專利名稱：獲取海洋雷達高度計中頻仿真信號的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種遙感技術和設備，特別是涉及一種采用全中頻數(shù)字仿真模型來提供星載海洋雷達高度計中頻回波仿真信號的方法和設備。
星載海洋雷達高度計是一種新型的主動式海洋遙感儀器，它能在大范圍內實時地、全天候地測量衛(wèi)星平臺到海面的平均高度、有效波高和海面的后向散射系數(shù)。利用高度計數(shù)據(jù)可以反演大地水準面等海洋參數(shù)，為進一步科學的認識海洋，合理的開發(fā)海洋資源提供了一種科學的測量手段。
星載海洋雷達高度計的地面仿真設備十分重要，為了完成地面測試和校準，要求地面仿真設備能提供遙感器在衛(wèi)星上工作的數(shù)據(jù)環(huán)境。傳統(tǒng)的中頻仿真設備實現(xiàn)的原理框圖如

圖1所示，參見RadarAltimeter Test and Calibration Study，ESS/SS 1077，July 1982，其中信號生成器產生帶有海面回波噪聲的正交數(shù)字信號(I、Q)，它們各有64個采樣點的數(shù)據(jù)，將它們存儲于快速RAM中，通過D/A變換生成模擬信號，再通過一個合成器，實現(xiàn)和白噪聲的疊加，然后過一個低通濾波器和一個可調增益放大器，其可調增益放大器用來完成來自高度計數(shù)控AGC的調節(jié)作用，即通過查尋數(shù)字衰減表實現(xiàn)I、Q信號的增益調整。
從上面的分析可以看出，傳統(tǒng)的中頻仿真設備在實現(xiàn)上有兩個難點一個是白噪聲的疊加過程，因為I、Q信號是從0頻～截止頻率的通帶信號，在這里是0～1.35MHz，要實現(xiàn)這種通帶內的白噪聲的線性疊加是比較困難的；二是可調增益放大器，因為受放大器線性度的影響，I、Q信號要做到線性放大很困難，其放大器的通帶性能會引起I、Q信號的失真，所以傳統(tǒng)的中頻仿真設備的實現(xiàn)是以犧牲信噪比為代價的。
本發(fā)明的目的之一就是克服已有技術的缺陷，提供一種能夠獲得較為理想的中頻回波仿真信號的方法。
本發(fā)明的目的之二是提供一種基于全中頻數(shù)字仿真模型以獲取上述較為理想的中頻回波仿真信號的設備。
本發(fā)明的任務是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明提出了一種全中頻數(shù)字仿真模型，在傳統(tǒng)的中頻仿真設備模型的基礎上將白噪聲的疊加過程和AGC的控制過程用軟件來實現(xiàn)，其采用軟件疊加白噪聲的原因是由于I、Q信號在疊加白噪聲后，通過了一個低通濾波器，這樣實際上疊加的是一限帶白噪聲，所以這一過程可以通過在信號生成器中直接在I、Q信號功率譜上疊加限帶白噪聲的方法來實現(xiàn)，這種方法是由軟件來實現(xiàn)的；另外AGC的控制也可以采用軟件的辦法來實現(xiàn)，即當信號生成器生成離散的I、Q信號以后，用AGC的數(shù)值來調整I、Q信號的幅度，從而完成了AGC的控制。由于白噪聲的疊加和AGC的控制都是采用數(shù)字技術來實現(xiàn)，取代了傳統(tǒng)的模擬方法，所以信噪比提高了。
在全中頻數(shù)字仿真模型中取消了噪聲合成器和可調增益放大器，同時在合成I、Q信號時，采用了256個采樣點的離散數(shù)據(jù)，這樣比64個采樣點的傳統(tǒng)仿真器的信噪比又提高了一步。
本發(fā)明獲取的中頻回波仿真信號具有模擬海面回波變化的能力和實時性的特點，且能體現(xiàn)連續(xù)高度的變化；體現(xiàn)連續(xù)浪高的變化；體現(xiàn)連續(xù)后向散射系數(shù)的變化；具有模擬海面回波噪聲的能力；具有模擬系統(tǒng)白噪聲的能力；能夠使高度計數(shù)控單元完成高度跟蹤環(huán)、浪高跟蹤環(huán)和后向散射系數(shù)跟蹤環(huán)的閉環(huán)工作；為高度計數(shù)控單元提供測試和校準手段；這是傳統(tǒng)設備所不能完成的。
