一种用于雷达高度计的双频探测方法及星载设备与流程

本发明涉及雷达高度计领域，具体涉及一种用于雷达高度计的双频探测方法及星载设备。

背景技术：

星载雷达高度计是以卫星平台为依托，利用电磁波实现海面高度、海冰极冰、近海岸等主动遥感探测的雷达装置，工作频段是雷达高度计的一项关键设计因素，工作模式、信号处理方式、误差修正、环境适应性、海洋要素反演等均与工作频段有关。

随着海洋学研究的发展以及新的应用需求的提出，对雷达高度计提出了更高的要求，要求同时具备高测高精度、高分辨率以及高有效测高数据比例，其在高海况(4级海况以上)应用时，测高精度下降，会导致有效测高数据比例下降。

迄今为止没有采取ka+ku双频探测的雷达高度计的专利，也没有研究ka+ku双频合成孔径雷达高度计的论文文献，本发明目的在于填补该领域的技术空白。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于雷达高度计的双频探测方法，本发明结合ka、ku频段的各自优势，并结合合成孔径测高技术，合理规划ka、ku双频段的时序组合与工作模式，可以达到测高精度、分辨率以及有效测高数据比例同时提升的效果，既可以提升海洋观测的能力，又能提升近海岸、海冰极冰的观测能力。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于雷达高度计的双频探测方法，包括：

发送ka频段的第一信号以及ku频段的第二信号；

对第一回波信号进行全去斜接收、采集和频谱分析，其中，所述第一回波信号由所述第一信号产生；

对第二回波信号进行全去斜接收、采集和频谱分析，其中，所述第二回波信号由所述第二信号产生；

分别对所述第一回波信号和所述第二回波信号进行合成孔径处理，得到ka频段的海面高度信息以及ku频段的海面高度信息；

根据所述第一信号、所述第二信号、所述第一回波信号以及所述第二回波信号计算出延迟信息，根据所述延迟信息对所述海面高度信息进行改正。

可选地，所述第一信号和所述第二信号通过预设规则发送，所述预设规则具体包括：

判断在第一预设时间内是否接受有所述第一回波信号，若否，以ka频段为主探测频段、ku频段为辅探测频段进行簇发簇收探测，若是，进行第一回波信号判断步骤。

可选地，所述第一回波信号判断步骤具体包括：

s100、判断第一回波信号的信噪比是否超过阈值，若是，则进行步骤s101，否则进行步骤s102；

s101、以ka频段为主探测频段、ku频段为辅探测频段进行簇发簇收探测；

s102、以ku频段为主探测频段、ka频段为辅探测频段进行簇发簇收探测。

可选地，所述以ka频段为主探测频段、ku频段为辅探测频段进行簇发簇收探测具体包括：

s200、发送ka频段的第一信号，其发射簇时间为第二预设时间，其中，所述第一信号的发射簇时间内的脉冲数为32～64、脉冲宽度为40us～60us；

s201、发送ku频段的第二信号，其发射簇时间为第三预设时间，其中，所述第二信号的发射簇时间内的脉冲数为32～64、脉冲宽度为30us～50us；

s202、接收ka频段的第一回波信号；

s203、接收ku频段的第二回波信号；

s204、重复步骤s200。

可选地，所述以ku频段为主探测频段、ka频段为辅探测频段进行簇发簇收探测具体包括：

s300、发送ku频段的第二信号，其发射簇时间为第三预设时间，其中，所述第二信号的发射簇时间内的脉冲数为32～64、脉冲宽度为30us～50us；

s301、发送ka频段的第一信号，其发射簇时间为第二预设时间，其中，所述第一信号的发射簇时间内的脉冲数为32～64、脉冲宽度为40us～60us；

s302、接收ku频段的第二回波信号；

s303、接收ka频段的第一回波信号；

s304、重复步骤s300。

可选地，所述阈值为12db。

可选地，所述合成孔径处理包括方位向波束锐化、多普勒参数估计、回波延迟校正、距离压缩、burst之间配准、多视处理和重跟踪。

可选地，所述延时信息为电离层产生的延时信息。

可选地，所述延迟信息的计算步骤具体包括：

分别对ka频段的海面高度信息、ku频段的海面高度信息进行改正，具体通过如下公式进行处理：

r_ka＝range_ka+sea_state_bias_ka(1)

r_ku＝range_ku+sea_state_bias_ku(2)

range_ka＝r_ka+iono_corr_alt_ka(3)

range_ku＝r_ku+iono_corr_alt_ku(4)

