Отримано вираз, що зв'язує усереднений профіль потужності, прийнятої супутниковим висотоміром, з висотою орбіти, ступенем схвильованості моря і відхиленням променя антени від вертикалі. Компактність пропонованої аналітичної моделі спрощує синтез і аналіз алгоритмів пошуку і супроводу ехосигнала.

Анотація наукової статті з фізики, автор наукової роботи - Боровицкий Дмитро Сергійович, жестера Олександр Євгенович, Іпатов Валерій Павлович, Мамчур Руслан Михайлович


Radar Altimeter Echo-Signal Analytical Model

To design and analyze signal processing procedures in the onboard receiver of a space-based altimeter an analytical echo-signal model is desirable which combines compactness with acceptable accuracy of presenting average return power dependency on the measured parameters. On the same premises as for the popular Brown's model and for the scenario of a sharp antenna beam the expression is proposed linking the mean return power profile to parameters to be measured: orbit altitude, significant wave height and antenna boresight angle. Only the "ready" functions enter the equation obtained, so that no numerical integration is necessary. The model proposed is feasible to optimize echo-signal search and tracking algorithms as well as to evaluate the potential accuracy of joint estimate of the abovementioned parameters.


Область наук:
  • фізика
  • Рік видавництва діє до: 2017
    Журнал
    Известия вищих навчальних закладів Росії. Радіоелектроніка

    Текст наукової роботи на тему «АНАЛІТИЧНА МОДЕЛЬ ехосигнала СУПУТНИКОВОГО висотоміра»

    ?УДК 621.396.96

    Д. С. Боровицкий, А. Е. жестера АТ "Російський інститут радіонавігації і часу" (Санкт-Петербург)

    В. П. Іпатов, Р. М. Мамчур Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет "ЛЕТІ" ім. В. І. Ульянова (Леніна)

    Аналітична модель ехосигнала супутникового висотоміра

    Отримано вираз, що зв'язує усереднений профіль потужності, прийнятої супутниковим висотоміром, з висотою орбіти, ступенем схвильованості моря і відхиленням променя антени від вертикалі. Компактність пропонованої аналітичної моделі спрощує синтез і аналіз алгоритмів пошуку і супроводу ехосигнала.

    Супутниковий висотомір, ехосигнал, елементарний відбивач, гауссовский імпульс

    Супутникова альтиметр з моменту своєї появи стала основним засобом космічно го моніторингу акваторій Світового океану, відкривши нові горизонти в прикладних і наукових дослідженнях Землі. Перший радіовисотомір космічного базування був виведений на орбіту в складі експериментальної місії БкуЬаЬ в 1973 р З тих пір альтиметр стали невід'ємною частиною більшості масштабних програм дистанційного зондування Землі з космосу [1].

    Пролітаючи над поверхнею, що підстилає, супутниковий альтиметр з висоти близько тисячі кілометрів засвічує велику територію, площа якої сягає десятків квадратних кілометрів. При цьому відображення від елементарних ділянок освітлюється плями, маючи свої випадкові початкові фази і амплітуди, складаються на вході приймача некогерентно, в результаті чого сумарний корисний сигнал виявляється шумовим. Вирішальна роль у визначенні висоти належить оцінці тимчасового положення наростаючого фронту профілю прийнятої потужності, а необхідна при цьому висока точність накладає необхідність випромінювати сигнали еквівалентної тривалості порядку декількох наносекунд. Альтиметр, що будуються за таким принципом, є імпульсно-обмеженими. Вимірювання інших характеристик поверхні (ступінь схвильованості моря, що відображає здатність) також пов'язано з оцінкою параметрів профілю потужності ехосигнала [2], [3].

    У цій статті досліджується математична модель усередненої потужності відбитого сигналу, а також наводяться досить точні вирази, зручні для подальшого теоретичного аналізу. © Боровицкий Д. С., жестера А. Е., Іпатов В. П., Мамчур Р.

