專利名稱：使用并行多普勒處理的雷達(dá)冰探測器的制作方法
美國政府權(quán)利的聲明本發(fā)明是在和美國海軍部簽訂的合同編號(hào)N00024-98-D-8124下由政府支持完成的。美國政府在本發(fā)明中擁有某些權(quán)利。
有關(guān)的申請(qǐng)本發(fā)明要求于1998年8月7日申請(qǐng)的美國臨時(shí)申請(qǐng)No.60/095,789的優(yōu)先權(quán)。
發(fā)明的背景發(fā)明所屬的領(lǐng)域本發(fā)明講授一種新的范例，用于使用不相干及相干技術(shù)的雷達(dá)儀器和獲取準(zhǔn)確的冰探測斷面的支持性數(shù)據(jù)處理。
對(duì)
背景技術(shù)：
的說明在地球和行星上，雷達(dá)冰探測技術(shù)的重要性日益增大。在南極冰層表面下3公里處最近重新發(fā)現(xiàn)沃斯托可湖即為一實(shí)例。不僅對(duì)沃斯托可湖的古生物研究有潛在意義，它在深部的觀察對(duì)透視木衛(wèi)二(Europa)許多公里厚的冰蓋的挑戰(zhàn)至少提供一種粗略近似的解決方案。對(duì)格陵蘭、冰島和南極的冰層和冰川深入考察的努力繼續(xù)受到真正挑戰(zhàn)的阻撓。
迄今為止，改進(jìn)雷達(dá)冰探測器性能的一切努力特征在于在提出的相干與不相干積分之間的一種折衷方案。在現(xiàn)有技術(shù)水平中，該折衷方案涉及較大的信號(hào)對(duì)雜亂回波之比(SCR)和較小的信號(hào)對(duì)斑點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差之比(SSR)，或較小的SCR和較大的SSR。至今沒有一種雷達(dá)技術(shù)能利用兩種積分形式的優(yōu)勢(shì)，也沒有一種冰探測雷達(dá)能促進(jìn)數(shù)據(jù)變換進(jìn)入多普勒域，更沒有一種冰探測器能進(jìn)行波形延遲補(bǔ)償和對(duì)各種多普勒接收器中數(shù)據(jù)做并行處理。下面給出幾種傳統(tǒng)冰探測器的實(shí)例。
雷達(dá)冰探測器的非相干方法包括按普通非相干脈沖受限的雷達(dá)高度計(jì)仿造的雷達(dá)探測器，如

圖1(a)和1(b)所示。圖1(a)是一正面圖，而圖1(b)是一冰探測雷達(dá)的照明幾何形狀的平面視圖。目的是測量在上表面以下的冰層下表面的深度h1，是從冰上面觀察高度h處測得的。(當(dāng)然，這種情況推廣至更復(fù)雜的分層和體積散射。)以低損耗角正切表征冰，隨著傳播速度c1，一般為c/1.7的數(shù)量級(jí)，c是光在自由空間的速度。通常，從雪橇或低飛的飛機(jī)上進(jìn)行冰探測。這樣使散射減至極小并使貫穿表面的能量達(dá)到極大值。然而，如果地形粗糙或?qū)π行求w如木衛(wèi)二(Europa)探測，則高度h必須較大，致使探測器的性能崩潰。
一般冰探測雷達(dá)具有50-150兆赫的頻率，該頻率用于雷達(dá)則偏低，而在自由空間中波長約為6米-2米。這說明從天線只能獲得很小的方向性優(yōu)勢(shì)，在相同的延遲時(shí)間內(nèi)，可從表面處產(chǎn)生偏離最低點(diǎn)的散射成為有意義的深度信號(hào)，但卻是離最低點(diǎn)相當(dāng)距離處的騷擾特性產(chǎn)生的。
如在脈沖受限雷達(dá)測高學(xué)中遇到的那樣，同樣的幾何原理適用于冰探測器。其中最重要的是在任何已知表面上(或在深處的反射面)，由脈沖和該表面的交點(diǎn)可分辨同心的環(huán)帶。這些環(huán)帶均具有相同額定面積。于是，如果存在被天線方向圖照明的表面散射體，正好和冰層的較低表面具有相同的雷達(dá)延遲時(shí)間，則它們的對(duì)應(yīng)反射信號(hào)和深度信號(hào)一起到達(dá)，并與之競爭。這些不需要的反射稱為雜亂回波，或雜波。由于表面反射不因冰層而衰減，且它們可從大表面產(chǎn)生，產(chǎn)生的雜波功率可能和想要的信號(hào)一樣大，甚至更大。
于是，概述對(duì)雷達(dá)冰探測技術(shù)的非相干方法，通常雷達(dá)測高術(shù)的應(yīng)用示例產(chǎn)生相當(dāng)差的SCR的結(jié)果。如果可得充分的發(fā)射器功率，可以確保可接受的信噪比(SNR)。這種通常的方法通常產(chǎn)生可接受的SSR。僅當(dāng)傳感器/冰層幾何形狀是這樣的，以致在未遇到雜波信號(hào)時(shí)，非相干方法可以正常工作。該約束限制了雷達(dá)測量的高度，并在除去最簡單的冰層探測機(jī)遇外，兼顧一切其它探測器的可行性。在地球物理學(xué)界非相干技術(shù)被稱為非相干堆棧。
基本冰層測試問題的另一種解決方案是使用相干(多普勒電子束聚焦)積分的相干方法，如圖2(a)和2(b)所示，分別顯示正面視圖和平面視圖。雖然已經(jīng)證明，這種方法能改善冰探測術(shù)的SCR，但對(duì)雜波的增益是以其它方面的性能降低為代價(jià)的。
