RU2832598C1 - Method of processing signal in space-based ku-band scatterometer with rotating "fan" beam pattern - Google Patents
Method of processing signal in space-based ku-band scatterometer with rotating "fan" beam pattern Download PDFInfo
- Publication number
- RU2832598C1 RU2832598C1 RU2023127682A RU2023127682A RU2832598C1 RU 2832598 C1 RU2832598 C1 RU 2832598C1 RU 2023127682 A RU2023127682 A RU 2023127682A RU 2023127682 A RU2023127682 A RU 2023127682A RU 2832598 C1 RU2832598 C1 RU 2832598C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- scatterometer
- probing
- frequency shift
- doppler frequency
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники, а более конкретно к способам обработки сигналов при радиолокационном дистанционном зондировании земной поверхности с использованием скаттерометров космического базирования. Скаттерометры космического базирования обеспечивают оперативное глобальное измерение удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) участков поверхности мирового океана под различными азимутальными углами при помощи излучения, приема и обработки зондирующих импульсов СВЧ-диапазона. Полученная информация используется, главным образом, в целях определения параметров приводного (приповерхностного) ветра.The invention relates to the field of radio engineering, and more specifically to methods of processing signals in radar remote sensing of the earth's surface using space-based scatterometers. Space-based scatterometers provide operational global measurement of the specific effective scattering area (SESA) of sections of the world ocean surface at various azimuthal angles using the emission, reception and processing of microwave probing pulses. The information obtained is used primarily to determine the parameters of the surface (near-surface) wind.
Для обеспечения приемлемой погрешности измерения УЭПР с учетом статистических особенностей рассеяния СВЧ-излучения морской поверхностью в пределах пятна облучения необходимы накопление и некогерентное усреднение результатов измерений УЭПР большого количества малых участков поверхности. Для этого в скаттерометрах космического базирования происходит разделение принятого сигнала посредством корреляционной обработки на сигналы, отраженные от элементов разрешения в пределах пятна облучения. Под элементами разрешения будем в дальнейшем понимать участки поверхности, на границе которых уровень нормированной автокорреляционной функции (АКФ) выше некоторого порога, обычно минус 3 дБ.To ensure an acceptable error in measuring the ERCS taking into account the statistical features of microwave radiation scattering by the sea surface within the irradiation spot, it is necessary to accumulate and incoherently average the results of ERCS measurements of a large number of small surface areas. For this purpose, in space-based scatterometers, the received signal is divided by correlation processing into signals reflected from the resolution elements within the irradiation spot. Resolution elements will be understood as surface areas on the boundary of which the level of the normalized autocorrelation function (ACF) is higher than a certain threshold, usually minus 3 dB.
Известно [1 - Lecompte P. The ERS Scatterometer Instrument and the On-Ground Processing of its Data // Proceedings of the ESA Workshop on Emerging Scatterometer Applications, Noordwijk, The Netherlands, 5-7 October, 1998, pp. 241-260], что погрешность измерения УЭПР характеризуется нормированным среднеквадратичным отклонениемIt is known [1 - Lecompte P. The ERS Scatterometer Instrument and the On-Ground Processing of its Data // Proceedings of the ESA Workshop on Emerging Scatterometer Applications, Noordwijk, The Netherlands, 5-7 October, 1998, pp. 241-260] that the error in measuring the ERS is characterized by a normalized root-mean-square deviation
, ,
где σ - значение УЭПР;where σ is the value of the UEPR;
- среднеквадратичное отклонение оценки УЭПР; - standard deviation of the UEPR estimate;
N - количество независимых измерений;N - number of independent measurements;
σшэ - шумовой эквивалент УЭПР.σ шэ - noise equivalent of the UEPR.
Шумовой эквивалент - это такое значение УЭПР, при котором энергия принятого и подвергнутого корреляционной обработке сигнала от участка поверхности равна спектральной плотности мощности шумов. При уменьшении уровня сигнала шумовой эквивалент УЭПР увеличивается. Количество независимых измерений N соответствует количеству неперекрывающихся элементов разрешения.The noise equivalent is such a value of the NRCS, at which the energy of the received and subjected to correlation processing signal from the surface area is equal to the spectral density of the noise power. As the signal level decreases, the noise equivalent of the NRCS increases. The number of independent measurements N corresponds to the number of non-overlapping resolution elements.
Мощность, потребляемая скаттерометром космического базирования, строго ограничена и, следовательно, излучаемая мощность тоже. Поэтому уменьшение размера элемента разрешения приводит, с одной стороны, к увеличению количества независимых измерений N, а с другой стороны, к увеличению σшэ.The power consumed by a space-based scatterometer is strictly limited and, consequently, the emitted power is also limited. Therefore, a decrease in the resolution element size leads, on the one hand, to an increase in the number of independent measurements N, and, on the other hand, to an increase in σ шэ .
При разработке скаттерометра выбирают оптимальные размеры элементов разрешения, обеспечивающие минимальное интегральное значение Kp в требуемом диапазоне изменения измеряемых УЭПР, при ограничении на мощность, потребляемую скаттерометром. Отклонение размеров элемента разрешения от оптимальных приводит, как правило, к ухудшению качества измерений УЭПР. Длительность зондирующего импульса выбирают максимально возможной с целью снижения пиковой излучаемой мощности.When developing a scatterometer, the optimal resolution element sizes are selected to ensure the minimum integral value of Kp in the required range of variation of the measured ERCS, with a limitation on the power consumed by the scatterometer. Deviation of the resolution element sizes from the optimal ones usually leads to deterioration in the quality of ERCS measurements. The duration of the probing pulse is selected as long as possible in order to reduce the peak radiated power.
Известен способ обработки принимаемого сигнала в скаттерометре космического базирования с вращающейся «веерной» диаграммой направленности (ДН) С-диапазона [2 - United States Patent 6,137,437. Lin C.-C, Wilson J.J.W., Impagnatiello F., Park P. Spaceborne scatterometer. October 24, 2000].A method for processing the received signal in a space-based scatterometer with a rotating “fan” directivity pattern (DP) of the C-band is known [2 - United States Patent 6,137,437. Lin C.-C, Wilson J.J.W., Impagnatiello F., Park P. Spaceborne scatterometer. October 24, 2000].
