海洋环流模式中不同近似假设下的海表高度

海洋环流模式中不同近似假设下的海表高度 ()第 47 卷 第 5 期 147 15 理学版V o lN o 武汉大学学报 2001 年 10 月 ()2001, 581, 584 . . . . . O c t. JW uh an U n ivN a tSc iE d () 文章编号: 025329888 20010520581204 海洋回波模拟与定标 石振华, 杨子杰, 文必洋, 田建生 () 武汉大学 电子信息学院, 湖北 武汉 430072 摘 要: 根据雷达探测的原理, 利用超声延时线对高频地波雷达射频信号延时一个固定时间的方法, 实现了对 探测目标距离的模拟 1 并根据模拟回波信号中包含有相应的多谱勒谱的信息, 模拟了海流的流速 1 该模拟海洋回 波信号可以模拟 56. 7 距离的雷达回波, 可以模拟流速为 55, 5. 5, 2. 75 ƒ的海流, 解决了高频地波雷达的实km cm s 验室调测和定标, 缩短了雷达的研制周期 1 定标 相干信号; 多谱勒; 流速; 关 键 词: 模拟回波; 文献标识码: 中图分类号: 71517AP () 测距离 = - ƒ2= 270 , 距离元个数为 R m ax c q T p km ( ƒ= 54 1 对应最大探测距离的频率 = R m ax ?R F m ax Αq0 引言 ) - = 75. 3 1 距离信息经第二次 后得到 T p H z F F T 运动目标的多谱勒信息 1 多谱勒数取 1 024, 则 利用高频地波雷达来探测海洋动力学要素监测 扫描完整个海域的时间为 = 12. 4 , 所以系统的 tm in 海洋环境, 已逐渐成为世界发达国家使用的一种常 多谱勒分辨率为 = 1ƒ= 1. 34 1?F d tm H z 1 , 3 规方法, 为进一步开发我国海洋资源, 监测海洋 雷达的基本功能是测量目标的距离和速度, 当 海域的风 环境, 本课组研制了一套探测 200 km 一台雷达制作完成以后, 如何对雷达的基本功 ( 场、浪 场 和 流 场 的 高 频 地 波 雷 达, 该 雷 达 即 O S2 能进行检测是一项十分重要的工作, 因此研制一个 ( ) ) 采用线性调频中断连续波 的 2000 M A R FM ICW 模拟雷达回波来对雷达系统进行定标, 不仅可以节 调制方式, 使不同距离元、不同频率的回波同时到达 约大量的人力物力, 而且可以大大缩短整个雷达系 接收天线, 利用一套复杂的信号处理软件, 区分出回 统的研制周期 1 波来自哪个方向、哪个距离元 1 再由该方向该距离 元的回波多谱勒谱计算出风、浪、流等参数 1 雷达中 心频率的范围为 6, 9 , 线性调频的带宽= 30 M H zB 1 目标距离信息的模拟 , 发射脉冲的重复周期为 = 3. 2 , 一帧内发 kH zq m s 射脉冲的个数 = 224, 一帧扫描时间为 = 3. 2 n qn m s 根据雷达探测原理, 目标的距离可用下式表示 ()×224 = 716. 8 1 考虑到同步控制器的实际 1 R = c? t2 ƒm s 中可编程器件的时间开销, 一帧内实际发射脉冲个 式中 为光速, 为延迟时间.c ? t 数 n 取 227 个, 因此一帧的实际扫描时间为 T = 3. 2从上式可以看到, 只要知道探测信号的延迟时 726. m s×227= 4 m s, 扫描速率 Α= B T = 30 kH z 间 , 就可以计算出目标离探测点的距离 1 在产 ƒƒ? tR 4 85 ƒ1 发射脉冲宽度 取 1. 716. 8 =41. kH zsT p 生模拟回波时, 只需将探测信号延时一个固定的时 m s 1 系统的采样周期为 700 , 一帧内采集的点数取 间, 就可以模拟出雷达回波的距离信息 1m ss 为 716. 8?0. 7= 1 0241 采样数据经第一次 后 F F T 高频地波雷达的射频信号是 6, 9 范围内 M H z 得到距离信息, 取距离分辨率 = 5 , 则最大探?R km 的线性调频中断连续波信号, 这个信号从系统的频 收稿日期: 2001205210 ( )基金项目: 国家 863 资助项目 8632818201202 ( ) 作者简介: 石振华 19462, 男, 教授, 现从事高频地波雷达海洋环境监测技术的研究 1 率综合器送出, 经过第一级变频器把它变为 4. 43 高频地波雷达探测海洋是要获取某一海域上的 , 然后经过 6 级 64 的超声延时线, 总延时量 , 风和浪的分布情况, 为处理问题方便雷达系统把 流M H zΛs 为 384 相当于模拟 57. 