Design of radio frequency electronics for airborne wind vector scatterometer

Abstract

The most popular method for the remote sensing of wind speed and direction is based on the measurement of normalized radar cross section (NRCS) of sea surface. NRCS is measured using scatterometers usually operating at C or Ku frequency bands. Scatterometers designed for the measurement of NRCS of sea surface are operated either in space or on-board aircrafts.

In this thesis, a transceiver (TX/RX) module is designed and realized for an airborne wind vector scatterometer (AWVS). The TX/RX module is based on frequency-modulated continuous-wave (FM-CW) principle and it operates at C-band. In addition, two open-ended waveguide antennas are designed for parabolic reflector feed antennas. The design processes are governed by the use of existing hardware and software, such as an aircraft-certified mechanical frame provided by Aalto University and a measurement computer provided by the Finnish Geospatial Research Institute (FGI). The RX/TX module and waveguide antennas are integrated to the other equipment and the resulting scatterometer is tested. The scatterometer is designed for measuring the NRCS of sea surface primarily at vertical and horizontal polarizations.

The manufactured scatterometer is tested at component and system levels. The system level tests include measurements outdoors, where standard radar targets are used. The tests show that the integrated scatterometer operates as expected. The range and amplitude response of a target can be retrieved at the accuracy limited by the test setups.

Tuuliskatterometri on yleisimmin käytetty kaukokartoitusmenetelmä tuulivektorin mittaamiseksi. Tuuliskatterometrien toiminta perustuu meren pinnan normalisoidun tutkapoikkipinta-alan mittaukseen, jota mitataan tyypillisesti C tai Ku taajuuskaistoilla. Meren tutkapoikkipinta-ala riippuu tuulen merenpintaan synnyttämistä aalloista. Tuuliskatterometreja käytetään joko satelliiteissa tai lentokoneissa.

Tässä diplomityössä suunnitellaan ja toteutetaan lähetin- ja vastaanotinmoduuli lentokonekäyttöiseen tuuliskatterometriin. Laite perustuu taajuusmoduloidun ja jatkuva-aaltoisen (FM-CW) tutkan periaatteelle ja se toimii C-kaistalla. Tämän lisäksi tässä työssä suunnitellaan kaksi parabolista heijastinta syöttävää aaltoputkiantennia. Suunnittelua ohjaa vahvasti vanhojen jo olemassaolevien laitteiden uusiokäyttö. Näitä laitteita ovat esimerkiksi Aalto-yliopiston tarjoama mekaaninen kotelo ja Suomen paikkatietokeskuksen tarjoama mittaustietokone. Lähetin-vastaanotinmoduuli ja aaltoputkiantennit integroidaan muihin laitteisiin skatterometriksi ja testataan. Rakennettua skatterometria käytetään mittaamaan merenpinnan normalisoitua tutkapoikkipinta-alaa pääasiassa pystysuoralla ja vaakasuoralla polarisaatiolla.

Valmiin skatterometrin toimintaa testataan niin komponentti- kuin systeemitasolla. Systeemitason kokeisiin sisältyy myös ulkomittauksia, joissa käytetään tyypillisiä tutkakohteita. Skatterometri toimii kokeiden perusteella odotetusti. Kohteen etäisyys ja voimakkuusvasteet voidaan mitata mittausympäristön asettaman tarkkuuden rajoissa.