【正文】 二階的α β濾波器來實(shí) 現(xiàn)這一積分器的功能 .分析二階環(huán)的特性一般從開環(huán)增益開始 ,在高度計系統(tǒng)中選用的二階環(huán)的開環(huán)增益為 : )()( 22 BASSBSASBSH ???? （ 33） 40db/dec mk 12db 20db/dec 頻率（ ? ） BA/2 ?? ka B 圖 β濾波器開環(huán)增益波特圖 20 其波特圖如圖 32所示 .根據(jù)自動控制理論 ,在圖 8所示的波特圖中 ,其中的關(guān)鍵點(diǎn)為 2? 和 B ,這兩點(diǎn)決定濾波器的暫 態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性 ,B 點(diǎn)決定濾波器的帶寬 。 AGC 跟蹤器每收到 10 次回波信號進(jìn)行一次處理 ,輸出新的 AGC 值更新原來的 AGC 值。星載海洋雷達(dá)高度計的準(zhǔn)最佳最大似然估計系統(tǒng)由高度跟蹤器、斜率跟蹤器、 AGC 跟蹤器和信號處理器組成。斜率跟蹤環(huán)運(yùn)算得出斜率誤差信號Δ S,由此求出斜率 S,這樣就可以求出與 S 相聯(lián)系的有效波高 (50T 輸出一次 )。它們之差就是該環(huán)的誤差信號。每個環(huán)每次運(yùn)算都產(chǎn)生一個誤差信號 ,同步器根據(jù)誤差信號對高度計進(jìn)行控制。該系統(tǒng)的距離窗由 64 個相鄰數(shù)字濾波器組成 ,每個數(shù)字濾波器相應(yīng)的時間分辨為 ns (47 cm),形成的距離窗是 47 cm 64 30 字濾波器形成 AA, BB, CC, DD 和 EE 門。 圖 31 準(zhǔn)最佳最大似然估計系統(tǒng)工作原理 假設(shè)回波為理想的形狀。 對于 N 個回波平均功率抽樣值 ,其聯(lián)合概率密度服從多維高斯分布 }}{/e xp{)/1(),...,( 121 ?? ?? Ni iiiN VEVVVVVP (32) 準(zhǔn)最佳最大似然估計處理就是使式 (32)的聯(lián)合概率密度為最大。 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： 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]。這些調(diào)整使得估計值與真實(shí)值之間的誤差最小，因而是一個閉環(huán)自適應(yīng)過程。斜率跟蹤環(huán)的輸 出值確定 SMLE“窗口”的寬度 NE。所有的環(huán)路濾波器均為二階低通型α β濾波器。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。 重點(diǎn)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。這種方法起到了發(fā)射窄脈沖的效果 [4]。 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。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 。轉(zhuǎn)換成距離為 5cm，脈沖壓縮比達(dá)到 1000 倍。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。 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 。這個頻率是 lf 附近的某個值。 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。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。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，這樣就可以用一組濾波器把這些信號分辨開。 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。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。 k0 時， if 按正斜率變化； k0 時， if 按負(fù)斜率變化。 本機(jī)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。因此回波功率響應(yīng)的參數(shù)測量可在頻域進(jìn)行。erf(.)為誤差函數(shù)。 s? 為高斯分布的表面高度分布概率密度函數(shù)的根方差 。r 為對應(yīng)天線半功率波束寬度 。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 )。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(shí) 11 現(xiàn)了時延到頻移的轉(zhuǎn)換。這是由干散射表面不同鏡面反射點(diǎn)反射的結(jié)果。 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。 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(kuò)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)。 (4) 給出仿真與測試結(jié)果。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。這些反演結(jié)果對于海洋預(yù)報、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)高度計工作原理及其應(yīng)用仿真”項(xiàng)目，本文在對該項(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。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。