    В літературі по супутниковому альтиметрії часто використовується модель Брауна [4], яка описує імпульсний відгук (реакція на сигнал у вигляді 5-функції) плоскою шорсткою поверхні. Фундаментом при її формуванні послужили результати роботи Мура і Вільямса [5], що дають підставу вважати, що повна потужність, відбита від шорсткою поверхні, є сума парціальних потужностей від всіх освітлюваних елементарних відбивачів цієї поверхні. При цьому модель спирається на ряд припущень:

    - відбиває поверхня являє собою сукупність великого числа незалежних розсіюють елементів (блискучих точок);

    - описує шорсткість статистика покладається однорідної (однаковою) в межах всього освітлюється плями на протязі кожного сеансу зондування;

    - відображення є частотно-незалежним скалярним процесом з відсутністю ефектів поляризації;

    - залежність інтенсивності відбиття від кута падіння відносно нормалі до поверхні обумовлюється тільки відповідною зміною питомої відбивної здатності стд і характеристиками спрямованості приймальної антени;

    - тривалість зондуючого імпульсу дуже мала в порівнянні з періодом Доплера-ської частоти сигналу, відбитого блискучою точкою в межах засвічує ділянці, що виникає внаслідок ненульовий радіальної швидкості між останньою і космічним апаратом (КА).

    Відзначимо, що на відміну від суші зазначені обмеження добре узгоджуються з властивостями М. 2017 39

    морської поверхні при розумному виборі часу накопичення і усереднення [4], [6].

    Подальші уточнення моделі Брауна [7], [8] в основному мали на меті максимальне врахування зсувів, обумовлених асиметрією гребенів і западин морських хвиль, розподілу нахилів морської поверхні та іншими факторами. Зауважимо, що вплив подібних ефектів обмежується етапом фінальних вимірів, виконуваних наземним моніторинговим комплексом за даними альтиметра, що транслюються з борта КА. Головною ж метою вимірювань, що здійснюються на борту, є надійне утримання прийнятого ехосіг-налу на автосупроводження, малочутливі до зазначеним раніше систематичних помилок. Тому при розробці самого супутникового альтиметра актуальна така модель ехосигнала, аналітична компактність якої, що досягається за рахунок зневаги згаданими вторинними факторами, дозволяє синтезувати прозорі алгоритми пошуку і супроводу ехосигнала і з достатньою точністю спрогнозувати їх ефективність. На думку авторів, що приводиться далі висновок відповідає сформульованої мети.

    Розрахунок профілю прийнятої потужності. Методика розрахунку потужності ехосигнала, відбитого від плоскої шорсткою поверхні і надходить на вхід приймача висотоміра, пояснюється рис. 1 [4], на якому відображає поверхню знаходиться в площині х0у; до - відстань від поверхні, що відбиває до фазового центру антени (висота); ? - кут між віссю діаграми спрямованості (ДН) антени г0 і напрямком надира (віссю z); г - похила дальність від антени до блискучої точки с1Б з полярними координатами р, ф; 0 - кут між напрямком на елементарний відбивач і променем

    антени. Тоді приймається альтиметром усереднена потужність як функція часу може бути знайдена підсумовуванням потужностей відображень від всіх блискучих точок в межах плями засвітки [4]:

    р {() = / \ rWTG0 ^ ар Г (4 ^) 3}

    21-г s21 г + 2-

    О2 (0) (1)

    де Р {Г - яку випромінює пікова потужність; Ж, Т-ширина спектра і тривалість зондуючого сигналу відповідно; О0 - коефіцієнт посилення антени на прийом і передачу; X - довжина випромінюваної хвилі; Ьр - додаткові втрати

    на трасі поширення; 5 (г) - форма стиснутого зондуючого імпульсу одиничної пікової потужності; с - швидкість світла; О (0) - нормована ДН антени, покладаються тілом обертання. Перейшовши до полярних координат і використавши тригонометричні перетворення, додамо висловом (1) такий вигляд:

    () ЖЛ 52 і + 2 (до - г) / с | 2 () Рг (г) = --- трО2 (0) рdрdф, (2)

    [1 + (Р / к) 2 '

    0 0

    де співмножник А об'єднує всі не залежать від координат елементарного відбивача величини, а г і 0 пов'язані з р і ф співвідношеннями

    г = ФГ2 + р2;

    = агссоБ

    до со8 | + РЗТ ф

    (3)

    (4)

    dS Рис. 1

    Рівність (2) описує середню потужність ехосигнала висотоміра, відбитого від плоскої поверхні, наприклад спокійного моря. Облік хвилювання згідно з багатьма джерелами, присвяченим космічної альтиметрії ([2] - [5], [7], [8] та ін.), Реалізується сверткой відображення від невзволнованной поверхні з щільністю ймовірності висоти хвилі.

    Нехай голкоподібний промінь антени орієнтований строго в напрямку надира (рис. 2). Блискуча точка з плоскими полярними координатами р, ф за рахунок хвилі відхиляється від спокійної горизонтальній поверхні (штрихова лінія) на величину г, причому И ^ гр, де гр - відстань від

    фазового центру антени до елементарного відбивача за відсутності хвилювання (рис. 2). У вузькому промені антени кут видимості відбивача практично не залежить від и: 0d ~ 0р, а відстань отража-

    г

    Р

    Мал. 2

    теля до антени й - Дд + р Таким чином, при зондуванні імпульсом, автокореляційна функція якого описується як 5 Ь), потужність, що приходить на приймач від відбивача з координатами р, ф в момент часу О1, відповідно до рівняння радіолокації [4] , [9] визначається як

    РГМ (1, P, ф) -

    А 52 ^ + 2 ((- Гд) / с - 2 (г! С) _2

    (T) + z)

    G2 (Oq)

    s2 [t + 2 (h -1))) c - 2 (z / c)] g2

    t)

    g2 (0q), (5)

    де індекс "w" (wave) вказує на наявність хвилювання, а в коефіцієнт Aj входять величини, які не залежать від координат відбивача. Нехай W (z) - статистичний розподіл висоти відбивача над середнім рівнем спокійній поверхні. Тоді, усереднивши праву частину (5) по z, прийдемо до математичного сподівання потужності, прийнятої від конкретної блискучою точки: ю

    Prw (, P, ф) = j Prw (, P, ф) W (z) dz ~

    A J

    s2 [t + 2 (h - tQ) c - 2 (z / c)]

    [1 + (p / h) xG2 (0q) W (z) dz,

    (6)

    де А2 - константа, яка визначається випромінюваної потужністю, висотою орбіти КА (, що відбивають властивостями поверхні і т. п. Для нахожд-

    1 Час відраховується від 2 (з - моменту досягнення приймача фронтом хвилі, відбитої від середнього рівня зондіруемой водної поверхні.

    ня повної потужності Рт (/), перехоплюваних приймачем в момент t від всіх освітлюваних блискучих точок, слід проинтегрировать (6) по всій площині. Після зміни порядку інтегрування маємо:

    Р ™ (t) =

    = A J W (z)

    -<x>

    s2 [t + 2 (h -1)) / c - 2 (z / c)]

    JJ г 2 ~

    QQ [l + (p / h) 2 x G 2 (0q) pd pd ф} dz,

    (7)

    де A = 2A2. Перехід до змінної ti = 2z / c призводить (7) до виду

    Prw (t) =

    J

    cw f ^

    2 I 2

    AjJ s2 [t + 2 (h - tQ) c - ti]

    QQ

    (8)

    [1 + (р / h)

    x G2 (9q) pd pd ф | dti,

    де r0 = sjh2 + p2; 90 = arccos (h / r0) (рис. 2).

    i 2 + 2 "

