专利名称：适用于延迟映射接收机中对反演有效波高和相对高程的获取装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种海洋遥感装置，更特别地说，是一种适用于延迟映射接收机中对 反演有效波高和相对高程的获取装置。
背景技术：
全球定位系统不仅为空间信息用户提供了导航定位信息，还提供了源源不断的L 波段微波信号资源。最近十几年，GPS-R遥感技术得到了迅速发展，通过接收卫星直射信号 和海面反射信号，采用相关处理，得到C/A码的相关函数波形，进而进行要素反演，可以用 于海面风场反演、海洋盐度测量、海面高程测量、地面湿度区分、地形高度预警等方面。现有延迟映射接收机或多普勒延迟映射接收机都是由左旋接收天线、右旋接收天 线、双射频前端、高速A/D采样器、多通道专用相关器、基带信号处理器、上位机以及相应的 接口电路组成，而多通道专用相关器和基带信号处理器一般多采用DSP处理芯片实现，如 《测控技术》2006年第25卷第5期中图2所示的延迟映射接收机的系统构成。对反射信号 的处理都采用多通道相关器这种时域处理方法，而且大都采取事后处理的方法，而不是实 时输出反演要素。对于延迟映射接收机或多普勒延迟映射接收机来讲，直射信号顺次经右 旋天线、射频前端、高速A/D转换器后输出直射数字中频信号DDIF ；反射信号顺次经左旋天 线、射频前端、高速A/D转换器后输出反射数字中频信号RDIF。快速傅里叶变换(FFT)在处理GPS直射信号的捕获上有所应用，但在处理GPS反 射信号上并没有应用，随着大规模FPGA芯片的不断发展，使得FFT在GPS反射信号的处理 上能够很好的应用，它能够提高GPS反射信号的处理速度。
发明内容
本发明提出了一种适用于延迟映射接收机中对反演有效波高和相对高程的获取 装置，该装置通过在FPGA芯片用Verilog HDL语言设计得到硬件的功效。在本发明中，采 用频域处理方法对直射数字中频信号DDIF和反射数字中频信号RDIF进行处理，得到卫星 直射信号和海面反射信号的二维相关值(CDCo、CRCo)和二维相关功率值(PDCo、PRCo)；采 用干涉复数场处理方法对⑶Co、CRCo和ε进行处理，得到海面有效波高SWH;采用峰值跟 随处理方法对PDCo、PRCo和ε进行处理，得到延迟映射接收机至海面的相对高程H。本发明的一种适用于延迟映射接收机中对反演有效波高和相对高程的获取装置， 该装置包括直射信号捕获、跟踪及定位模块、二维相关计算模块、有效波高计算模块和相对 高程计算模块；直射信号捕获、跟踪及定位模块用于产生载波频率CAN0、码相位CDN0、导航定位 解Psv和卫星高度角ε ；其中，载波频率CAN0、码相位⑶NO、导航定位解Psv输出给二维相 关计算模块，卫星高度角ε分别输出给有效波高计算模块和相对高程计算模块；二维相关计算模块中采用频域处理方法的具体步骤如下
直射数字中频信号DDIF输入到数据存储A中存储Ims ；直射信号捕获、跟踪及定位模块输出的直射信号载波频率信号CANO输入到载波 发生器中，载波发生器受多普勒频移dop控制，输出附加多普勒频移的载波信号CAN01，该 CANOl信号分别经正弦sin和余弦cos运算后，输出水平分量IC、垂直信号分量QC ；所述水平分量IC与数据存储A中存储Ims直射信号数字中频信号DDIF进行乘法 运算，得到去除了载波的直射基带信号水平分量IDB ；所述垂直信号分量QC与数据存储A中存储Ims直射信号数字中频信号DDIF进行 乘法运算，得到去除了载波的直射信号垂直分量QDB ；变换器A将直射基带信号水平分量IDB和直射信号垂直分量QDB合成复数形式后 进行FFT变换输出直-频域信号FIQDB ；直射信号捕获、跟踪及定位模块输出的直射信号码相位信号CDNO输入到数据存 储C中存储Ims ；存储Ims的CDNO在变换器C中进行FFT变换和取共轭操作得到码相位频 域信号FIQC ；所述直-频域信号FIQDB与码相位频域信号FIQC进行乘法运算后，输出结果 