觀測的幾何圖形和以前相同。對(duì)雷達(dá)存在一種附加要求，即在數(shù)據(jù)序列中它必須保持脈沖對(duì)脈沖的相干性。隨即可得由縱向(脈沖序列)相干積分可分離出一種多普勒窗，其中位相是相對(duì)穩(wěn)定的。在所有其它多普勒定位處，頻率較高的多普勒分量趨于互相抵銷。當(dāng)然，這是相干積分的目的。結(jié)果是將探測覆蓋面的有效縱向?qū)挾葴p小至第一菲涅爾帶直徑，該帶集中在零多普勒積分處。相干積分抑制來自其它多普勒頻率的雜波。這種處理技術(shù)稱為非聚焦SAR或多普勒電子束聚焦積分。
雜波的影響還可來自零多普勒接收器中的分辨單元。這些單元的面積隨延遲時(shí)間的平方根遞減。因此，它們的凈雜波的影響遠(yuǎn)小于通過非相干處理的影響。
這種單純相干積分的負(fù)面結(jié)果是很多接收的信號(hào)彼此抵消，具有報(bào)廢潛在有用數(shù)據(jù)的效果。結(jié)果之一是SSR的巨大損失，這是一種主要缺點(diǎn)。
更仔細(xì)地考慮SSR的產(chǎn)生。正如其高度的對(duì)應(yīng)方一樣，強(qiáng)有利探測波形要求大量的自由度。探測脈沖的非相干積分一般表示為每個(gè)探測斷面要對(duì)幾百個(gè)統(tǒng)計(jì)無關(guān)的波形求和。另一方面，相干積分僅對(duì)每個(gè)積分產(chǎn)生一種波形。當(dāng)然，如果冗余的數(shù)據(jù)是可用的話，其中某些可以非相干地組合在一起。然而，簡單相干積分的組合及其隱含的數(shù)據(jù)報(bào)廢導(dǎo)致在抑制斑點(diǎn)中的巨大犧牲，這是在實(shí)現(xiàn)增大信號(hào)對(duì)雜波之比的方法中帶來的主要缺點(diǎn)。
于是，總結(jié)雷達(dá)探測的相干方法，應(yīng)用相干積分或多普勒電子束聚焦的處理方法通常產(chǎn)生低SSR的結(jié)果。如果可得足夠的發(fā)射功率，可確保獲取可接受的SNR，盡管相干積分技術(shù)也可兼顧該參數(shù)。相干積分通常能改善SCR，且當(dāng)雷達(dá)脈沖重復(fù)率夠高時(shí)，SNR也會(huì)改善。僅當(dāng)傳感器/冰層幾何形狀是這樣的，即冗余數(shù)據(jù)可用來部分補(bǔ)償由相干算法引起的數(shù)據(jù)損失時(shí)，相干解決方案可以很好地工作。在地球物理界該相干解決方案稱為相干堆棧。
可以指出，遙感冰探測技術(shù)可同時(shí)改善所有三種主要參數(shù)-SNR、SCR和SSR的性能，為新的和前所未有的科學(xué)研究開辟道路。
本發(fā)明概述本發(fā)明的一種目的是提供具有多普勒處理方法的雷達(dá)冰探測器。
本發(fā)明的另一目的是提供具有增大的探測深度和傳感器高度的雷達(dá)冰探測器。
本發(fā)明另外的目的是提供使用并行處理方法的雷達(dá)冰探測器。
本發(fā)明還有另一種目的是提供利用數(shù)據(jù)的逐塊縱向快速傅里葉變換(FFTs)進(jìn)入多普勒頻域，隨后進(jìn)行修正偏離最低點(diǎn)的距離誤差的手段以用于雷達(dá)冰探測器的方法。
本發(fā)明仍有另一種目的是提供一種遠(yuǎn)距離操作，使用較小的儀器并具有低數(shù)據(jù)率輸出的雷達(dá)冰探測器。
本發(fā)明還有一種目的是采用多重并行多普勒積分致使雷達(dá)探測器數(shù)據(jù)具有高的SSR。
本發(fā)明還有進(jìn)一步的目的是比用常規(guī)手段能開發(fā)更大部分的發(fā)射功率。
本發(fā)明仍有進(jìn)一步的目的是提供一種提供準(zhǔn)確和可靠數(shù)據(jù)的雷達(dá)冰探測器。
本發(fā)明仍有另一種目的是提供一種可同時(shí)得到高SNR、SCR和SSR的用于雷達(dá)冰探測器的方法。
通過提供一種用于雷達(dá)冰探測器的方法可達(dá)到這些目的和優(yōu)點(diǎn)，該方法包括下列步驟提供一種照亮冰層表面和內(nèi)部的指向下的照明波前，接受從照明的冰層內(nèi)的分層和其它地形反射的信號(hào)，相干地處理反射信號(hào)，引入距離曲率修正，并在照明的區(qū)域內(nèi)將雷達(dá)距離時(shí)間延遲轉(zhuǎn)換成深度分布圖。
另外提供一種用于雷達(dá)冰探測的方法，包括以下步驟用一指向下的波前照亮冰區(qū)，接收從散射體返回冰探測器的反射信號(hào)，用逐塊縱向快速傅里葉變換(FFTs)進(jìn)入多普勒頻域相干地處理反射信號(hào)，修正縱向信號(hào)分量的微分延遲，并形成表示信號(hào)強(qiáng)度為進(jìn)入冰貫穿深度的函數(shù)的波形。