其中，r_ka为ka频段海况偏差改正后的测距值(m)，r_ku为ku频段海况偏差改正后的测距值(m)，range_ka为ka频段测距值(m)，range_ku为ku频段测距值(m)，sea_state_bias_ka为ka频段海况偏差改正值(m)，sea_state_bias_ku为ku频段海况偏差改正值(m)；iono_corr_alt_ka为ka频段电离层改正值(m)，iono_corr_alt_ku为ku频段电离层改正值(m)；freq_ka和freq_ku分别表示ka和ku频段的频率，tec表示传播路径的自由电子总量。

另一方面，本发明还提供了一种星载设备，用于执行上述的双频探测方法。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点之一：

(1)本方案采用双频探测，可以达到高精度测高、高数据有效率兼得

首先，双频探测能够提高测高精度，从而提高产品精度。在非降雨区域，以ka作为主探测频段、ku作为辅助探测频段，且ku、ka均采用合成孔径处理。相同的积累时间下，合成孔径的单视分辨率与波长相关，波长越短则单视分辨率越高，从而在相同输出分辨率情况下，ka频段多视数越多，测距精度相对越高，可以达到1cm，另外分辨率可以达到200m左右，从而有利于产品精度的提升；同时双频探测可以提高环境适应性，提高有效测高数据比例。不考虑恶劣的降雨条件，双频段均可以获得测高数据，其中ka频段可获得更高的测高精度和分辨率，ka频段的跟踪随机误差比ku频段低，另一方面，ku、ka均采用合成孔径处理，相同的积累时间下，合成孔径单视分辨率与波长相关，波长越短分辨率越高，相同输出分辨率情况下，ka波段多视数越多，可进一步提升测高精度。

随着降雨率的增大，通过ka+ku双频探测的性能对比与判断，切换为ku主探测，此时雷达高度计仍可以获得测高数据，从而可以克服单频段受降雨环境的影响，提高雷达高度计的环境适应性，提高有效测高数据比例，全球海域的有效测高数据比例可以达到99％。

(2)双频探测实现电离层延迟高精度改正

传统的ku+c双频高度计的电离层改正精度一般为0.5cm。当ka作为主探测频段、ku作为辅助探测频段时，通过两种不同频率的测量值，进行电离层延迟的高精度改正。由于ka+ku双频组合的测量精度、海况偏差修正精度均优于ku+c双频组合，因此利用ka+ku双频进行电离层延迟的改正精度优于ku+c，可以达到0.3cm。

当降雨导致ka频段的探测性能下降时，切换ku为主频段、ka作为辅助频段。利用降雨区域前后的ka+ku双频实测的电离层改正值，代入到全球电离层模型中，对降雨区域的电离层模型进行约束，从而可以提高电离层模型精度，再用该电离层模型对ku频段的电离层延迟进行改正，从而提高ku频段的电离层延迟改正精度，获取降雨区域的海面的有效测量数据。

(3)双频探测可以获取降雨率分布

降雨的吸收作用会导致雷达高度计接收的回波能量的衰减，同时雨滴通过对海面的冲击，在海面产生重力毛细波、次表层涡环和引起垂直混合等，进而改变海面的粗糙度，影响海面的后向散射系数，这两种效应会导致高度计回波能量的衰减。另外降雨对不同频段的回波造成的衰减不同，且衰减系数与降雨量大小有关，因此基于降雨对ka、ku两种频段的回波能量的衰减不同，通过双频回波的数据处理，可以获取降雨率的分布。

(4)双频探测可获取多种数据

可以获取双频测高数据、电离层改正数据、降雨率分布数据，有利于海洋环境的综合遥感探测。

附图说明

图1为本发明实施例一中ka+ku双频探测工作示意图；

图2为本发明实施例一中ka+ku双频探测组合时序示意图；

图3为本发明实施例一中ka频段主导探测模式时序图；

图4为本发明实施例一中ku频段主导探测模式时序图。

具体实施方式

以下结合附图1至4和具体实施方式对本发明提出的用于雷达高度计的双频探测方法、系统及计算机可读存储介质作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者现场设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者现场设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者现场设备中还存在另外的相同要素。

实施例一：

请参阅图1-4所示，本实施例提供的一种用于雷达高度计的双频探测方法，包括：

发送ka频段的第一信号以及ku频段的第二信号；

对第一回波信号进行全去斜接收、采集和频谱分析，回波信号与发射信号耦合来的本振信号进行混频处理，形成差频信号，该过程为全去斜接收；对差频信号按照奈奎斯特采样定律进行采集，将回波模拟信号转换成数字信号；将采集得到的数字信号进行fft处理分析，该过程为频谱分析，其中，所述第一回波信号由所述第一信号产生；