直-频域相关信号FD;所述直-频域相关信号FD在逆变换器A中进行进行快速傅里叶逆变换处理得到 直_时域相关信号TD输入到数据存储D ；在截取器A中所述的直-时域相关信号TD受到码延迟相位控制CP，截取设定延迟 范围内的直-二维相关信号TDC;在相干叠加器A中对直-二维相关信号TDC进行相干叠加运算得到叠加后的 直_ 二维相干信号CoD ；所述的直-二维相干信号CoD —方面输出到有效波高计算模块反演得到有效波高 SffH ；另一方面输出到平方和与非相干叠加器A中进行相关功率计算和非相干叠加计算输 出直_ 二维相关功率信号InD ；该信号InD输出到相对高程计算模块反演相对高程H ；反射数字中频信号RDIF输入到数据存储B中存储Ims ；直射信号捕获、跟踪及定位模块输出的直射信号载波频率信号CANO输入到载波 发生器中，载波发生器受多普勒频移dop控制，输出附加多普勒频移的载波信号CAN01，该 CANOl信号分别经正弦sin和余弦cos运算后，输出水平分量IC、垂直信号分量QC ；所述水平分量IC与数据存储B中存储Ims反射信号数字中频信号RDIF进行乘法 运算，得到去除了载波的反射基带信号水平分量IRB ；所述垂直信号分量QC与数据存储B中存储Ims反射信号数字中频信号RDIF进行 乘法运算，得到去除了载波的反射信号垂直分量QRB ；变换器B将反射基带信号水平分量IRB和反射信号垂直分量QRB合成复数形式后 进行FFT变换输出反-频域信号FIQRB ；直射信号捕获、跟踪及定位模块输出的直射信号码相位信号CDNO输入到数据存 储C中存储Ims ；存储Ims的CDNO在变换器C中进行FFT变换和取共轭操作得到码相位频 域信号FIQC ；所述反-频域信号FIQRB与码相位频域信号FIQC进行乘法运算后，输出结果 反_频域相关信号FR ；
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所述反-频域相关信号FR在逆变换器B中进行进行快速傅里叶逆变换处理得到 反_时域相关信号TR输入到数据存储E ；在截取器B中所述的反-时域相关信号TR —方面受到码延迟相位控制CP，另一方 面受到反射信号延时控制RCP，从而截取设定延迟范围内的反_ 二维相关信号TRC ；所述反 射信号延时时间控制字RCP是对导航定位解Psv (直射信号捕获、跟踪及定位模块输出的) 根据海面发生反射的空间几何关系RCP = 2hsin ε得到，h表示延迟映射接收机所在环境 下的海拔高度，ε表示反射卫星的高度角；在相干叠加器B中对反-二维相关信号TRC进行相干叠加运算得到叠加后的 反-二维相干信号CoR ；所述的反-二维相干信号CoR —方面输出到有效波高计算模块反演得到有效波高 SffH ；另一方面输出到平方和与非相干叠加器B中进行相关功率计算和非相干叠加计算输 出反-二维相关功率信号InR ；该信号InR输出到相对高程计算模块反演相对高程H ；有效波高计算模块包括有最大值判断模块MaxA、最大值判断模块MaxB、除法器、 存储到数据存储F、有效相关时间计算模块和有效波高计算模型模块；在最大值判断模块MaxA中对直-二维相干信号CoD进行最大值选取，得到直_最 大二维相关值MCoD ；在最大值判断模块MaxB中对反-二维相干信号CoR进行最大值选取，得到反_最 大二维相关值MCoR ；在除法器中依据干涉复数场关系IFC = MCoR/MCoD进行处理，得到干涉复数场 IFC ；在存储到数据存储F中对干涉复数场IFC进行5s数据存储后，然后在自相关运算 模块中进行自相关运算得到自相函数值FIFC ；在有效相关时间计算模块中先对自相关函数值FIFC进行相关时间τ的判断，然 后根据有效相关时间关系τ ‘ = τ Xsin(e)获得有效相关时间τ ‘；在有效波高计算模型模块中依据有效波高经验值关系SWH = a/x ‘ +b得到有效 波高 SWH ；a = 0. 