一种基于角度分集的海洋流场反演星载SAR系统及其方法

摘要

本发明公开了一种基于角度分集的海洋流场反演星载SAR系统及其方法，该星载SAR系统包括两个沿着卫星飞行方向放置的雷达天线，该两个雷达天线分别产生两个雷达波束，两个波束具有不同的斜视角且能够在不同的时间照射海面上的同一块区域。利用该星载SAR系统以多普勒中心频率作为观测变量对海洋流场进行反演；得到海流的完整速度矢量，即反演得到的海流信息不仅包括海流的径向速度信息还包括方位向速度信息。相比于传统的海面流场反演手段，如现场观测、岸基雷达观测，本发明提出的基于角度分集的海洋流场星载SAR系统能够反演全球范围的海洋流场，全面了解海流的时空变化；且能够全天时、全天候工作，不受气象条件限制。

说明书

技术领域

本发明属于海洋遥感技术领域，具体涉及一种基于角度分集的海洋流场反演星载SAR系统。

背景技术

海流对海洋上空的气候和天气的形成及变化以及海洋中多种物理、化学、生物以及地质过程有重要的影响和制约作用。比如，由低纬度流向高纬度的海流会造成水汽向上输送，使得空气湿度增大而产生降水；而由高纬度流向低纬度的海流会产生逆温，水汽不易向上输送，蒸发较弱而不易成雨。此外，海流在军事上也有重要的意义。对于海军作战，海流是作战考虑的重要因素之一，合理地利用海流会对作战起到降低战争消耗，增加胜利的筹码，反之，不考虑海流的影响会对战争起到不利影响，甚至导致失败。海流信息的获取在民用方面也有重要的作用，比如，贸易船只航线的选择要参考海流的状况等。因此，全球范围的海洋流场信息的反演无论是对于研究海洋本身的某些特征，还是与海洋密切相关的气候、天气，甚至军事应用均起着至关重要的作用。然而，目前海流是卫星遥感海洋动力参数中最不成熟的一个参数，还没有一个专门的卫星遥感测流业务化传感器。

海面流场的观测方法主要包括现场观测、岸基雷达观测、卫星遥感观测等方式。首先，测量海流的比较直接的一种方式就是“现场观测”。这种方法的突出优点是其具有较高的测量精度，然而，这种方法的空间覆盖范围有限，难以全面了解海流的时空变化，并且每次观测的成本较高，这些缺点使得“现场观测”不能满足实际应用的需求。其次，岸基雷达测量海流，主要包含X波段雷达和高频地波雷达。X波段雷达测量近岸3公里以内的流场，但它只有在海浪大于1米，且波浪较为均匀的地方才能获得相应的流场。高频地波雷达是专门用来测量沿岸海流的雷达设备，然而高频地波雷达测量的空间范围有限，不能进行全球观测。其三是卫星遥感测流技术，卫星遥感技术主要包括雷达高度计获取地转流、多时相遥感图像反演海面流场、合成孔径雷达(SAR)技术获取海面流场等。卫星高度计通常仅适用于测量大范围的地转流，且存在重复观测周期较长的问题；高度计接收到的雷达回波信号容易受到来自陆地回波信号的“污染”以及大气误差的影响，离海岸线50公里以内的高度计数据通常不能实用。多时相光学遥感图像反演海面流场也是卫星遥感海面流场的一种方法，该方法是利用遥感图像中的示踪物(如海表温度、叶绿素浓度等)在海流作用下的变化来测量海流。遗憾的是，海表温度数据以及叶绿素数据的获得受到“云层覆盖”的制约，并且这种方法对于“等温区域”或“等叶绿素区域”通常是失效的。星载SAR流场反演主要有三种方法。第一种方法即多时相SAR图像反演海面流场，其方法同多时相光学图像反演算法。第二种方法称为沿轨干涉法(ATI),它利用两个沿着轨道放置的天线，通过计算两天线的干涉相位即可获取径向海流信息。第三种方法利用单天线的多普勒中心偏移进行流场反演，这种方法的海流径向速度测量精度依赖于由卫星轨道和姿态测量数据计算得到的多普勒中心频率。对于上述第一种方法，它能克服光学图像受云雨等天气的影响，但同样存在与光学图像类似的困难，难以获取粗糙度较均匀海面的流场，业务化应用受到很大的限制。对于第二种和第三种方法，它们都只能获取径向流场，难以获取海面二维矢量流场。此外，ATI方法还容易受到“场景相干时间”等因素的制约，而“场景相干时间”直接与Bragg散射波浪有关系；当“场景相干时间”小于“干涉SAR图像对的时间间隔”时，ATI方法测流的精度将会明显变差。