雷達(dá)逐個(gè)脈沖地發(fā)射能量，該能量受照明波前的極限約束。從表面和冰內(nèi)接收的信號(hào)組成數(shù)據(jù)或塊的小組，進(jìn)行逐塊的縱向FFTs將信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入多普勒頻域，修正所有多普勒接收器內(nèi)數(shù)據(jù)的微分延遲以調(diào)整其各自的深度測量，在每個(gè)多普勒接收器內(nèi)進(jìn)行非相干積分，并且非相干地積分由所有多普勒接收器的每個(gè)散射體到從平行的多普勒深度波前冰探測量的全部圖形的反射隨時(shí)間的變化。用位相乘積，數(shù)據(jù)遷移和其它技術(shù)進(jìn)行微分延遲修正。通過由許多并行偏移多普勒接收器對(duì)波前求平均完成非相干積分。
此外，本發(fā)明對(duì)冰的介電常數(shù)采用延遲修正，根據(jù)冰內(nèi)從層上雷達(dá)探測能量區(qū)間反射的鏡反射方向性對(duì)跨越多普勒接收器的非相干積分加權(quán)，對(duì)雷達(dá)的速度和高度變化進(jìn)行補(bǔ)償用于完成相干和非相干積分。
這些目的，和即將陸續(xù)闡明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)一起，歸屬于今后更充分說明和要求的構(gòu)造和操作的細(xì)節(jié)，結(jié)合附圖，其中全文相似的參考數(shù)字對(duì)應(yīng)于類似的部件。
附圖的簡要說明圖1(a)和1(b)分別為正視圖和平面圖，說明按現(xiàn)有技術(shù)仿照一種普通的非相干脈沖受限雷達(dá)高度計(jì)制造的冰探測雷達(dá)的照明幾何圖形；
圖2(a)和2(b)分別為正視圖和平面圖，說明使用相干積分的基本冰層探測技術(shù)；圖3說明本發(fā)明使用的對(duì)于并行多普勒算法的縱向處理；圖4是從一種深度仿形雷達(dá)接收的信號(hào)的成分的圖形；圖5(a)和5(b)表示一種單個(gè)散射體或?qū)拥木嚯x/多普勒?qǐng)D形在雷達(dá)探測器的距離壓縮后或高度計(jì)在延遲/多普勒距離補(bǔ)償(圖5(a))前和在延遲/多普勒距離補(bǔ)償后(圖5(b))的比較；圖6(a)和6(b)分別表示一種冰探測器用本發(fā)明的并行-多普勒算法操作的正視圖和平面圖；而圖7(a)-(d)是分布圖，分別表示非相干、相干、并行處理(3個(gè)接收器)和并行處理(32個(gè)接收器)的情況。
對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的說明一種延遲/多普勒算法，原本是設(shè)計(jì)用來促進(jìn)雷達(dá)測高學(xué)的當(dāng)代技術(shù)水平的(見1998年4月7日頒發(fā)給Raney的美國專利5,736,957號(hào)，結(jié)合這里的參考文獻(xiàn))，是用于同時(shí)實(shí)現(xiàn)高信噪比(SNR)，高信號(hào)與斑點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差之比(SSR)，和高信號(hào)與雜亂回波之比(SCR)的冰探測術(shù)挑戰(zhàn)的唯一數(shù)據(jù)分析技術(shù)。對(duì)可靠和準(zhǔn)確的雷達(dá)冰探測術(shù)來說，這些屬性是必要的。
本發(fā)明的冰探測術(shù)照亮了具有貫穿深度的最低點(diǎn)的景象。于是測量目標(biāo)從一種高度計(jì)的表面仿形范例移向深度仿形范例。一種相對(duì)于本發(fā)明優(yōu)選的冰探測器在某些特性方面和現(xiàn)行的冰探測雷達(dá)不同。已知雷達(dá)探測回聲分布適當(dāng)順序的可用性，可用于縱向多普勒分析，延遲修正，和并行處理步驟，和美國專利5,736,957中延遲/多普勒雷達(dá)高度計(jì)的中心的步驟類似。在美國專利5,736,957中延遲/多普勒雷達(dá)高度計(jì)中使用的算法要求接收的信號(hào)在一個(gè)足夠長的序列中保持相干性以支持每一組脈沖的多普勒分析。當(dāng)用于冰探測器時(shí)。該算法單獨(dú)提供多種多普勒頻率的深度測量。這些測量在一定范圍內(nèi)遷移并且并行地組合輸出一種深度波形。
