【文章內(nèi)容簡介】 圖 13. 高度計(jì)回波波形 星載雷達(dá)高度計(jì)的應(yīng)用 衛(wèi)星高度計(jì)通過對(duì)海面高度、有效波高、海面風(fēng)速的測量，可同時(shí)獲取流、浪、潮等重要?jiǎng)恿?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(jì)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(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。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。 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(qiáng)梯度力所引起，變現(xiàn)為海面高度相對(duì)于大地水準(zhǔn)面的傾斜，根據(jù)高度計(jì)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(dòng)力和海氣相互作用的研究，并為天氣預(yù) 報(bào)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(bào)使用真實(shí)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(diǎn)問題，衛(wèi)星高度計(jì)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(jì)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(jì)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(gè)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(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(shí)，利用雷達(dá)高度計(jì)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(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。 此外，高度計(jì)測量數(shù)據(jù)還可用于計(jì)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(jì)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(duì)于海洋預(yù)報(bào)、開發(fā)和海運(yùn)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(jì)工作原理及其應(yīng)用仿真”項(xiàng)目，本文在對(duì)該項(xiàng)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(jì)的基本工作原理，對(duì) Chirp 信號(hào)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(dòng)增益跟蹤環(huán) (AGCL)，并對(duì)每 個(gè)部分的構(gòu)成和作用機(jī)理等進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。并研究海面回波的仿真方法和流程，對(duì)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(jì)的信號(hào)發(fā)生與回波初期處理 高度計(jì)基本工作流程 高度計(jì)采用脈沖擴(kuò)展技術(shù)垂直向海平面發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào) (Chirp)，經(jīng)過二倍于衛(wèi)星到海面的距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)延后，重新觸發(fā)產(chǎn)生上述 Chirp 的復(fù)制信號(hào)，對(duì)海面回波進(jìn)行時(shí)域相關(guān) (全去斜坡 )處理而得到中頻信號(hào)，該信號(hào)是許多簡諧波的疊加，其中包含了正比于時(shí)間延遲的頻率偏移 ，于是將時(shí)間域的信號(hào)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(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換，送入數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行處理。 全去傾斜信號(hào)平均回波功率譜模型 全去傾斜的概念如圖 21 所示。高度計(jì)發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖 (chirp)信號(hào)經(jīng)海洋表面反射后成為一系列 chirp 信號(hào)和。這是由干散射表面不同鏡面反射點(diǎn)反射的結(jié)果。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。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?？赏ㄟ^分析混 頻后的信號(hào)頻譜，得出這些微小的時(shí)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(kuò)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(shí)現(xiàn)。這是當(dāng)今星載高度計(jì)廣泛采用的一種技術(shù)。全去傾斜信號(hào)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(shí)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(duì)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(shí)寬比 。erf(.)為誤差函數(shù)。由 (2l)和 (22)式可見，全去傾斜信號(hào)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(hào)平均回波功率譜曲線 [3]。 本機(jī)參考 CHIRP 2 B 回波 CHRIP1 3 傾斜信號(hào) 1 頻率 2 偏移 T 去傾斜信號(hào) 圖 21. 全去傾斜概念 12 圖 22. 全去傾斜信號(hào)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(jì)用同一個(gè)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(hào)和線性調(diào)頻本振信號(hào)，接收的回波信號(hào)和本振信 號(hào)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(hào)，即進(jìn)行了全去斜坡處理。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。 k0 時(shí)， if 按正斜率變化； k0 時(shí)， 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(hào)。當(dāng) TB》 1 時(shí)，線性調(diào)頻信號(hào)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(hào)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(hào)波形圖 圖 23. 負(fù)斜率增長的線性調(diào)頻信號(hào) 1 T/2 T/2 14 海洋雷達(dá)高度計(jì)是以一定重復(fù)頻率 (PRF)垂直于海面向平臺(tái)正下方發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的，該信號(hào)經(jīng)空間傳播到海面被散射回來后，被高度計(jì)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(hào)進(jìn)行混頻，把平臺(tái)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(diǎn)變成不同頻率的正弦信號(hào)，這樣就可以用一組濾波器把這些信號(hào)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(diǎn)的回波。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。經(jīng)全去斜坡混頻后，將差頻項(xiàng)選出 .這個(gè)差頻項(xiàng)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(hào)持續(xù)時(shí)間為 tT ?? ，由于 Tt?? ，所以混頻器混頻時(shí)間一般可認(rèn)為是T。 式 (4)中余弦 相位包括兩項(xiàng)常數(shù)，即 2)( tk ?? + twre? ，相當(dāng)于初始相位。第 1 項(xiàng)是單一頻率項(xiàng)，就是說混頻信號(hào)輸出為單一頻率信號(hào)，即進(jìn)行了全去斜坡處理。這個(gè)頻率是 lf 附近的某個(gè)值。相對(duì)于 lf ，頻偏的大小和 k, t? 成正比。 15 當(dāng) k0 時(shí)，先到達(dá)的信號(hào) ( 0??t )經(jīng)全去斜坡 處理后的頻率高于 lf 。后到達(dá)的信號(hào) ( 0??t )則低于 lf 。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。相對(duì)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(shí)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(gè)濾波器進(jìn)行分辨 .則把高 于 1f 的濾波器中心頻率依次計(jì)作1?f ， 2?f ，?， 30?f 。低于 1f 的濾波器中心頻率依次計(jì)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(diǎn)相交， 1?f 與 1?f 交于 1f 。 由于全去斜坡后的持續(xù)時(shí)間為 TS 截?cái)嗾也?，所以其?4dB 帶寬約為 1/濾波器的 3dB 帶寬也取為 1/T，就可以把信號(hào)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(gè) ? 的兩個(gè)回波正好被相鄰的兩個(gè)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(jì)的基本工作流程，以及分析了其中脈沖擴(kuò)展技術(shù)所用到的線性調(diào)頻信號(hào)（ Chirp） ,全去斜坡處理等。 重點(diǎn)分析了全去傾 16 斜信號(hào)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(hào)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(dòng)增益控制跟蹤環(huán) (AGCL)組成。三個(gè)環(huán)所采用的估算方法是以最大似然估計(jì) (MLE)為基礎(chǔ)的準(zhǔn)最大似然估計(jì) (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(jī)的增益，將回波信號(hào)幅度達(dá)到歸一化的幅度。這些調(diào)整使得估計(jì)值與真實(shí)值之間的誤差最小，因而是一個(gè)閉環(huán)自適應(yīng)過程。 星載海洋雷達(dá)高度計(jì)的準(zhǔn)最佳最大似然估計(jì)系統(tǒng)是根據(jù)最大似然估計(jì)的定義 ,進(jìn)行最大似然估計(jì)處理。實(shí)質(zhì)上該處理方法是一種改進(jìn)的α β跟蹤器的算法 ,對(duì)星載海洋雷達(dá)高度計(jì)的回波信號(hào)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(jì)的參數(shù) [5]。 星載海洋雷達(dá)高度計(jì)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(duì)能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)刻回波平均功率抽樣值 iV 是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的 。 iV 的概率密度服從高斯分布 ,其概率密度函數(shù)為