星载雷达高度计误差分析和定标技术研究

论文摘要

星载雷达高度计是海洋遥感中最重要的微波遥感器之一,在科学研究和经济生活等方面都有重要的用途。误差分析是卫星测高的核心问题之一,本文系统分析了星载雷达高度计中的各误差源,尤其是仪器误差和跟踪误差,并对总的测高误差进行了分配。此外,本文还研究了星载雷达高度计在轨定标的一些问题。本文的创新点有以下方面:(1)全面分析了星载雷达高度计全系统的仪器误差,尤其是中频和数字电路的误差,得到了有益的结果。(2)研究了星载雷达高度计的各种回波跟踪算法。分析了分裂门跟踪算法中的误差鉴别曲线和跟踪精度。研究了星载雷达高度计回波间的相关性和去相关方法,推广了回波跟踪算法的适用性。(3)研究了星载雷达高度计姿态角估计算法,分析了姿态角估计的精度。(4)分析了星载雷达高度计的加速度滞后偏差,提出了新的补偿算法。(5)对双频雷达高度计电离层色散效应进行了误差分析。(6)对星载雷达高度计在轨内定标方案进行了工程设计,并进行了误差分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 雷达高度计的应用价值
• 1.3 星载雷达测高的发展
• 1.3.1 国际上雷达高度计的发展回顾
• 1.3.2 我国雷达高度计的发展历史
• 1.3.3 新体制星载雷达高度计
• 1.4 星载雷达测高误差分析和定标工作的重要意义
• 1.5 论文工作的主要内容
• 第二章 星载雷达高度计的基本原理和测高误差概述
• 2.1 引言
• 2.2 卫星测高的基本概念和星载雷达高度计的工作方式
• 2.3 星载雷达高度计的脉冲压缩和全去斜技术
• 2.4 星载雷达高度计系统分析
• 2.5 粗糙海面的雷达高度计回波模型
• 2.5.1 平坦海面脉冲响应
• 2.5.2 海面高度的概率密度函数
• 2.5.3 点目标响应
• 2.5.4 平均回波的解析形式
• 2.5.5 高度计海洋回波的噪声特性
• 2.6 星载雷达测高误差分析概述
• 2.6.1 关于星载雷达测高误差分析的一些基本概念
• 2.6.2 星载雷达测高主要误差源的分类
• 2.6.3 星载雷达测高误差的分配
• 2.7 小结
• 第三章 星载雷达高度计仪器误差分析
• 3.1 引言
• 3.2 雷达高度计全系统的固定延时误差
• 3.2.1 定时误差
• 3.2.2 频率漂移误差
• 3.2.3 多普勒效应误差
• 3.2.3.1 水平速度引起的多普勒误差
• 3.2.3.2 垂直速度引起的多普勒误差
• 3.2.4 水平速度引起的距离徙动
• 3.2.5 雷达高度计射频传输线的硬件延时
• 3.2.6 时标偏差
• 3.3 雷达高度计射频误差分析
• 3.3.1 全去斜过程的误差分析
• 3.3.2 二次相位误差
• 3.3.3 射频幅相起伏
• 3.3.3.1 幅相起伏带来的测高偏差
• 3.3.3.2 幅相起伏指标的计算
• 3.4 雷达高度计中频和数字电路误差分析
• 3.4.1 接收机中频和数字电路误差分析
• 3.4.1.1 正交检波器I/Q 不平衡带来的误差
• 3.4.1.2 接收机去混叠滤波器带外抑制不充分造成的误差分析
• 3.4.1.3 A/D 转换器误差分析
• 3.4.1.4 FFT 单元的误差
• 3.4.2 DDS 误差分析
• 3.4.2.1 DDS 产生Chirp 信号的原理
• 3.4.2.2 I/Q 不平衡误差分析
• 3.4.2.3 D/A 转换器量化误差分析
• 3.4.2.4 低通滤波器的误差
• 3.5 雷达高度计仪器误差小结
• 第四章 星载雷达高度计跟踪误差分析
• 4.1 引言
• 4.2 雷达高度计回波跟踪的基本原理
• 4.3 雷达高度计跟踪技术的发展和研究动态
• 4.3.1 星载雷达高度计跟踪方案的回顾
• 4.3.2 雷达高度计重跟踪技术的发展和研究动态
• 4.4 雷达高度计跟踪算法研究
• 4.4.1 自适应分裂门跟踪（ASG）算法
• 4.4.1.1 ASG 算法的实现流程
• 4.4.1.2 门跟踪算法理论分析
• 4.4.1.3 波高/姿态角偏差
• 4.4.1.4 门跟踪算法随机误差分析
• 4.4.1.5 接收机白噪声对跟踪精度的影响
• 4.4.2 最大似然估计（MLE）算法分析