Однако в данном изобретении не учтены существенные особенности обработки сигнала, отраженного от участка большой протяженности в радиальном направлении, а именно: значительное различие допплеровских сдвигов частоты для различных участков пятна облучения и различных азимутальных углов поворота антенны.However, this invention does not take into account the essential features of processing a signal reflected from a section of great length in the radial direction, namely: a significant difference in the Doppler frequency shifts for different sections of the irradiation spot and different azimuthal angles of rotation of the antenna.
Как известно, умножение принятого ЛЧМ-сигнала на опорный ЛЧМ-сигнал и последующий Фурье-анализ в совокупности эквивалентны процедуре корреляционной обработки [3 - Skolnik М. Radar handbook. - N.Y.: McGraw-Hill, 2008 - pp. 8.31-8.36.]. При этом область неопределенности в частотно-временной плоскости определяется сочетанием девиации частоты и длительности зондирующего импульса. В то же время при вращении ДН распределение допплеровского сдвига частоты в пределах пятна облучения существенно изменяется. Таким образом, если длительность импульса и скорость изменения частоты остаются постоянными, то частотно-временные параметры зондирующего и опорного импульсов не изменяются. Это приводит к тому, что геометрические параметры элемента разрешения, определяемые частотно-временными параметрами отраженного сигнала, будут существенно изменяться.As is known, the multiplication of the received chirp signal by the reference chirp signal and the subsequent Fourier analysis are collectively equivalent to the correlation processing procedure [3 - Skolnik M. Radar handbook. - N.Y.: McGraw-Hill, 2008 - pp. 8.31-8.36.]. In this case, the uncertainty region in the frequency-time plane is determined by a combination of the frequency deviation and the duration of the probing pulse. At the same time, when the beam pattern rotates, the distribution of the Doppler frequency shift within the irradiation spot changes significantly. Thus, if the pulse duration and the rate of frequency change remain constant, the frequency-time parameters of the probing and reference pulses do not change. This leads to the fact that the geometric parameters of the resolution element, determined by the frequency-time parameters of the reflected signal, will change significantly.
Следствием изменения геометрических параметров элемента разрешения в зависимости от положения элемента разрешения в пределах пятна облучения и от угла поворота ДН, является увеличение погрешности измерения УЭПР. В связи с этим указанный скаттерометр имеет ограниченную промышленную применимость.The consequence of changing the geometric parameters of the resolution element depending on the position of the resolution element within the irradiation spot and on the rotation angle of the DN is an increase in the error in measuring the UEPR. In this regard, the specified scatterometer has limited industrial applicability.
Известен способ обработки сигнала для разрешения участков поверхности и учета влияния допплеровского сдвига частоты, принятый за прототип [4 - Патент CN 101363913 B. Signal processing method of fan-shaped beam circular cone scanning microwave scatterometer, 27.09.2008]. Данный способ применяется в скаттерометре Ku-диапазона космического базирования с вращающейся «веерной» диаграммой направленности [5 - Lin W. Dong X. Design and Optimization of Ku-band Rotating, Range-Gated, Fanbeam Scatterometer // International Journal of Remote Sensing, Vol. 32, No. 8, July 2011, pp. 2151-2171].A method for signal processing for resolving surface areas and taking into account the influence of the Doppler frequency shift is known, adopted as a prototype [4 - Patent CN 101363913 B. Signal processing method of fan-shaped beam circular cone scanning microwave scatterometer, 27.09.2008]. This method is used in a space-based Ku-band scatterometer with a rotating "fan" directional pattern [5 - Lin W. Dong X. Design and Optimization of Ku-band Rotating, Range-Gated, Fanbeam Scatterometer // International Journal of Remote Sensing, Vol. 32, No. 8, July 2011, pp. 2151-2171].
Способ основан на выполнении следующих операций:The method is based on the following operations:
- линейной частотной модуляции зондирующего импульса, с неизменными длительностью и скоростью изменения частоты;- linear frequency modulation of the probing pulse, with constant duration and rate of frequency change;
- упреждающей компенсации среднего допплеровского сдвига частоты при излучении импульса;- anticipatory compensation of the average Doppler frequency shift during pulse emission;
- определении граничных частот, соответствующих краям элементов разрешения, с учетом ожидаемого времени приема и допплеровского сдвига частоты, в промежуточном сигнале после умножения принятого сигнала на опорный ЛЧМ-сигнал;- determining the boundary frequencies corresponding to the edges of the resolution elements, taking into account the expected reception time and the Doppler frequency shift, in the intermediate signal after multiplying the received signal by the reference chirp signal;
- суммировании энергии Фурье-компонент промежуточного сигнала в интервалах частот, соответствующих элементам разрешения.- summation of the energy of the Fourier components of the intermediate signal in frequency intervals corresponding to the resolution elements.
Однако, как уже указывалось выше, каждая Фурье-компонента является результатом выполнения операции вычисления корреляционного интеграла. Суммирование энергии Фурье-компонент соответствует некогерентному усреднению результатов измерений энергии сигнала.However, as already indicated above, each Fourier component is the result of performing the operation of calculating the correlation integral. Summation of the energy of the Fourier components corresponds to incoherent averaging of the results of signal energy measurements.
С точки зрения использования данного способа обработки сигналов в скаттерометре космического базирования при вращении «веерной» ДН имеются следующие недостатки:From the point of view of using this method of signal processing in a space-based scatterometer, when the “fan” DN rotates, there are the following disadvantages:
- обеспечивается только сохранение положений центров, но не сохранение размеров и ориентации элементов разрешения;- only the preservation of the positions of the centers is ensured, but not the preservation of the sizes and orientation of the resolution elements;
- число независимых измерений N изменяется при повороте антенны в связи с изменением размеров самих элементов разрешения.- the number of independent measurements N changes when the antenna is rotated due to a change in the size of the resolution elements themselves.