    Врахуємо, що в (2) r = VW + p "і при нульовому відхиленні променя антени від вертикалі (?, = 0) 9 = arccos (h / r). Відзначимо, що вираз в фігурної дужки в (8) відрізняється від ( 2) тільки зміщенням аргументу на -i [. Таким чином, інтеграл по t1 в (8) є сверткой вираження потужності при невзволнованной поверхні з функцією (с / 2) W (cti / 2) - масштабированной щільністю ймовірності висоти хвилі:

    р ™ а) = 12 w ^ ^ р (- ^ ^

    -<х>

    У подинтегрального вираженні внутрішнього інтеграла в (8) від зсуву ^ залежить тільки

    функція 52 (•). Тому для обчислення Рт (t)

    можна спочатку знайти згортку функцій 52 (•) і (с / 2 (сф):

    (T) = J cw (з-2) s2 (t - ti) dti,

    (9)

    а потім підставити) в (2) замість 5). Тим самим є підстави вважати, що наявність хвилювання еквівалентно перетворенню сигналу

    х>

    s

    (Г) лінійним фільтром з імпульсної характеристикою (с / 2 (1/2).

    Широко поширена гауссовская модель морського хвилювання [1] - [4], [7], [8], [10] - [12]:

    W (z) =

    1

    -exp

    CTz

    ,2 ^

    2ст

    (10)

    z у

    де а И - середньоквадратичне відхилення висоти хвилі. Приймемо форму стисненого зондуючого імпульсу також гауссовской, спираючись на повсюдне використання даного наближення в джерелах по альтиметрії [1] - [4], [7], [8], [10] - [13]:

    5 (г) = ехр (Р? 2), (11)

    де Р = 21п2 / д |) 5, причому Д05 - тривалість імпульсу за рівнем половинної потужності. Так як згортка двох церковних функцій є знову дзвонова функція, підставивши (10) і (11) в (9), отримаємо:

    1

    sw (t) =

    + 16р ​​(ст z / c) 2

    х exp

    -2-

    Pt2

    1 + 16р ​​(з z / c) 2

    де

    v = |

    1 + 16р ​​(Сz / c)

    = S2 (W • t), (12)

    (13)

    2 '

    Як видно, хвилювання не змінює форми гаусів-ського зондуючого імпульсу, приводячи лише до його розтягування в часі зі збереженням енергії. Тому, щоб врахувати хвилювання при обчисленні профілю прийнятої потужності, потрібно лише підставити в (2) вихідний гауссовский імпульс, отмас-штабірованний згідно (12), (13). В результаті для церковного зондуючого імпульсу (11) задача одночасного вимірювання висоти і ступеня схвильованості морської поверхні параметрізуется як оцінка двох величин: запізнювання наростаючого фронту прийнятої потужності і параметра масштабування (13), що збігається з висновками [4].

    Скориставшись гауссовской аппроксимацией ДН антени [4]

    G (0) = exp [- (2 / у) sin2 0

    де у = (2 / ln2) sin2 (0.5 / 2), причому 00.5 - ширина ДН антени по половинному рівню, перепишемо (2) з урахуванням хвилювання наступним чином:

    Pw (t) = Л / Vjj

    00

    exp

    -2pv (t + 2 (h - r) / c) 2

    [1 + (P / h) х exp [- (4 / у) sin2 0] pd pd ф.

    (14)

    У припущенні, що ширина променя 005 досить мала і відхилення осі ДН антени від вертикалі ?,<00 5/2 «1; s = p / h 1, sin 0 «0.

