回波就会向 噪声那样起伏变化。因为地球面目标是由大量独立的散射元组成的，这些散射元 的取向以及它们之间的相对位置都是随时间变化的。对于雷达波长和相对相位来 说，这些变化是很可观的，由各个散射点的散射波的相长干涉和相消干涉间的变 化到达接收天线后，表现为像噪声那样起伏。因此，雷达大地回波起伏谱一般至 少由两种谱合成，即单个散射元的散射谱及散射元总体的散射谱。 2 1 1 大地回波性质 农田、森林、城市、山峦、沙漠等不同地物反射的电磁波是雷达大地回波的 主要构成成分。在某些情况下，可以将雷达大地回波上的散射体分成两大类：一 是可以随风而动的散射体，二是岩石、树干等固定的散射体。当在一个雷达波束 照射区内有很多例如小草、树叶等可以随风而动的散射体，那么可以将这些散射 体看成是大量随机的散射体，他们具有类似于随机散射元大总体的电磁特性。 上述划分方法即将散射体定义为非“运动”即“固定”是很粗略的。实际上， 应该用雷达波长去衡量某个散射体的运动范围以判断这个散射体的种类。例如， 一片前后晃动距离约为几厘米的树叶，当雷达波长为分米波时，可以认为电磁波 的相位在这个晃动距离传播时几乎是不变的；但当雷达波长为毫米波时，电磁波 在传播此距离时几乎经历了它所有可能的相位。因此，在其他因素保持不变的条 件下，雷达波长会影响被雷达照射的这两种散射体所产生的回波功率的百分比。 即，雷达波长会影响雷达回波的起伏率和回波幅度的统计分布。 季节变化引起的植被覆盖的变化、雨的影响和不同种类的雪的覆盖都是入射 角、频率和极化的函数。根据搜集的大量实验数据和数据的精度确定了某些影响 6 第二章散射系数与雷达散射计 雷达回波幅度的恒定参数。这些参数为：地面粗糙度、入射角、极化方式、地表 的复介电常数和雷达频率。在以上这些参数中，对雷达回波影响最大的参数是地 面粗糙度。实际上，被测的表面通常分为两个主要类型：一个是光滑表面，一个 是粗糙表面。这两个类型的区别在于光滑表面有一个连续的结果这样一个特性， 并且它表面粗糙度的均方根小于一个波长，这样的光滑表面有沥青路或笔直的大 道。由草地、麦田等地形构成的粗糙表面粗糙度的均方根可能是好多个雷达波长。 光滑表面对回波的影响是：当极化方式为水平极化和垂直极化时，它们产生的回 波是有很大的差异，而且随着入射角的增大，回波衰减的也很剧烈【2 8 】。 如果两个地面目标具有相同的几何形状，那么复介电常数高的目标，它反射 的回波要强。这是因为复介电常数高意味着它感应的位移电流大。但要证实这一 性质是很难的，因为在自然界中还没有发现具有相同几何形状不同复介电常数的 物体。在x 波段，液态水的相对介电常数约为6 0 ，在s 波段约为8 0 ，但一般干燥 固体的小于8 ，因此湿度是影响雷达大地目标的介电常数的一个重要因素。含水量 大的农作物的介电常数很大，因此生长期的变化也会影响农作物反射的雷达回波 的强度。 表面粗糙度可以由瑞利粗糙度来判据 1 5 】： a h s i n 9 力的时候，此球就有在各个方向均匀辐射的性质；因此，若一个金属球没有 损耗，它的半径满足a 五时，它的雷达截面积就可以表示为： 仃= 翮2( 2 1 5 ) 当一个球的半径a 2 0 d b 时，占很小，啄p ，即相对标定测量 法适用于此种情况。 3 3 2 2 个散射体为非相干散射体 n = 5 0 0 ，相位随机，在0 2 n 内服从均匀分布，此个散射体的总的雷达截 面积的值听为【1 9 1 听= n o = 5 0 0 0 r c ，则听c r c = 5 0 0 。 表3 3 在不同信噪比s n r 条件下，p 的仿真结果 1 01 52 02 53 03 5 4 0 s n r ( d b ) 5 2 1 4 15 2 0 0 24 8 7 2 1 4 8 5 1 8 1 6 2 35 1 0 4 1 2 74 9 1 8 75 1 0 4 1 p 、心 占 0 0 4 2 8 20 0 4 0 40 0 2 5 5 70 0 3 6 3 20 0 2 0 8 3o 0 1 6 2 6 0 0 2 0 8 2 由表3 可以看到，在s n r 2 0 d b 时，占较小，q 啡p ，相对标定测量法也 适用于此种情况。 通过多个散射点的两种情况仿真结果，可以知道在s n r 2 0 d b 时，q q p ， 即啡= 尸c r r 成立，因此可以通过此式来计算多个散射点的r c s 值，在已知照射面 积情况下，进而求得目标的散射系数矿。 3 3 2 3 仿真结果在测量黄槲树散射系数中的应用 测量目标为黄槲树冠，使其雷达波束主轴对准树冠。在不同时间、不同风力条 电子科技大学硕士学位论文 件下获得1 0 0 个独立样本。采集数据，并对其进行处理，分析其回波功率谱，计 算出c r 0 。 因为树为体散射目标，因此树的回波功率不仅仅包括被天线波束照射的那部 分表层树叶散射回来的功率，还包括表层以里那些树叶散射回来的功率，因此在 计算树的回波功率时，要将树冠的整个长度内树叶的散射功率考虑在内，本实验 中树冠的长度大约为8 2 5 m 。 由相对标定测量法得到树叶平均r c s 为6 2 3 8 9 ，照射面积s = 7 0 1 8 4 m 2 ，其 散射系数均值为o - o = r c s s = o 8 8 8 9 = 一o 5 11 4 7 如，方差为o 1 2 3 3 。 表3 41 0 个独立样本的散射系数( d b ) 3 4 本章小结 本章通过仿真验证了在信噪比大于2 0 d b 时，海明窗是一个能很好抑制旁瓣影 响的窗函数：当通过补零增加f f t 的长度，使得l f m c w 雷达的距离测量精度达 到距离分辨力的1 4 ，即雷达测距精度为万尺4 时，采用相对标定测量法对多个散 射点的r c s 进行仿真，得出相干散射点的r c s 仿真值和其理论值的相对误差不超 过0 0 0 7 5 2 ( s n r 越大，相对误差越小) ，非相干散射点相对误差不超过0 0 2 5 5 7 ， 相对误差很小，证明了这种测量方法的有效性和科学性，为准确测量目标的的散 射系数提供了一种工程方法，也为研究地物后向散射系数奠定了基础。 2 6 第四章雷达散射计的定标 第四章l f m c w 体制雷达散射计的外场实验 4 1 实验测量方法 当一个雷达系统用来作散射计的时候，它的工作平台可以多种多样，有的工 作在地面的固定处，有的工作在带悬臂可调节的吊车上，有的工作在直升飞机或 者宇宙飞船上，由于承载散射计的平台的航程和航速都不等，这些散射计在性能 用途上也不一样，但是只要是做散射测量，为了测量的准确性，就必须要经过定 标。通常内定标和外定标是对散射计进行标定的两种方法。但在本系统中由于采 用的是相对标定测量法以及散射计的体