Следствием этого является несоответствие числа независимых измерений N оптимальному, что, в свою очередь, приводит к увеличению погрешности измерения УЭПР. Анализ радиометрической точности скаттерометра при использовании предложенного способа обработки сигнала показывает, что параметр Kp действительно значительно изменяется в зависимости от угла поворота [6 - Wenming Lin, Xiaolong Dong, Di Zhu. Backscatter measurement accuracy of a spaceborne rotating fan-beam scatterometer // EUMETSAT/ESA Scatterometer Science Conference, Darmstadt, Germany, 11-13 April 2011]. Таким образом, отмеченный способ обработки, выбранный в качестве прототипа, также не учитывает все особенности обработки сигнала, отраженного от участка большой протяженности в радиальном направлении, и тем самым не обеспечивает сохранение размеров и ориентацию элемента разрешения и, как следствие, приводит к увеличению погрешности измерений.As a consequence, the number of independent measurements N does not correspond to the optimal one, which in turn leads to an increase in the measurement error of the UEPR. Analysis of the radiometric accuracy of the scatterometer using the proposed signal processing method shows that the parameter Kp does change significantly depending on the rotation angle [6 - Wenming Lin, Xiaolong Dong, Di Zhu. Backscatter measurement accuracy of a spaceborne rotating fan-beam scatterometer // EUMETSAT/ESA Scatterometer Science Conference, Darmstadt, Germany, 11-13 April 2011]. Thus, the noted processing method, selected as a prototype, also does not take into account all the features of processing the signal reflected from a large area in the radial direction, and thus does not ensure the preservation of the size and orientation of the resolution element and, as a consequence, leads to an increase in the measurement error.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение погрешности измерения УЭПР скаттерометром Ки-диапазона космического базирования с вращающейся «веерной» диаграммой направленности при условии ограничений на излучаемую мощность.The task, which the claimed invention is aimed at solving, is to reduce the error in measuring the UEPR using a space-based Ki-band scatterometer with a rotating “fan” radiation pattern, subject to limitations on the radiated power.
Для решения указанной задачи предлагается способ обработки сигнала в скаттерометре Ku-диапазона космического базирования с вращающейся «веерной» диаграммой направленности, при котором измеряют удельную эффективную площадь рассеяния поверхности мирового океана под различными азимутальными углами при помощи излучения, приема и корреляционной обработки зондирующих импульсов СВЧ-диапазона с линейной частотной модуляцией, упреждающей компенсацией среднего допплеровского сдвига частоты при излучении импульса.To solve the specified problem, a method is proposed for processing a signal in a space-based Ku-band scatterometer with a rotating “fan” directional pattern, in which the specific effective scattering area of the world ocean surface is measured at various azimuthal angles using the emission, reception and correlation processing of microwave probing pulses with linear frequency modulation, with advanced compensation for the average Doppler frequency shift during pulse emission.
Согласно изобретению, при обработке сигнала в бортовой аппаратуре скаттерометра в зависимости от угла поворота антенны при постоянной длительности сигнала изменяют девиацию частоты ЛЧМ-сигнала по законуAccording to the invention, when processing a signal in the on-board equipment of a scatterometer, depending on the angle of rotation of the antenna with a constant signal duration, the frequency deviation of the chirp signal is changed according to the law
ΔF=ΔF0+ƒd⋅k,ΔF=ΔF 0 +ƒ d ⋅k,
где ΔF0 - средняя девиация частоты;where ΔF 0 is the average frequency deviation;
ƒd - ожидаемый средний допплеровский сдвиг частоты;ƒ d - expected average Doppler frequency shift;
ƒd=ƒ1+ƒ2⋅cos(ϕA6a-ϕА0)+ƒ3⋅cosϕка⋅sin(ϕA6a-ϕА0),ƒ d =ƒ 1 +ƒ 2 ⋅cos(ϕ A6a -ϕ A0 )+ƒ 3 ⋅cosϕ ka ⋅sin(ϕ A6a -ϕ A0 ),
где ƒ1, ƒ2, ƒ3 - константы, имеющие размерность частоты;where ƒ 1, ƒ 2 , ƒ 3 are constants with the dimension of frequency;
ϕАба - угол поворота антенны по измерениям датчиков относительно оси абсцисс системы координат (СК) скаттерометра;ϕ Aba is the angle of rotation of the antenna according to the measurements of the sensors relative to the abscissa axis of the scatterometer coordinate system (CS);
ϕА0 - угол между направлением движения КА в СК скаттерометра и осью абсцисс этой СК;ϕ A0 is the angle between the direction of the spacecraft movement in the scatterometer coordinate system and the abscissa axis of this coordinate system;
ϕКА - угол возвышения КА, отсчитываемый от плоскости экватора.ϕ КА - the angle of elevation of the КА, measured from the plane of the equator.
k - константа, k≥0, которая зависит от орбитальных параметров движения космического аппарата и геометрических параметров пятна облучения следующим образомk is a constant, k≥0, which depends on the orbital parameters of the spacecraft's motion and the geometric parameters of the irradiation spot as follows
где τ - длительность зондирующего импульса;where τ is the duration of the probing pulse;
с - скорость света;c - speed of light;
β - угол падения;β - angle of incidence;
L - наклонная дальность до элемента разрешения;L - slant range to the resolution element;
R3 - радиус Земли.R 3 is the radius of the Earth.
Техническим результатом является уменьшение погрешности измерения удельной эффективной площади рассеяния при условии ограничения излучаемой мощности за счет сохранения геометрических параметров и ориентации элементов разрешения при вращении ДН.The technical result is a reduction in the measurement error of the specific effective scattering area under the condition of limiting the radiated power due to maintaining the geometric parameters and orientation of the resolution elements during rotation of the beam pattern.
Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого способа из современного уровня техники неизвестно, поэтому он соответствует критериям «новизны» и «изобретательского уровня».The combination of distinctive features and properties of the proposed method is unknown from the current level of technology, therefore it meets the criteria of “novelty” and “inventive step”.