僅在這個(gè)意義上說，冰探測波形是有用的，即它們受破壞效應(yīng)諸如附加噪聲，乘積噪聲，或外來的雜波反射的影響較小。對(duì)處理器輸出的按當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)偏差測量的小乘積噪聲的基本要求是，由許多統(tǒng)計(jì)無關(guān)的非相干探測求和來構(gòu)成每個(gè)輸出波形。本發(fā)明提供的波形其標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，因?yàn)樘綔y是由許多并行的多普勒頻率獲得的。這和單純以只有一個(gè)名義上集中于零多普勒附近的多普勒頻率中抽取探測回波信號(hào)的脈沖對(duì)脈沖相干積分相比，這是前進(jìn)了微妙且重大的一步。簡單的相干積分產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)偏差大的單視的波形。簡單相干積分的實(shí)例是非聚焦的SAR(多普勒電子束聚焦)積分。除了斑點(diǎn)縮小的嚴(yán)重?fù)p失而致使這種簡單相干技術(shù)不適用于許多冰探測情況外，它能對(duì)粗糙地形及諸如木衛(wèi)二(Europa)等在如100公里軌道高度的行星進(jìn)行冰探測。
通常，偏離最低點(diǎn)的散射體產(chǎn)生不需要的回波可壓倒并覆蓋指向最低點(diǎn)產(chǎn)生的需要的深度斷面，對(duì)冰探測造成受限約束?；诿绹鴮＠?,736,957中延遲/多普勒技術(shù)的并行多普勒處理算法提供優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)果，因?yàn)樯傻纳疃葦嗝婺芴綔y得更深，并且從偏離最低點(diǎn)來的回波影響較少。和交替處理策略的結(jié)果相比，這些斷面具有更多的自由度，和更強(qiáng)的后處理信號(hào)強(qiáng)度，因?yàn)樘幚硭惴▽?duì)倍增的和添加的噪聲分量來說，增強(qiáng)了需要的波形。
圖3所示的并行多普勒處理算法的一級(jí)效益在于偏離最低點(diǎn)的回波信號(hào)對(duì)生成的深度波形的干擾要小得多。此外，這些波形還具有較多的自由度和更大的后處理增益。于是，本發(fā)明同時(shí)利用了非相干與相干積分的優(yōu)點(diǎn)，并抑制了它們各自的缺點(diǎn)。這些效益是在多個(gè)多普勒接收器中并行積分的直接結(jié)果，增強(qiáng)了與倍增和添加的噪聲分量對(duì)比的所需的波形。這些屬性的實(shí)際結(jié)果是那些斷面可能比任何其它手段具有較大的深度貫穿，斑點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差抑制，和對(duì)偏離最低點(diǎn)雜波和排斥。如圖3所示，接收的每個(gè)脈沖回聲相干地解調(diào)并記入存儲(chǔ)器。(在該實(shí)例中，用長線性調(diào)頻信號(hào)的全直流斜波做調(diào)制一解調(diào)的手段。)按逐個(gè)脈沖串進(jìn)行后繼操作。對(duì)距離選同脈沖的所有數(shù)據(jù)來說，顯示的變換用于并行處理。在每個(gè)距離指標(biāo)處，從每個(gè)脈沖串中接收所有的脈沖以后，縱向變換對(duì)存儲(chǔ)器中方塊的(復(fù))數(shù)據(jù)積分。延遲補(bǔ)償用于這一級(jí)，包括圖3中顯示的快速傅里葉變換(FFT)算子的推論。產(chǎn)生的頻率分布是多普勒頻域，受到由脈沖重復(fù)頻率PRF限定的尼奎斯特圖(Nyquist)的約束。頻率增量△f和對(duì)應(yīng)的縱向位置增量△x由系統(tǒng)和脈沖串參數(shù)確定。在每個(gè)多普勒頻率接收器中，對(duì)每個(gè)縱向位置xn進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測及求和累積，有多普勒頻率fm和脈沖串定位Zv可知xn的定位。
冰探測雷達(dá)的目的是獲得反射率垂直波形的序列，它是深度的函數(shù)。典型的探測回波信號(hào)相對(duì)功率，和共同構(gòu)成接收信號(hào)的競爭分量一起，示于圖4中。主要的量度h1是冰上表面和下面相繼的各層之間的距離，在圖4中分別表示為相對(duì)有力的相應(yīng)S0和S1的間隔。深度波形指示在表面回波信號(hào)(S0)和底面回波信號(hào)(S1)之間的距離。還顯示出添加噪聲(N)和偏離最低點(diǎn)的斑點(diǎn)(C)。由不論是嵌入還是表面產(chǎn)生地形的背散射的雷達(dá)能量都是粗糙的(相對(duì)于入射波長)及/或存在介電常數(shù)的變化。在任何已知層中介電常數(shù)的變化將產(chǎn)生添加的有時(shí)是微妙的反射率圖象。
接收的信號(hào)被斑點(diǎn)噪聲破壞是任何雷達(dá)的共性。這個(gè)倍增噪聲是由被系統(tǒng)分辨的每個(gè)距離間隔內(nèi)許多小的單獨(dú)散射體反射的相干組合引起的。斑點(diǎn)噪聲由其標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)測量，并且僅可由相同反射率處理的統(tǒng)計(jì)無關(guān)樣品的非相干求和來縮減。