圖1是傳統(tǒng)的中頻仿真設備實現(xiàn)的原理框圖。
圖2是基于全中頻數(shù)字模型的中頻仿真設備的原理框圖。
圖3是獲取理想海面回波功率曲線的流程圖。
圖4是獲取海面回波噪聲和系統(tǒng)白噪聲的流程圖。
圖5是獲取I、Q信號的流程圖。
圖6是獲取I、Q信號的結構方框圖。
圖6是本發(fā)明的結構方框圖。
圖7-1和7-2分別是高度計數(shù)控單元采集到的信號，圖7-3是高度計數(shù)控單元處理后得到的回波功率波形。
下面結合實施例，具體說明本發(fā)明。圖6是本發(fā)明的結構方框圖。其中監(jiān)控PC機1用來實現(xiàn)同仿真器處理單元2的聯(lián)系，它除了具有大容量的硬盤和顯示器外，還配備16M的內存和鍵盤，其中鍵盤用來作為人機對話的工具，16M的內存用來作為數(shù)據(jù)的緩存。監(jiān)控PC機1將仿真器處理單元2的運行軟件和仿真環(huán)境數(shù)據(jù)送入仿真器處理單元2，監(jiān)控PC機1同時還接受并實時以圖形的方式顯示仿真器處理單元2的處理結果，該結果包括當前實時合成的海面回波曲線、飛行高度、浪高和后向散射系數(shù)。該仿真器處理單元2是一個以高速信號處理器TMS320C30為核心的處理單元，其中的運行軟件和仿真環(huán)境數(shù)據(jù)是從監(jiān)控PC1機加載的，其中的運行軟件是一個基于全中頻數(shù)字仿真模型的實時合成軟件，用來實時合成當前海況下的I、Q數(shù)字信號，該信號能夠反映當前狀態(tài)下的衛(wèi)星距海面的高度、浪高、后向散射系數(shù)、海面噪聲情況和系統(tǒng)白噪聲情況。其中的仿真環(huán)境數(shù)據(jù)用來提供模擬的飛行高度值、浪高值、后向散射系數(shù)值、海面回波噪聲的信噪比和系統(tǒng)白噪聲的信噪比。該仿真器處理單元2從外圍接口3接收來自高度計數(shù)控單元的粗距離字、AGC值和輸出門控信號，其中的粗距離字用來同當前的模擬飛行高度比較從而決定合成回波功率信號半功率點的位置，AGC值用來決定I、Q信號的幅度，輸出門控信號決定仿真器處理單元2何時將I、Q數(shù)字信號放入數(shù)據(jù)輸出端口4，當數(shù)據(jù)輸出端口4正在進行D/A變換時，輸出門控信號為高電平，不能輸出數(shù)據(jù)；否則當輸出門控信號為低平時，D/A變換停止，仿真器處理單元2將其合成的I、Q數(shù)字信號放入數(shù)據(jù)輸出端口4。外圍接口3可以接收來自高度計數(shù)控單元的粗距離字和AGC值，這兩種數(shù)據(jù)是以串行的方式進入外圍接口3的，外圍接口3實現(xiàn)將串行數(shù)據(jù)轉換成并行數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)通過并行口傳送給仿真器處理單元2，外圍接口3接收高速尋址邏輯5的輸出門控信號，并將該信號傳送給仿真器處理單元2，使仿真器處理單元2在高速尋址期間不向數(shù)據(jù)輸出端口4輸出數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)輸出端口4是一個高速雙口RAM緩存區(qū)，它存儲256個采樣點的I信號和256個采樣點的Q信號，其中每個采樣點的信號都是8位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出端口4占有仿真器處理單元2的一段地址，所以仿真器處理單元2可以直接用寫數(shù)據(jù)存儲器的方式將I、Q數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)輸出端口4，數(shù)據(jù)輸出端口4將其存儲的數(shù)據(jù)送入D/A單元6和D/A單元7進行D/A轉換，數(shù)據(jù)輸出端口4的快速尋址是由高速尋址邏輯5來完成的。