0182，b = -0. 5647 ；相对高程计算模块包括有峰值位置检测模块A、峰值位置检测模块B、峰值路径差 计算模块和高程计算模块；在峰值位置检测模块A中对直-二维相关功率信号InD进行峰值功率出现位置判 断，得到直_峰值功率最大值延迟路径DPD ；在峰值位置检测模块B中对反-二维相关功率信号InR进行峰值功率出现位置判 断，得到反_峰值功率最大值延迟路径RPD ；在峰值路径差计算模块中，根据峰值延迟关系P =RPD-DPD计算反射信号与直射 信号的峰值路径差P ；在高程计算模块中，依据相对高程解析公式H= P/(2X Sin(O)计算延迟映射 接收机到海面的相对高程H。适用于延迟映射接收机中对反演有效波高和相对高程的获取装置的特点1、本发明可以实时输出海面有效波高；2、本发明可以实时输出装置到海面的相对高程；
3、本发明的二维相关计算模块对直射信号和海面反射信号的处理采用了快速傅 里叶变换的处理方式，处理速度快。
图1为本发明反演有效波高和相对高程海洋遥感装置的结构框图。图2为本发明的二维相关计算模块的结构框图。图3为本发明的有效波高计算模块的结构框图。图4为本发明的相对高程模块的结构框图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。参见图1所示，本发明是一种适用于延迟映射接收机中对反演有效波高和相对高 程的获取装置，该装置包括直射信号捕获、跟踪及定位模块、二维相关计算模块、有效波高 计算模块和相对高程计算模块。(一 )直射信号捕获、跟踪及定位模块直射信号捕获、跟踪及定位模块采用2006年7月第27卷第4期在《遥测遥控》公 开的“GPS接收机基带信号处理模块的FPGA实现”文献进行处理，分别得到载波频率CAN0、 码相位⑶NO、导航定位解Psv和卫星高度角ε。其中，载波频率CAN0、码相位⑶NO、导航定 位解Psv输出给二维相关计算模块，卫星高度角ε分别输出给有效波高计算模块和相对高 程计算模块。( 二 ) 二维相关计算模块参见图2所示，二维相关计算模块利用FFT的方法对直射数字中频信号DDIF和反 射数字中频信号RDIF进行处理得到直射信号和反射信号的二维相关值，并将直射信号和 反射信号的二维相关值一方面输出到有效波高计算模块反演有效波高H(单位米)；另一方 面输出到相对高程计算模块反演遥感装置到海面的相对高程SWH(单位米)。二维相关计算模块中采用频域处理方法的具体步骤如下直射数字中频信号DDIF输入到数据存储A中存储Ims ；直射信号捕获、跟踪及定位模块输出的直射信号载波频率信号CANO输入到载波 发生器中，载波发生器受多普勒频移dop控制，输出附加多普勒频移的载波信号CAN01，该 CANOl信号分别经正弦sin和余弦cos运算后，输出水平分量IC、垂直信号分量QC ；所述水平分量IC与数据存储A中存储Ims直射信号数字中频信号DDIF进行乘法 运算，得到去除了载波的直射基带信号水平分量IDB ；所述垂直信号分量QC与数据存储A中存储Ims直射信号数字中频信号DDIF进行 乘法运算，得到去除了载波的直射信号垂直分量QDB ；变换器A将直射基带信号水平分量IDB和直射信号垂直分量QDB合成复数形式后 进行FFT变换输出直-频域信号FIQDB ；直射信号捕获、跟踪及定位模块输出的直射信号码相位信号CDNO输入到数据存 储C中存储Ims ；存储Ims的CDNO在变换器C中进行FFT变换和取共轭操作得到码相位频 域信号FIQC ；