6 的距离上的回波 1 , 照射区域划分为 5 一个的距离元, 知道了每一 Λskm km 延时电路框图如图 1 所示, 延时的信号再经一次变 个方向, 每一个距离元上的风场, 浪场和流场分布情 频后又变回到 6, 9 的射频信号 1M H z 况就可以描出探测区域上的“三场”分布图, 因此距 ( ) 离是一个很重要的参数 1 根据公式 1, 设 = 384? t 则对应探测距离为 57. 6 , 若用距离元表示,, Λskm 相当于从第 12 个距离元上反射回来的回波 1 2 海流流速的模拟 根据多谱勒原理, 被测目标的运动速度可用下 4 式来表示1图 1 延时电路框图 (( ) ) v = ? f - f cƒ2f =2 0 0 超声延时线采用彩色电视中色度解码所用的 ()()?f c2f 2 ? ƒ0 64 延时线, 延时线的中心频率为 4. 43 , 带 Λs M H z 式中, f 2 为回波信号频率, f 0 为探测信号频率, ?f 宽为?1. 3 , 带内衰减 20 左右, 带外衰减达M H zdB 为多谱勒频移. 70 左右 1 为弥补插入损耗, 该装置采取延时 128dB 从上式可以看出, 只要测出多谱勒频移 , 即 ?f 后增加一级 40 的放大器, 具体电路见图 2 所 Λs dB 可以计算出目标的运动速度 1 要模拟目标的速度信 示 1 息, 模拟回波谱中除了有探测频率的基波成分外, 还 应有多谱勒谱的信息 1 利用高频地波雷达探测海流时, 由于海流的速 度在每秒几个 到几十个 数量级, 因此多谱勒 cm cm 频移很小 1 比如说雷达用 7. 5 频率工作, 探测M H z () 30 海流, 根据 2式可算出多谱勒频移:ƒcm s 6 ?f = 2f v ƒc = 2 × 7. 5 × 10×0 8 () 0. 3ƒ3 × 10m H z = 15 m H z 因此要 模拟这种回波信息不太容易, 要求模拟信号 有极高 的频率稳定度, 否则定标毫无价值 1 利用本系统产生的一个低频信号去调制射频信 号, 由于本系统信号是相干的, 因此频率漂移产生的 4 误差可以互相抵消1 图 2 4. 43 M H z 放大电路 周期为 726. 4 , 脉宽为 5 的信号是本系统 m sΛs 图 2 中放大电路采用双栅场效应管 3SK 74 作 线性调频中断连续波的触发信号, 将这个信号除以 调谐放大, 这种电路输入输出阻抗均较高, 易于和延 5, 可得到周期为 3. 632 、频率为 0. 275 的信号,sH z 时线匹配, 稳定性较好, 增益也很高 1 再将这个信号除以 10, 可得到周期为 36. 32 , 频率s本振信号 10. 43, 13. 43 是系统外的一个 M H z 信号源, 采用该频段的目的是为了和 6, 9 的M H z 雷达工作频段相匹配, 比如当雷达工作频率为7. 50. 为 027 5 H z 的 信 号, 再 除 以 10 可 得 到 周 期 为 时, 这个信号源可调到 11. 93 , 差频总是M H z M H z 2 , 频率为 0. 002 75 的低频信号, 再除以363. sH z 4. 43 1 由于两级变频采用了同一个本振信号,M H z2, 可得到周期为 726. 4 s, 频率为 0. 001 37 H z 的信 因此本振信号本身的频率漂移对系统不会产生影 号, 如图 3 所示 1 响 1设本振频率为 , 工作频率为 , 经第一级变频F f 根据 导出的在深水中且无表面流的情 B a r r ick )(后输出差频为 - , 第二次变频后为 - - F f F F f 况下的窄波束雷达一阶海面回波的多谱勒雷达截面 5= 1 若本振出现 的频率漂移, 则第二次变频后 f ?F 方程而得出的 频率表达式B ragg ( ) () + - = , 输 出 频 率 不 受 影 + - F ?F f f F ?F ()f = 0. 102 3 B f 0 响 1 的距离信息 1 分频电路使用 74390 芯片, 它是一个双除以H C 5 除以 2 电路, 电路结构简单, 使用较为方便, 输入 信号来自系统的频率综合器, 周期为 726. 4 , 脉m s 宽为 5 1s 3 闭环实验与定标 图 3 调制和分频电路 闭环实验即在实验室里将射频信号经定标装置 后再经过一个衰减器, 然后加到雷达接收机的输入 , f 0 为雷达探测频率, 单位为 M H z, f B 实际应用中 端, 工作流程如图 41 为布拉格散射频率, 单位为 1H z 当没有表面流时, 一阶海面回波的两个峰出现 一阶海面回波的两个峰 在?f B 处, 当有表面流时, 会偏离?f B , 偏移量 ?f = 2f 0 v c 即反映径向表面 ƒ 6 流的速度1 ( ) 从 3式可知, 给出 的值, 即可以求出 的 f 0 f B 大小 1 比如说, 当 取 7. 