На фиг. 1 приведена схема зондирования поверхности скаттерометром космического базирования.Fig. 1 shows a diagram of the surface probing by a space-based scatterometer.
На фиг. 2 показан пример распределения азимутальных углов наблюдения рассеивающих ячеек.Fig. 2 shows an example of the distribution of azimuthal observation angles of scattering cells.
На фиг. 3 показано расположение элементов разрешения в пределах пятна облучения.Fig. 3 shows the arrangement of the resolution elements within the irradiation spot.
На фиг. 4 приведена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ.Fig. 4 shows a structural diagram of a device implementing the claimed method.
Приведем более подробное описание способа обработки сигнала в скаттерометре Ku-диапазона космического базирования с вращающейся «веерной» диаграммой направленности. Как и в прототипе [4], вращение «веерной» ДН позволяет получать измерения УЭПР морской поверхности под различными азимутальными углами с использованием одной антенной системы при обеспечении непрерывности полосы обзора. Схема зондирования показана на фиг. 1. Как и в прототипе, для улучшения разрешающей способности используются сложные сигналы, в частности ЛЧМ-сигнал. Принятый сигнал умножается на опорный, что позволяет измерять значение УЭПР.Let us give a more detailed description of the signal processing method in a space-based Ku-band scatterometer with a rotating "fan" directional pattern. As in the prototype [4], the rotation of the "fan" directional pattern allows obtaining measurements of the sea surface ERCS at different azimuthal angles using one antenna system while ensuring the continuity of the survey band. The probing scheme is shown in Fig. 1. As in the prototype, complex signals are used to improve the resolution, in particular the chirp signal. The received signal is multiplied by the reference signal, which allows measuring the ERCS value.
Однако, в отличие от прототипа, при заданных параметрах «веерной» диаграммы направленности изменяют девиацию частоты излучаемого сигнала при постоянной его длительности в зависимости от угла поворота антенны.However, unlike the prototype, with given parameters of the “fan” directional pattern, the frequency deviation of the emitted signal changes with its constant duration depending on the angle of rotation of the antenna.
При реализации предлагаемого способа выполняют следующую последовательность операций:When implementing the proposed method, the following sequence of operations is performed:
- с использованием вращающейся «веерной» ДН, ширина которой в угломестной и в азимутальной плоскостях, угол наклона электрической оси антенны определяются параметрами орбиты и необходимым числом независимых наблюдений элементов разрешения под различными углами, производят излучение, прием отраженных от морской поверхности ЛЧМ-сигналов и их последующую корреляционную обработку;- using a rotating "fan" antenna pattern, the width of which in the elevation and azimuthal planes, the angle of inclination of the electric axis of the antenna are determined by the orbit parameters and the required number of independent observations of the resolution elements at different angles, they produce radiation, reception of chirp signals reflected from the sea surface and their subsequent correlation processing;
- при вращении ДН изменяют девиацию частоты излучаемых ЛЧМ-сигналов по закону:- when rotating the beam, the frequency deviation of the emitted chirp signals changes according to the law:
ΔF=ΔF0+ƒd⋅k,ΔF=ΔF 0 +ƒ d ⋅k,
где ΔF0 - средняя девиация частоты;where ΔF 0 is the average frequency deviation;
ƒd - ожидаемый средний допплеровский сдвиг частоты;ƒ d - expected average Doppler frequency shift;
k - константа, k≥0, которая зависит от орбитальных параметров движения космического аппарата (КА) и геометрических параметров пятна облучения.k is a constant, k≥0, which depends on the orbital parameters of the spacecraft (SC) motion and the geometric parameters of the irradiation spot.
Проведенный сравнительный анализ данного способа и прототипа показывает, что в заявленном способе дополнительно введена операция изменения девиации частоты ЛЧМ-сигнала в зависимости от угла поворота антенны, величина которой определяется значением ожидаемого допплеровского сдвига частоты в зависимости от параметров орбиты.The comparative analysis of this method and the prototype shows that the claimed method additionally introduces an operation for changing the frequency deviation of the chirp signal depending on the antenna rotation angle, the value of which is determined by the value of the expected Doppler frequency shift depending on the orbit parameters.
Рассмотрим более подробно существо заявляемого способа. Как известно, в случае использования результатов измерения УЭПР для восстановления параметров приводного ветра оптимальными углами падения следует считать углы от 30 до 60 градусов [7 - Wentz F., Smith D. A model function for the ocean-normalized radar cross section at 14 GHz derived from NSCAT observations // Journal of Geophysical Research, Vol. 104, No.C5, pp. 11,499-11,514. May 15, 1999]. Это углы, при которых наилучшим образом проявляется зависимость УЭПР от угла между направлением зондирования и направлением приводного ветра. Высота солнечно-синхронной орбиты Н задана, как правило, разработчиком КА и составляет от 600 до 900 км. Расстояние от подспутниковой точки до внешнего края пятна облучения R2 (фиг. 1) соответствует краю полосы обзора. Поэтому значение R2 выбирают максимальным, но таким, чтобы угол падения не превышал 60 градусов. При этом для углов более 50 градусов значение УЭПР для горизонтальной поляризации быстро убывает с ростом угла падения при малых значениях скорости приводного ветра. С точки зрения восстановления слабых ветров с учетом отмеченных выше требований к выбору угла зондирования и использования двух поляризаций для угла θ2, определяющего внешнюю границу пятна облучения (фиг. 1), выбирается значение, близкое к 50 градусам.Let us consider in more detail the essence of the claimed method. As is known, in the case of using the results of the NRCS measurements to reconstruct the parameters of the surface wind, the optimal angles of incidence should be considered to be angles from 30 to 60 degrees [7 - Wentz F., Smith D. A model function for the ocean-normalized radar cross section at 14 GHz derived from NSCAT observations // Journal of Geophysical Research, Vol. 104, No. C5, pp. 11,499-11,514. May 15, 1999]. These are the angles at which the dependence of the NRCS on the angle between the direction of sounding and the direction of the surface wind is best manifested. The altitude of the sun-synchronous orbit H is usually specified by the developer of the spacecraft and is from 600 to 900 km. The distance from the subsatellite point to the outer edge of the irradiation spot R 2 (Fig. 1) corresponds to the edge of the survey strip. Therefore, the value of R 2 is chosen to be maximum, but such that the angle of incidence does not exceed 60 degrees. At the same time, for angles greater than 50 degrees, the value of the UEPR for horizontal polarization rapidly decreases with increasing angle of incidence at low values of the surface wind speed. From the point of view of reconstructing weak winds, taking into account the above-mentioned requirements for choosing the sounding angle and using two polarizations for the angle θ 2 , which determines the outer boundary of the irradiation spot (Fig. 1), a value close to 50 degrees is chosen.
