基于x波段相参雷达数据的回波doppler反演算法研究

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1、基于X波段相参雷达数据的回波Doppler反演算法研究实验报告实验目的本实验通过IPIX雷达回波信号的提取、分析、处理，根据Bragg谐振散射机制反演海表波浪场的运动特征参数，如有效波高、平均周期等。实验原理测过程中，海面海浪会产生回波，这些回波信号主要是由Bragg散射引起的。在入射角很大时，海浪波长正好是雷达波长的一半时，且传播方向恰好为指向或背离雷达的两个波浪列才会造成Bragg谐振散射。X波段使用的电磁波长大约是3cm，因此引起Bragg谐振散射主要是海洋表面毛细波。雷达回波的多普勒频移是由海浪、海流及Bragg频移组成，与海浪的运

2、动特征参数（海浪的径向速度、传播方向等）相关，且运动特征参数与海面风、浪、流等海洋参量密切相关，通过分析X波段雷达的回波序列，可以建立海浪特征（海浪的有效波高、平均周期等）的反演算法。实验内容本课题使用的实验数据来自http://soma.crl.mcmaster.ca/ipix/dartmouth/index.html，该数据是McMaster大学的X波段全相参雷达，在加拿大东海岸的Dartmouth附近一个高30米的山崖上测量得到的。雷达介绍McMasterIPIX雷达天线指向固定，仅可对一片海域进行低掠射角探测。雷达参数雷达型号IPI

3、X雷达发射频率RF9.39GHZ极化方式HH,VV,HV,VH雷达分辨单元30m脉冲宽度200nanoseconds天线脉宽0.9degrees天线增益45.7dB发射峰功率8KW数据介绍本次试验所使用的海杂波数据是1993年11月7日McMasterIPIX雷达测量的海杂波数据，编号为19931107_135603_starea.cdf，该数据是对海面固定点的波面测量值，当时海面波高约为2.5m。McMasterIPIX雷达总共有14个距离门，相邻的距离门间距为15m，每个距离采样的样本数为,即131072。因此，海杂波持续时间大约为13

4、0s。数据采集环境时间（当地）13点56分脉冲重复频率（PRF）1000HZ距向分辨率30m俯仰角359.6979deg方位角[128.919…128.996]deg距离单元[2574，2589··2769]metres模糊速度7.9872metrespersecond风速、风向9Km/h，300degree浪高约2.1m频谱估计根据IPIX雷达采集的数据，采用两种方法求取多普勒频谱：其一，雷达回波可用复数表示，可通过相函数的导数获得多普勒频移，即时间内的相位差，即得，该方法基于谱估计中脉冲对之间的协方差；其二，直接对雷达回波序列作快速傅里

5、叶变换（FFT），估计多普勒频谱。（一）脉冲对法相差时间的雷达回波可以表示为如下形式：（1）（2）则：（3）（4）其中：——的实部，——的虚部取：——雷达的脉冲重复频率对进行统计分析，得归一化统计分布直方图如图1。从图中可知：雷达回波的多普勒频移集中在很窄的带宽中，在带宽之外有很强的振荡，分析其原因，可能是由于脉冲对之间的相干性引起。图1为了减小数据中噪声的影响，每256个数据点的做平均，相当于每0.256s看作一个时间点，计算得到多普勒频移随时间的变化如图4-1所示，并与FFT方法所得作比较（一）FFT法运用周期图法，直接对雷达回波序列作

6、快速傅里叶变换，得到多普勒频谱。（1）经典周期图法（5）（2）加窗平均周期图法（6）（7）（8）运用周期图法计算Range12的多普勒频谱，如图2所示图2观察图1和图2可知，同样的数据，得到的频谱是不一样的，图1所示的频率分布直方图，与雷达回波信号的能量无关，图2所示的是归一化后的能量（功率）谱。频谱分析（以第12行为例）（注：HH极化）为了获得多普勒速度，分析上述两种方法求得的频谱，可以运用下述公式求得多普勒频移，（9）多普勒频移是由于运动的目标引起的，相对于雷达的轨道速度即可由多普勒频移计算得到。由知，其中，—海浪引起的多普勒频移，—雷

7、达的工作波长，—海浪的轨道速度。不同时刻海浪的轨道速度是不同的，为研究海浪的运动特征随时间的变化规律，对作如下处理：取的时间间隔，对该时刻附近的256个点（左右各128个点）的数据作FFT运算，得到该一时刻的多普勒频谱，进而计算该时刻的多普勒频移，这样即可获得随时间的变化情况，进而得到的图像。通过计算不同时刻的频谱图，可以估算出海浪的运动周期，从而与海浪谱估计得到的海浪周期作比较。不同时刻的多普勒频谱比照如图4所示。图3-1描述的用脉冲对方法计算得到的多普勒频谱随时间变化，3-2描述的用快速傅里叶变换计算得到的多普勒频谱随时间的变化，对比两

8、幅图可知：由两方法的多普勒频谱大体呈周期变化，因为未去除Bragg频移的影响，中心频移大约为20HZ，而且两者的拟合性较好。由图4观察可知：多普勒频移随时间的呈现周期性的变化，即