所述直-频域信号FIQDB与码相位频域信号FIQC进行乘法运算后，输出结果 直-频域相关信号FD;所述直-频域相关信号FD在逆变换器A中进行进行快速傅里叶逆变换处理得到 直_时域相关信号TD输入到数据存储D ；在截取器A中所述的直-时域相关信号TD受到码延迟相位控制CP，截取设定延迟 范围内的直-二维相关信号TDC;在相干叠加器A中对直-二维相关信号TDC进行相干叠加运算得到叠加后的 直_ 二维相干信号CoD ；所述的直_ 二维相干信号CoD —方面输出到有效波高计算模块反演得到有效波高 SffH ；另一方面输出到平方和与非相干叠加器A中进行相关功率计算和非相干叠加计算输 出直_ 二维相关功率信号InD ；该信号InD输出到相对高程计算模块反演相对高程H。反射数字中频信号RDIF输入到数据存储B中存储Ims ；直射信号捕获、跟踪及定位模块输出的直射信号载波频率信号CANO输入到载波 发生器中，载波发生器受多普勒频移dop控制，输出附加多普勒频移的载波信号CAN01，该 CANOl信号分别经正弦sin和余弦cos运算后，输出水平分量IC、垂直信号分量QC ；所述水平分量IC与数据存储B中存储Ims反射信号数字中频信号RDIF进行乘法 运算，得到去除了载波的反射基带信号水平分量IRB ；所述垂直信号分量QC与数据存储B中存储Ims反射信号数字中频信号RDIF进行 乘法运算，得到去除了载波的反射信号垂直分量QRB ；变换器B将反射基带信号水平分量IRB和反射信号垂直分量QRB合成复数形式后 进行FFT变换输出反-频域信号FIQRB ；直射信号捕获、跟踪及定位模块输出的直射信号码相位信号CDNO输入到数据存 储C中存储Ims ；存储Ims的CDNO在变换器C中进行FFT变换和取共轭操作得到码相位频 域信号FIQC ；所述反-频域信号FIQRB与码相位频域信号FIQC进行乘法运算后，输出结果 反_频域相关信号FR ；所述反-频域相关信号FR在逆变换器B中进行进行快速傅里叶逆变换处理得到 反_时域相关信号TR输入到数据存储E ；在截取器B中所述的反-时域相关信号TR —方面受到码延迟相位控制CP，另一方 面受到反射信号延时控制RCP，从而截取设定延迟范围内的反_ 二维相关信号TRC ；所述反 射信号延时时间控制字RCP是对导航定位解Psv (直射信号捕获、跟踪及定位模块输出的) 根据海面发生反射的空间几何关系RCP = 2hsin ε得到，h表示延迟映射接收机所在环境 下的海拔高度，ε表示反射卫星的高度角；在相干叠加器B中对反-二维相关信号TRC进行相干叠加运算得到叠加后的 反_ 二维相干信号CoR ；所述的反-二维相干信号CoR —方面输出到有效波高计算模块反演得到有效波高 SffH ；另一方面输出到平方和与非相干叠加器B中进行相关功率计算和非相干叠加计算输 出反-二维相关功率信号InR ；该信号InR输出到相对高程计算模块反演相对高程H。在本发明中，采用频域处理方法对直射信号和反射信号进行二维相关处理，能够
9实时快速的得到码相位的时域相关值TD和TR。在本发明中，通过CP参与直射信号、CP和RCP参与反射信号的协作，可以对有效 的相关值进行截取，对截取的相关值进行相干叠加提高了信噪比，使得有效波高SWH的反 演精度得以提高。(三)有效波高计算模块参见图3所示，有效波高计算模块包括有最大值判断模块MaxA、最大值判断模块 MaxB、除法器、存储到数据存储F、有效相关时间计算模块和有效波高计算模型模块。在最大值判断模块MaxA中对直-二维相干信号CoD进行最大值选取，得到直_最 大二维相关值MCoD ；在最大值判断模块MaxB中对反-二维相干信号CoR进行最大值选取，得到反-最 大二维相关值MCoR ；在除法器中依据干涉复数场关系IFC = MCoR/MCoD进行处理，得到干涉复数场 IFC-；在存储到数据存储F中对干涉复数场IFC进行5s数据存储后，然后在自相关运算 模块中进行自相关运算得到自相函数值FIFC ；在有效相关时间计算模块中先对自相关函数值FIFC进行相关时间τ (单位秒) 的判断，然后根据有效相关时间关系τ ‘ = τ Xsin(e)获得有效相关时间τ ‘(单位 秒)；ε表示反射卫星的高度角；在有效波高计算模型模块中依据有效波高经验值关系SWH = a/x ‘ +b得到有效 波高SWH ；a和b为经验值，a = 0. 0182 (单位米)，b = -0. 5647 (单位米)。