《星载雷达高度计仿真与跟踪算法设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《星载雷达高度计仿真与跟踪算法设计.doc（46页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、摘要： 21世纪是海洋的世纪，随着地球上陆地资源的日益匮乏，人类为维持其可持续发展，需要对海洋更全面、更深刻地了解。以往，对于占全球总面积70%以上海洋的研究只能依靠测量船、验潮站和浮标等观测的数据，但由于测量数据稀疏、重复周期长、花费较大等缺陷，获取的只是局部区域的一些海洋数据。而海洋变化的空间尺度可以从几毫米到几万公里；时间尺度从几分钟到几千年。随着空间技术的进步，在过去20多年中，海洋观测卫星在数量和种类上都有了很大进步，与传统海洋观测相比，卫星遥感具有投资少、监测能力强、覆盖面积大、全天候、全天时的特点，使人们研究和认识海洋的手段有了突飞猛进的发展。随着陆地资源的日益匮乏，21世纪的人
2、类必将更大的注意力转向海洋区域，为此必须对海洋有更深入，更全面的了解。过去依靠船只、验潮站和浮标等技术所获得的观测数据具有测量数据稀疏、重复周期长、花费较大等缺点，而星载高度计的出现以其投资少、检测能力强、覆盖面积大、全天候、全天时的优点将海洋观测带入了一个新的领域。星载高度计已经成为现代海洋测量的基本观测仪器之一，在海平面测量、海洋潮波系统、海洋风浪场反演的方面都有大量的应用。其潜力和应用价值也是不可估算的。本文在研究星载雷达高度计工作原理的基础上，对数字处理器部分的主要组成部分跟踪器进行了研究，主要有以下成果：1. 对星载海洋高度计的基本工作原理作了解，对进入数字处理器之前的信号处理过程进
3、行了分析，包括Chrip信号的发生和重触发，全去斜坡处理以及之后进行的A/D转换等。2. 对数字处理器的主要组成部分跟踪器进行深入研究和分类。跟踪器由高度跟踪环(HTL)、有效波高跟踪环(STL)、自动增益跟踪环(AGCL)组成。三个环所采用的估算方法是以最大似然估计(MLE)为基础的准最大似然估计(SMLE)。所有的环路滤波器均为二阶低通型一滤波器。3. 分析海面回波的处理仿真过程。分析基于布朗积分解法的回波平均功率表示。4. 跟踪算法的分析与仿真设计。星载雷达高度计采用准最佳最大似然估计算法(SMLE)作为跟踪算法。本文对准最大似然估计算法进行了研究和分析，并在此基础上对星载雷达高度计的跟
4、踪过程进行了仿真。关键词：星载雷达高度计；回波处理；跟踪算法；准最大似然估计算法Abstract:The 21st century is the century of sea, land on Earth with the increasing scarcity of resources, to maintain the sustainable development of mankind, more comprehensive and profound understanding for ocean are needed. In the past, the research formore
5、than 70% of the total area of the world can only rely on tracking ship, such as tide observation stations and data buoys, but the data are sparse measured, the repeat cycle is long, and the cost is large, providing only the access to local area data. Changes in the spatial scale of the ocean ranges
6、from a few millimeters to tens of thousands of kilometers; time scales ranges from minutes to thousands of years. With the progress of space technology in the past 20 years, marine observation satellite developed on both the number and variety , compared with the conventional ocean observation, sate