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(qiáng)弱變化和位置遷移，這對氣象研究、航運(yùn)業(yè)、漁業(yè)和軍事活動等有著重要意義。 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。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(shí)的海浪初始場成為可能。由海面回波波形的前沿斜率可以得到有效波高 (SWH)。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(yùn)動等。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。脈沖下降沿的斜率與海面的粗糙度有關(guān)，它決定著海面的后向散射系數(shù) 0? ， 0? 與海面風(fēng)速具有負(fù)相關(guān)的關(guān)系，因此可 以用它來反演風(fēng)速。在圖 13 中，回波信號的峰值或自動增益控制（ AGC）在回波脈沖達(dá)到最大時測量得到， AGC 最大值的一半對應(yīng)著脈沖返回的時間。高度計發(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有不同的回波形狀，這樣就可以從波形上來區(qū)分地物。 衛(wèi)星高度計的回波信號攜帶有十分豐富的海面特征信息，利用衛(wèi)星高度計可以測得三個基本參數(shù)：海面高度、有效波高和海面風(fēng)速。星載海洋雷達(dá)高度計收到的回波能量隨海洋表面衛(wèi)星軌道 衛(wèi)星位置 跟蹤站 地球質(zhì)心 跟蹤站 參考球體 大地水準(zhǔn)面 8 起伏幅度而變化。星載海洋高度計以一定的重復(fù)發(fā)射頻率垂直于海平面向下發(fā)射窄脈沖 ,窄脈沖的寬度為幾個納秒 ,脈沖在傳播過程中在空間形成厚度為 ?C 的球冠向下傳播。同時也可以測得風(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。其中由地球引力異常形成的大地水準(zhǔn)面與參考球體的偏差滿足 hasg hhh ???? ,其中 gh 是地球引力異常造成大地水準(zhǔn)面和參考球體的偏差 , sh 是衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)確定的衛(wèi)星相對參考球體的高度 , ah 是星載海洋雷達(dá)高度計測得衛(wèi)星與平均海平面間的距離 , h? 是海洋動力過程 ,如海洋環(huán)流、潮汐等造成的海洋表面相對大地水準(zhǔn)面的偏差?；夭ㄐ盘枏?qiáng)度 ,即后向散射系數(shù)(由此也可確定風(fēng)向 )?；夭ㄐ盘柡卸喾N信息，主要有以下幾種 :發(fā)射信號往復(fù)時間延遲 ,即平臺距海面的高度 。 (5)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)逐步向高頻段擴(kuò)展 。 (3)實(shí)現(xiàn)三維成像，并且精度和實(shí)時程度不斷提高 。 到目前為止，第五代高度計的設(shè)計還處于研究實(shí)驗(yàn)階段，并沒有出現(xiàn)一個 較成熟實(shí)現(xiàn)方案，但從技術(shù)與需求發(fā)展的角度來看，第五代高度計的基本發(fā)展 方向大致可歸納如下 : (1)功能指標(biāo)多樣化 。在 1994 年， 4 中科院空間中心以所長基金支持微波遙感部進(jìn)行了“成象雷達(dá)高度計的概念性研究”。該高度計設(shè)計的工作頻率為 Ku 和 C 或 S 頻段，測高精度小于 5 厘米，波高測量精度為 10%。該高度計射頻工作頻率為 ， 測高精度為 10 厘米，波高測量精度為 10%。該項(xiàng)目獲國家“八五”科技攻關(guān)重大科技成果獎及中科院科技進(jìn)步二等獎。用戶已將其海洋實(shí)測數(shù)據(jù)用于國防科工委航天辦下達(dá)的“雷達(dá)高度計海上試飛及數(shù)據(jù)應(yīng)用研究”項(xiàng)目的研究中，經(jīng)實(shí)測驗(yàn)證完全適合、滿足海洋業(yè)務(wù) 科學(xué)應(yīng)用要求，對海況參數(shù)的反演計算準(zhǔn)確度和已與國外同類設(shè)備指標(biāo)一致。設(shè)計中采用了大時帶積聲表面波色散延時、全去斜坡、納秒級時鐘分裂和自適應(yīng)跟蹤等新技術(shù)。該部高度計主要為海洋用戶提供其感興趣的目標(biāo)參數(shù)，如平均海平面高度、海洋有效波高及后向散射系數(shù)等。從“八五”開始，對海洋雷達(dá)高度計進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)。中國科學(xué)院在“七五、八五”期間撥出少量的經(jīng)費(fèi)，安排空間中心等單位進(jìn)行高度計的預(yù)研并攻關(guān)，取得了較好的進(jìn)展。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，并通過這些提取數(shù)據(jù)的處理和分析，可開展大地測量學(xué)、 3 地球物理學(xué)和海洋動力學(xué)的研究。 由于衛(wèi)星測高對海洋學(xué)、地球物理學(xué)和測繪學(xué)等學(xué)科具有重要的意義，因此美國和歐空局分別發(fā)射了一些衛(wèi)星的后繼星，如 ： Geosat 的后繼星 GFO，它由美國海軍 1998 年 2 月 10 日發(fā)射，按照與 Geosat 同樣的重復(fù)軌道運(yùn)行； ERS1的后繼星 ERS2，它的任務(wù)同 ERS1； ERS2 的后繼星 Envisat； TOPEX/Poseidon的后繼星 Jason1。美、法在 1992 年 8 月聯(lián)合發(fā)射了海洋地形衛(wèi)星 TOPEX/Poseidon，它的測高精 度達(dá)到 。歐空局于 1991 年 7 月發(fā)射了歐洲第一顆遙感衛(wèi)星 ERS1，這是 ESA海洋動力環(huán)境衛(wèi)星系列中的第一顆，它的測高精度 2~3cm。 1985 年美國海軍發(fā)射了 Geosat 高度計衛(wèi)星，該衛(wèi)星是一顆測