Расстояние от подспутниковой точки до внутреннего края пятна облучения R1 выбирают из следующих соображений. Распределение азимутальных углов наблюдений ϕ определяется условиемThe distance from the sub-satellite point to the inner edge of the irradiation spot R 1 is selected from the following considerations. The distribution of azimuthal observation angles ϕ is determined by the condition
, ,
где γ - смещение от центра полосы обзора в поперечном направлении от линии пути;where γ is the offset from the center of the viewing strip in the transverse direction from the path line;
R - дальность от подспутниковой точки до точки наблюдения.R is the distance from the sub-satellite point to the observation point.
Для системы с вращающейся «веерной» ДНFor a system with a rotating "fan" DN
R1≤R≤R2,R 1 ≤R≤R 2 ,
-R2≤γ≤R2.-R 2 ≤γ≤R 2 .
Поэтому все точки для углов наблюдения ϕ лежат между двумя кривыми:Therefore, all points for observation angles ϕ lie between two curves:
, ,
для γ≤R1 иfor γ≤R 1 and
, ,
для R1≤γ≤R2.for R 1 ≤γ≤R 2 .
Чем больше значение R1, тем меньше наблюдений под различными углами может быть получено. С другой стороны, при этом уменьшается ширина диаграммы направленности антенны, увеличивается коэффициент усиления антенны, и, следовательно, при той же излучаемой мощности увеличивается уровень отраженного сигнала и уменьшается шумовой эквивалент УЭПР. Оптимальная область изменения параметра R1 лежит в пределах 0,75R2≤R1≤0,85R2.The greater the value of R 1 , the fewer observations can be obtained at different angles. On the other hand, the width of the antenna pattern decreases, the antenna gain increases, and, consequently, with the same radiated power, the level of the reflected signal increases and the noise equivalent of the NRCS decreases. The optimal range of variation of the parameter R 1 lies within the limits 0.75R 2 ≤R 1 ≤0.85R 2 .
Для уточнения значения R1 учтем, что в скаттерометре [8 - Figa-Saldaña J., Wilson J.J.W., Attema E., Gelsthorpe R., Drinkwater M.R., Stoffelen A. The advanced scatterometer (ASCAT) on the meteorological operational (MetOp) platform: A follow on for European wind scatterometers // Can. J. Remote Sensing - V. 28. - N.3. - 2002. - PP. 404-412.] область, в которой осуществляется эффективное восстановление параметров приводного ветра, лежит в двух полосах, составляющих 550 км каждая. В скаттерометре [9 - Spencer M.W., Wu С, Long D.G. Improved Resolution Backscatter Measurements with the SeaWinds Pencil-Beam Scatterometer // IEEE Transactions On Geoscience And Remote Sensing - V. 38. - N.1. - January 2000. - PP. 89-104.] полоса обзора составляет 1800 км, но эффективное восстановление ветра может осуществляться только в пределах 1150 км. Таким образом, R1 можно выбрать равным 0.85R2.To refine the value of R 1 , we take into account that in the scatterometer [8 - Figa-Saldaña J., Wilson JJW, Attema E., Gelsthorpe R., Drinkwater MR, Stoffelen A. The advanced scatterometer (ASCAT) on the meteorological operational (MetOp) platform: A follow-up for European wind scatterometers // Can. J. Remote Sensing - V. 28. - N.3. - 2002. - PP. 404-412.] the area in which the effective retrieval of the surface wind parameters is carried out lies in two bands, each 550 km long. In the scatterometer [9 - Spencer MW, Wu C, Long DG Improved Resolution Backscatter Measurements with the SeaWinds Pencil-Beam Scatterometer // IEEE Transactions On Geoscience And Remote Sensing - V. 38. - N.1. - January 2000. - PP. 89-104.] The swath is 1800 km, but effective wind recovery can only be achieved within 1150 km. Thus, R 1 can be chosen to be 0.85R 2 .
Необходимый период вращения ДН определяется из условия:The required rotation period of the DN is determined from the condition:
где m=4 - необходимое минимальное число наблюдений под различными азимутальными углами;where m=4 is the required minimum number of observations at different azimuthal angles;
νA - скорость перемещения подспутниковой точки по поверхности Земли.ν A is the speed of movement of the sub-satellite point on the Earth's surface.
Пример распределения азимутальных углов наблюдения рассеивающих ячеек для R1=730 км, R2=900 км показан на фиг. 2. В этом случае период вращения ТА=10,8 с. Размер элемента полосы обзора, в котором происходит определение скорости и направления ветра, выбран равным 25 км [10 - Satellites oceanography and society / edited by D.Halpern - Elsivier, 2000, 368 p.].An example of the distribution of azimuthal angles of observation of scattering cells for R 1 = 730 km, R 2 = 900 km is shown in Fig. 2. In this case, the rotation period is TA = 10.8 s. The size of the swath element in which the wind speed and direction are determined is chosen to be 25 km [10 - Satellites oceanography and society / edited by D. Halpern - Elsivier, 2000, 368 p.].