7、llite remote sensing comes with less investment, larger monitoring capacity, coverage area, all-weather , all-time, bringing the huge improvement in the understanding of the ocean. With the increasing scarcity of land resources in the 21st century,people will surely pay greater attention to ocean ar
8、eas, for which there must be deeper and more comprehensive understanding of the ocean. In the past, we rely on ships, and buoys, tide gauge technologies such as the observation data obtained with the measured data sparse, repeated long cycle, spending more shortcomings, and the emergence of satellit
9、e altimetry for its investment, detection capability, coverage area, all-weather, all-time advantage of the ocean observations into a new area. Satellite altimetry has become one of the basic observational instruments for sea level measurement, marine tidal wave system, and aspects of ocean wave fie
10、ld inversion. Its potential and value is highly estimated. Based on the study of spaceborne radar altimeter, this article studies the main component of the digital processortracking device. And the following results are showed:1. Make the understanding of the working principles of the satellite ocea
11、n altimeter, and I analysed the process of signal processing before the digital processor, including the occurrence and re-trigger Chirp signal, all to ramp processing, and the A/D conversion after it.2. The study in depth and classification of the main components of the digital processortracking de
12、vice. It consists of the height tracking loop(HTL), significant wave height tracking loop(STL), automatic gain tracking loop(AGCL). These three loops use the estimation method based on maximum likelihood estimation(MLE)-based similar-maximum likelihood estimation(SMLE). All of these loop filters are
13、 type 一 low-pass filter.3. Analyse of the processing simulation of the received wave. Also analyse the average power of the received wave based on Brown integral solution.4. Analysis and simulation of the tracking algorithm. Spaceborne radar altimeters use similar-maximum likelihood estimation(SMLE)