• 4.4.2.1 基于单脉冲回波概率密度函数的最大似然函数
• 4.4.2.2 基于多脉冲平均回波概率密度函数的最大似然函数
• 4.4.2.3 似然函数中偏导数的推导
• 4.4.2.4 最大似然估计的实际执行
• 4.4.2.5 准最大似然算法（SMLE）
• 4.4.2.6 最大似然算法误差分析
• 4.4.3 加权最小二乘算法（WLS）
• 4.4.3.1 加权最小二乘算法的原理
• 4.4.3.2 WLS 和MLE 算法的等价性证明
• 4.4.3.3 WLS 算法的实际执行
• 4.4.4 雷达高度计各跟踪算法的关系
• 4.5 回波相关性及其对跟踪的影响
• 4.5.1 关于回波相关性的讨论
• 4.5.1.1 脉冲之间的相关性和有效PRF
• 4.5.1.2 距离窗口内各FFT 单元之间的相关性
• 4.5.2 考虑到相关性的跟踪技术研究
• 4.6 雷达高度计姿态角估计算法设计及误差分析
• 4.6.1 理论推导和算法描述
• 4.6.2 姿态角估计算法误差分析
• 4.6.2.1 概率密度的推导
• 4.6.2.2 两点算法误差分析
• 4.6.2.3 回归算法误差分析
• 4.6.3 蒙特卡洛仿真
• 4.7 雷达高度计跟踪环α- β滤波器滤波器特性分析与加速度补偿
• 4.7.1 α- β滤波器特性分析
• 4.7.1.1 α- β滤波器的滤波/预测方程
• 4.7.1.2 Z 域特性分析
• 4.7.1.3 频域特性分析
• 4.7.1.4 频率响应的近似
• 4.7.2 加速度补偿算法研究
• 4.7.2.1 高度加速度的来源
• 4.7.2.2 加速度误差的表达式
• 4.7.2.3 传统算法讨论
• 4.7.2.4 一种新算法——两次滤波算法
• 4.7.3 仿真实验
• 4.7.4 Jason-1 高度计实际数据处理
• 4.8 小结
• 第五章 星载雷达高度计其它测高误差分析
• 5.1 引言
• 5.2 大气层延迟误差分析
• 5.2.1 大气层延迟误差机理分析
• 5.2.2 干空气误差分析
• 5.2.3 水汽和液态水误差分析
• 5.2.4 电离层误差分析
• 5.2.5 电离层色散效应研究
• 5.2.5.1 理论模型的推导
• 5.2.5.2 相关讨论
• 5.2.5.3 仿真实验
• 5.3 海况偏差
• 5.3.1 海况偏差的分类
• 5.3.2 海面高度的概率密度函数的理论分析
• 5.3.3 电磁偏差研究
• 5.3.3.1 电磁偏差研究历史综述
• 5.3.3.2 海浪波数谱
• 5.3.3.3 电磁偏差的物理意义
• 5.3.3.4 几何光学观点的电磁偏差模型
• 5.4 轨道误差和其它误差源
• 5.4.1 高度计精密定轨的原理
• 5.4.2 卫星轨道受力模型
• 5.4.3 卫星定轨系统
• 5.4.4 高度计定轨精度指标
• 5.4.5 卫星重心漂移误差
• 5.4.6 潮汐和反向气压误差
• 5.5 小结
• 第六章 星载雷达高度计定标技术研究
• 6.1 引言
• 6.2 星载雷达高度计内定标技术研究
• 6.2.1 星载雷达高度计内定标的原理
• 6.2.2 星载雷达高度计内定标工程设计
• 6.2.2.1 方案的选择
• 6.2.2.2 内定标方案电路设计
• 6.2.2.3 衰减参数设计
• 6.2.2.4 延时参数设计
• 6.2.2.5 多带宽和双频雷达高度计内定标的讨论
• 6.2.3 星载雷达高度计内定标误差分析
• 6.2.3.1 时序模型
• 6.2.3.2 延时误差分析
• 6.2.3.3 发射信号泄漏对点目标响应的影响
• 6.2.3.4 对点目标响应的修正
• 6.2.3.5 点目标响应形状和重心的估计
• 6.2.3.6 定标模式2 误差分析
• 6.2.3.7 小结
• 6.3 星载雷达高度计绝对定标技术简介
• 6.4 小结
• 结束语 论文工作的总结和展望
• 附录
• 附录2A：贝塞尔函数的指数函数拟合
• 附录2B：（2.11）和（2.13）式等价性的证明
• 附录4A：SEASAT 高度计跟踪偏差分析
• 附录4B：（4.13）式的证明
• 附录5A：偏斜度偏差和电磁偏差的理论推导
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的论文
• 致谢