高速尋址邏輯5用來提供數(shù)據(jù)輸出端口4的快速尋址和D/A變換使能信號，其使能頻率為10.8MHz，高速尋址邏輯5的尋址操作是由來自高度計數(shù)控單元的接收脈沖來同步的，每同步一次完成256個I信號和256個Q信號的快速尋址功能并輸出256個D/A使能信號，高速尋址期間輸出門控信號置為高電平，其他時間為低電平，并將輸出門控信號傳送給外圍接口3。高速D/A單元6和D/A單元7分別實現(xiàn)I信號和Q信號的D/A變換，其變換頻率為10.8MHz，其使能脈沖由高速尋址邏輯5來提供，D/A變換的數(shù)據(jù)來源于數(shù)據(jù)輸出端口4，D/A變換后的I、Q模擬信號被送入低通濾波器8和9。低通濾波器8和9用來實現(xiàn)I、Q信號的低通濾波以消除量化噪聲，濾波器的3db帶寬為1.75MHz，將濾波后的I、Q信號送給高度計的數(shù)控單元。
下面具體說明本發(fā)明的獲取海洋雷達高度計中頻仿真信號的方法，中頻仿真信號要求能夠實時仿真星載高度計工作時飛行高度的變化、海面的浪高和海面后向散射系數(shù)的變化，這些變化的參數(shù)事先都存儲在仿真環(huán)境數(shù)據(jù)中，監(jiān)控PC機1將這些數(shù)據(jù)從硬盤中取出，連同仿真運行軟件一起傳送給仿真器處理單元2。仿真器處理單元2是一個基于TMS320C30的高速信號處理系統(tǒng)，它把從監(jiān)控PC機1傳來的運行軟件和仿真環(huán)境數(shù)據(jù)存儲于程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)，然后開始執(zhí)行軟件，這時它首先從外圍接口3讀取來自高度計數(shù)控單元的粗距離字和AGC數(shù)值，將粗距離字的數(shù)值同仿真環(huán)境數(shù)據(jù)中當前模擬高度相比較，計算出當前狀態(tài)下的理想海面回波功率曲線。下一步是在理想海面回波功率曲線上疊加海面回波噪聲，依據(jù)海面回波噪聲同海面回波功率呈指數(shù)分布的特點，利用計算機偽隨機數(shù)的方法生成指數(shù)分布的隨機數(shù)作為海面回波噪聲值，將這些數(shù)值用仿真環(huán)境數(shù)據(jù)中海面噪聲的信噪比加以調整，并將調整后的數(shù)據(jù)疊加到回波曲線上，這樣就完成了海面噪聲的疊加工作；白噪聲的疊加是依據(jù)白噪聲在回波功率的通帶內呈均勻分布的特點，利用計算機偽隨機數(shù)的方法生成均勻分布的隨機噪聲值，將該值用白噪聲的信噪比加以調整，并調整后的白噪聲疊加到回波曲線上，這樣就完成了白噪聲的疊加工作。此時的回波曲線疊加了兩種噪聲海面回波噪聲和系統(tǒng)的白噪聲，將回波曲線用AGC值加以調整，將調整后的回波曲線送給監(jiān)控PC機1，監(jiān)控PC機將回波曲線、AGC值、當前飛行狀態(tài)實時記錄并顯示，與此同時，仿真器處理單元用256點的IFFT對回波功率進行運算就產生了正交的256個采樣點的I信號和Q信號。仿真處理單元2還要通過外圍接口3讀取輸出門控信號，當此時高速尋址邏輯5沒有進行尋址時，將I、Q數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)輸出端口4。I、Q信號進入數(shù)據(jù)端口4以后，當高速尋址邏輯單元5接收到高度計數(shù)控單元的接收脈沖時，就將I、Q信號以10.8MHz的數(shù)率從數(shù)據(jù)輸出端口4送到D/A變換單元6、7，同時形成同步的D/A使能脈沖給D/A變換單元6、7，使其完成D/A轉換工作。經過D/A變換的I、Q模擬信號經過3db帶寬為1.75MHz的低通濾波器8和9，然后送入高度計的數(shù)控單元，從而完成一次I、Q信號的合成。高度計數(shù)控單元接收到一組I、Q信號以后進行跟蹤處理，跟蹤處理后得到新的粗距離字和AGC值，再將新的粗距離字和AGC值送入外圍接口單元3，中頻仿真器再根據(jù)這些新的數(shù)值進行新的一輪處理，從而為高度計數(shù)控單元提供實時的仿真數(shù)據(jù)。
