星载雷达高度计仿真与跟踪算法设计.docx

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星载雷达高度计仿真与跟踪算法设计

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α一β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:

The21stcenturyisthecenturyofsea,landonEarthwiththeincreasingscarcityofresources,tomaintainthesustainabledevelopmentofmankind,morecomprehensiveandprofoundunderstandingforoceanareneeded.Inthepast,theresearchformorethan70%ofthetotalareaoftheworldcanonlyrelyontrackingship,suchastideobservationstationsanddatabuoys,butthedataaresparsemeasured,therepeatcycleislong,andthecostislarge,providingonlytheaccesstolocalareadata.Changesinthespatialscaleoftheoceanrangesfromafewmillimeterstotensofthousandsofkilometers;timescalesrangesfromminutestothousandsofyears.Withtheprogressofspacetechnologyinthepast20years,marineobservationsatellitedevelopedonboththenumberandvariety,comparedwiththeconventionaloceanobservation,satelliteremotesensingcomeswithlessinvestment,largermonitoringcapacity,coveragearea,all-weather,all-time,bringingthehugeimprovementintheunderstandingoftheocean.

Withtheincreasingscarcityoflandresourcesinthe21stcentury,peoplewillsurelypaygreaterattentiontooceanareas,forwhichtheremustbedeeperandmorecomprehensiveunderstandingoftheocean.Inthepast,werelyonships,andbuoys,tidegaugetechnologiessuchastheobservationdataobtainedwiththemeasureddatasparse,repeatedlongcycle,spendingmoreshortcomings,andtheemergenceofsatellitealtimetryforitsinvestment,detectioncapability,coveragearea,all-weather,all-timeadvantageoftheoceanobservationsintoanewarea.Satellitealtimetryhasbecomeoneofthebasicobservationalinstrumentsforsealevelmeasurement,marinetidalwavesystem,andaspectsofoceanwavefieldinversion.Itspotentialandvalueishighlyestimated.

Basedonthestudyofspaceborneradaraltimeter,thisarticlestudiesthemaincomponentofthedigitalprocessor——trackingdevice.Andthefollowingresultsareshowed:

1.Maketheunderstandingoftheworkingprinciplesofthesatelliteoceanaltimeter,andIanalysedtheprocessofsignalprocessingbeforethedigitalprocessor,includingtheoccurrenceandre-triggerChirpsignal,alltorampprocessing,andtheA/Dconversionafterit.

2.Thestudyindepthandclassificationofthemaincomponentsofthedigitalprocessor——trackingdevice.Itconsistsoftheheighttrackingloop（HTL）,significantwaveheighttrackingloop（STL）,automaticgaintrackingloop（AGCL）.Thesethreeloopsusetheestimationmethodbasedonmaximumlikelihoodestimation（MLE）-basedsimilar-maximumlikelihoodestimation（SMLE）.Alloftheseloopfiltersaretypeα一βlow-passfilter.

3.Analyseoftheprocessingsimulationofthereceivedwave.AlsoanalysetheaveragepowerofthereceivedwavebasedonBrownintegralsolution.

4.Analysisandsimulationofthetrackingalgorithm.Spaceborneradaraltimetersusesimilar-maximumlikelihoodestimation（SMLE）asthetrackingalgorithm.ThisarticleaimedatthestudyandanalysisoftheSMLE,andbasedonwhichthetrackingprocessissimulated.

Keyword:

SpaceborneRadarAltimeter;signalprocessing;trackingalgorithm;similar-maximumlikelihoodestimationalgorithm.

目录

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Apollo14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1~2m。

因此，很难满足海洋应用的需要。