对第二回波信号进行全去斜接收、采集和频谱分析，回波信号与发射信号耦合来的本振信号进行混频处理，形成差频信号，该过程为全去斜接收；对差频信号按照奈奎斯特采样定律进行采集，将回波模拟信号转换成数字信号；将采集得到的数字信号进行fft处理分析，该过程为频谱分析，其中，所述第二回波信号由所述第二信号产生；

分别对所述第一回波信号和所述第二回波信号进行合成孔径处理，得到ka频段的海面高度信息以及ku频段的海面高度信息；

根据所述第一信号、所述第二信号、所述第一回波信号以及所述第二回波信号计算出延迟信息，根据所述延迟信息对所述海面高度信息进行改正。

两个频段的高度信息联合起来进行电离层延时的高精度改正(见公式1～8)，从而利用高精度的电离层延时改正值，来改正两个频段的高度信息。

利用ka+ku双频数据进行电离层延时信息提取，从而对上述海面高度信息进行改正。其中，双频数据具体指ka、ku频段延迟值，ka、ku频段海况偏差改正值，ka、ku频段电离层改正值，ka、ku频段海面高度值。后面的内容里面(公式(1)～公式(6))，叙述了通过该数据提取出电离层延时信息的处理过程。

由于降雨对ka、ku频段测高的影响不同，通过对两个频段的数据进行分析，可以实现对降雨情况的估计与判断，从而选取质量更优的测高数据，提高有效测量数据比例。另外，利用电离层对ka、ku双频的影响差异，通过ka、ku双频探测，实时测量星下点路径的电离层含量，从而可以进行高精度的电离层延时改正，提高海面高度测量精度。

本实施例中，所述第一信号和所述第二信号通过预设规则发送，所述预设规则具体包括：判断在第一预设时间内是否接受有所述第一回波信号，若否，以ka频段为主探测频段、ku频段为辅探测频段进行簇发簇收探测，若是，进行第一回波信号判断步骤。

ka为主ku为辅探测：两个频段(ka频段、ku频段)的发射链路、接收链路相互独立，在时序上均采用簇发簇收方式，如图2所示，tb1、rb1为主探测频段发射簇时间、接收簇，簇内有64个脉冲；tb2、rb2为辅助探测频段的发射簇时间、接收簇，簇内有32个脉冲。两个相邻的tb1之间的时间间隔为一个burst簇周期，记为bri。根据卫星轨道高度的变化以及主辅频段分辨率的要求的变化，主辅频段内的脉冲数目、信号参数、bri等均可以进行适应性调整。

开始工作时，雷达高度计设置以ka频段为主、ku频段为辅的模式，即ka频段主导探测模式，如图3所示，典型应用场合下，时序设计上前2.67ms为ka频段发射簇时间，该簇内有脉冲数64、脉冲宽度40us，紧接着的1.8ms为ku频段发射簇时间，该簇内有脉冲数32、脉冲宽度50us。约6ms后进入雷达高度计接收时间，接收回波顺序依次为ka频段和ku频段，4个簇周期为一个跟踪周期。在不同的应用场合下，根据卫星轨道高度的变化，主辅频段的发射簇时间、簇内脉冲数、簇内脉冲宽度、接收簇时间等均进行自适应调整。

ka、ku接收链路对各自频段的接收簇接收的回波信号进行全去斜接收、采集和正交解调后，输出到信号处理单元，信号处理单元对回波信号进行合成孔径处理，包括方位向波束锐化、多普勒参数估计、回波延迟校正、距离压缩、burst之间配准、多视处理、重跟踪等步骤，结合误差改正，获得海面高度信息。

方位向波束锐化：通过fft滤波器实现ka、ku探测数据的方位向的波束照射区域条带的分割；

多普勒参数估计：进行多普勒中心估计，获得天线误指向角，用于对延迟补偿系数进行修正；

回波延迟校正：利用多普勒频率与相对方位的关系，补偿条带在不同周期内的多普勒相位，将飞行过程中距离变化对测高的影响消除掉。

距离压缩：将每个周期的大带宽线性调频信号与接收本振去斜处理后，进行fft处理，得到距离信息。

burst之间配准：将飞行过程中斜距的变化对方位向积累的影响进行修正，使得不同burst之间处理的场景对应海面上的同一场景。

多视处理：将同一条带在不同观测周期内获得的数据进行相干积累，降低海浪噪声的影响，提高测量精度。

重跟踪：利用所构建的回波模型来拟合回波信号处理得到的回波波形，以提高海面高度测量精度。

本实施例中，所述第一回波信号判断步骤具体包括：

s100、判断第一回波信号的信噪比是否超过阈值，若是，则进行步骤s101，否则进行步骤s102；

s101、以ka频段为主探测频段、ku频段为辅探测频段进行簇发簇收探测；

s102、以ku频段为主探测频段、ka频段为辅探测频段进行簇发簇收探测。

ka频段的主要缺点是受对流层中的水汽影响较大，因此降雨会在一定程度上干扰雷达高度计的观测，降雨严重时甚至会造成数据失效，对全球观测时的有效测高数据比例造成一定的影响，全球有效测高数据比例约为90％。