存在另外兩種互相競爭的信號(hào)添加噪聲(N)和雜亂回波(C)。添加噪聲主要存在于雷達(dá)內(nèi)部。從絕對(duì)意義上對(duì)一種已知雷達(dá)來說它是不可縮減的，但(1)通過增大發(fā)射信號(hào)的功率，或(2)通過增大轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)波形的背散射能量的比例，可以提高相對(duì)于噪聲的(平均)信號(hào)電平。
通常，對(duì)得自雷達(dá)冰探測器數(shù)據(jù)的支配性受限約束起因于雜波。雜波起源于那些散射體反射，它們?cè)谝欢ň嚯x上偏離最低點(diǎn)的方向，并具有和探測斷面所需部分相同的雷達(dá)遲延。如雷達(dá)束可以狹窄地指向最低點(diǎn)方向，雜波將不成問題。不幸的是冰探測器很難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，其長波長(在自由空間中約為6米)意味著在廣大視場幅射的照明圖案通常是90度或更多。當(dāng)從遙遠(yuǎn)的平臺(tái)諸如一種飛機(jī)或衛(wèi)星上探測時(shí)，跨越地球的冰層，或例如木衛(wèi)二(Europa)時(shí)，雜波問題甚至更嚴(yán)重。這是因?yàn)殚L波長而使雷達(dá)波束不能被狹窄地局限在指向最低點(diǎn)的方向。另外，冰探測器對(duì)三維空間束的反射作出響應(yīng)使問題更復(fù)雜化了。在各種深度處的地形，特別是強(qiáng)表面散射體，可能與深度探測分布直接競爭。當(dāng)探測器由表面的最小距離增大時(shí)，由于照明圖案包括在每個(gè)距離增量的更多潛在散射體和所需深度信號(hào)較弱時(shí)，雜波問題變得更加嚴(yán)重。
對(duì)一種已知頻率，在第一級(jí)上冰探測雷達(dá)的功效由三種參數(shù)信噪比(SNR)、信號(hào)對(duì)斑點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差之比(SSR)和信號(hào)對(duì)雜亂回波之比(SCR)確定。根據(jù)定義，三者都是越大“越好”。至今對(duì)所有冰探測技術(shù)來說，這些參數(shù)中的一或二種必須兼顧以增強(qiáng)另一種。本發(fā)明講授第一種能夠同時(shí)增強(qiáng)所有三種性能參數(shù)的技術(shù)。
多重并行多普勒積分的主要優(yōu)點(diǎn)是該方法先天地具有高信號(hào)對(duì)斑點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差之比(SSR)。
從采用并行多普勒積分得出的另一種實(shí)質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是，并行多普勒算法能比通過更普通的手段發(fā)掘出更大部分的發(fā)射功率。一般地說，原則上講并行多普勒處理意味著較高的后處理信噪比(SNR)。對(duì)設(shè)計(jì)用于穿透耗損介質(zhì)，諸如冰層的儀器來說，特別是當(dāng)機(jī)載動(dòng)力資產(chǎn)非常寶貴，或要求較大的投射測深距離時(shí)，如在冰島的冰川上面或木衛(wèi)二(Europa)的凍土表面上，這種特征是一種基本屬性。
如上所述，本發(fā)明的并行多普勒算法提供卓越的縱向分辨率，是由觀察到信號(hào)的多普勒帶寬，而不是由照明帶寬或壓縮的脈沖長度確定的。冰探測術(shù)意味著較大的雷達(dá)波長，它通常決定輻射天線的帶寬也是很大的。確實(shí)，在某些儀器中天線圖案可以合理表示為非定向的，在這種情況下多普勒分隔縱向分辨率是極其有益的。這種分辨率比較地不受縱向人工因素，諸如表面粗糙度或平均斜度的影響。更重要的是，在數(shù)據(jù)分析期間，多普勒通帶意指可以抑制落入不需要的多普勒接收器的偏離最低點(diǎn)的散射體。
抽象地說，并行多普勒算法先天地具備高后處理信號(hào)對(duì)雜波之比(SCR)。
俯視雷達(dá)產(chǎn)生的波形其詳細(xì)結(jié)構(gòu)由帶有散射介質(zhì)物理特性的儀器特征響應(yīng)函數(shù)的卷積確定的。獨(dú)特的本發(fā)明的雷達(dá)冰探測器并行多普勒特征響應(yīng)函數(shù)比更普通的儀器的波形尖銳得多。這種獨(dú)特波形的形狀、強(qiáng)度和小的標(biāo)準(zhǔn)偏差是并行多普勒處理算法產(chǎn)生更好的地球物理測量的主要原因。概括地說，并行多普勒算法是第一種且唯一的同時(shí)提供高SSR、高SNR和高SCR的方法，于是可能進(jìn)行新的測量并不斷改進(jìn)。
多普勒分析和延遲補(bǔ)償?shù)男?yīng)示于圖5(a)和5(b)，其中觀察的信號(hào)已被壓縮至其全分辨脈沖長度，而且產(chǎn)生的功率斷面由多普勒接收器分類。這種圖形可用兩種不同方式解釋，全場視圖，或信號(hào)隨時(shí)間變化的視圖。任何一種視圖都有效。在這個(gè)簡單實(shí)例中，僅示出一種雙曲線的波形隨時(shí)間的變化，不論從冰層上表面或從冰體積內(nèi)部它都能出現(xiàn)。