286 时, 它对应 =f 0 M H z f B 0. 275 , 若用 B = 0. 275 的信号去调制 7. 286H zf H z 7. M H z 的信号, 即可模拟 f 0 = 286 M H z 的布拉格 散射谱 1 若再用 0. 002 75 H z 的信号去调制 f B = 图 4 闭环实验与定标流程图 0. 275 H z 这个信号, 即可模拟 5. 5 cm s 海流流速, ƒ从频率综合器送出的 6, 9 的线性调频中 M H z () 由公式 2可知, 图 3 产生的几个脉冲信号对应的海 断连续波信号幅度的峰峰值为 1 , 送入模拟回波 V 流流速见表 11 () 产生装置 该装置对信号的增益为 0, 经过 110 dB 表 1 频移和海流流速对应表的衰减后送入到接收机, 因此加到接收机输入端的 信号为微伏数量级 1 - 1周期ƒs 多谱勒频移ƒH z 海流流速ƒ? cm s 在进行距离定标时, 由于延时的时间是 384 , Λs36. 32 0. 027 5 55 ( ) 根 据公式 1应得到 57. 6 的距离信息, 由于采 km 363. 2 0. 002 75 5. 5 用 的 是 线 性 调 频 体 制, 要 经 过 两 次 第 一 次 , F F T 726. 4 0. 001 37 2. 75 后得到距离和频率的对应关系, 或者说延时时 F F T 间和频率对应关系, 这种关系可用下式求出 调制和分频电路如图 3 所示, 图中的调制电路 实为一个开关控制电路, 管为第一级调制管, T 4 T 3 管为第一级控制管, 当开关 置于+ 5 位置时,K V ()4 f = Α? t ( 632 T 3 管 饱 和 导 通, T 4 管 将 周 期 为 3. 频 率 为 s 式中 Α为线性调频信号的变化速率, ? t 为延时时间 ) 0. 275 的信号送出加到 管的基极, 控制 管 而 H zT 1 T 1 = ƒ ΑB T 的导通的截止 1T 2 管是第二级调制电路, 输入是 6式中 B 为线性调频带宽, 本系统取 30 kH z, T 为线 632 , 9 M H z 的线性调频中断连续波, 在周期为 3. 性扫描时间, 本系统取 716. 8 , 故可算出m s s 信号的控制下, 输出射频信号的频谱包含有 0. 275 Α= 300. 716 8 kH zs = 41. 85 kH zsƒƒƒ 3 - 6 的成分, 此时可模拟 = 7. 286 的布拉格 H z f 0 M H z f = 41. 85 × 10× 384 × 10H z =散射谱 1 当开关置于第三档时, 周期为 36. 32 的s 16. 07 H z 信号首先对周期为 3. 632 s 的信号进行调制, 然后 这个结果在接收机的输出端可用示波器观察到再对 6, 9 M H z 的射频信号进行调制, 此时位于 f B 16 的正弦波, 经过 后在计算机屏上可 ƒ1 H zs F F T 两边的 27. 5 的谱线可模拟流速为 55 的 ƒ以得到 16 的谱分量 1ƒm H z cm s H zs 海流, 同样的道理, 开关 置于第四档和第五档时, 要 进 行 速 度 信 息 定 标, 系 统 必 须 进 行 第 二 次K 可以模拟流速为 5. 5 和 2. 75 的海流, 当ƒƒ cm s cm s 由于经过两次脉冲调幅, 频谱分量特别丰富 1, F F T ( ) 开关置于第一档 空档时, 就可以模拟出雷达回波 第一次调制后, 频谱分量包括: ()m , n 为正整数 模拟, 由于形成机制较为复杂, 还有待进一步研究 1 m f B ? n f V 式中 为速度信息的谱分量 1 第二次调幅后, 输出 f V 的频谱分量为参考文献: 2, . ()1 J ean s P K D o nne lly RFo u re lem en t CODA R B eam f ? m f ? n f 0 B V () [. , 1986. 211 2: 1452149.F a rm ing J I E E E J O E D E 经过接收机解调, 并经过 10, 180 带通滤波 H z , , . 