本文選題：超高頻雷達(dá)　切入點(diǎn)：單系統(tǒng)合成矢量流　出處：《武漢大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：近60年以來(lái),基于電磁波Bragg散射理論的超視距探測(cè)已經(jīng)成為遠(yuǎn)洋海態(tài)反演領(lǐng)域不可或缺的高新技術(shù)之一。現(xiàn)階段通過(guò)地波雷達(dá)提取風(fēng)、浪、流等海洋動(dòng)力學(xué)參數(shù)的理論大多來(lái)源于Barrick所推導(dǎo)的一、二階雷達(dá)散射截面方程,基于一階散射截面方程的海流反演已經(jīng)達(dá)到了較高的精度,能夠滿足海洋監(jiān)測(cè)所需,然而基于二階散射截面方程的風(fēng)浪場(chǎng)提取至今還在探索之中,究其原因是對(duì)電磁波與海洋表面作用的機(jī)理研究不足,雖然相關(guān)研究人員以定量的方式開展了基于X波段雷達(dá)Bragg散射機(jī)理縮比實(shí)驗(yàn),但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容卻僅限于基于Barrick理論的一、二階散射,忽視了非Bragg散射的理論研究。為了更好的實(shí)現(xiàn)風(fēng)浪場(chǎng)信息的反演,透徹的理解包括一階、二階在內(nèi)的Bragg散射與非Bragg散射機(jī)理,本文旨在以超高頻段雷達(dá)系統(tǒng)為硬件平臺(tái),在完成閉環(huán)測(cè)試與矢量流驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)后,根據(jù)現(xiàn)有基于相速度Bragg散射的理論知識(shí),以縮比實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)海浪Bragg與非Bragg散射機(jī)理進(jìn)行深入研究。具體開展的工作包括以下內(nèi)容：1.提出全數(shù)字超高頻雷達(dá)的整體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方式。UHF雷達(dá)工作頻率為340MHz,帶寬15MHz,接收機(jī)主要包含三個(gè)模塊：信號(hào)源板、模擬前端與數(shù)字板。信號(hào)源板采用"DSPLL+DDS"的方式實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的產(chǎn)生,由于系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)需模擬混頻模塊,信號(hào)源板只需提供一片DDS芯片；模擬前端對(duì)微弱回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)濾波與放大,為數(shù)字板提供模擬輸入信號(hào)；數(shù)字板前端AD采用射頻直接采樣的方式,對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,回波信號(hào)的去斜坡與下變頻過(guò)程皆在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)。雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)在保證了工作精確度的前提下,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化。2.UHF雷達(dá)系統(tǒng)采用FMICW信號(hào)體制。針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)所需,從最大探測(cè)距離的角度出發(fā),設(shè)計(jì)了多套波形,提高回波信號(hào)能量利用率,同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同波形參數(shù)對(duì)雷達(dá)回波信噪比的影響。3.完成硬件平臺(tái)的搭建后,在實(shí)驗(yàn)室對(duì)多項(xiàng)系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試與閉環(huán)實(shí)驗(yàn),測(cè)試結(jié)果達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的條件。課題組與湖北省仙桃市水文站合作,進(jìn)行河流流速、流量比測(cè)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)將接收天線系統(tǒng)分組實(shí)現(xiàn)了單系統(tǒng)提取矢量流的目標(biāo)。UHF雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)功率僅為1W,Doppler譜信噪比約為50dB,為后期流速提取提供了良好的原始數(shù)據(jù),反演所得流場(chǎng)半徑約為300m,覆蓋整個(gè)河道。在為期一個(gè)月比測(cè)實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)與水文站提供的流速、流量數(shù)據(jù)對(duì)比,矢量流相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.98,兩者流量最大差異不超過(guò)10%,證明了本文所設(shè)計(jì)的UHF雷達(dá)系統(tǒng)河流監(jiān)測(cè)的可行性,同時(shí)也驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性與長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性。4.2014年3月、6月,與長(zhǎng)江水利委、大連理工大學(xué)合作,分別在宜昌前坪科研基地、海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行海浪Bragg與非Bragg散射實(shí)驗(yàn)。開創(chuàng)性采用超高頻段雷達(dá)進(jìn)行基于水槽縮比實(shí)驗(yàn)的Bragg散射機(jī)理研究。研究?jī)?nèi)容主要可分為兩個(gè)部分：首先,通過(guò)改變水槽中單列水波的相關(guān)水波波參數(shù)(水深、波長(zhǎng)與波高),采用控制變量法的方式定量的分析了波長(zhǎng)、波高與回波幅度之間的關(guān)系,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制波長(zhǎng)-波高-回波幅度三維圖；其次,研究在不同波長(zhǎng)條件下,電磁波與水波作用對(duì)應(yīng)回波Doppler譜中Bragg散射與非Bragg散射第一尖峰的位置,在排除了基于傳統(tǒng)相速度理論中水波對(duì)雷達(dá)回波產(chǎn)生頻偏影響后,基于水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)電磁波幅度調(diào)制的思想,提出Bragg散射與非Bragg散射回波Doppler譜“1/(?)n”理論,定性的揭示了單一列波浪Bragg與非Bragg散射在回波Doppler譜中的表現(xiàn)形式。在非Bragg散射條件下通過(guò)改變水波波長(zhǎng),驗(yàn)證了“1/(?)n”現(xiàn)象的可重復(fù)性,同時(shí),從水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的角度出發(fā),對(duì)波浪Bragg與非Bragg散射中“1/(?)n”理論進(jìn)行了相關(guān)推導(dǎo)與證明,并通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論的正確性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN957.5

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本文編號(hào)：1691555