一種獲取理想海面回波功率曲線的工作過程模式示于圖3的流程中，該方法的目的是獲取理想海面回波功率曲線，現(xiàn)在予以描述。
在獲取理想海面回波功率曲線的過程中，首先仿真器處理單元2從外圍接口3中讀取粗距離字(S1)，將其表示的距離同仿真環(huán)境數(shù)據(jù)中模擬的當前飛行高度相比較，從而確定此時的海面回波的半功率點(S2)，再依據(jù)此時的浪高值和后向散射系數(shù)值確定此時的理想海面回波功率曲線(S3)，其確定方法如(1)式所示，其中Pr代表回波功率，A為常數(shù)，τ代表時間，σ為回波曲線總的上升沿時間，γ為表示天線波束寬度的參數(shù)，c代表光速，H代表星下點的高度。Pr(τ)=A[1+erf(τ2σ)]·{exp(-4cγHτ),τ≥01,τ<0---(1)]]>得到了理想海面回波功率曲線以后，還要將其疊加上海面回波噪聲和儀器的白噪聲，一種獲取海面回波噪聲和系統(tǒng)白噪聲的工作過程模式示于圖4的流程中，該方法的目的是獲取全中頻數(shù)字仿真模型中的海面回波噪聲值和儀器的白噪聲值，現(xiàn)在予以描述。
在獲取海面回波噪聲和儀器的白噪聲過程中，首先將當前理想海面回波曲線的功率值讀入內存(S21)，回波功率值共有256個采樣點，先讀讀取第一點數(shù)據(jù)(S22)，以該點的功率數(shù)據(jù)值作為指數(shù)分布隨機數(shù)的方差值(S23)，調用指數(shù)分布隨機數(shù)函數(shù)可以得到一個隨機數(shù)，將該數(shù)作為該點的海面回波噪聲值(S24)，這一過程要進行256次(S25)，如果沒做完，就指向下一點(S27)，并重復S23的過程，如果做完了就會得到256個采樣點的海面回波噪聲值，將這些噪聲值用海面回波噪聲的信噪比加以調整，并將結果疊加到理想海面回波功率上(S26)，此時就會得到一條疊加有海面回波噪聲的功率曲線。下一步是計算系統(tǒng)的白噪聲，由于系統(tǒng)的白噪聲是呈均勻分布的，所以調用均勻分布隨機函數(shù)生成256個采樣點的隨機數(shù)(S28)，然后用白噪聲的信噪比數(shù)值加以修正(S29)，修正后的隨機數(shù)就作為白噪聲數(shù)值加入回波曲線中(S30)，此時的回波曲線既含有海面回波噪聲又含有系統(tǒng)的白噪聲，從而完成系統(tǒng)的噪聲疊加的工作。
一種獲取I、Q信號的工作過程模式示于圖5的流程中，該方法的目的是獲取I、Q數(shù)字信號，現(xiàn)在予以描述。
在獲取I、Q信號的過程中，首先用上面提到的方法得到疊加有海面回波噪聲和系統(tǒng)白噪聲的回波曲線(S31)，將該曲線的256個采樣點數(shù)據(jù)作為256個復數(shù)的模，再采用均勻分布隨機數(shù)發(fā)生器產生256個相角(S32)，這樣就能構造256個復數(shù)(S33)，將這256個復數(shù)進行逆FFT變換(S34)，取其實部作為I信號，虛部作為Q信號(S35)，這樣就完成了I、Q信號的產生過程。
經過上述處理就可以得到一個基于全中頻數(shù)字仿真模型的中頻回波仿真信號，實現(xiàn)了實時提供星載海洋雷達高度計中頻回波仿真信號的功能，從而為星載海洋雷達高度計的地面測試和校準提供了有效手段。
現(xiàn)在說明一個具體的實例。
實驗中采用的一些主要參數(shù)如下接收脈沖重復頻率1KHz。
當前模擬飛行高度800Km。
浪高15米跟蹤高度800Km。
AGC值最大噪聲白噪聲、海面回波噪聲圖7-1和7-2分別是高度計數(shù)管單元采集到的信號，圖7-3是高度計數(shù)管單元處理后得到的回波功率波形。
權利要求