14、 as the tracking algorithm. This article aimed at the study and analysis of the SMLE, and based on which the tracking process is simulated.Keyword: Spaceborne Radar Altimeter; signal processing; tracking algorithm; similar-maximum likelihood estimation algorithm. 目录摘要：IAbstract:II第一章 绪论11.1课题背景及意义11
15、.2 星载雷达高度计的国内外基本研究情况11.3星载雷达高度计的工作原理61.4 星载雷达高度计的应用81.5 论文的主要工作9第二章 星载雷达高度计的信号发生与回波初期处理102.1 高度计基本工作流程102.2 全去倾斜信号平均回波功率谱模型102.3 全去斜坡技术的基本原理122.4 滤波器组分辨回波15第三章 跟踪器组成与系统分析173.1 跟踪器分类及准系统17第四章 跟踪算法仿真设计214.1海面回波仿真214.2 对回波信号的似然跟踪处理244.2.1 最大似然算法的基本原理244.2.2 海洋雷达高度计中有关参数之间的关系254.3 跟踪算法仿真设计284.4 似然处理机的仿真
16、设计31第五章 仿真与测试结果34总结与展望40致谢41参考文献42第一章 绪论1.1课题背景及意义 21世纪是海洋的世纪，随着地球上陆地资源的日益匮乏，人类为维持其可持续发展，需要对海洋更全面、更深刻地了解。以往，对于占全球总面积70%以上海洋的研究只能依靠测量船、验潮站和浮标等观测的数据，但由于测量数据稀疏、重复周期长、花费较大等缺陷，获取的只是局部区域的一些海洋数据。而海洋变化的空间尺度可以从几毫米到几万公里；时间尺度从几分钟到几千年。随着空间技术的进步，在过去20多年中，海洋观测卫星在数量和种类上都有了很大进步，与传统海洋观测相比，卫星遥感具有投资少、监测能力强、覆盖面积大、全天候、全
17、天时的特点，使人们研究和认识海洋的手段有了突飞猛进的发展1。随着陆地资源的日益匮乏，21世纪的人类必将更大的注意力转向海洋区域，为此必须对海洋有更深入，更全面的了解。过去依靠船只、验潮站和浮标等技术所获得的观测数据具有测量数据稀疏、重复周期长、花费较大等缺点，而星载高度计的出现以其投资少、检测能力强、覆盖面积大、全天候、全天时的优点将海洋观测带入了一个新的领域。星载高度计已经成为现代海洋测量的基本观测仪器之一，在海平面测量、海洋潮波系统、海洋风浪场反演的方面都有大量的应用。其潜力和应用价值也是不可估算的。1.2 星载雷达高度计的国内外基本研究情况 卫星测高研究计划最早可追溯到1969年在威廉斯
18、敦召开的固体地球和海洋物理大会，经过数十年的发展，大致经历了从探索、试验到应用研究及业务使用阶段的发展历程。在高度计发展的探索阶段，首先是利用搭载在Apollo 14上的高度计对月球进行了探测，随后是1973年Skylab上的高度计对地球的观测。在探索阶段高度计的观测精度非常低，Skylab的测高精度约为1m，测波精度12m。因此，很难满足海洋应用的需要。 自Skylab之后，各国相继发展了八代高度计卫星.第一颗高度计卫星GEOS-3在1975年4月发射，采用了脉冲压缩技术，测高精度为0.250.5m。GEOS-3的主要任务是确定地球重力场和描绘全球海面地形变化。该卫星为确定海洋学和地球动力学
19、参数提供了三年有效数据，获取的大量高质量的数据使人们的注意力从试验阶段转向了应用阶段。 美国在1978年发射的第一颗海洋实验卫星Seasat-1，搭载的高度计采用了“全去斜坡”技术，测高精度达到了10cm左右，径向轨道误差为150cmRMS。此后的高度计都采用了“全去斜坡”技术。但是，由于电池故障，Seasat高度计只工作了3个月。 1985年美国海军发射了Geosat高度计卫星，该卫星是一颗测地卫星，但由于Geosat卫星上没有配备微波辐射计，无法测量大气中的水蒸气含量，限制了大气校正的精度，影响了Geosat高度计的测量准确度，测高精度为5cm、径向轨道误差为10cm。它的首要任务是精确确