本实施例中，所述阈值为12db。在ku为主ka为辅簇发簇收探测时，仍然对回波数据的信噪比进行实时判断，当ka频段回波的信噪比小于12db时，仍然按照ku为主ka为辅的簇发簇收探测，当ka频段回波的信噪比大于12db时，切换到以ka频段为主、ku频段为辅的探测模式。

本实施例中，所述合成孔径处理包括方位向波束锐化、多普勒参数估计、回波延迟校正、距离压缩、burst之间配准、多视处理和重跟踪。

请参阅图1所示，本实施例采用ka+ku双频同时探测，对两个频段的回波数据均采用合成孔径处理，可同时得到两个频段的合成孔径处理结果，兼顾传统的低分辨率处理方式。描述的探测方法由ka为主ku为辅探测、ka+ku双频合成孔径处理、ka+ku双频电离层延时改正、气象环境自主判断自主切换。对上一步骤获得的海面高度信息，利用ka+ku双频数据进行电离层延时信息提取，从而对上述海面高度信息进行改正。

对ka+ku两个频段的测量值分别进行海况偏差改正。

r_ka＝range_ka+sea_state_bias_ka(1)

r_ku＝range_ku+sea_state_bias_ku(2)

其中，r_ka为ka频段海况偏差改正后的测距值(m)，r_ku为ku频段海况偏差改正后的测距值(m)，range_ka为ka频段测距值(m)，range_ku为ku频段测距值(m)，sea_state_bias_ka为ka频段海况偏差改正值(m)，sea_state_bias_ku为ku频段海况偏差改正值(m)。

经过电离层改正后的测距值range可由下式表述：

range＝r_ka+iono_corr_alt_ka(3)

range＝r_ku+iono_corr_alt_ku(4)

其中iono_corr_alt_ka为ka频段电离层改正值(m)，iono_corr_alt_ku为ku频段电离层改正值(m)。

电离层改正可由下式表达：

freq_ka和freq_ku分别表示ka和ku频段的频率，tec表示传播路径的自由电子总量。

由此得到电离层改正值。

气象环境自主判断自主切换：在ka为主、ku为辅时，根据气象环境(例如雨衰)对回波的影响，进行判断并自主切换。存在雨衰的情况下，根据回波数据的信噪比，设置一定的判断阈值，当ka频段回波的信噪比大于12db时，仍然按照ka为主ku为辅的簇发簇收探测，当ka频段回波的信噪比降低到不足12db时，切换到以ku频段为主、ka频段为辅的探测模式，即ku频段主导探测模式，切换的同时可调整宽带信号参数、簇内脉冲数目、bri等，时序模式可在相邻的下个簇周期来之前实现切换，保证切换不占用观测时间。

满足切换条件时，双频的数据仍然有效，不会因频段切换而导致相邻簇周期结果无效。时序如图4所示，典型应用场合下，时序设计上前3.6ms为ku频段发射簇时间，该簇内有脉冲数64、脉冲宽度50us，紧接着的1.3ms为ka频段发射簇时间，该簇内有脉冲数32、脉冲宽度40us；约6ms后进入雷达高度计接收时间，接收回波顺序依次为ku频段和ka频段，4个簇周期为一个跟踪周期。根据卫星轨道高度的变化以及主辅频段分辨率的要求的变化，主辅频段内的脉冲数目、信号参数、bri等均可以进行适应性调整。

在此模式下，根据ka、ku双频段各自的回波能量与降雨率的关系，进行双频回波的数据处理，获取降雨率信息。

切换的目的是保证在轨工作时由于降雨等大气衰减的影响，在轨跟踪时不会造成数据丢失，从而可采集到双频的有效回波并传输至地面，从而提高有效测高数据比例。在地面进行合成孔径、多视积累等详细处理，获得满足应用要求的高度计数据产品。

基于同一发明构思，本实施例还公开了一种星载设备，用于执行上述的双频探测方法。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。