在本发明中，有效波高计算模块采用干涉复数场关系IFC = MCoR/MCoD能够消除 直射信号变化带来的干扰，从而提高了有效波高SWH的测量精度。(四)相对高程计算模块参见图4所示，相对高程计算模块包括有峰值位置检测模块A、峰值位置检测模块 B、峰值路径差计算模块和高程计算模块。在峰值位置检测模块A中对直-二维相关功率信号InD进行峰值功率出现位置判 断，得到直_峰值功率最大值延迟路径DPD ；在峰值位置检测模块B中对反-二维相关功率信号InR进行峰值功率出现位置判 断，得到反_峰值功率最大值延迟路径RPD ；在峰值路径差计算模块中，根据峰值延迟关系P = RPD-DPD计算反射信号与直射 信号的峰值路径差P ；在高程计算模块中，依据相对高程解析公式H= P/(2X Sin(O)计算延迟映射 接收机到海面的相对高程H。在本发明中，相对高程计算模块中应用直射信号的峰值位置检测和反射信号的峰 值位置检测共同作用下，获得了精度较高的峰值路径延迟，从而提高了相对高程H的反演 精度。
权利要求
一种适用于延迟映射接收机中对反演有效波高和相对高程的获取装置，该装置包括直射信号捕获、跟踪及定位模块，其特征在于还包括有二维相关计算模块、有效波高计算模块和相对高程计算模块；直射信号捕获、跟踪及定位模块用于产生载波频率CANO、码相位CDNO、导航定位解Psv和卫星高度角ε；其中，载波频率CANO、码相位CDNO、导航定位解Psv输出给二维相关计算模块，卫星高度角ε分别输出给有效波高计算模块和相对高程计算模块；二维相关计算模块中采用频域处理方法的具体步骤如下直射数字中频信号DDIF输入到数据存储A中存储1ms；直射信号捕获、跟踪及定位模块输出的直射信号载波频率信号CANO输入到载波发生器中，载波发生器受多普勒频移dop控制，输出附加多普勒频移的载波信号CANO1，该CANO1信号分别经正弦sin和余弦cos运算后，输出水平分量IC、垂直信号分量QC；所述水平分量IC与数据存储A中存储1ms直射信号数字中频信号DDIF进行乘法运算，得到去除了载波的直射基带信号水平分量IDB；所述垂直信号分量QC与数据存储A中存储1ms直射信号数字中频信号DDIF进行乘法运算，得到去除了载波的直射信号垂直分量QDB；变换器A将直射基带信号水平分量IDB和直射信号垂直分量QDB合成复数形式后进行FFT变换输出直 频域信号FIQDB；直射信号捕获、跟踪及定位模块输出的直射信号码相位信号CDNO输入到数据存储C中存储1ms；存储1ms的CDNO在变换器C中进行FFT变换和取共轭操作得到码相位频域信号FIQC；所述直 频域信号FIQDB与码相位频域信号FIQC进行乘法运算后，输出结果直 频域相关信号FD；所述直 频域相关信号FD在逆变换器A中进行进行快速傅里叶逆变换处理得到直 时域相关信号TD输入到数据存储D；在截取器A中所述的直 时域相关信号TD受到码延迟相位控制CP，截取设定延迟范围内的直 二维相关信号TDC；在相干叠加器A中对直 二维相关信号TDC进行相干叠加运算得到叠加后的直 二维相干信号CoD；所述的直 二维相干信号CoD一方面输出到有效波高计算模块反演得到有效波高SWH；另一方面输出到平方和与非相干叠加器A中进行相关功率计算和非相干叠加计算输出直 二维相关功率信号InD；该信号InD输出到相对高程计算模块反演相对高程H；反射数字中频信号RDIF输入到数据存储B中存储1ms；直射信号捕获、跟踪及定位模块输出的直射信号载波频率信号CANO输入到载波发生器中，载波发生器受多普勒频移dop控制，输出附加多普勒频移的载波信号CANO1，该CANO1信号分别经正弦sin和余弦cos运算后，输出水平分量IC、垂直信号分量QC；所述水平分量IC与数据存储B中存储1ms反射信号数字中频信号RDIF进行乘法运算，得到去除了载波的反射基带信号水平分量IRB；所述垂直信号分量QC与数据存储B中存储1ms反射信号数字中频信号RDIF进行乘法运算，得到去除了载波的反射信号垂直分量QRB；变换器B将反射基带信号水平分量IRB和反射信号垂直分量QRB合成复数形式后进行FFT变换输出反 