Начальное приближение для направления максимума и ширины ДН в угломестной плоскости выбирают так, чтобы для углов θ1 и θ2 визирования внешнего и внутреннего краев пятна облучения от надира уровень коэффициента усиления антенны относительно максимума был приблизительно равен минус 2,2 дБ. Конкретные значения направления максимума и ширины ДН получают по результатам оптимизации, исходя из критерия максимума минимальной мощности принимаемого сигнала, с учетом изменения дальности и потерь энергии вследствие поворота ДН за время распространения сигнала.The initial approximation for the direction of the maximum and the width of the RP in the elevation plane is chosen so that for the angles θ 1 and θ 2 of sighting the outer and inner edges of the irradiation spot from the nadir, the level of the antenna gain relative to the maximum is approximately equal to minus 2.2 dB. Specific values of the direction of the maximum and the width of the RP are obtained based on the optimization results, based on the criterion of the maximum of the minimum power of the received signal, taking into account the change in range and energy losses due to the rotation of the RP during the signal propagation time.
Ширину ДН в азимутальной плоскости выбирают минимально возможной. Она ограничена как максимальным допустимым размером антенной системы, так и допустимым уровнем потерь мощности вследствие поворота ДН за время распространения сигнала.The beam pattern width in the azimuth plane is chosen to be as small as possible. It is limited by both the maximum permissible size of the antenna system and the permissible level of power loss due to the beam pattern rotation during signal propagation.
Длительность зондирующего импульса ограничена сверху временем распространения сигнала до внутреннего края пятна облучения. Ее выбирают максимальной для увеличения энергетического отношения сигнал/шум в принятом сигнале. Период повторения зондирующих импульсов ограничен временем распространения сигнала до внешнего края пятна облучения. Его выбирают минимальным для увеличения количества независимых измерений в каждом элементе полосы обзора.The duration of the probing pulse is limited from above by the time of signal propagation to the inner edge of the irradiation spot. It is chosen to be maximum to increase the energy signal/noise ratio in the received signal. The repetition period of the probing pulses is limited by the time of signal propagation to the outer edge of the irradiation spot. It is chosen to be minimum to increase the number of independent measurements in each element of the viewing band.
Для обеспечения необходимого разделения сигнала на соответствующие сигналы, отраженные от различных элементов разрешения, используют ЛЧМ-сигнал. Как и в прототипе, использование ЛЧМ-сигнала обусловлено возможностью полной цифровой обработки сигнала на борту КА при невысоких требованиях к вычислительным ресурсам.To ensure the necessary separation of the signal into the corresponding signals reflected from different resolution elements, a chirp signal is used. As in the prototype, the use of a chirp signal is due to the possibility of full digital signal processing on board the spacecraft with low requirements for computing resources.
Если пренебречь изменением наклона ЛЧМ-сигнала из-за эффекта Допплера, и учитывать только сдвиг частоты сигнала, то условие равенства АКФ некоторому выбранному уровню, определяющему границу элемента разрешения, можно записать в видеIf we neglect the change in the slope of the chirp signal due to the Doppler effect, and take into account only the frequency shift of the signal, then the condition of equality of the ACF to a certain selected level, which determines the boundary of the resolution element, can be written as
, ,
где τ - длительность зондирующего импульса;where τ is the duration of the probing pulse;
Δƒd(r, ϕ) - допплеровский сдвиг частоты;Δƒ d (r, ϕ) - Doppler frequency shift;
Δt(r, ϕ - задержка при распространении сигнала;Δt(r, ϕ - signal propagation delay;
ΔF - ширина полосы зондирующего импульса;ΔF - bandwidth of the probing pulse;
r - положение центра элемента разрешения, отсчитываемое от подспутниковой точки вдоль поверхности Земли в угломестном направлении;r is the position of the center of the resolution element, measured from the sub-satellite point along the Earth's surface in the elevation direction;
р - азимутальное положение центра элемента разрешения.p - azimuthal position of the center of the resolution element.
При длине элемента разрешения вдоль угломестного направления, равной , расположение элементов разрешения в пределах пятна облучения для случая H=650 км, R2=900 км и размеров ДН 1°×6° показано на фиг. 3. При этом оптимальное значение , соответствующее уровню АКФ минус 3 дБ, составляет 0,31 км. Однако для различных элементов разрешения величина Δϕd(r, ϕ) является различной. Определим взаимосвязь между изменением величины допплеровского сдвига частоты и изменением положения элемента разрешения.With the length of the resolution element along the elevation direction equal to , the location of the resolution elements within the irradiation spot for the case of H=650 km, R2 =900 km and DN dimensions of 1°×6° is shown in Fig. 3. In this case, the optimal value , corresponding to the ACF level of
Условие, определяющее смещение элемента разрешения по поверхности Земли вдоль угломестного направления на половину его длины, имеет следующий вид:The condition that determines the displacement of the resolution element along the Earth's surface along the elevation direction by half its length has the following form:
При линейной аппроксимации видаWith a linear approximation of the form
можно получить, чтоyou can get that
где с - скорость света;where c is the speed of light;
β - угол падения;β - angle of incidence;
L - наклонная дальность до элемента разрешения;L - slant range to the resolution element;
R3 - радиус Земли.R 3 is the radius of the Earth.
В более общем виде можно записать, чтоIn more general terms, we can write that
где k1 и k2 - постоянные коэффициенты.where k 1 and k 2 are constant coefficients.
Отсюда следует, что при изменении допплеровского сдвига частоты меняется длина элемента разрешения. Это обстоятельство не было должным образом учтено в прототипе. Так как ширина элемента разрешения ограничена шириной пятна облучения в азимутальной плоскости и не изменяется при вращении ДН, то для обеспечения минимальной погрешности измерения УЭПР путем сохранения размеров элементов разрешения необходимо девиацию частоты зондирующего импульса изменять по закону:It follows that when the Doppler frequency shift changes, the length of the resolution element changes. This circumstance was not properly taken into account in the prototype. Since the width of the resolution element is limited by the width of the irradiation spot in the azimuthal plane and does not change when the beam pattern rotates, then to ensure a minimum error in measuring the ERCS by maintaining the dimensions of the resolution elements, it is necessary to change the frequency deviation of the probing pulse according to the law:
ΔF=ΔF0+ƒd⋅k,ΔF=ΔF 0 +ƒ d ⋅k,
где ΔF0 - средняя девиация частоты;where ΔF 0 is the average frequency deviation;
ƒd - ожидаемый средний допплеровский сдвиг частоты;ƒ d - expected average Doppler frequency shift;
k - константа, которая зависит от орбитальных параметров движения КА и геометрических параметров пятна облучения, k≥0,k is a constant that depends on the orbital parameters of the spacecraft motion and the geometric parameters of the irradiation spot, k≥0,
. .