1.一種獲取海洋雷達高度計中頻仿真信號的設備，其特征在于該設備由監(jiān)控PC機(1)，仿真器處理單元(2)，外圍接口(3)，數(shù)據(jù)輸出端口(4)，高速尋址邏輯(5)，D/A單元(6)，D/A單元(7)，低通濾波器(8)和低通濾波器(9)組成；監(jiān)控PC機(1)將仿真器處理單元(2)的運行軟件和仿真環(huán)境數(shù)據(jù)送入仿真器處理單元(2)，監(jiān)控PC機(1)同時還接受并實時以圖形的方式顯示仿真器處理單元(2)的處理結果，該仿真器處理單元(2)從外圍接口(3)接收來自高度計數(shù)控單元的粗距離字、AGC值和輸出門控信號，外圍接口(3)接收來自高度計數(shù)控單元的粗距離字和AGC值，并將數(shù)據(jù)傳送給仿真器處理單元(2)，外圍接口(3)接收高速尋址邏輯(5)的輸出門控信號，并將該信號傳送給仿真器處理單元(2)，使仿真器處理單元(2)在高速尋址期間不向數(shù)據(jù)輸出端口(4)輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出端口(4)將其存儲的數(shù)據(jù)送入D/A單元(6)和D/A單元(7)分別實現(xiàn)I信號和Q信號的D/A轉換，高速尋址邏輯(5)用來提供數(shù)據(jù)輸出端口(4)的快速尋址和D/A變換使能信號，D/A變換后的I、Q模擬信號被送入低通濾波器(8)和低通濾波器(9)，低通濾波器(8)和低通濾波器(9)將濾波后的I、Q信號送給高度計的數(shù)控單元。
2.一種獲取海洋雷達高度計中頻仿真信號的方法，其特征在于監(jiān)控PC機(1)將仿真器處理單元(2)的運行軟件和仿真環(huán)境數(shù)據(jù)送入仿真器處理單元(2)，監(jiān)控PC機(1)同時還接受并實時以圖形的方式顯示仿真器處理單元(2)的處理結果，該仿真器處理單元(2)從外圍接口(3)接收來自高度計數(shù)控單元的粗距離字、AGC值和輸出門控信號，外圍接口(3)接收來自高度計數(shù)控單元的粗距離字和AGC值，并將數(shù)據(jù)傳送給仿真器處理單元(2)，外圍接口(3)接收高速尋址邏輯(5)的輸出門控信號，并將該信號傳送給仿真器處理單元(2)，使仿真器處理單元(2)在高速尋址期間不向數(shù)據(jù)輸出端口(4)輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出端口(4)將其存儲的數(shù)據(jù)送入D/A單元(6)和D/A單元(7)分別實現(xiàn)I信號和Q信號的D/A轉換，高速尋址邏輯(5)用來提供數(shù)據(jù)輸出端口(4)的快速尋址和D/A變換使能信號，D/A變換后的I、Q模擬信號被送入低通濾波器(8)和低通濾波器(9)，低通濾波器(8)和低通濾波器(9)將濾波后的I、Q信號送給高度計的數(shù)控單元。
3.如權利要求1所述的獲取海洋雷達高度計中頻仿真信號的設備，其特征在于所述的仿真器處理單元(2)是一個基于TMS320C30的高速信號處理系統(tǒng)。
4.如權利要求1所述的獲取海洋雷達高度計中頻仿真信號的設備，其特征在于所述的外圍接口(3)接收來自高度計數(shù)控單元的粗距離字和AGC值，這兩種數(shù)據(jù)是以串行的方式進入外圍接口(3)的，外圍接口(3)實現(xiàn)將串行數(shù)據(jù)轉換成并行數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)通過并行口傳送給仿真器處理單元(2)。
5.如權利要求1所述的獲取海洋雷達高度計中頻仿真信號的設備，其特征在于所述的數(shù)據(jù)輸出端口(4)是一個高速雙RAM緩存區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種遙感技術和設備,本發(fā)明的目的是提供一種獲取星載海洋雷達高度計中頻仿真信號的方法和設備。利用該方法中所采用的全中頻數(shù)字仿真模型,實現(xiàn)了實時提供星載海洋雷達高度計中頻回波仿真信號的功能,為星載海洋雷達高度計的地面測試和校準提供了有效手段。
文檔編號G01S13/00GK1246622SQ9811764
公開日2000年3月8日 申請日期1998年8月28日 優(yōu)先權日1998年8月28日
發(fā)明者許可, 周寧, 李茂堂, 閻敬業(yè) 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心