按全場視圖解釋的圖5(a)，說明探測器對(duì)多普勒(縱向)方向上場視圖內(nèi)均勻分布的散射體集合的功率響應(yīng)。在偏離最低點(diǎn)方向(對(duì)應(yīng)于零多普勒)的所有多普勒頻率處，存在由于每個(gè)反射信號(hào)必須跨越額外距離產(chǎn)生的額外距離遲延。在未修正情況下，這意味著在距離/多普勒空間中，一種“平”的表面將以凹的雙曲表面的形式出現(xiàn)。在通常的距離/時(shí)間空間中，從許多散射體產(chǎn)生的這種雙曲線將被此重疊，因?yàn)樗械谋砻婊夭ㄐ盘?hào)混合在一起。然而，在距離/多普勒頻域中，這些雙曲線重合并可以直接地觀察。額外的延遲可以通過觀察的幾何圖形確定。因此可以估算這些不需要可延遲并從每個(gè)多普勒接收器的數(shù)據(jù)中消除。這種操作是并行多普勒算法的核心。
圖5(a)是信號(hào)隨時(shí)間變化的視圖，說明當(dāng)探測器從上面經(jīng)過時(shí)，雷達(dá)功率對(duì)單個(gè)散射體跨越一系列發(fā)射的脈沖的響應(yīng)隨時(shí)間的變化。零多普勒對(duì)應(yīng)于當(dāng)雷達(dá)正在散射體上面時(shí)發(fā)射的脈沖。在所有偏離最低點(diǎn)方向的多普勒頻率中，存在由于每個(gè)反射信號(hào)必須跨越額外距離的反射信號(hào)產(chǎn)生的額外距離延遲。在未修正時(shí)，這意指在數(shù)據(jù)記錄中距離隨時(shí)間的變化將以凹雙曲線軌跡的形式出現(xiàn)，其范圍僅由雷達(dá)的視場(和系統(tǒng)SNR)限定。和以前對(duì)平表面情況的解釋不同，這種軌跡是通常從孤立的強(qiáng)散射體看到的，其散射是在距離/時(shí)間域中描繪的。照前面的解釋，在圖2(a)的距離/多普勒域中顯而易見的額外距離延遲可由視察的幾何圖形確定。因此，處理器可將其從數(shù)據(jù)中消除。如圖5(b)所示，該結(jié)構(gòu)是對(duì)所有縱向散射體都具有正確深度的后處理探測器序列。
如圖5(a)和5(b)所見，包括與并行多普勒處理結(jié)合的探測雷達(dá)的本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是，轉(zhuǎn)換為有用波形數(shù)據(jù)的接收信號(hào)要多得多。通過將所有反射(包括雜波信號(hào))的距離延遲遷移到正確的深度，來自相同距離但深度較淺的不需要的雜亂回波信號(hào)受到抑制。如下可見，僅對(duì)沿從屬傳感器軌跡上的散射體來說，真正做到了充分抑制。橫跨軌道一邊或另一邊的散射體仍將對(duì)雜波信號(hào)產(chǎn)生影響，但采用并行多普勒算法比采用任何其它方法論時(shí)其相對(duì)強(qiáng)度要小得多。
圖6(a)和6(b)表示本發(fā)明的并行多普勒冰探測器。信號(hào)處理由進(jìn)入多普勒頻域的數(shù)據(jù)的逐塊縱向快速傅里葉變換組成，隨后是位相乘積或其它技術(shù)以修正縱向距離測量的微分延遲(偏離最低點(diǎn)的距離延遲誤差)。本算法將對(duì)每個(gè)散射體反射的整體隨時(shí)間的變化進(jìn)行積分以構(gòu)成其距離延遲測量。在許多并行頻率偏離的多普勒接收器中進(jìn)行的這種積分，是優(yōu)于兩種先前方法的并行多普勒方法的基礎(chǔ)。
并行多普勒雷達(dá)探測器必須相干地運(yùn)行以便支持縱向FFTs。要求的處理已在模擬中演示。分析指出，設(shè)計(jì)用來結(jié)合對(duì)多個(gè)多普勒接收器并行處理的冰探測器性能優(yōu)于冰探測領(lǐng)域中所有其它已知技術(shù)。這種方法為冰探測應(yīng)用提供增大探測深度應(yīng)用提供增大探測深度和傳感高度的強(qiáng)有力的手段。在一種操作方案中，要求的信號(hào)處理比較簡單，并可在帶有實(shí)際速率固態(tài)硬件的機(jī)載條件下進(jìn)行。這指的是有效的冰探測可以遙控操作，使用較小的儀器，其輸出在無損于探測技巧時(shí)預(yù)定為具有低的數(shù)據(jù)速率。
在圖7(a)-7(d)中顯示了對(duì)于格陵蘭的現(xiàn)有數(shù)據(jù)的原始數(shù)字分析。雖然這些數(shù)據(jù)不是從設(shè)計(jì)用來執(zhí)行本發(fā)明的雷達(dá)上產(chǎn)生的，該數(shù)據(jù)保留了典型的冰探測應(yīng)用中的某些特征。來自格陵蘭的這些數(shù)據(jù)是由部分相干空中的150兆赫冰探測雷達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)合一次1997年的野外活動(dòng)而收集的。
圖7(a)是使用非相干處理技術(shù)的斷面。在此法中，從每個(gè)脈沖接收的信號(hào)是平方律檢波的。從每個(gè)延遲(或深度)間隔中，一組這些檢波的輸入波形加在一起。每個(gè)輸出波形映入在序列中相鄰的前驅(qū)物以建立在圖7(a)中表示的斷面。本方法在地球物理學(xué)界被稱為非相干堆棧。
非相干堆棧基本上保留了所有反射信號(hào)數(shù)據(jù)。于是，該方法提供一種參考點(diǎn)用于比較信噪比(SNR)。非相干堆棧的缺點(diǎn)是，可以出現(xiàn)從側(cè)邊、前方或后方來的反射，似乎它們是在更深的地方，而不是在最小距離，即對(duì)應(yīng)于直接在探測雷達(dá)下的反射。這些額外的距離反射在圖7(a)中表現(xiàn)為凹雙曲線。在復(fù)雜的環(huán)境中，諸如冰川下的谷地或極其層化的冰，不需要的從偏離最低點(diǎn)的散射體來的“雜波”信號(hào)在響應(yīng)中占?jí)旱箖?yōu)勢(shì)，于是遮斷了輪廓圖中的有效成分。這種性能因素的量度之一是探測器的信號(hào)對(duì)雜波之比(SCR)。通常，如上所述，非相干堆棧意味著較差的SCR。
圖7(b)是使用相干堆棧的斷面。在這種方法中，在檢波前，各組信號(hào)相干地求和。每個(gè)相干和是平方律檢波的以便形成輸出波形。每個(gè)輸出波形在序列中映入相鄰的前驅(qū)物，建成在圖7(b)中表示的斷面。本方法在地球物理學(xué)界稱為相干堆棧。
相干堆棧抑制了來自最低點(diǎn)前、后的源的大多數(shù)的雜波。換句話說，改善了SCR。但存在著兩個(gè)基本的缺點(diǎn)。首先，每個(gè)輸出波形的變化較大。這種相干噪聲在合成孔徑雷達(dá)界稱為斑點(diǎn)。在這種情況下，由于相干積分縮減了輸出波形的統(tǒng)計(jì)自由度數(shù)，斑點(diǎn)惡化了。在非相干求平均以前，和本實(shí)例中產(chǎn)生的64個(gè)非相干堆棧相比較，從相干堆棧的每次迭代產(chǎn)生兩個(gè)自由度。于是，簡單的相干堆棧意味著較差的信號(hào)對(duì)斑點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差之比(SSR)。第二個(gè)缺點(diǎn)是，很多，如不是最多的探測信號(hào)被相干堆棧拋棄了，于是斷面的SNR就被減小了。
圖7(c)是使用并行多普勒處理的斷面。并行多普勒方法可以看成在偏離多普勒頻率下進(jìn)行的一組相干堆棧操作，隨后是非相干積分。需要三個(gè)步驟(1)將數(shù)據(jù)分類送進(jìn)多普勒接收器；(2)延遲補(bǔ)償，(3)并行多普勒求和。
相對(duì)于多普勒接收器，和在相干堆棧中一樣，探測器相干地操作，而且未檢波的回波信號(hào)波形存在存儲(chǔ)器中。這是一種由延遲和脈沖數(shù)組成的二維數(shù)據(jù)陣列。當(dāng)一組完全的回波信號(hào)被收集后，數(shù)據(jù)傳遞到處理器用于操作，而另一組則進(jìn)行累積。在處理器中，一組縱向快速傅里葉變換(FFT)在每個(gè)延遲增量處對(duì)脈沖序列積分。于是數(shù)據(jù)變換進(jìn)入另一個(gè)由延遲和多普勒頻率組成的二維數(shù)據(jù)陣列。在組的大小中使用二次冪比較方便。對(duì)于這個(gè)實(shí)例，在輸入組中存在32個(gè)脈沖回波信號(hào)，而且數(shù)據(jù)被分類送入32個(gè)輸出多普勒接收器。
關(guān)于延遲補(bǔ)償，在每一組中，多普勒頻率對(duì)應(yīng)于散射體相對(duì)于最低點(diǎn)的縱向位置，其中最低點(diǎn)映入零多普勒接收器。在所有非零多普勒接收器處，存在一種起源于其偏離最低點(diǎn)的定位的額外延遲。在非相干求平均的實(shí)例中，顯而易見這些額外延遲的軌跡是雙曲線。從探測器的幾何形狀已知在每個(gè)多普勒接收器的額外延遲。因此，可以消除這個(gè)額外延遲，為此可以采用幾種普通手段來這樣做，包括位相乘積和整數(shù)數(shù)據(jù)遷移。延遲補(bǔ)償后，在所有多普勒接收器中的波形深度是一致的。
然后在每個(gè)多普勒接收器中延遲補(bǔ)償?shù)妮敵霾ㄐ问瞧椒铰蓹z波的。我們記得每組多普勒接收器對(duì)應(yīng)于一種特定的縱向位置。于是，并行多普勒求和必須正確地選擇跨組的對(duì)應(yīng)波形。每種完成的輸出波形是橫過Ndop多普勒接收器求和的結(jié)果，其中用于數(shù)據(jù)集合的1＜Ndop<=32。圖7(c)中的實(shí)例是Ndop=3的情況，或是對(duì)零多普勒接收器及其兩個(gè)相鄰鄰居的求和。在這種情況下，SNR和SSR比在相干堆棧實(shí)例中觀察到的值約大三倍。
圖7(d)顯示對(duì)于Ndop=32的并行多普勒處理，或是對(duì)跨過所有多普勒接收器中檢波和延遲補(bǔ)償?shù)牟ㄐ吻蠛?。在這種情況下，SNR和SSR顯著地大于圖7(c)中Ndop=3的情況，但不一定強(qiáng)十倍。這是因?yàn)椴⑿卸嗥绽辗e分的效益當(dāng)Ndop增大時(shí)逐漸減少。并行積分的最佳數(shù)量取決于現(xiàn)有的特定探測器的幾何形狀。
本發(fā)明提供改進(jìn)的數(shù)據(jù)分析，這樣就通過同時(shí)取得高SNR、SSR和SCR而提供了一種可靠和準(zhǔn)確的冰探測器。
以上僅為對(duì)本發(fā)明的原理作出的示意性的說明。進(jìn)而，由于對(duì)本專業(yè)普通技術(shù)人員來說，很容易作出無數(shù)修正和變更，不想將本發(fā)明限定于表示和說明的確切結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。因此，所有適當(dāng)?shù)淖兏偷葍r(jià)物可以重新分類，落入本發(fā)明的范圍及所附的權(quán)利要求及其等價(jià)物。
權(quán)利要求
1．一種用于雷達(dá)冰探測的方法，包括以下步驟a)提供一種指向下照明的波前照亮冰層表面和內(nèi)部；b)接收在一定的照亮的冰層體積內(nèi)從層和其它地形反射的信號(hào)；c)相干的處理反射的信號(hào)；d)引入距離曲率修正；和e)將照明下的區(qū)域中的雷達(dá)距離時(shí)間延遲轉(zhuǎn)換到深度斷面。
2．用于雷達(dá)冰探測的一種方法，包括以下步驟；a)用指向下的波前照亮一種冰層的一個(gè)區(qū)域；b)接收從散射體返回冰探測器的反射信號(hào)；c)使用逐塊縱向快速傅里葉變換(FFTs)相干地處理反射信號(hào)進(jìn)入多普勒頻域；d)修正縱向信號(hào)分量的微分延遲；e)形成描繪反射信號(hào)的強(qiáng)度為進(jìn)入冰的貫穿深度函數(shù)的波形。
3．用于雷達(dá)冰探測的一種方法，包括以下步驟a)從表面上空的雷達(dá)提供一種指向下的照明波前；b)接收從冰體積表面和內(nèi)部散射體的反射信號(hào)；c)將數(shù)據(jù)信號(hào)分類送入多普勒接收器；d)延遲補(bǔ)償數(shù)據(jù)致使在所有多普勒接收器內(nèi)相同的深度的波形相一致；e)對(duì)橫過某些多普勒接收器的深度波形求和。
4．用于雷達(dá)冰探測的一種方法，包括以下步驟a)提供指向下的照明波前；b)接收從冰表面和內(nèi)部散射體返回的反射信號(hào)；c)進(jìn)行逐塊縱向FFTs將信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換送入多普勒頻域；d)修正所有多普勒接收器內(nèi)數(shù)據(jù)的微分延遲以調(diào)整其各自的深度測量；e)非相干地積分每個(gè)多普勒接收器內(nèi)的深度波形；和f)非相干地積分橫過所有多普勒接收器的每個(gè)散射體反射的整體隨時(shí)間的變化以構(gòu)成并行多普勒深度波形的冰探測測量。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的一種方法，其特征在于在所述步驟d)中，使用位相乘積修正微分延遲。
6．根據(jù)權(quán)利要求4的一種方法，其特征在于在所述步驟e)包括在許多并行偏離多普勒接收器中進(jìn)行積分。
7．根據(jù)權(quán)利要求4的一種方法，其特征在于在所述步驟d)進(jìn)一步對(duì)冰介電常數(shù)延遲修正的匹配。
8．根據(jù)權(quán)利要求4的一種方法，其特征在于在所述步驟f)包括按照冰內(nèi)層的雷達(dá)探測能量反射的反射方向性對(duì)橫跨多普勒接收器的非相干積分加權(quán)。
9．根據(jù)權(quán)利要求4的一種方法，其特征在于在所述步驟b)和d)還包括用于進(jìn)行相干與非相干積分對(duì)雷達(dá)的高度和速度變化進(jìn)行補(bǔ)償。
全文摘要
一種采用并行多普勒處理方法的雷達(dá)冰探測器,可獲得更為可靠及準(zhǔn)確的雷達(dá)冰探測技術(shù)。本發(fā)明在一范例中同時(shí)使用相干和非相干技術(shù),以同時(shí)得到高的信噪比、高的信號(hào)對(duì)斑點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差之比及高的信號(hào)對(duì)雜亂回波之比。
文檔編號(hào)G01S7/288GK1311861SQ99809411
公開日2001年9月5日 申請(qǐng)日期1999年8月6日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月7日
發(fā)明者羅素基思·拉尼 申請(qǐng)人:約翰霍普金斯大學(xué)