    Тоді з (3) r «h (1 + s22? 2), а з (4)

    cos

    0 «1 -02Д« 1 - (? 2 + s2 - 2? S cos ф) / 2,

    звідки

    0-л / е2 + s2 - 2? Scosф. З урахуванням (15) рівність (14) набуде вигляду

    Prw (t) = Ah24V exp (-4? 2 / у) х

    (15)

    <J

    exp

    -2pv (t - hs2 / c)

    (1 + s2)

    exp

    (-4-

    або

    х sd sj exp (8? s cos ф / у) d ф

    0

    Prw (t) = A% h2 Wexp (- 4s2 / у) х

    <i

    exp

    -2pv (t - hs 2 / c)

    (16)

    0 (1 + е2) 2 х ехр (-4 ^ 2 / у)) (8 ^ / у ^ 8,

    де 10 (•) - модифікована функція Бесселя нульового порядку. Далі, використовуючи наближення останньої функції при малих аргументах

    / 0 (С) «1 + С 2/4 - ехр (2/4),

    (17)

    отримаємо

    Prw (t) «A% h2JV exp (-4? 2 / i)

    південь 2

    х | exp -2Pv (t-hs2 / c)

    0

    х exp [- (s2 /)) (1 - 4? Vy)] sds -. = (A% h2? 2)) exp (- 4? 2 / y) х 2

    х " '" ~

    0

    х exp

    j exp [-2P v (t - h | a / c) 2 [- (4ц / у) (1 - 4? 2 /))] d Ц,

    (18)

    я

    1

    де знаменник у виразі під інтегралом відкинутий в силу того, що в межах променя антени 2 + 2

    ц = е = (р / () ^ 1. Замінивши в (18) змінну інтегрування на у = t - (ц / с, маємо:

    АЖС (^ ехр (-а ^ t - 4!, 2 / у) х

    Ргш ^)<

    I

    х | ехр (-2руу2) ехр (а ^ у) йу,

    де а = 4 з / (у (); ^ = 1 - 4!, 2 / у. Після доповнення

    показника експоненти під інтегралом останнього виразу до квадрата різниці маємо:

    Рш ^) - "^ ехр

    (

    +

    !2 (Л

    2 + 2

    а ^

    з У

    1

    г

    остаточно:

    | ехр< - 2ру | у -

    а ^

    >йу.

    Р ™)

    А% УРК • с (

    2 ^ / 2р

    ехр < -а

    Ф

    ^ 1 4ру

    1 8ру У з

    (19)

    З

    де Ф (С) = 1 | ехр (-г2Д- інтеграл ве-

    імовірності.

    На рис. 3 зображені нормовані профілі потужності, один з яких (суцільна крива) розрахований чисельним інтеграцією "точного" рівності (14), а другий (штрихова крива) - згідно наближенню (19). Криві побудовані при наступних значеннях параметрів: висота (= 1000 км, смуга частот дзвонового сигналу Ж = 320 МГц, його тривалість Д0 5 = 0.886 / Ж, СТГ = 0, V = 1 (гладка поверхня), 00 5 = 0.6 ° - типова ширина ДН антени по рівню 0.5 висотоміра Ка-діапазону - 0.84 см) при діаметрі рас-Крива дзеркала 1 м і відхилення осі антени від напрямку надира! = 0.15 °.

    З рис. 3 випливає, що при прийнятих ширині променя і відхиленні від вертикалі різниця між наближеним рішенням (19) і точним рішенням (14) вже цілком відчутна. Для поліпшення апроксимації скористаємося наближенням функції Бесселя з [14], яке зберігає більш високу щодо (17) точність в ширшій околиці нуля:

    Рп 0.8 -0.6 -0.4 0.2

    I

    J_I_I_1_

    J_I_1_

    -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 г / Д05 Рис. 3

    Р

    -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 г / Д05 Рис. 4

    10

    (С) - 2ехр (2А)

    - 1.

    (20)

    Підставивши (20) в (16) і практично повністю повторивши колишні викладки, прийдемо до підсумку:

    Р ™ (г Ь

    2 ^ 2р

    (

    -ехр

    4!

