专利名称：一种海陆兼容并三维成象的雷达高度计系统及设计方法
技术领域：
本发明属于航天微波遥感技术领域。
世界上第一台星载雷达高度计搭载在Appolo 17号宇宙飞船上并进行了初步的实验。紧接着美国的“天空实验室-193”(73年)上的星载高度计取得了初步的成功，测高精度为1米左右。75年在Geos-3(美国)上的高度计测高精度达到了50厘米。1978年美国海洋卫星Seasat-A上的高度计以及1985年发射的Geosat(美国Navy)上的高度计被称作是第三代高度计，它们采用了线性调频脉冲全去斜技术，使得测量精度大为提高。例如测高精度达到了10cm。进入90年代以来，欧空局先后发射的ERS-1(91年)和ERS-2(95年)上的高度计，92年发射的Topex/Poseidon卫星上的高度计以及原定于1996年发射的Geosat/TP卫星(推迟发射)上的高度计和定于2000年发射的ENVISAT-1卫星上的高度计属于第四代高度计。其中Topex/Poseidon卫星上的高度计采用了双频(13.6GHz和5.3GHz)。测高精度达到了2厘米，并且可以进行电离层误差自校准。此外还配置了多个波段的微波辐射计，因此可以同时进行大气修正。近两年美国Johns Hopkins大学应用物理实验室(APL)的R.Keith Raney等提出了一种新的雷达高度计，即利用方位向的Doppler频移回波信号的特点进行非聚焦合成处理从而得到沿方位向较高的分辨率的雷达高度计。根据理论分析的结果，该高度计对海冰的观测非常有效。80年代后期，JPL的C.ELACHI等曾提出扫描雷达高度计，但没有高度跟踪，不同于本系统且没有付诸实施。
迄今为止所有升空的雷达高度计都只能用于海洋观测，不能用于陆地更不能成象。
参考文献见C.Elachi,K.E.Im,F.K.Li,and E.Rodriquez,“Globaldigital topographic mapping with a synthetic aperture scanning radaraltimeter,”International Journal of Remote Sensing,1990,vol.11,no.4 585-601.
本发明的目的是研制一种新型的能够三维成象并可以同时用于海洋和陆地观测以及三维地形测量的新型雷达高度计，为我国国防和经济建设服务。
新型的海陆兼容三维成象雷达高度计的工作原理可以概括为以下几个方面(1)偏离天顶点1.5°至2°观测，采用波束有限工作方式，可以增加地面刈幅，同时可以获得距离向的分辨率。
(2)在方位向采用孔径合成技术，提高方位向的分辨率。
(3)采用双天线相干技术，获得相干信息并从中获得分辨率单元的高度信息。
(4)采用传统高度计的高度测量方法，采用脉冲有限方式获得平均地表(海面、陆地)高度及海平面有效波高信息。
(5)采用偏离重心点高度跟踪算法(Off-set Center of Gravity,OCOG)设计与回波模型无关高度跟踪器，实现高度计的海陆兼容。
附
图1给出了系统原理框图。
附图2给出了系统最佳实施例原理框图。
技术实现途径(1)天线采用切割抛物面反射天线，以获得距离向和方位向不同的波束宽度以及高增益。
(2)成象处理器中采用非聚焦孔径合成技术提高方位向的分辨率。
(3)根据海洋、海冰和陆地三个不同的工作模式，改变发射信号的带宽。海洋模式信号带宽最宽，海冰模式次之，陆地模式带宽最小。
(4)主通道和辅助通道接收机均为宽带接收机，带宽为320MHz。要求两个通道的相位在整个带宽内一致。
(5)跟踪器利用高速DSP进行FFT，并采用软件来实现。
(6)高度跟踪采用实时方式，而三维成象处理采用非实时方式。
本发明工作过程宽带Chirp(线性调频信号)5提供并经主天线1发射出去，经过一定延时(天线到地面目标的双程路径延时)后，主天线1和辅天线2接收到信号经过开关分别进入主通道宽带接收机4和辅通道宽带接收机3。主通道宽带接收机4和辅通道宽带接收机3输出的中频信号由高速A/D直接采样，产生两路数字IQ信号。数字IQ信号在进入大容量存储器的同时，进入DSP进行FFT，由与回波模型无关的跟踪器8对数字IQ信号进行谱分析，根据其幅度信息对数字I/O口进行操作从而控制主通道宽带接收机4和辅通道宽带接收机3的增益(即AGC控制)。与回波模型无关的跟踪器8的数据输出就是传统高度计的数据(提供了精确的高度测量信息)。进入大容量存储器的数字IQ信号，在飞行任务完成后进行后期处理。经辅助通道成象处理器6和主通道成象处理器7处理后得到相对应的两副相干原始图象。两幅图象再进入图象配准和相位校正处理器9进行图象配准和相位校正，然后经过相位解缠绕处理10解相位缠绕，获得对同一地面区域完整的复图象(即图象中每个象素都有相位(差)和幅度信息)。最后对图象中的每一个象素进行相位差-高度转换11处理，便可以最终获得三维图象。