20、定全球的地球重力场，及其平均海平面形状。欧空局于1991年7月发射了欧洲第一颗遥感卫星ERS-1，这是ESA海洋动力环境卫星系列中的第一颗，它的测高精度23cm。该卫星的任务是获取全球海浪的动态信息、海面风场、大洋环流和全球的平均海面变化等。美、法在1992年8月联合发射了海洋地形卫星TOPEX/Poseidon，它的测高精度达到1.7cm。这颗卫星的任务就是精确测定全球海面的形状，增进人们对全球海洋现象的认识。 由于卫星测高对海洋学、地球物理学和测绘学等学科具有重要的意义，因此美国和欧空局分别发射了一些卫星的后继星，如：Geosat的后继星GFO，它由美国海军1998年2月10日发射，按照与
21、Geosat同样的重复轨道运行；ERS-1的后继星ERS-2，它的任务同ERS-1；ERS-2的后继星Envisat；TOPEX/Poseidon的后继星Jason-1。我国在2002年12月30日发射了Shenzhou-4飞船，在上面搭载了我国自行研制的多模态微波传感器.在近5个月的时间内，SZ-4高度计在留轨期间的五次对地观测内获取了大量的航天雷达高度计回波数据。利用获取的大量波形数据，加上GPS定轨信息，可以提取海面高度、有效波高和风速等基本的物理量，并通过这些提取数据的处理和分析，可开展大地测量学、地球物理学和海洋动力学的研究。 在我国，雷达高度计的研究和发展比其它传感器落后了一步，为
22、了改变这种状况，适应我国各种用户的需要，姜景山院士等科学家早在“七五”期间己提出海陆兼容成象高度计的设想。中国科学院在“七五、八五”期间拨出少量的经费，安排空间中心等单位进行高度计的预研并攻关，取得了较好的进展。“七五”期间基本完成了海洋高度计的概念性研究并已提出发展海陆兼容高度计的建议。从“八五”开始，对海洋雷达高度计进行重点攻关。 1995年中科院空间中心研制出我国第一部机载海洋雷达高度计。该部高度计主要为海洋用户提供其感兴趣的目标参数，如平均海平面高度、海洋有效波高及后向散射系数等。设计指标要求测高精度达到50厘米，波高测量精度为15%。设计中采用了大时带积声表面波色散延时、全去斜坡、纳
23、秒级时钟分裂和自适应跟踪等新技术。飞行实验证明系统性能超过设计指标要求，测高精度为15厘米，波高测量精度为10%。用户已将其海洋实测数据用于国防科工委航天办下达的“雷达高度计海上试飞及数据应用研究”项目的研究中，经实测验证完全适合、满足海洋业务科学应用要求，对海况参数的反演计算准确度和已与国外同类设备指标一致。该高度计系统研制的成功填补了我国这一领域的空白，系统技术上达到国际同类设备先进水平。该项目获国家“八五”科技攻关重大科技成果奖及中科院科技进步二等奖。 在国家“921”重大航天工程工程中，中科院空间中心研制的多模态微波遥感器的子系统之一就是星载雷达高度计。该高度计射频工作频率为13.9G
24、Hz，测高精度为10厘米，波高测量精度为10%。 在国家“863”计划中，空间中心研制的高功能密度模块化微波遥感器的重要组成部分就是双频星载雷达高度计。该高度计设计的工作频率为Ku和C或S频段，测高精度小于5厘米，波高测量精度为10%。 对于高分辨率微波成象高度计的研究，我国在“八五”开始之前，中科院空间中心就进行了这方面的研究，在1989年的国家“八五”攻关项目论证报告中就提出了“海陆兼容微波成象高度计研究”这一研究课题111。在1994年，中科院空间中心以所长基金支持微波遥感部进行了“成象雷达高度计的概念性研究”。在“九五”期间，中科院空间中心又得到了863一2空间科学及应用专家组的大力支
25、持，这就为我国进行星载三维成象高度计的研究打下了良好的基础。 到目前为止，第五代高度计的设计还处于研究实验阶段，并没有出现一个较成熟实现方案，但从技术与需求发展的角度来看，第五代高度计的基本发展方向大致可归纳如下:(1)功能指标多样化;(2)应用范围扩大许多、适用环境类型增多，如由单纯高精度海洋观测模式发展到高精度海陆兼容模式;(3)实现三维成像，并且精度和实时程度不断提高;(4)与其它类型遥感器综合使用，以增强功能，降低成本;(5)数字化实现逐步向高频段扩展; 图1-1. 各种星载雷达高度计1.3星载雷达高度计的工作原理 海洋雷达高度计以一定重复频率向海面发射线性调频脉冲,传播抵达海面,经海
26、面后向散射后再回传到发射机,这时打开接收机可接收到回波信号。回波信号含有多种信息，主要有以下几种:发射信号往复时间延迟,即平台距海面的高度;脉冲在海面的散射过程,即有效波高信息;回波信号强度,即后向散射系数(由此也可确定风向)。卫星轨道卫星位置跟踪站地球质心跟踪站参考球体大地水准面 图1-2. 卫星高度计对海洋测量示意图星载海洋雷达高度计工作原理如图1-2所示。其中由地球引力异常形成的大地水准面与参考球体的偏差满足,其中是地球引力异常造成大地水准面和参考球体的偏差,是卫星跟踪数据确定的卫星相对参考球体的高度,是星载海洋雷达高度计测得卫星与平均海平面间的距离,是海洋动力过程,如海洋环流、潮汐等造
