【正文】 2e x p ()(])1)(((1))(([0))((])1)(((1))(([0))(2e x p (])1)(((1))(([202012000120020212000???????????????????????????????????????ttttttAPttAPVQttPttAPttAPVAQttttAPttAPVtQiiNi iiiM L EiNi iiiM L EiNi iiiM L E?????????? （ 426） 由式（ 426）經(jīng)過(guò)多次疊代就可求出 0t ， A 和 ? 再由式（ 411）（ 412）（ 413）可求出海面高度 h，后向散射系數(shù) 0? 和海面波高 h? 。 所有誤差信號(hào)均輸人到一個(gè)二階低通濾波器 ( ??? 濾波器 )，雖然采用線性 29 無(wú)偏最小方差遞推估計(jì)的 Kalman 濾波器可適應(yīng)各種平臺(tái)非均勻或隨機(jī)運(yùn)動(dòng)且預(yù)測(cè)效果最佳，自適應(yīng)能力也較強(qiáng)，但其運(yùn)算量相當(dāng)大。 信號(hào)參量調(diào)整 由回波參量 確定回波 MLE 估計(jì) 誤差形成 平滑濾波 預(yù)測(cè)新 的參量 LOPUPF(j)PRI LOPUPF(j)PRI 圖 44. ??? 濾波器功能框圖 30 H? AGC? YES S S? YES 圖 捕獲結(jié)束，置 H,S,AGC 初值， i=0 生成回波曲線 確定 NE 寬度 波形疊加， i=i+1 ??,HIGH 預(yù)測(cè) A？ ??,AGC 預(yù)測(cè) B？ 50 批數(shù)據(jù)平均 AGC 誤 差 提 取AGC? （ AGCSMLE） 高度誤差提取 H? （ HIGHSMLE） 斜率誤差提取 S? （ SLOPSMLE） C ？？？ D ？？？ 輸出 調(diào)整高度 調(diào)整 AGC 跟蹤失鎖，進(jìn)入捕獲 波高 ??, 預(yù)測(cè) YES 31 似然處理機(jī)的仿真設(shè)計(jì) 前面已經(jīng)討論過(guò)，雷達(dá)高度計(jì)在海洋測(cè)量的時(shí)候 ,首先向海面發(fā)射一個(gè) chirp信號(hào) ,海面的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)全去斜坡和檢波后 ,就得到如第一章圖 3 所示的回波波形 .由于這個(gè)波形疊加有噪聲 ,采用最大似然估計(jì)的方法來(lái)提取其中的高度、有效波高和海面后向散射系數(shù) .根據(jù)擴(kuò)展面目標(biāo)的衰落統(tǒng)計(jì)特征 ,采樣后的回波波形 iV具有如下的統(tǒng)計(jì)特性 : (a)波形采樣值之間是相互獨(dú)立的 。 仿真原理是 :給定浪高、高度及 AGC 的值，根據(jù)回波功率模型生成一組回波曲線，加人噪聲信號(hào)使其盡可能接近真實(shí)的海面回波，用 SMLE 提取誤差，然后輸人到 ??? 濾波器進(jìn)行跟蹤預(yù)測(cè)，得到三個(gè)參量的估計(jì)值，對(duì)參量做相應(yīng)的調(diào)整，當(dāng)估計(jì)值與真實(shí)值之間的誤差達(dá)到要求時(shí)，認(rèn)為跟蹤完成。( （ 420） 為求出 0t ， A 和 ? ，則必須使 00 ????????? ?M L EM L EM L E QAQtQ （ 421） 由式（ 418）和（ 421）得 ?? ????????????????????????iNi iiiM L EiNi iiiM L EiNi iiiM L EVVVVQAVVVVAQtVVVVtQ12120120)()()( （ 422） 由式（ 416）和（ 419）得 ])(2e x p [2])2e x p (2[]1)。假設(shè) )。 0? 和信噪比 A 之間的關(guān)系 信噪比和后向散射系數(shù)之間的關(guān)系為： T F LKBH HcGPA fp 43 002)4( ? ????? （ 412） 其中， pP 為峰值發(fā)射功率， G 為天現(xiàn)在增益； H 為平臺(tái)高度， 0? 