    у

    2 ^

    х<! 2Ф

    - Ф

    '1Р »\ г -

    а "П1

    4рv

    2ТМ г -

    а

    4рv

    ехр

    ехр

    -аг111 г -

    а-Л1 8р ^

    -а г -

    а

    (21)

    де гц = 1 - 2 ^ 2 / у. Як видно з рис. 4, навіть при відхиленні від вертикалі на третину ширини променя антени (= 0.2 °) різниця між залежностями (21) (штрих-пунктирна крива) і (14) (суцільна крива) непомітна, чого не можна сказати про наближення (19) (штрихова крива ).

    Отримана в цій статті аналітична модель описує профіль прийнятої альтиметром потужності через елементарні або табульованого функції. Завдяки цьому процедура синтезу алгоритмів пошуку і супроводу ехосигнала спрощується і набуває прозорість. У ще більшою мірою зручності моделі виявляться при аналізі потенційної точності спільної оцінки альтиметром висоти орбіти, значущою висоти хвилі, питомої ефективної поверхні, що відбиває і відхилення осі ДН антени від напрямку надира.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Satellite Altimetry and Earth Sciences. A Handbook of Techniques and Applications / ed. by L.-L. Fu, A. Cazenave. San Diego: Academic Press, 2001. 463 p.

    2. Barrick D. E., Lipa B. J. Analysis and Interpretation of Altimeter Sea Echo // Advances in Geophysics. 1985. Vol. 27. P. 61-100.

    3. Coastal Altimetry / ed by S. Vignudelli, A. G. Kostia-noy, P. Cipollini, J. Benveniste. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2011. 578 p.

    4. Brown G. S. The average impulse response of a rough surface and its applications // IEEE Trans. on Ant. and Prop. 1977. Vol. AP-25, № 1, P. 67-74.

    5. Moore R. K., Williams C. S. Radar terrain return at near-vertical incidence // Proc. IRE. 1957. Vol. 45, № 2. P. 228-238.

    6. Miller L. S. Topographic and backscatter characteristics of Geos 3 overland data // J. of Geophysical Research. 1979. Vol. 84, № B8. P. 4045-4054.

    7. Hayne G. S. Radar altimeter mean return waveforms from near-normal-incidence ocean surface scattering // IEEE Trans. on Ant. and Prop. 1980. Vol. AP-28, № 5. P. 687-692.

    Стаття надійшла до редакції 7 березня 2017 р.

    8. Морозов К. М. Дослідження впливу стану поверхні акваторій на точності характеристики прецизійного висотоміра космічного базування: дис. ... канд. техн. наук / МЕІ. М., 2000. 201 с.

    9. Радіотехнічні системи: навч. для вузів / під ред. Ю. М. Казарінова. М .: Вища. шк., 1990. 496 с.

    10. Jackson F. C., Walton W. T., Hines D. E. Sea surface mean square slope from Ku-band backscatter data // J. of Geophysical Research. 1992. Vol. 97, № 7. P. 11411-11427.

    11. Brown G. S. Backscattering from a Gaussian-Distributed Perfectly Conducting Rough Surface // IEEE Trans. on Ant. and Prop. 1978. Vol. AP-26, № 3. P. 472-482.

    12. Martin S. An Introduction to Ocean Remote Sensing. 2nd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 2014. 496 p.

    13. Баскаков А. І., Голубков В. Г. Стійкість середньої форми імпульсу, відбитого від схвильованої морської поверхні, до форми зондуючого імпульсу // Тр. МЕІ. 1979. Вип. 418. С. 41-44.

    14. Improving the Jason-1 Ground Retracking to Better Account for Attitude Effects / L. Amarouche, P. Thibaut, O. Z. Zanife, J.-P. Dumont, P. Vincent, N. Steunou // Marine Geodesy. 2004. Vol. 27, № 1-2. P. 171-197.

    Для цитування: Аналітична модель ехосигнала супутникового висотоміра / Д. С. Боровицкий, А. Е. жестера, В. П. Іпа-тов, Р. М. Мамчур // Изв. вузів Росії. Радіоелектроніка. 2017. № 3. С. 39-46.

