星载雷达高度计仿真与跟踪算法设计.doc
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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4245 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
17、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
18、威廉斯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
19、动力学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
20、精确确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,
21、按照与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
22、步,为了改变这种状况,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
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