【文章內(nèi)容簡介】 圖 13. 高度計回波波形 星載雷達(dá)高度計的應(yīng)用 衛(wèi)星高度計通過對海面高度、有效波高、海面風(fēng)速的測量，可同時獲取流、浪、潮等重要動力參數(shù)；它還可應(yīng)用于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和海洋重力場的研究。衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)的應(yīng)用隨著觀測精度的提高和數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)，其應(yīng)用范圍越來越大，在海洋學(xué)、大地測量學(xué)、地球物理學(xué)和海洋測繪等領(lǐng)域中發(fā)揮著重 SWH AGC 9 要的作用。由脈沖返回時間確定的海面高度（ SSH），對研究海 平面和海面高度異常具有深遠(yuǎn)的意義。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，進(jìn)而反演出地球深部結(jié)構(gòu)、地幔對流及板塊運動等。 海面高度可用于大洋環(huán)流研究，大洋環(huán)流主要由海水的水平壓強梯度力所引起，變現(xiàn)為海面高度相對于大地水準(zhǔn)面的傾斜，根據(jù)高度計數(shù)據(jù)求得海面地形，再由海面地形與地轉(zhuǎn)流的關(guān)系，可以得出大洋環(huán)流的分布。由海面回波波形的前沿斜率可以得到有效波高 (SWH)。根據(jù) SWH 和海面風(fēng)速可以進(jìn)行海洋動力和海氣相互作用的研究，并為天氣預(yù) 報和海洋監(jiān)測服務(wù)。觀測得到的 SWH 可以同化到海浪數(shù)值模式中，使海浪數(shù)值預(yù)報使用真實的海浪初始場成為可能。 中尺度渦旋是海洋學(xué)家所關(guān)注的熱點問題，衛(wèi)星高度計資料是目前研究中尺度渦現(xiàn)象及其變化研究的主要資料源，由于受脈沖寬度的限制，高度計空間分辨率有限，只能用于研究位置基本固定的中尺度渦旋和洋流，但隨著更多載有雷達(dá)高度計的衛(wèi)星的發(fā)射及數(shù)據(jù)融合的發(fā)展，已有望解決。 高度信息的另一個重要用途是在海洋地球物理學(xué)中的應(yīng)用。自 1983 年以來，己有大量利用測高數(shù)據(jù)研究固體地球物理的實例，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，高度計不僅提供了更大范圍的觀測數(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。同時，利用雷達(dá)高度計連續(xù)觀測可以發(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力學(xué)現(xiàn)象的強弱變化和位置遷移，這對氣象研究、航運業(yè)、漁業(yè)和軍事活動等有著重要意義。 此外，高度計測量數(shù)據(jù)還可用于計算兩極地區(qū)的覆蓋冰場，通過重復(fù)測量可以較精確地了解兩極覆蓋冰量的變化，這有助于冰川學(xué)和氣候?qū)W的研究。此外，利用高度計測得的回波前沿特征，還可以反演 出海洋表面的波高情況。而利用測得的后向散射系數(shù)可用來確定海面風(fēng)速的大小。這些反演結(jié)果對于海洋預(yù)報、開發(fā)和海運業(yè)等也都有十分重要的意義 . 論文的主要工作 10 本文來源于 國家自然科學(xué)基金“ 星載雷達(dá)高度計工作原理及其應(yīng)用仿真”項目，本文在對該項目內(nèi)容加以學(xué)習(xí)了解的基礎(chǔ)上從事以下工作： (1) 分析星載雷達(dá)高度計的基本工作原理，對 Chirp 信號的發(fā)生和重觸發(fā)，回波處理中的全去斜坡處理等初期處理進(jìn)行分析。 (2) 研究跟蹤器的組成部分 —— 高度跟蹤環(huán) (HTL)、有效波高跟蹤環(huán) (STL)、自動增益跟蹤環(huán) (AGCL)，并對每 個部分的構(gòu)成和作用機理等進(jìn)行分析設(shè)計。并研究海面回波的仿真方法和流程，對相關(guān)公式進(jìn)行研究和分析。 (3) 進(jìn)行跟蹤算法的仿真。 (4) 給出仿真與測試結(jié)果。 最后給出 總結(jié)及展望 。 