    Боровицкий Дмитро Сергійович - кандидат технічних наук (2016), провідний науковий співробітник АТ "Російський інститут радіонавігації і часу" (Санкт-Петербург). Автор понад 10 наукових публікацій. Сфера наукових інтересів - широкосмугові системи радіолокації і радіонавігації, теорія сигналів. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Жестера Олександр Євгенович - кандидат технічних наук (1982), начальник відділу АТ "Російський інститут радіонавігації і часу" (Санкт-Петербург). Автор понад 20 наукових публікацій. Сфера наукових інтересів - радіолокація і радіонавігація; теорія зв'язку. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Іпатов Валерій Павлович - доктор технічних наук (1983), професор (1985) кафедри радіотехнічних систем Санкт-Петербурзького державного електротехнічного університету "ЛЕТІ" ім. В. І. Ульянова (Леніна). Заслужений діяч науки РФ (2001), почесний радист СРСР (1983). Автор понад 250 наукових робіт. Сфера наукових інтересів - радіоелектронна системотехніка; статистична теорія зв'язку; широкосмугові системи радіолокації, радіонавігації і передачі даних; теорія сигналів. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Мамчур Руслан Михайлович - магістр техніки і технологій за напрямом "Радіотехніка" (2015), аспірант і асистент кафедри радіотехнічних систем Санкт-Петербурзького державного електротехнічного університету "ЛЕТІ" ім. В. І. Ульянова (Леніна). Автор трьох наукових публікацій. Сфера наукових інтересів - статистична теорія зв'язку; широкосмугові системи радіолокації, радіонавігації і передачі даних; теорія сигналів; технічна електродинаміка. E-mail: raslan. mamchurt®mail .га.

    D. S. Borovitsky, A. E. Zhesterev JSC "Russian Institute of Radionavigation and Time" (Saint Petersburg)

    V. P. Ipatov, R. M. Mamchur Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"

    Radar Altimeter Echo-Signal Analytical Model

    Abstract. To design and analyze signal processing procedures in the onboard receiver of a space-based altimeter an analytical echo-signal model is desirable which combines compactness with acceptable accuracy of presenting average return power dependency on the measured parameters. On the same premises as for the popular Brown's model and for the

    scenario of a sharp antenna beam the expression is proposed linking the mean return power profile to parameters to be measured: orbit altitude, significant wave height and antenna boresight angle. Only the "ready" functions enter the equation obtained, so that no numerical integration is necessary. The model proposed is feasible to optimize echo-signal search and tracking algorithms as well as to evaluate the potential accuracy of joint estimate of the abovementioned parameters.

    Key words: Satellite radar altimeter, echo-signal, specular point, gaussian pulse

    REFERENSES

    1. Satellite Altimetry and Earth Sciences. A Handbook of Techniques and Applications; ed. by L.-L. Fu, A. Cazenave. San Diego, Academic Press, 2001., 463 p.

    2. Barrick D. E., Lipa B. J. Analysis and Interpretation of Altimeter Sea Echo. Advances in Geophysics, 1985, vol. 27, pp. 61-100.

    3. Coastal Altimetry; ed by S. Vignudelli, A. G. Kostia-noy, P. Cipollini, J. Benveniste. Berlin Heidelberg, Springer-Verlag, 2011, 578 p.

    4. Brown G. S. The Average Impulse Response of a Rough Surface and its Applications. IEEE Trans. on Ant. and Prop. 1977, vol. AP-25, no. 1, pp. 67-74.

    5. Moore R. K., Williams C. S. Radar Terrain Return at Near-vertical Incidence. Proc. IRE. 1957 vol. 45, no. 2, pp. 228-238.

    6. Miller L. S. Topographic and Backscatter Characteristics of Geos 3 Overland Data. J. of Geophysical Research. 1979, vol. 84, no. 8, pp. 4045-4054.