图2与图1相比增加了多视处理单元15和16，自适应变带宽单元17。多视处理单元15和16，分别对主通道和辅通道图象进行多视处理，消除斑点噪声，提高图象质量。自适应变带宽单元17，根据海洋、海冰和陆地工作模式改变相应的发射信号带宽。
本发明与现有技术相比所具有的优点(1)具备海陆兼容和三维成象能力，而常规雷达高度计只能用于海洋观测；(2)目前能够进行三维地形测量的微波遥感器只有相干SAR。但是相干SAR并不具备精确的距离测量能力，需要其它辅助的距离传感器。而本发明提出的雷达高度计本身具备了精确的距离测量能力，这样就不需要其它的辅助距离测量设备。
本发明提出的高度计可以用于海洋、海冰和陆地观测，测量平均地表高度，三维地形测量，以及军事测绘及侦察。
权利要求
1.一种能够实现海陆兼容并三维成象雷达的高度计的设计方法，其特征在于(1)偏离天顶点1.5°至2°观测，采用波束有限工作方式，可以增加地面刈幅，同时可以获得距离向的分辨率；(2)在方位向采用孔径合成技术，提高方位向的分辨率；(3)采用双天线相干技术，获得相干信息并从中获得分辨率单元的高度信息；(4)采用传统高度计的高度测量方法，采用脉冲有限方式获得平均地表(海面、陆地)高度及海平面有效波高信息；(5)采用偏离重心点高度跟踪算法(Off-set Center of Gravity,OCOG)设计与回波模型无关高度跟踪器，实现高度计的海陆兼容；技术实现途径(1)天线采用切割抛物面反射天线，以获得距离向和方位向不同的波束宽度以及高增益；(2)成象处理器中采用非聚焦孔径合成技术提高方位向的分辨率；(3)根据海洋、海冰和陆地三个不同的工作模式，改变发射信号的带宽。海洋模式信号带宽最宽，海冰模式次之，陆地模式带宽最小；(4)主通道和辅助通道接收机均为宽带接收机，带宽为320MHz。要求两个通道的相位在整个带宽内一致；(5)跟踪器利用高速DSP进行FFT，并采用软件来实现；(6)高度跟踪采用实时方式，而三维成象处理采用非实时方式。
2.一种海陆兼容并三维成象雷达的高度计系统，其特征在于由用作发射和接收的主天线，只接收不发射的辅天线，辅助通道宽带接收机，主通道宽带接收机，发射机，辅助通道成象处理器，主通道成象处理器，与回波模型无关的跟踪器(采用OCOG算法来实现)，图象配准和相位校正处理器，相位解缠绕处理器，相位差-高度转换单元，传统高度计数据单元，三维图象单元，平台参数单元(例如姿态，运动轨迹，速度等)组成；工作过程为宽带Chirp(线性调频信号)发射机提供并经主天线发射出去，经过一定延时(天线到地面目标的双程路径延时)后，主天线和辅天线接收到信号经过开关分别进入主通道宽带接收机和辅通道宽带接收机。主通道宽带接收机和辅通道宽带接收机输出的中频信号由高速A/D直接采样，产生两路数字IQ信号。数字IQ信号在进入大容量存储器的同时，进入DSP进行FFT，由与回波模拟无关的跟踪器主通道宽带接收机和辅通道宽带接收机对数字IQ信号进行谱分析，根据其幅度信息对数字I/O口进行操作从而控制的增益(即AGC控制)。与回波模拟无关的跟踪器的数据输出就是传统高度计的数据(提供了精确的高度测量信息)。进入大容量存储器的数字IQ信号，在飞行任务完成后进行后期处理。经辅助通道成象处理器和主通道成象处理器处理后得到相对应的两副相干原始图象。两幅图象再进入图象配准和相位校正单元进行图象配准和相位校正，然后经过10解相位缠绕，获得对同一地面区域完整的复图象(即图象中每个象素都有相位(差)和幅度信息)。最后对图象中的每一个象素进行相位差-高度转换处理，便可以最终获得三维图象。
3.根据权利要求2所述的一种海陆兼容并三维成象雷达的高度计系统，其特征在于分别在辅助通道成象处理器和主通道成象处理器后增加多视处理单元，分别对主通道和辅通道图象进行多视处理，消除斑点噪声，提高图象质量。和自适应变带宽单元，根据海洋、海冰和陆地工作模式改变相应的发射信号带宽。
全文摘要
一种海陆兼容并三维成象的雷达高度计系统及设计方法属于航天微波遥感技术领域。采用偏离天顶点1.文档编号G01S13/90GK1301968SQ99127340
公开日2001年7月4日 申请日期1999年12月30日 优先权日1999年12月30日
发明者张云华, 姜景山 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心