基于全数字超高频雷达海浪Bragg与非Bragg散射机理研究

发布时间：2018-03-31 16:37

  本文选题：超高频雷达　切入点：单系统合成矢量流　出处：《武汉大学》2015年博士论文

【摘要】：近60年以来,基于电磁波Bragg散射理论的超视距探测已经成为远洋海态反演领域不可或缺的高新技术之一。现阶段通过地波雷达提取风、浪、流等海洋动力学参数的理论大多来源于Barrick所推导的一、二阶雷达散射截面方程,基于一阶散射截面方程的海流反演已经达到了较高的精度,能够满足海洋监测所需,然而基于二阶散射截面方程的风浪场提取至今还在探索之中,究其原因是对电磁波与海洋表面作用的机理研究不足,虽然相关研究人员以定量的方式开展了基于X波段雷达Bragg散射机理缩比实验,但实验内容却仅限于基于Barrick理论的一、二阶散射,忽视了非Bragg散射的理论研究。为了更好的实现风浪场信息的反演,透彻的理解包括一阶、二阶在内的Bragg散射与非Bragg散射机理,本文旨在以超高频段雷达系统为硬件平台,在完成闭环测试与矢量流验证实验后,根据现有基于相速度Bragg散射的理论知识,以缩比实验的方式对海浪Bragg与非Bragg散射机理进行深入研究。具体开展的工作包括以下内容：1.提出全数字超高频雷达的整体设计与实现方式。UHF雷达工作频率为340MHz,带宽15MHz,接收机主要包含三个模块：信号源板、模拟前端与数字板。信号源板采用"DSPLL+DDS"的方式实现射频信号的产生,由于系统内部无需模拟混频模块,信号源板只需提供一片DDS芯片；模拟前端对微弱回波信号进行预滤波与放大,为数字板提供模拟输入信号；数字板前端AD采用射频直接采样的方式,对模拟信号进行模数转换,回波信号的去斜坡与下变频过程皆在数字域实现。雷达接收机系统在保证了工作精确度的前提下,进一步实现小型化。2.UHF雷达系统采用FMICW信号体制。针对不同实验所需,从最大探测距离的角度出发,设计了多套波形,提高回波信号能量利用率,同时通过实验验证了不同波形参数对雷达回波信噪比的影响。3.完成硬件平台的搭建后,在实验室对多项系统指标进行测试与闭环实验,测试结果达到系统设计要求,满足现场实验的条件。课题组与湖北省仙桃市水文站合作,进行河流流速、流量比测实验。在实验过程中,通过将接收天线系统分组实现了单系统提取矢量流的目标。UHF雷达系统发射信号功率仅为1W,Doppler谱信噪比约为50dB,为后期流速提取提供了良好的原始数据,反演所得流场半径约为300m,覆盖整个河道。在为期一个月比测实验中,通过与水文站提供的流速、流量数据对比,矢量流相关系数可达0.98,两者流量最大差异不超过10%,证明了本文所设计的UHF雷达系统河流监测的可行性,同时也验证了系统的正确性与长期工作的稳定性。4.2014年3月、6月,与长江水利委、大连理工大学合作,分别在宜昌前坪科研基地、海岸与近海工程国家重点实验室进行海浪Bragg与非Bragg散射实验。开创性采用超高频段雷达进行基于水槽缩比实验的Bragg散射机理研究。研究内容主要可分为两个部分：首先,通过改变水槽中单列水波的相关水波波参数(水深、波长与波高),采用控制变量法的方式定量的分析了波长、波高与回波幅度之间的关系,通过统计分析实验数据,绘制波长-波高-回波幅度三维图；其次,研究在不同波长条件下,电磁波与水波作用对应回波Doppler谱中Bragg散射与非Bragg散射第一尖峰的位置,在排除了基于传统相速度理论中水波对雷达回波产生频偏影响后,基于水质点运动对电磁波幅度调制的思想,提出Bragg散射与非Bragg散射回波Doppler谱“1/(?)n”理论,定性的揭示了单一列波浪Bragg与非Bragg散射在回波Doppler谱中的表现形式。在非Bragg散射条件下通过改变水波波长,验证了“1/(?)n”现象的可重复性,同时,从水质点运动的角度出发,对波浪Bragg与非Bragg散射中“1/(?)n”理论进行了相关推导与证明,并通过具体实验验证了理论的正确性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN957.5

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本文编号：1691555