Допплеровский сдвиг частоты в зависимости от угла поворота антенны с учетом солнечно-синхронной орбиты вычисляют по формуле:The Doppler frequency shift depending on the antenna rotation angle, taking into account the sun-synchronous orbit, is calculated using the formula:
ƒd=ƒ1+ƒ2⋅cos(ϕA6a-ϕА0)+ƒ3⋅cosϕка⋅sin(ϕA6a-ϕА0),ƒ d =ƒ 1 +ƒ 2 ⋅cos(ϕ A6a -ϕ A0 )+ƒ 3 ⋅cosϕ ka ⋅sin(ϕ A6a -ϕ A0 ),
где ƒ1, ƒ2, ƒ3 - константы, имеющие размерность частоты;where ƒ 1 , ƒ 2 , ƒ 3 are constants with the dimension of frequency;
ϕАба - угол поворота антенны по измерениям датчиков относительно оси абсцисс СК скаттерометра;ϕ Aba is the angle of rotation of the antenna according to the measurements of the sensors relative to the abscissa axis of the scatterometer;
ϕА0 - угол между направлением движения КА в СК скаттерометра и осью абсцисс этой СК;ϕ A0 is the angle between the direction of the spacecraft movement in the scatterometer coordinate system and the abscissa axis of this coordinate system;
ϕка - угол возвышения КА, отсчитываемый от плоскости экватора.ϕ ка - the angle of elevation of the spacecraft, measured from the equatorial plane.
ϕА0 определяют по кватернионам ориентации КА в орбитальной СК и ориентации скаттерометра в СК КА. Угол возвышения КА определяют по координатам КА в геоцентрической системе координат ПЗ-90.ϕ A0 is determined by the quaternions of the spacecraft orientation in the orbital coordinate system and the scatterometer orientation in the spacecraft coordinate system. The spacecraft elevation angle is determined by the spacecraft coordinates in the PZ-90 geocentric coordinate system.
Таким образом, все операции по определению требуемых частотных параметров зондирующего сигнала могут быть выполнены на борту КА бортовой аппаратурой скаттерометра.Thus, all operations to determine the required frequency parameters of the probing signal can be performed on board the spacecraft using the onboard scatterometer equipment.
Ожидаемый средний допплеровский сдвиг частоты так же, как и в прототипе, используют для упреждающей компенсации допплеровского сдвига в зондирующем сигнале. В этом случае в приемном канале сигнал не смещается по частоте.The expected average Doppler frequency shift is used, as in the prototype, for the preemptive compensation of the Doppler shift in the probing signal. In this case, the signal in the receiving channel does not shift in frequency.
Опорный сигнал выбирают с той же скоростью линейной частотной модуляции ΔF/τ, что и излучаемый зондирующий импульс.The reference signal is selected with the same linear frequency modulation rate ΔF/τ as the emitted probing pulse.
Для реализации всех операций предложена следующая структурная схема скаттерометра, приведенная на фиг. 4.To implement all operations, the following structural diagram of the scatterometer is proposed, shown in Fig. 4.
В блоке цифровой обработки сигнала (БЦОС) 1 в зависимости от полученного от привода вращения (ПВ) 2 значения угла поворота антенны происходит формирования зондирующего ЛЧМ-сигнала. После формирования зондирующего импульса происходит преобразование вверх частоты сигнала в смесителе (СМ1) 3 и его последующее усиление в усилители мощности (УМ) 4 и передача через волноводный тракт (ВТ) 5 на антенную систему (АС) 6. При приеме отраженного сигнала происходит его усиление в малошумящем усилителе мощности (МШУ) 7, преобразование вниз частоты сигнала в смесителе (СМ2) 8 и последующая оцифровка и корреляционная обработка в БЦОС 1. Гармонический сигнал гетеродина опорного генератора (ОГ) 9 используется для преобразования сигнала в смесителях (СМ1) 3 и (СМ2) 8 и для формирования тактового сигнала в БЦОС 1.In the digital signal processing unit (DSPU) 1, depending on the value of the antenna rotation angle received from the rotation drive (RD) 2, a probing chirp signal is formed. After the probing pulse is formed, the signal frequency is converted upward in the mixer (SM1) 3 and then amplified in the power amplifiers (PA) 4 and transmitted via the waveguide path (WP) 5 to the antenna system (AS) 6. When the reflected signal is received, it is amplified in the low-noise power amplifier (LNA) 7, the signal frequency is converted downward in the mixer (SM2) 8 and then digitized and correlated in the
Технический результат достигается путем выбора оптимального размера ДН; обеспечением оптимальных, сохраняющихся при вращении ДН геометрических параметров элементов разрешения за счет:The technical result is achieved by selecting the optimal size of the DP; ensuring optimal geometric parameters of the resolution elements that are preserved during the rotation of the DP due to:
- упреждающей компенсации среднего допплеровского сдвига частоты ƒd;- forward compensation of the average Doppler frequency shift ƒ d ;
- изменения девиации частоты зондирующего ЛЧМ-сигнала по закону- changes in the frequency deviation of the probing chirp signal according to the law
ΔF=ΔF0+ƒd⋅kΔF=ΔF 0 +ƒ d ⋅k
где ΔF0 - средняя девиация частоты;where ΔF 0 is the average frequency deviation;
k - константа, которая зависит от орбитальных параметров движения КА и геометрических параметров пятна облучения;k is a constant that depends on the orbital parameters of the spacecraft’s motion and the geometric parameters of the irradiation spot;
- обеспечения соответствующей скорости линейной частотной модуляции ΔF/τ в опорном сигнале при корреляционной обработке.- ensuring the appropriate rate of linear frequency modulation ΔF/τ in the reference signal during correlation processing.