2 Sh ea rm an E D R B u r row s G D M oo rh ead M DA n 后, 由于高阶谱分量能量较小, 因此, 实际谱图如图 FM ICW G ro und W ave R ada r fo r R em o te Sen sing o f 5 所示 1[. O ean W ave and C u r ren t sJ I n te rna t iona l R ac la r C on2 () , 1987, : 7152724.f e rence C ol lec ted P ap e rsRA DA R B a r r ick D E. T h e O cean W aveh e igh t M o nd irec t io na l 3 2Sp ec t rum f rom Inve sio n o f th e H F Seaecho D opp le r [. , 1977, 6: 2012Sp ec t rum J R em ote S ens ing E nv iron 227. 222. , , , YA N G Z ijieHOU J iech angW U Sh ica ie t a lT h e 4 ([ . Idea o f O SM A R in Gene ra l J J W u h an U n iv N a t ) () (), 1994, : 30245 .S c i E d Sp ec ia l IssueC h 图 5 F F T 2 后的频谱分布示意图 5 . 2ƒB a r r ick D EF ir sto rde r T h eo ry and A na ly sis o f M F = 0. 275 , + 为偏离后的谱线f B H zf B f V ƒ[. H F V H F Sca t te r f rom T h e Sea J I E E E T rans A n2 , 1972, 220: 2210.tennas P rop ag a t ron A P 4 结论 6 222., , , W U Sh ica iL IA N G H o ngyu HOU J iech ange t a l 22T h e F ir stO rde r and Seco ndO rde r In te rac t io n B e2 该模拟与定标装置只能对 57. 6 km 的距离回 [ . tw een H F R ada r W ave and O cean W ave F ie ld J J 波, 55, 5. 5, 2. 75 cm ƒs 的海流回波进行模拟, 因此 () ( ) , 1994, : 102W u h an U n iv N a t S c i E d Sp ec ia l Issue 也 只能够对这几个信号进行定标, 对于风浪信号的 ()16 . C h S im ula t ion an d Ca l ibra t ion of O cean Echo SH I Zhen - hua , Y A NG Zh i- j ie, W EN B i- yan g, T IA N J ian - shen g (), , 430072, , Schoo l o f E lec t ro n ic Info rm a t io nW uh an U n ive r sityW uh an H ube iC h ina : , A bstra c tIn o rde r to deb u g an d ca lib ra te h igh f requ en cy g ro u n d rada r in labo ra to rysim u la t io n o f o 2 . , cean echo is n eededB a se o n th e p r in c ip le o f rada r de tec t io n th e d istan ce o f de tec ted ta rge t can b e sim u la t2 . ed b y u sin g u lt ra so n ic de lay lin e to de lay R F sign a l o f h igh f requ en cy g ro u n d rada r a sp ec ia l t im eA cco rd2 , , in g to D opp le r th eo rysim u la ted echo sign a l com p r ise th e co r re spo n d in g D opp le r Sp ec t rum th en o cean .cu r ren t ve lo c ity can b e sim u la ted : ; ; ; ; Key word ssim u la ted echore la t io n sign a lD opp le ro cean cu r ren t ve lo c ityca lib ra t io n