相當(dāng)于壓縮后的脈寬， ? 為波長(zhǎng)， fB 為帶寬， F 為噪聲系數(shù)， T 為接收機(jī)溫度。,...,( 21 ?nxxxL =max （ 46） 求總體參數(shù) ? 的最大似然估計(jì)值 ?? 的問(wèn)題，就是求似然函數(shù) L 的最大值問(wèn)題。由式 (3)得 22))1(1ln ( Ii rndV ????? ，由于半功率點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)著高度 (相鄰兩個(gè)濾波器間隔對(duì)應(yīng) 米高度 )，信噪比對(duì)應(yīng)著 AGC，這樣輸人不同的浪高，半功率點(diǎn)位置及信噪比便可以得到相應(yīng)的回波曲線，流程圖如圖 41， )1(rnd 表示 0 到 1 之間的隨機(jī)數(shù)。從海面回波引導(dǎo)沿半功率點(diǎn)定時(shí)，即可測(cè)得衛(wèi)星平臺(tái)到平均海平面的距離。 )()()()( tPtqtPtW FS ?? ??? (41) 式中 :W(t)是接收回波的平均功率 。 AGC 跟蹤器每收到 10 次回波信號(hào)進(jìn)行一次處理 ,輸出新的 AGC 值更新原來(lái)的 AGC 值。每個(gè)環(huán)每次運(yùn)算都產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào) ,同步器根據(jù)誤差信號(hào)對(duì)高度計(jì)進(jìn)行控制。 斜率跟蹤環(huán)的輸 出值確定 SMLE“窗口”的寬度 NE。這種方法起到了發(fā)射窄脈沖的效果 [4]。同時(shí)到達(dá)的信號(hào) (t=o)正好等于 lf ,.當(dāng) k0 時(shí)，情況與上述相反。若帶寬為 BW，則脈沖寬度為 T 的線性調(diào)頻信號(hào) (本振 )表示為 ? ?2021 c o s)/(Re)( kttwTtctAtS L ??? （ 24） 其中 00 2 fw ?? ， TBk /? ， 到達(dá)全去斜坡混頻器的回波信號(hào) : ]})()(c o s []/){ [ (Re)( 22 ttkttwTTtctAtS rer ???????? ?（ 25） 式中 rere fw ?2? ， t? 為回波信號(hào)相對(duì)于線性調(diào)頻本振的時(shí)間延遲。 k0 時(shí)， if 按正斜率變化； k0 時(shí)， if 按負(fù)斜率變化。 s? 為高斯分布的表面高度分布概率密度函數(shù)的根方差 。這樣回波與這個(gè)參考信號(hào)在時(shí)間軸上的微小的時(shí)延就映射成不同的差頻信號(hào)，實(shí) 11 現(xiàn)了時(shí)延到頻移的轉(zhuǎn)換。 (4) 給出仿真與測(cè)試結(jié)果。同時(shí)，利用雷達(dá)高度計(jì)連續(xù)觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn)大尺度洋流和中尺度渦流的存在，并能連續(xù)跟蹤這些重要海洋動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的強(qiáng)弱變化和位置遷移，這對(duì)氣象研究、航運(yùn)業(yè)、漁業(yè)和軍事活動(dòng)等有著重要意義。海面高度的主要分量是大地水準(zhǔn)面高度，利用大地水準(zhǔn)面高度與重力異常之間的關(guān)系，可以求出海洋范圍的重力異常和重力擾動(dòng)，進(jìn)而反演出地球深部結(jié)構(gòu)、地幔對(duì)流及板塊運(yùn)動(dòng)等。高度計(jì)發(fā)射的脈沖照射到海洋、陸地、海冰和植被等不同的地物上會(huì)有不同的回波形狀，這樣就可以從波形上來(lái)區(qū)分地物。同時(shí)也可以測(cè)得風(fēng)速風(fēng)向、浪高的數(shù)據(jù) ,這是海洋用戶極其重要的資料。 (5)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)逐步向高頻段擴(kuò)展 。該高度計(jì)設(shè)計(jì)的工作頻率為 Ku 和 C 或 S 頻段，測(cè)高精度小于 5 厘米，波高測(cè)量精度為 10%。設(shè)計(jì)中采用了大時(shí)帶積聲表面波色散延時(shí)、全去斜坡、納秒級(jí)時(shí)鐘分裂和自適應(yīng)跟蹤等新技術(shù)。利用獲取的大量波形數(shù)據(jù)，加上 GPS 定軌信息，可以提取海面高度、有效 波高和風(fēng)速等基本的物理量，并通過(guò)這些提取數(shù)據(jù)的處理和分析，可開(kāi)展大地測(cè)量學(xué)、 3 地球物理學(xué)和海洋動(dòng)力學(xué)的研究。 1985 年美國(guó)海軍發(fā)射了 Geosat 高度計(jì)衛(wèi)星，該衛(wèi)星是一顆測(cè)地衛(wèi)星，但由于 Geosat 衛(wèi)星上沒(méi)有配備微波輻射計(jì)，無(wú)法測(cè)量大氣中的水蒸氣含量，限制了大氣校正的精度，影響了 Geosat 高度計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度，測(cè)高精度為 5cm、徑向軌道誤差為 10cm。在探索階段高度計(jì)的觀測(cè)精度非常低， Skylab 的測(cè)高精度約為 1m，測(cè)波精度 1~2m。而海洋變化的空間尺度可以從幾毫米到幾萬(wàn)公里；時(shí)間 尺度從幾分鐘到幾千年。星載雷達(dá)高度計(jì)采用準(zhǔn)最佳最大似然估計(jì)算法 (SMLE)作為跟蹤算法。 本文在研究星載雷達(dá)高度計(jì)工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)字處理器部分的主要組成部分 —— 跟蹤器進(jìn)行了研究，主要有以下成果： 1. 對(duì)星載海洋高度計(jì)的基本工作原理作了解，對(duì)進(jìn)入數(shù)字處理器之前的信號(hào)處理過(guò)程進(jìn)行了分析，包括 Chrip 信號(hào)的發(fā)生和重觸發(fā)，全去斜坡處理以及之后進(jìn)行的 A/D 轉(zhuǎn)換等。 I 摘要： 21 世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，隨著地球上陸地資源的日益匱乏，人類為維持其可持續(xù)發(fā)展，需要對(duì)海洋更全面、更深刻地了解。其潛力和應(yīng)用價(jià)值也是不可估算的 。 4. 跟蹤算法的分析與仿真設(shè)計(jì)。以往，對(duì)于占全球總面積 70% 以上海洋的研究只能依靠測(cè)量船、驗(yàn)潮站和浮標(biāo)等觀測(cè)的數(shù)據(jù)，但由于測(cè)量數(shù)據(jù)稀疏、重復(fù)周期長(zhǎng)、花費(fèi)較大等缺陷，獲取的只是局部區(qū)域的一些海洋數(shù)據(jù)。在高度計(jì)發(fā)展的探索階段，首先是利用搭載在 Apollo 14上的高度計(jì)對(duì)月球進(jìn)行了探測(cè)，隨后是 1973 年 Skylab 上的高度計(jì) 對(duì)地球的觀測(cè)。但是，由于電池故障， Seasat 高度計(jì)只工作了 3 個(gè)月。我國(guó)在 2021 年 12 月 30 日發(fā)射了 Shenzhou4 飛船， 在上面搭載了我國(guó)自行研制的多模態(tài)微波傳感器 .在近 5 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)， SZ4 高度計(jì)在留軌期間的五次對(duì)地觀測(cè)內(nèi)獲取了大量的航天雷達(dá)高度計(jì)回波數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)指標(biāo)要求測(cè)高精度達(dá)到 50 厘米，波高測(cè)量精度為15%。 在國(guó)家“ 863”計(jì)劃中，空間中心研制的高功能密度模塊化微波遙感器的重 要組成部分就是雙 頻星載雷達(dá)高度計(jì)。 (4)與其它類型遙感器綜合使用，以增強(qiáng)功能，降低成本 。由 sh 和 ah 可以測(cè)量全球海洋動(dòng)力過(guò)程引起的大地水準(zhǔn)面的變化 ,獲得全球海洋大地水準(zhǔn)面分布圖 ,提供有關(guān)海底山脈、海溝等地球物理特征。 經(jīng)過(guò)海面反射后由接收機(jī)接收返回脈沖，并測(cè)量出發(fā)射脈沖與接收脈沖之間的時(shí)間差，根據(jù)此時(shí)間差以及返回的波形可以得到衛(wèi)星到海面之間的距離，然后結(jié)合地面對(duì)衛(wèi)星的跟蹤數(shù)據(jù)就可以得到海面高度 (SSH)。由脈沖返回時(shí)間確定的海面高度（ SSH），對(duì)研究海 平面和海面高度異常具有深遠(yuǎn)的意義。自 1983 年以來(lái)，己有大量利用測(cè)高數(shù)據(jù)研究固體地球物理的實(shí)例，其中主要表現(xiàn)在巖石圈學(xué)以及海洋上、下地慢構(gòu)造物理學(xué)方面的研究成果上，高度計(jì)不僅提供了更大范圍的觀測(cè)數(shù)據(jù)，而且提供了最好的全球海洋的重力圖，可以發(fā)現(xiàn)許多其它方法難以發(fā)現(xiàn)的海洋斷裂帶。 (3) 進(jìn)行跟蹤算法的仿真。接收時(shí)使用一個(gè)己知時(shí)延的參考 Chirp 信號(hào)與這些回波進(jìn)行混頻。h 為衛(wèi) 星高度 。令線性調(diào)頻脈沖為)(tS ，信號(hào)包絡(luò)為 )(tu ，信號(hào)瞬時(shí)載波頻率為 ? ? ktfdt kttfdf i ???? 020 2/2 1? （ 23） 式中 |k|=B/T 為 if 變化的頻率， B 為頻率變化范圍，即線性調(diào)頻信號(hào)的帶寬，T 為脈沖寬度。 若 A 代表波峰處回波， C 代表波谷處回波， B 為 .4 和 C 中間點(diǎn)的回波。后到達(dá)的信號(hào) ( 0??t )則低于 lf 。根據(jù)式 (6)，相 應(yīng) 的 分 辨 BTBT 11 ???? （ 29） B 一般為幾百 GHz，所以 ? 為幾個(gè) ? 的兩個(gè)回波正好被相鄰的兩個(gè)濾波器分開(kāi)。高度跟蹤環(huán)的輸出值控制 Chirp 的副本的產(chǎn)生 。 it 時(shí)刻回波平均功率抽樣值 iV 是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的 ?；夭ㄒ龑?dǎo)沿在 BB 和 CC 內(nèi) ,由斜率跟蹤環(huán)進(jìn)行運(yùn)算控制。高度跟蹤器每次都進(jìn)行運(yùn)算 ,輸出新的高度值 ,并把新的高度值送入同步器中作為高度預(yù)置 ,實(shí)現(xiàn)對(duì)星載海洋雷達(dá)高度計(jì)的控制。 1?Z 21 第四章 跟蹤算法仿真設(shè)計(jì) 海面回波仿真 由于海面粗糙度 (波高 )遠(yuǎn)大于雷達(dá)發(fā)射波長(zhǎng)，并且平均海平面 (MSL)是對(duì)稱分布的，因此可以用布朗積分解法 (Brown， 1977)描述來(lái)自相干影響可以忽略不計(jì)、相當(dāng)粗糙表面的垂直人射雷達(dá)回波。因此從海洋回波波形即可推知海面的有效波高(SWH，可記為 3/1H )。 利用上式可以得到平均回波功率。,...,( 21 ?nxxxL 在 ?? ?? 時(shí) )。 海洋雷達(dá)高度計(jì)中有關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系 0t 和平均海平面高度 h 之間的關(guān)系 在測(cè)量海平面高度 h 時(shí)，雷達(dá)高度計(jì)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處在同一平臺(tái)上，在這種情況下，回波信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的延遲時(shí)間 0t 為 : ch