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星载扇形波束扫描微波散射计系统研究

作　者: 林文明
导　师: 董晓龙
学　校: 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
专　业: 计算机应用技术
关键词: 散射计扇形波束风场反演误差分析定标
分类号: TP722.6
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 80次
引　用: 1次
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内容摘要

星载微波散射计通过测量海面后向散射系数(σ~0)反演风场,是一种重要的微波遥感仪器。未来散射计的发展要求:首先,提供高质量的风场数据,为数值天气预报服务;其次,快速重复覆盖全球海面,即要有大的观测刈幅。扇形波束扫描微波散射计(RFSCAT,Rotating Fan-beam SCATterometer)能够对刈幅内同一面元实现多次观测,观测获得的σ~0信息比较丰富,而且它的刈幅是连续的,因此具备满足这两点需求的条件。本文采用了一种“端到端”的系统仿真方法,并以中法海洋卫星(CFOSAT,Chinese French Oceanography SATellite)Ku波段散射计为例建立了仿真模型,通过仿真对CFOSAT微波散射计风场反演性能进行了评估,优化系统参数设计。仿真结果表明CFOSAT微波散射计现有的系统参数条件能够满足风场反演的需求,风场反演的性能与SeaWinds相当,只是在风速低于6 m/s时比SeaWinds的反演结果稍差,在风速大于15 m/s时CFOSAT散射计的风向反演性能优于SeaWinds。论文建立了一种信号分析模型并分析RFSCAT分辨率形成的方式以及Doppler频移的影响。分析结果表明RFSCAT发射脉冲应该采用线性调频信号,接收机采用全去斜加FFT的处理方式。利用该信号分析模型可方便地得出条带的σ~0传递误差以及组合之后风单元的σ~0传递误差。此外,论文还简要分析了RFSCAT的定标误差以及模型误差的来源和大小。这些误差分析公式可用以改进系统仿真模型。改进的模型对CFOSAT散射计的仿真结果与原有模型的仿真结果基本一致。论文设计了一种刈幅大、可迅速覆盖全球海面,并能够满足未来业务应用及科学研究的主要需求的双频RFSCAT。利用改进的仿真模型分析了这种散射计的风场反演性能。仿真分析结果表明,相对于CFOSAT散射计,本文提议的RFSCAT能够较大程度提高风场反演的性能。最后,论文对微波散射计系统定标方法进行讨论,给出了可用于外定标的亚马逊热带雨林的新地图,研究了陆地面目标定标分析的后向散射模型和定标校正算法。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-12
图录  12-15
表录  15-16
第一章绪论  16-26
  1.1 引言  16-17
  1.2 星载散射计的应用及发展需求  17-19
    1.2.1 星载散射计的应用  17-18
    1.2.2 星载散射计的发展需求  18-19
  1.3 国内外星载散射计的发展  19-22
    1.3.1 国外星载散射计的发展  19-21
    1.3.2 国内微波散射计的发展  21-22
  1.4 新一代星载微波散射计  22-24
  1.5 论文主要研究内容和贡献  24-26
第二章星载微波散射计基本理论  26-44
  2.1 引言  26
  2.2 星载微波散射计观测几何  26-30
    2.2.1 固定扇形波束散射计  26-27
    2.2.2 笔形波束扫描散射计  27-29
    2.2.3 扇形波束扫描散射计  29-30
  2.3 星载微波散射计的分辨率  30-33
    2.3.1 固定扇形波束散射计  30-32
    2.3.2 笔形波束扫描散射计  32-33
    2.3.3 扇形波束扫描散射计  33
  2.4 σ~0 测量误差的因素  33-35
  2.5 散射计脉冲时序  35-38
  2.6 散射计反演海面风场的算法  38-44
第三章扇形波束扫描微波散射计仿真模型  44-68
  3.1 引言  44
  3.2 RFSCAT 系统仿真模型  44-51
    3.2.1 RFSCAT 系统仿真流程  44-48
    3.2.2 风场反演精度评价方法  48-49
    3.2.3 仿真模型的验证  49-51
  3.3 天线参数的选择  51-56
    3.3.1 天线旋转速率  52-54
    3.3.2 天线波束宽度  54-56
  3.4 脉冲带宽的选择  56-58
  3.5 CFOSAT 散射计风场反演研究  58-68
    3.5.1 σ~0 传递误差  59-61
    3.5.2 均匀风场  61-62
    3.5.3 涡旋风场  62-63
    3.5.4 风场反演性能对比  63-68
第四章扇形波束扫描微波散射计信号处理与σ~0误差分析  68-102
  4.1 引言  68
  4.2 RFSCAT 的系统组成  68-69
  4.3 散射计信号分析模型  69-75
    4.3.1 连续波脉冲  72-73
    4.3.2 线性调频脉冲  73-74
    4.3.3 周期脉冲串  74-75
  4.4 RFSCAT 的Doppler 分析  75-78
    4.4.1 常用坐标系及转换  75-76
    4.4.2 RFSCAT 的Doppler 特性  76-78
  4.5 星上信号处理与σ~0 反演  78-91
    4.5.1 信号测量通道  79-83
    4.5.2 小入射角的干扰分析及Doppler 补偿  83-88
    4.5.3 噪声测量通道  88-89
    4.5.4 后向散射系数的计算  89-91
  4.6 σ~0 测量误差分析  91-102
    4.6.1 传递误差  91-98
    4.6.2 定标误差  98-100
    4.6.3 模型误差  100-102
第五章双频RFSCAT 设计与仿真  102-118
  5.1 引言  102
  5.2 改进的RFSCAT 仿真模型  102-104
  5.3 Ku 波段RFSCAT  104-111
    5.3.1 参数设计  104-108
    5.3.2 σ~0 传递误差分析  108-110
    5.3.3 信号处理  110-111
  5.4 C 波段RFSCAT  111-114
    5.4.1 参数设计  112-113
    5.4.2 σ~0 传递误差分析  113-114
  5.5 双频RFSCAT 仿真  114-118
第六章星载微波散射计系统定标  118-134
  6.1 引言  118
  6.2 星上内定标处理  118-120
  6.3 地面定标设备  120-123
  6.4 陆地面目标  123-132
    6.4.1 定标区域择取  123-127
    6.4.2 后向散射模型  127-128
    6.4.3 定标校正算法  128-132
  6.5 海面定标方法  132-134
第七章总结与展望  134-140
  7.1 论文总结  134-137
    7.1.1 系统仿真模型研究  134-135
    7.1.2 信号分析及处理研究  135-136
    7.1.3 后向散射系数测量的误差分析  136-137
  7.2 本论文的主要贡献  137-138
  7.3 建议今后进一步深入研究的内容  138-140
参考文献  140-150
攻读博士学位期间取得的科研成果  150-152
致谢  152

星载扇形波束扫描微波散射计系统研究

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