27、成的海洋表面相对大地水准面的偏差。由和可以测量全球海洋动力过程引起的大地水准面的变化,获得全球海洋大地水准面分布图,提供有关海底山脉、海沟等地球物理特征。同时也可以测得风速风向、浪高的数据,这是海洋用户极其重要的资料。星载海洋高度计是在脉冲有限方式下进行工作的。星载海洋高度计以一定的重复发射频率垂直于海平面向下发射窄脉冲,窄脉冲的宽度为几个纳秒,脉冲在传播过程中在空间形成厚度为的球冠向下传播。通常情况海洋表面起伏幅度比球冠厚度要小,比无线电波波长要长,表面将形成一个漫反射面。星载海洋雷达高度计收到的回波能量随海洋表面起伏幅度而变化。海洋表面起伏幅度变化越大,被散射到各个方向的能量越多,星载海洋
28、雷达高度计收到的回波能量就越少2。卫星高度计的回波信号携带有十分丰富的海面特征信息，利用卫星高度计可以测得三个基本参数：海面高度、有效波高和海面风速。经过海面反射后由接收机接收返回脉冲，并测量出发射脉冲与接收脉冲之间的时间差，根据此时间差以及返回的波形可以得到卫星到海面之间的距离，然后结合地面对卫星的跟踪数据就可以得到海面高度(SSH)。高度计发射的脉冲照射到海洋、陆地、海冰和植被等不同的地物上会有不同的回波形状，这样就可以从波形上来区分地物。通常海洋表面是光滑的，具有比较规则的回波波形，如图3所示。在图1-3中，回波信号的峰值或自动增益控制（AGC）在回波脉冲达到最大时测量得到，AGC最大值
29、的一半对应着脉冲返回的时间。有效波高（SWH）取决于海面回波上升沿的斜率，当上升沿斜率大时，SWH就小；反之，SWH就大。脉冲下降沿的斜率与海面的粗糙度有关，它决定着海面的后向散射系数，与海面风速具有负相关的关系，因此可以用它来反演风速。SWHAGC0.5AGC 图1-3. 高度计回波波形1.4 星载雷达高度计的应用 卫星高度计通过对海面高度、有效波高、海面风速的测量，可同时获取流、浪、潮等重要动力参数；它还可应用于地球内部结构和海洋重力场的研究。卫星高度计数据的应用随着观测精度的提高和数据处理方法的改进，其应用范围越来越大，在海洋学、大地测量学、地球物理学和海洋测绘等领域中发挥着重要的作用。
30、由脉冲返回时间确定的海面高度（SSH），对研究海平面和海面高度异常具有深远的意义。海面高度的主要分量是大地水准面高度，利用大地水准面高度与重力异常之间的关系，可以求出海洋范围的重力异常和重力扰动，进而反演出地球深部结构、地幔对流及板块运动等。 海面高度可用于大洋环流研究，大洋环流主要由海水的水平压强梯度力所引起，变现为海面高度相对于大地水准面的倾斜，根据高度计数据求得海面地形，再由海面地形与地转流的关系，可以得出大洋环流的分布。由海面回波波形的前沿斜率可以得到有效波高(SWH)。根据SWH和海面风速可以进行海洋动力和海气相互作用的研究，并为天气预报和海洋监测服务。观测得到的SWH可以同化到海浪
31、数值模式中，使海浪数值预报使用真实的海浪初始场成为可能。 中尺度涡旋是海洋学家所关注的热点问题，卫星高度计资料是目前研究中尺度涡现象及其变化研究的主要资料源，由于受脉冲宽度的限制，高度计空间分辨率有限，只能用于研究位置基本固定的中尺度涡旋和洋流，但随着更多载有雷达高度计的卫星的发射及数据融合的发展，已有望解决。 高度信息的另一个重要用途是在海洋地球物理学中的应用。自1983年以来，己有大量利用测高数据研究固体地球物理的实例，其中主要表现在岩石圈学以及海洋上、下地慢构造物理学方面的研究成果上，高度计不仅提供了更大范围的观测数据，而且提供了最好的全球海洋的重力图，可以发现许多其它方法难以发现的海洋
32、断裂带。同时，利用雷达高度计连续观测可以发现大尺度洋流和中尺度涡流的存在，并能连续跟踪这些重要海洋动力学现象的强弱变化和位置迁移，这对气象研究、航运业、渔业和军事活动等有着重要意义。此外，高度计测量数据还可用于计算两极地区的覆盖冰场，通过重复测量可以较精确地了解两极覆盖冰量的变化，这有助于冰川学和气候学的研究。此外，利用高度计测得的回波前沿特征，还可以反演出海洋表面的波高情况。而利用测得的后向散射系数可用来确定海面风速的大小。这些反演结果对于海洋预报、开发和海运业等也都有十分重要的意义.1.5 论文的主要工作 本文来源于国家自然科学基金“星载雷达高度计工作原理及其应用仿真”项目，本文在对该项目