第二章 星載雷達(dá)高度計的信號發(fā)生與回波初期處理 高度計基本工作流程 高度計采用脈沖擴展技術(shù)垂直向海平面發(fā)射線性調(diào)頻信號 (Chirp)，經(jīng)過二倍于衛(wèi)星到海面的距離所對應(yīng)的時延后，重新觸發(fā)產(chǎn)生上述 Chirp 的復(fù)制信號，對海面回波進(jìn)行時域相關(guān) (全去斜坡 )處理而得到中頻信號，該信號是許多簡諧波的疊加，其中包含了正比于時間延遲的頻率偏移 ，于是將時間域的信號轉(zhuǎn)換為頻率域來處理，幅頻及相頻特征與系統(tǒng)的分辨率、 AGC 控制有關(guān)。全去斜坡后的信號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換，送入數(shù)字信號處理器進(jìn)行處理。 全去傾斜信號平均回波功率譜模型 全去傾斜的概念如圖 21 所示。高度計發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖 (chirp)信號經(jīng)海洋表面反射后成為一系列 chirp 信號和。這是由干散射表面不同鏡面反射點反射的結(jié)果。接收時使用一個己知時延的參考 Chirp 信號與這些回波進(jìn)行混頻。這樣回波與這個參考信號在時間軸上的微小的時延就映射成不同的差頻信號，實 11 現(xiàn)了時延到頻移的轉(zhuǎn)換。可通過分析混 頻后的信號頻譜，得出這些微小的時延，從而完成高度誤差的估值。這樣就避免了常規(guī)脈沖壓縮中所用壓縮與擴展濾波器難以完全匹配，以及采用極高速數(shù)字器件帶來的問題，易于工程實現(xiàn)。這是當(dāng)今星載高度計廣泛采用的一種技術(shù)。全去傾斜信號的平均回波功率譜為： ???????? ?????? )2/(1)2e x p (2)( 2222fff Pfe r fPfPAfP ?????? (21) 可將其轉(zhuǎn)換成時延函數(shù)的平均回波功率響應(yīng)： ?????? ?????? )2(1)2e xp(2)( 222sss te r ftAfP ?????? (22) 其中 A 為常數(shù) (幅度 )。β 為 4c/(rh)， C 為光速 。r 為對應(yīng)天線半功率波束寬度 。h 為衛(wèi) 星高度 。 s? 為高斯分布的表面高度分布概率密度函數(shù)的根方差 。 sf P?? ? ， P 為頻寬時寬比 。erf(.)為誤差函數(shù)。由 (2l)和 (22)式可見，全去傾斜信號的平均回波功率譜與其功率響應(yīng)具有相同的形式。因此回波功率響應(yīng)的參數(shù)測量可在頻域進(jìn)行。圖 22 給出了全去傾斜信號平均回波功率譜曲線 [3]。 本機參考 CHIRP 2 B 回波 CHRIP1 3 傾斜信號 1 頻率 2 偏移 T 去傾斜信號 圖 21. 全去傾斜概念 12 圖 22. 全去傾斜信號平均功率響應(yīng) 全去斜坡技術(shù)的基本原理 雷達(dá)高度計用同一個線性調(diào)頻產(chǎn)生器 (表面聲波裝置 )產(chǎn)生線性調(diào)頻發(fā)射信號和線性調(diào)頻本振信號，接收的回波信號和本振信 號在混頻器中進(jìn)行混頻 .輸出差頻信己為一單一頻率正弦信號，即進(jìn)行了全去斜坡處理。令線性調(diào)頻脈沖為)(tS ，信號包絡(luò)為 )(tu ，信號瞬時載波頻率為 ? ? 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)頻信號的帶寬，T 為脈沖寬度。 k0 時， if 按正斜率變化； k0 時， if 按負(fù)斜率變化。圖 23 示出了負(fù)斜率增長的線性調(diào)頻脈沖信號。當(dāng) TB》 1 時，線性調(diào)頻信號能量的 95% 1 SWH(m) P(f) 13 以上集中在 2/0 Bf ? 和 2/0 Bf ? 之間。振幅頻譜接近矩形，相位頻譜包括兩部分：平方律相位部分和殘余相位部分 (約 4/? )。 U t 0 （ a）線性調(diào)頻信號的包絡(luò) f B 0f t T/2 0 T/2 （ b）頻率變化圖 S（ t） T/2 0 t （ c）信 號波形圖 圖 23. 負(fù)斜率增長的線性調(diào)頻信號 1 T/2 T/2 14 海洋雷達(dá)高度計是以一定重復(fù)頻率 (PRF)垂直于海面向平臺正下方發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號的，該信號經(jīng)空間傳播到海面被散射回來后，被高度計接收。全去斜坡處理是在第 2 混頻器中進(jìn)行的，把本振和經(jīng)過一次下變頻的回波信號進(jìn)行混頻，把平臺和海面間的不同高度差變換成頻率差。再經(jīng)過變頻，把海浪波峰波谷間不同距離點變成不同頻率的正弦信號，這樣就可以用一組濾波器把這些信號分辨開。 若 A 代表波峰處回波， C 代表波谷處回波， B 為 .4 和 C 中間點的回波。