Таким образом, в результате введения дополнительной операции изменения девиации частоты ЛЧМ-сигнала в зависимости от угла поворота антенны, величина которой определяется значением ожидаемого допплеровского сдвига частоты в зависимости от параметров орбиты достигают следующий технический результат: уменьшают погрешность измерения удельной эффективной площади рассеяния при условии ограничения излучаемой мощности за счет сохранения при вращении диаграммы направленности геометрических параметров и ориентации элементов разрешения.Thus, as a result of introducing an additional operation of changing the frequency deviation of the chirp signal depending on the angle of rotation of the antenna, the value of which is determined by the value of the expected Doppler frequency shift depending on the orbit parameters, the following technical result is achieved: the error in measuring the specific effective scattering area is reduced under the condition of limiting the radiated power due to the preservation of the geometric parameters and orientation of the resolution elements during rotation of the radiation pattern.
Claims (11)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2832598C1 true RU2832598C1 (en) | 2024-12-26 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6137437A (en) * | 1999-03-24 | 2000-10-24 | Agence Spatiale Europeenne | Spaceborne scatterometer |
| CN101363913A (en) * | 2008-09-27 | 2009-02-11 | 中国航天科技集团公司第五研究院第五〇四研究所 | Signal Processing Method for Microwave Scatterometer with Fan Beam Cone Scanning |
| RU2447457C2 (en) * | 2009-09-07 | 2012-04-10 | Учреждение Российской академии наук Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН | Radar method for rapid diagnosis of ocean phenomena from space |
| RU2449312C1 (en) * | 2010-12-27 | 2012-04-27 | Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН | Panoramic radar method of determining parameters of state of ocean surface layer from satellite |
| RU2771834C1 (en) * | 2021-07-07 | 2022-05-12 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Method for simultaneous full-polarization doppler measurements in the microwave range |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6137437A (en) * | 1999-03-24 | 2000-10-24 | Agence Spatiale Europeenne | Spaceborne scatterometer |
| CN101363913A (en) * | 2008-09-27 | 2009-02-11 | 中国航天科技集团公司第五研究院第五〇四研究所 | Signal Processing Method for Microwave Scatterometer with Fan Beam Cone Scanning |
| RU2447457C2 (en) * | 2009-09-07 | 2012-04-10 | Учреждение Российской академии наук Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН | Radar method for rapid diagnosis of ocean phenomena from space |
| RU2449312C1 (en) * | 2010-12-27 | 2012-04-27 | Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН | Panoramic radar method of determining parameters of state of ocean surface layer from satellite |
| RU2771834C1 (en) * | 2021-07-07 | 2022-05-12 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Method for simultaneous full-polarization doppler measurements in the microwave range |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| WENMING LIN, XIAOLONG DONG. Design and optimization of a Ku-band rotating, range-gated fanbeam scatterometer // International Journal of Remote Sensing. 20.04.2011. Vol. 32, N 8, p. 2151-2171. * |
| ВНОТЧЕНКО С.Л., КОВАЛЕНКО А.И., РИМАН В.В., СМИРНОВ С.Н., ШИШАНОВ А.В. Возможности создания широкозахватных радиолокаторов с синтезированной апертурой для малых космических аппаратов // ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ. ТРУДЫ ВНИИЭМ. 2013. Т. 134, N 3, сс. 21-26. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8059025B2 (en) | Altimetry method and system | |
| Spencer et al. | Tradeoffs in the design of a spaceborne scanning pencil beam scatterometer: Application to SeaWinds | |
| Hauser et al. | SWIMSAT: A real-aperture radar to measure directional spectra of ocean waves from space—Main characteristics and performance simulation | |
| US9310481B2 (en) | Wide band clear air scatter doppler radar | |
| Camps et al. | Ionospheric effects in GNSS-reflectometry from space | |
| EP3893023A1 (en) | Multi-beam scanning radar altimeter | |
| Loria et al. | Detection & separation of coherent reflections in GNSS-R measurements using CYGNSS data | |
| US20100171651A1 (en) | Method for Examining an Ice Region or Dry Region Using Radar Echo Sounding | |
| Egido et al. | Pulse-to-pulse correlation effects in high PRF low-resolution mode altimeters | |
| Lin et al. | An analysis of a rotating, range-gated, fanbeam spaceborne scatterometer concept | |
| AlonsoArroyo et al. | Sea ice detection using GNSS-R data from UK TDS-1 | |
| Galin et al. | Measuring the pitch of CryoSat-2 using the SAR mode of the SIRAL altimeter | |
| Parsons et al. | Off-nadir radar altimetry | |
| RU2832598C1 (en) | Method of processing signal in space-based ku-band scatterometer with rotating "fan" beam pattern | |
| Raney et al. | The future of coastal altimetry | |
| RU2449312C1 (en) | Panoramic radar method of determining parameters of state of ocean surface layer from satellite | |
| Belcher et al. | The Ascension Island experiment: Measurement of ionospheric scintillation effects on PALSAR-2 | |
| RU2235344C2 (en) | Radiolocation method for determining parameters of condition of surface-adjacent ocean layer from a satellite | |
| Ivonin et al. | Simulation of radar signals in the VHF range, taking account of their propagation effects in the troposphere and ionosphere | |
| RU2274877C2 (en) | Panoramic radar method of determining condition of ocean's layer surface from satellite | |
| Hauser et al. | KuROS: A new airborne Ku-band Doppler radar for observation of the ocean surface | |
| Ksendzuk et al. | Principles of construction of nanosatellite radar systems based on global navigation satellite system reflectometry | |
| Shang et al. | Performance analysis of China dual-F requency airborne precipitation radar | |
| Karaev et al. | A new approach to the retrieval of the sea wave slopes from spectrometer SWIM data | |
| Breitsch et al. | Initial Assessment of Dual-Polarization GNSS-R Measurements from a Mountaintop Horn Antenna |