33、内容加以学习了解的基础上从事以下工作：(1) 分析星载雷达高度计的基本工作原理，对Chirp信号的发生和重触发，回波处理中的全去斜坡处理等初期处理进行分析。(2) 研究跟踪器的组成部分高度跟踪环(HTL)、有效波高跟踪环(STL)、自动增益跟踪环(AGCL)，并对每个部分的构成和作用机理等进行分析设计。并研究海面回波的仿真方法和流程，对相关公式进行研究和分析。(3) 进行跟踪算法的仿真。(4) 给出仿真与测试结果。 最后给出总结及展望。第二章 星载雷达高度计的信号发生与回波初期处理2.1 高度计基本工作流程 高度计采用脉冲扩展技术垂直向海平面发射线性调频信号(Chirp)，经过二倍于卫星到海面
34、的距离所对应的时延后，重新触发产生上述Chirp的复制信号，对海面回波进行时域相关(全去斜坡)处理而得到中频信号，该信号是许多简谐波的叠加，其中包含了正比于时间延迟的频率偏移，于是将时间域的信号转换为频率域来处理，幅频及相频特征与系统的分辨率、AGC控制有关。全去斜坡后的信号经A/D转换，送入数字信号处理器进行处理。2.2 全去倾斜信号平均回波功率谱模型全去倾斜的概念如图2-1所示。高度计发射的线性调频脉冲(chirp)信号经海洋表面反射后成为一系列chirp信号和。这是由干散射表面不同镜面反射点反射的结果。接收时使用一个己知时延的参考Chirp信号与这些回波进行混频。这样回波与这个参考信号在
35、时间轴上的微小的时延就映射成不同的差频信号，实现了时延到频移的转换。可通过分析混频后的信号频谱，得出这些微小的时延，从而完成高度误差的估值。这样就避免了常规脉冲压缩中所用压缩与扩展滤波器难以完全匹配，以及采用极高速数字器件带来的问题，易于工程实现。这是当今星载高度计广泛采用的一种技术。全去倾斜信号的平均回波功率谱为： (2-1)可将其转换成时延函数的平均回波功率响应： (2-2)其中A为常数(幅度);为4c/(rh)，C为光速;r为对应天线半功率波束宽度;h为卫星高度;为高斯分布的表面高度分布概率密度函数的根方差;，P为频宽时宽比;erf(.)为误差函数。由(2-l)和(2-2)式可见，全去倾
36、斜信号的平均回波功率谱与其功率响应具有相同的形式。因此回波功率响应的参数测量可在频域进行。图2-2给出了全去倾斜信号平均回波功率谱曲线3。本机参考CHIRP2B回波CHRIP13倾斜信号1频率2偏移T去倾斜信号 图2-1. 全去倾斜概念0.51SWH(m)P(f)图2-2. 全去倾斜信号平均功率响应2.3 全去斜坡技术的基本原理雷达高度计用同一个线性调频产生器(表面声波装置)产生线性调频发射信号和线性调频本振信号，接收的回波信号和本振信号在混频器中进行混频.输出差频信己为一单一频率正弦信号，即进行了全去斜坡处理。令线性调频脉冲为，信号包络为，信号瞬时载波频率为 （2-3）式中|k|=B/T为变
37、化的频率，B为频率变化范围，即线性调频信号的带宽，T为脉冲宽度。k0时，按正斜率变化；k0时，按负斜率变化。图2-3示出了负斜率增长的线性调频脉冲信号。当TB1时，线性调频信号能量的95%以上集中在和之间。振幅频谱接近矩形，相位频谱包括两部分：平方律相位部分和残余相位部分(约)。 1-T/2 T/2t0 （a）线性调频信号的包络fB t -T/2 0T/2 （b）频率变化图 S（t） -T/2 0t（c）信号波形图 图2-3. 负斜率增长的线性调频信号海洋雷达高度计是以一定重复频率(PRF)垂直于海面向平台正下方发射线性调频脉冲信号的，该信号经空间传播到海面被散射回来后，被高度计接收。全去斜坡
38、处理是在第2混频器中进行的，把本振和经过一次下变频的回波信号进行混频，把平台和海面间的不同高度差变换成频率差。再经过变频，把海浪波峰波谷间不同距离点变成不同频率的正弦信号，这样就可以用一组滤波器把这些信号分辨开。若A代表波峰处回波，C代表波谷处回波，B为.4和C中间点的回波。若带宽为BW，则脉冲宽度为T的线性调频信号(本振)表示为 （2-4）其中，到达全去斜坡混频器的回波信号:（2-5）式中，为回波信号相对于线性调频本振的时间延迟。经全去斜坡混频后，将差频项选出.这个差频项可表示为（2-6、2-7）其中，可见信号持续时间为，由于，所以混频器混频时间一般可认为是T。 式(4)中余弦相位包括两项常
39、数，即+，相当于初始相位。第1项是单一频率项，就是说混频信号输出为单一频率信号，即进行了全去斜坡处理。这个频率是附近的某个值。相对于，频偏的大小和k, 成正比。当k0时，情况与上述相反。相对于，频偏大小由下式给出 （2-8）该技术可发射3s的宽脉冲，获得5ns的时间分辨力。转换成距离为5cm，脉冲压缩比达到1000倍。2.4 滤波器组分辨回波一般情况全去斜坡后的要进行下变频，变频后的频率为，可用滤波器组进行分辨。若采用60个滤波器进行分辨.则把高于的滤波器中心频率依次计作，;低于的滤波器中心频率依次计作，.这组滤波器的间隔为1/T，相邻滤波器在3dB点相交，与交于。由于全去斜坡后的持续时间为T