若帶寬為 BW，則脈沖寬度為 T 的線性調(diào)頻信號 (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 : ]})()(c o s []/){ [ (Re)( 22 ttkttwTTtctAtS rer ???????? ?（ 25） 式中 rere fw ?2? ， t? 為回波信號相對于線性調(diào)頻本振的時間延遲。經(jīng)全去斜坡混頻后，將差頻項選出 .這個差頻項可表示為 ? ?? ???? ???????????????????其他,02/2/,1]/)[(Re/Re])()2c o s [ (]/)[(Re/Re 23tTtTTttctTtcttwtkttkwTttctTtctA reL ??（ 2 27） 其中， reL ?? 0 可見信號持續(xù)時間為 tT ?? ，由于 Tt?? ，所以混頻器混頻時間一般可認(rèn)為是T。 式 (4)中余弦 相位包括兩項常數(shù)，即 2)( tk ?? + twre? ，相當(dāng)于初始相位。第 1 項是單一頻率項，就是說混頻信號輸出為單一頻率信號，即進(jìn)行了全去斜坡處理。這個頻率是 lf 附近的某個值。相對于 lf ，頻偏的大小和 k, t? 成正比。 15 當(dāng) k0 時，先到達(dá)的信號 ( 0??t )經(jīng)全去斜坡 處理后的頻率高于 lf 。后到達(dá)的信號 ( 0??t )則低于 lf 。同時到達(dá)的信號 (t=o)正好等于 lf ,.當(dāng) k0 時，情況與上述相反。相對于 lf ，頻偏大小由下式給出 TtBtkf /????? （ 28） 該技術(shù)可發(fā)射 3μ s 的寬脈沖，獲得 5ns 的時間分辨力。轉(zhuǎn)換成距離為 5cm，脈沖壓縮比達(dá)到 1000 倍。 濾波器組分辨回波 一般情況全去斜坡后的 lf 要進(jìn)行下變頻，變頻后的頻率為 1f ，可用濾波器組進(jìn)行分辨。若采用 60 個濾波器進(jìn)行分辨 .則把高 于 1f 的濾波器中心頻率依次計作1?f ， 2?f ，?， 30?f 。低于 1f 的濾波器中心頻率依次計作 1?f ， 2?f ，?， 30?f .這組濾波器的間隔為 1/T，相鄰濾波器在 3dB 點相交， 1?f 與 1?f 交于 1f 。 由于全去斜坡后的持續(xù)時間為 TS 截斷正弦波，所以其一 4dB 帶寬約為 1/濾波器的 3dB 帶寬也取為 1/T，就可以把信號的主要能量都取到。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 ? 的兩個回波正好被相鄰的兩個濾波器分開。這種方法起到了發(fā)射窄脈沖的效果 [4]。 本章小結(jié) ：本章主要闡述了雷達(dá)高度計的基本工作流程，以及分析了其中脈沖擴展技術(shù)所用到的線性調(diào)頻信號（ Chirp） ,全去斜坡處理等。 重點分析了全去傾 16 斜信號的平均回波功率譜模型、全去斜坡技術(shù)的基本原理以及濾波器組分辨回波的相關(guān)過程。 17 第三章 跟蹤器組成與系統(tǒng)分析 跟蹤器分類及 其 系統(tǒng) 數(shù)字信號處理器的主要部分為跟蹤器。跟蹤器由高度跟蹤環(huán) (HTL)、有效波高跟蹤環(huán) (STL)、自動增益控制跟蹤環(huán) (AGCL)組成。三個環(huán)所采用的估算方法是以最大似然估計 (MLE)為基礎(chǔ)的準(zhǔn)最大似然估計 (SMLE)。所有的環(huán)路濾波器均為二階低通型α β濾波器。高度跟蹤環(huán)的輸出值控制 Chirp 的副本的產(chǎn)生 。斜率跟蹤環(huán)的輸 出值確定 SMLE“窗口”的寬度 NE。AGC 跟蹤環(huán)的輸出值用于控制接收機的增益，將回波信號幅度達(dá)到歸一化的幅度。這些調(diào)整使得估計值與真實值之間的誤差最小，因而是一個閉環(huán)自適應(yīng)過程。 星載海洋雷達(dá)高度計的準(zhǔn)最佳最大似然估計系統(tǒng)是根據(jù)最大似然估計的定義 ,進(jìn)行最大似然估計處理。實質(zhì)上該處理方法是一種改進(jìn)的α β跟蹤器的算法 ,對星載海洋雷達(dá)高度計的回波信號進(jìn)行處理 ,把輸出結(jié)果作為控制星載海洋雷達(dá)高度計的參數(shù) [5]。 星載海洋雷達(dá)高度計收到回波能量隨著海洋表面起伏幅度變化 ,而這種起伏幅度變化只能用對能量進(jìn)行統(tǒng)計測量求得 。根據(jù)海面回波特性 ,可假設(shè)海洋表面起伏幅度變化滿足： it 時刻回波平均功率抽樣值 iV 是統(tǒng)計獨立的 。 iV 的概率密度服從高斯分布 ,其概率密度函數(shù)為