    7. Hayne G. S. Radar Altimeter Mean Return Waveforms from Near-Normal-incidence Ocean Surface Scattering. IEEE Trans. on Ant. and Prop. 1980, vol. AP-28, no. 5, pp. 687-692.

    8. Morozov K. N. Issledovanie vliyaniya sostoyaniya poverkhnosti akvatorii na tochnostnye kharakteristiki pretsizionnogo vysotomera kosmicheskogo bazirovaniya

    Received March, 7 2017

    [Investigation of the Influence of the State of the Surface of the Water Areas on the Accuracy Characteristics of a Precision Altimeter of Space Basing: diss Ph.D.]. Moscow, 2000., 201 p. (In Russian)

    9. Radiotekhnicheskie sistemy: Uchebnik dlya vuzov; pod red. Yu. M. Kazarinova [Radio Engineering Systems: Textbook for High Schools]. Moscow, Vyssh. shk., 1990, 496 p. (In Russian)

    10. Jackson F. C., Walton W. T., Hines D. E. Sea Surface Mean Square Slope from Ku-band Backscatter Data. J. of Geophysical Research. 1992 року, vol. 97, no. 7, pp. 11 411-11 427.

    11. Brown G. S. Backscattering from a Gaussian-Distributed Perfectly Conducting Rough Surface. IEEE Trans. on Ant. and Prop. 1978, vol. AP-26, no. 3, pp. 472-482.

    12. Martin S. An Introduction to Ocean Remote Sensing. 2nd ed. Cambridge University Press, 2014 року, 496 p.

    13. Baskakov A. I., Golubkov V. G. Stability of the Average Pulse Shape Reflected from an Agitated Sea Surface to the Shape of a Probing Pulse. Tr. MEI. 1979, iss. 418, pp. 41-44. (In Russian)

    14. Amarouche L., Thibaut P., Zanife O. Z., Dumont J.-P., Vincent P., Steunou N. Improving the Jason-1 Ground Retracking to Better Account for Attitude Effects. Marine Geodesy. 2004, vol. 27, no. 1-2, pp. 171-197.

    For citation: Borovitsky D. S., Zhesterev A. E., Ipatov V. P., Mamchur R. M. Radar Altimeter Echo-Signal Analytical Model. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii Rossii. Radioelektronika [Journal of the Russian Universities. Radioelectronics]. 2017, no. 3, pp. 39-46. (In Russian)

    Dmitry S. Borovitsky - Ph.D. in Engineering (2016), leading research fellow of JSC "Russian Institute of Radionavigation and Time" (Saint Petersburg). The author of more than 10 scientific publications. Area of ​​expertise: broadband radiolocation and radionavigation systems; signals theory. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Alexander E. Zhesterev - Ph.D. in Engineering (1982), chief of the department of JSC "Russian institute of radionavigation and time" (Saint Petersburg). The author of more than 25 scientific publications. Area of ​​expertise: radiolocation and radionavigation systems; communication theory. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Valery P. Ipatov - D.Sc. in Engineering (1983), Professor (1985) of the Department of Radio Engineering Systems of Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI". Honored scientist of the RF (2001), honorable radioman of the USSR (1983). The author of more than 250 scientific publications. Area of ​​expertise: radio-electronic system engineering; statistical communication theory; broadband radar, navigation and data systems; signal theory. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Ruslan M. Mamchur - Master of Science in Radio Engineering (2015), postgraduate student and assistant of the Department of Radio Engineering Systems of Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI". The author of 3 scientific publications. Area of ​​expertise: statistical communication theory; broadband radar, navigation and data systems; signal theory; technical electrodynamics. E-mail: ruslan. mamchur @ mail. ru


    Ключові слова: СУПУТНИКОВИЙ висотомір / SATELLITE RADAR ALTIMETER / ЕХО-СИГНАЛ / ЕЛЕМЕНТАРНОГО відбивач / гауссовский ІМПУЛЬС / GAUSSIAN PULSE / ECHO-SIGNAL / SPECULAR POINT

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити