[发明专利]使用并行多普勒处理的雷达冰探测器

说明书

                    美国政府权利的声明

本发明是在和美国海军部签订的合同编号N00024-98-D-8124下由政府支持完成的。美国政府在本发明中拥有某些权利。

                        有关的申请

本发明要求于1998年8月7日申请的美国临时申请No.60/095,789的优先权。

                      发明的背景

发明所属的领域

本发明讲授一种新的范例，用于使用不相干及相干技术的雷达仪器和获取准确的冰探测断面的支持性数据处理。

对背景技术的说明

在地球和行星上，雷达冰探测技术的重要性日益增大。在南极冰层表面下3公里处最近重新发现沃斯托可湖即为一实例。不仅对沃斯托可湖的古生物研究有潜在意义，它在深部的观察对透视木卫二(Europa)许多公里厚的冰盖的挑战至少提供一种粗略近似的解决方案。对格陵兰、冰岛和南极的冰层和冰川深入考察的努力继续受到真正挑战的阻挠。

迄今为止，改进雷达冰探测器性能的一切努力特征在于在提出的相干与不相干积分之间的一种折衷方案。在现有技术水平中，该折衷方案涉及较大的信号对杂乱回波之比(SCR)和较小的信号对斑点标准偏差之比(SSR)，或较小的SCR和较大的SSR。至今没有一种雷达技术能利用两种积分形式的优势，也没有一种冰探测雷达能促进数据变换进入多普勒域，更没有一种冰探测器能进行波形延迟补偿和对各种多普勒接收器中数据做并行处理。下面给出几种传统冰探测器的实例。

雷达冰探测器的非相干方法包括按普通非相干脉冲受限的雷达高度计仿造的雷达探测器，如图1(a)和1(b)所示。图1(a)是一正面图，而图1(b)是一冰探测雷达的照明几何形状的平面视图。目的是测量在上表面以下的冰层下表面的深度h₁，是从冰上面观察高度h处测得的。(当然，这种情况推广至更复杂的分层和体积散射。)以低损耗角正切表征冰，随着传播速度c₁，一般为c/1.7的数量级，c是光在自由空间的速度。通常，从雪橇或低飞的飞机上进行冰探测。这样使散射减至极小并使贯穿表面的能量达到极大值。然而，如果地形粗糙或对行星体如木卫二(Europa)探测，则高度h必须较大，致使探测器的性能崩溃。

一般冰探测雷达具有50-150兆赫的频率，该频率用于雷达则偏低，而在自由空间中波长约为6米-2米。这说明从天线只能获得很小的方向性优势，在相同的延迟时间内，可从表面处产生偏离最低点的散射成为有意义的深度信号，但却是离最低点相当距离处的骚扰特性产生的。

如在脉冲受限雷达测高学中遇到的那样，同样的几何原理适用于冰探测器。其中最重要的是在任何已知表面上(或在深处的反射面)，由脉冲和该表面的交点可分辨同心的环带。这些环带均具有相同额定面积。于是，如果存在被天线方向图照明的表面散射体，正好和冰层的较低表面具有相同的雷达延迟时间，则它们的对应反射信号和深度信号一起到达，并与之竞争。这些不需要的反射称为杂乱回波，或杂波。由于表面反射不因冰层而衰减，且它们可从大表面产生，产生的杂波功率可能和想要的信号一样大，甚至更大。

于是，概述对雷达冰探测技术的非相干方法，通常雷达测高术的应用示例产生相当差的SCR的结果。如果可得充分的发射器功率，可以确保可接受的信噪比(SNR)。这种通常的方法通常产生可接受的SSR。仅当传感器/冰层几何形状是这样的，以致在未遇到杂波信号时，非相干方法可以正常工作。该约束限制了雷达测量的高度，并在除去最简单的冰层探测机遇外，兼顾一切其它探测器的可行性。在地球物理学界非相干技术被称为非相干堆栈。

基本冰层测试问题的另一种解决方案是使用相干(多普勒电子束聚焦)积分的相干方法，如图2(a)和2(b)所示，分别显示正面视图和平面视图。虽然已经证明，这种方法能改善冰探测术的SCR，但对杂波的增益是以其它方面的性能降低为代价的。

观测的几何图形和以前相同。对雷达存在一种附加要求，即在数据序列中它必须保持脉冲对脉冲的相干性。随即可得由纵向(脉冲序列)相干积分可分离出一种多普勒窗，其中位相是相对稳定的。在所有其它多普勒定位处，频率较高的多普勒分量趋于互相抵销。当然，这是相干积分的目的。结果是将探测覆盖面的有效纵向宽度减小至第一菲涅尔带直径，该带集中在零多普勒积分处。相干积分抑制来自其它多普勒频率的杂波。这种处理技术称为非聚焦SAR或多普勒电子束聚焦积分。