40、S截断正弦波，所以其一4dB带宽约为1/T.把滤波器的3dB带宽也取为1/T，就可以把信号的主要能量都取到。根据式(6)，相应的分辨 （2-9）B一般为几百GHz，所以为几个ns.这就使到达时差为的两个回波正好被相邻的两个滤波器分开。这种方法起到了发射窄脉冲的效果4。本章小结：本章主要阐述了雷达高度计的基本工作流程，以及分析了其中脉冲扩展技术所用到的线性调频信号（Chirp）,全去斜坡处理等。重点分析了全去倾斜信号的平均回波功率谱模型、全去斜坡技术的基本原理以及滤波器组分辨回波的相关过程。第三章 跟踪器组成与系统分析3.1 跟踪器分类及其系统数字信号处理器的主要部分为跟踪器。跟踪器由高度跟踪环
41、(HTL)、有效波高跟踪环(STL)、自动增益控制跟踪环(AGCL)组成。三个环所采用的估算方法是以最大似然估计(MLE)为基础的准最大似然估计(SMLE)。所有的环路滤波器均为二阶低通型-滤波器。高度跟踪环的输出值控制Chirp的副本的产生;斜率跟踪环的输出值确定SMLE“窗口”的宽度NE;AGC跟踪环的输出值用于控制接收机的增益，将回波信号幅度达到归一化的幅度。这些调整使得估计值与真实值之间的误差最小，因而是一个闭环自适应过程。星载海洋雷达高度计的准最佳最大似然估计系统是根据最大似然估计的定义,进行最大似然估计处理。实质上该处理方法是一种改进的-跟踪器的算法,对星载海洋雷达高度计的回波信号
42、进行处理,把输出结果作为控制星载海洋雷达高度计的参数5。星载海洋雷达高度计收到回波能量随着海洋表面起伏幅度变化,而这种起伏幅度变化只能用对能量进行统计测量求得。根据海面回波特性,可假设海洋表面起伏幅度变化满足：时刻回波平均功率抽样值是统计独立的;的概率密度服从高斯分布,其概率密度函数为 (3-1)其中为的均值。对于N个回波平均功率抽样值,其联合概率密度服从多维高斯分布 (3-2)准最佳最大似然估计处理就是使式(3-2)的联合概率密度为最大。准最佳最大似然估计系统如图3-1所示它由高度跟踪环斜率、跟踪环和自动控制环3部分组成。DAABBEECCDDAABBDDCC斜率跟踪环误差信号 图3-1 准
43、最佳最大似然估计系统工作原理假设回波为理想的形状。跟踪器对回波信号进行处理,回波波形和理想化的波形有差异。该系统的距离窗由64个相邻数字滤波器组成,每个数字滤波器相应的时间分辨为3.125 ns (47 cm),形成的距离窗是47 cm64 30 m.彼此相邻接的数字滤波器形成AA, BB, CC, DD和EE门。回波引导沿在BB和CC内,由斜率跟踪环进行运算控制。每个环每次运算都产生一个误差信号,同步器根据误差信号对高度计进行控制。各跟踪环误差信号按如下方式产生：AGC (自动增益控制)环:回波能量的平均值是,它和参考值相减,形成AGC的误差信号高度跟踪控制环:求出BB和DD门的平均值,判断
44、它们的平均值是否等于参考值,与之差为高度跟踪控制环的误差信号.斜率跟踪环:将DD和BB门平均值之差除以BB门宽度,无误差时,回波引导沿的斜率应等于理想回波引导沿的斜率。它们之差就是该环的误差信号。AGC环控制放大器的放大倍数(AGC值)每隔10T更新一次,高度跟踪环运算出高度,并把它送入同步器中,控制同步器工作。斜率跟踪环运算得出斜率误差信号S,由此求出斜率S,这样就可以求出与S相联系的有效波高(50T输出一次)。星载海洋雷达高度计的准最佳最大似然估计系统主要是通过-跟踪器和信号处理器进行工作的。星载海洋雷达高度计的准最佳最大似然估计系统由高度跟踪器、斜率跟踪器、AGC跟踪器和信号处理器组成。
45、高度跟踪器每次都进行运算,输出新的高度值,并把新的高度值送入同步器中作为高度预置,实现对星载海洋雷达高度计的控制。AGC跟踪器每收到10次回波信号进行一次处理,输出新的AGC值更新原来的AGC值。而斜率跟踪器每收到50次回波信号进行一次处理,输出回波的斜率信号,并把它送到波形发生器中进行比较,输出相应的有效波高。3.2 -滤波器在最大似然算法的实现中,要经过积分这一环节,即将误差信号积分后可以得到各个待估参量(、及),由于二阶环良好的稳定性,在工程实现中,采用二阶的-滤波器来实现这一积分器的功能.分析二阶环的特性一般从开环增益开始,在高度计系统中选用的二阶环的开环增益为: （3-3） -40db/dec12db -20db/dec频率（）图3-2.-滤波器开环增益波特图其波特图如图3-2所示.根据自动控制理论,在图8所示的波特图中,其中的关键点为和,这两点决定滤波器的暂态特性和稳态特性,点决定滤波器的带宽;是-40dB/dec和-20dB/dec交点的频率,这一点的选取取决于系统的相位裕量和系统暂态