频域信号FIQRB；直射信号捕获、跟踪及定位模块输出的直射信号码相位信号CDNO输入到数据存储C中存储1ms；存储1ms的CDNO在变换器C中进行FFT变换和取共轭操作得到码相位频域信号FIQC；所述反 频域信号FIQRB与码相位频域信号FIQC进行乘法运算后，输出结果反 频域相关信号FR；所述反 频域相关信号FR在逆变换器B中进行进行快速傅里叶逆变换处理得到反 时域相关信号TR输入到数据存储E；在截取器B中所述的反 时域相关信号TR一方面受到码延迟相位控制CP，另一方面受到反射信号延时控制RCP，从而截取设定延迟范围内的反 二维相关信号TRC；所述反射信号延时时间控制字RCP是对导航定位解Psv(直射信号捕获、跟踪及定位模块输出的)根据海面发生反射的空间几何关系RCP＝2hsinε得到，h表示延迟映射接收机所在环境下的海拔高度，ε表示反射卫星的高度角；在相干叠加器B中对反 二维相关信号TRC进行相干叠加运算得到叠加后的反 二维相干信号CoR；所述的反 二维相干信号CoR一方面输出到有效波高计算模块反演得到有效波高SWH；另一方面输出到平方和与非相干叠加器B中进行相关功率计算和非相干叠加计算输出反 二维相关功率信号InR；该信号InR输出到相对高程计算模块反演相对高程H；有效波高计算模块包括有最大值判断模块MaxA、最大值判断模块MaxB、除法器、存储到数据存储F、有效相关时间计算模块和有效波高计算模型模块；在最大值判断模块MaxA中对直 二维相干信号CoD进行最大值选取，得到直 最大二维相关值MCoD；在最大值判断模块MaxB中对反 二维相干信号CoR进行最大值选取，得到反 最大二维相关值MCoR；在除法器中依据干涉复数场关系IFC＝MCoR/MCoD进行处理，得到干涉复数场IFC；在存储到数据存储F中对干涉复数场IFC进行5s数据存储后，然后在自相关运算模块中进行自相关运算得到自相函数值FIFC；在有效相关时间计算模块中先对自相关函数值FIFC进行相关时间τ的判断，然后根据有效相关时间关系τ′＝τ×sin(ε)获得有效相关时间τ′；ε表示反射卫星的高度角；在有效波高计算模型模块中依据有效波高经验值关系SWH＝a/τ′+b得到有效波高SWH；a＝0.0182，b＝ 0.5647；相对高程计算模块包括有峰值位置检测模块A、峰值位置检测模块B、峰值路径差计算模块和高程计算模块；在峰值位置检测模块A中对直 二维相关功率信号InD进行峰值功率出现位置判断，得到直 峰值功率最大值延迟路径DPD；在峰值位置检测模块B中对反 二维相关功率信号InR进行峰值功率出现位置判断，得到反 峰值功率最大值延迟路径RPD；在峰值路径差计算模块中，根据峰值延迟关系ρ＝RPD DPD计算反射信号与直射信号的峰值路径差ρ；在高程计算模块中，依据相对高程解析公式H＝ρ/(2×sin(ε))计算延迟映射接收机到海面的相对高程H。
全文摘要
本发明公开了一种适用于延迟映射接收机中对反演有效波高和相对高程的获取装置，该装置包括直射信号捕获、跟踪及定位模块、二维相关计算模块、有效波高计算模块和相对高程计算模块。在本发明中，采用频域处理方法对直射数字中频信号DDIF和反射数字中频信号RDIF进行处理，得到卫星直射信号和海面反射信号的二维相关值CDCo、CRCo和二维相关功率值PDCo、PRCo；采用干涉复数场处理方法对CDCo、CRCo和ε进行处理，得到海面有效波高SWH；采用峰值跟随处理方法对PDCo、PRCo和ε进行处理，得到延迟映射接收机至海面的相对高程H。
文档编号G01S19/35GK101975959SQ20101027157
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月3日 优先权日2010年9月3日
发明者吴红甲, 张波, 李伟强, 李明里, 杨东凯 申请人:北京航空航天大学