发明内容

为了克服现有海流反演方法的缺点：比如，现有的星载SAR测流方法无法反演海流的完整二维速度矢量；“现场观测”方法空间覆盖范围有限，难以全面了解海流的时空变化；X波段雷达只有在海浪大于1米，且波浪较为均匀的地方才能获得相应的流场。同时，为了充分发挥星载SAR在海洋流场反演中的优势，比如全球范围，全天时、全天候工作的能力，不受气象条件限制等，本发明的目的是提供一种基于角度分集的海洋流场反演星载SAR系统，该星载SAR系统利用“多普勒中心频率”作为海流信息的“载体”，能够反演海流的二维速度矢量，即包括海流的径向速度同时也包括海流的方位向速度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于角度分集的海洋流场反演星载SAR系统，包括两个沿着卫星飞行方向放置的雷达天线，该两个雷达天线分别产生两个雷达波束，两个波束具有不同的斜视角且能够在不同的时间照射海面上的同一块区域。

两个雷达天线分别将接收到的回波信号依次传输到低噪声放大器、下变频器或解调器、射频模拟波束形成模块、模拟信号/数字信号转换模块；在射频模拟波束形成模块，两个天线所用的阵元加权系数不同，从而产生两个具有不同斜视角的波束。

两个雷达天线交替发射脉冲信号并交替接收回波信号，从而使得两天线接收的回波信号避免相互干扰。

一种利用上述的星载SAR系统的反演海洋流场的方法，利用基于角度分集的海洋流场反演星载SAR系统的两个雷达天线分别产生两个雷达波束，两个雷达波束具有不同的斜视角且能够在不同的时间照射海面上的同一块区域，从而实现角度分集；并以多普勒中心频率作为观测变量对海洋流场进行反演；反演流场时，同一区域的海流将会在两个雷达天线接收信号中表现为两个不同的多普勒中心频率，从而根据两个方程反演出海流的完整速度矢量，即反演得到的海流信息不仅包括海流的径向速度信息还包括方位向速度信息。

本发明的有益效果是：

1)本发明提出的基于角度分集的星载SAR系统为一全新的星载SAR体制，在海洋环境探测领域将具有非常好的应用前景。

2)相比于传统的海面流场反演手段，如现场观测、岸基雷达观测，本发明提出的基于角度分集的海洋流场星载SAR系统能够反演全球范围的海洋流场，全面了解海流的时空变化；且能够全天时、全天候工作，不受气象条件限制。

3)SAR-ATI方法以及单天线SAR多普勒中心偏移方法只能得到海流的径向速度而无法得到完整的二维速度矢量。本发明提出的基于角度分集的星载SAR系统很好地解决了这一难点问题，能够同时得到海流的径向速度信息与方位向速度信息。

4)对于已有的SAR-ATI方法，通常要求“场景相干时间”大于“干涉SAR图像对的间隔时间”；当此条件不满足时，ATI方法的流场反演精度将会明显下降。比较起来，当利用本发明提出的基于角度分集的星载SAR系统反演海面流场时，不受上述条件的限制。

5)相比于已有流场反演手段，本发明提出的SAR系统的流场反演步骤简单易行、运算量较小：仅需要SAR原始数据的一阶相位信息。

附图说明

图1为基于角度分集的海洋流场反演星载SAR系统

图2为角度分集的实现方案流程；

图3为海洋流场反演流程；

图4为角度分集星载SAR反演流场仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和实例进一步说明本发明的具体实施方式，但本发明的内容并不限于此。

如图1所示为一种基于角度分集的海洋流场反演星载SAR系统，包括两个沿着卫星飞行方向放置的雷达天线，该两个雷达天线分别产生两个雷达波束，两个波束具有相同的下视角(图中的α)，但具有不同的斜视角，两个雷达波束能够在不同的时间照射海面上的同一块区域。两个雷达天线分别将接收到的回波信号依次传输到低噪声放大器、下变频器或解调器、射频模拟波束形成模块、模拟信号/数字信号转换模块。

下面根据图2详细说明实现角度分集的方案。如图2所示，对于第一个雷达天线(或第二个雷达天线)，每个天线阵元接收到的回波信号经过低噪声放大、下变频(或解调)后，接着进行射频模拟波束形成，最后进行模拟信号到数字信号的转换。射频模拟波束形成的作用是为了形成具有一定波束中心指向的天线方向图，其实现方式就是对各个阵元解调后的信号进行加权，然后求和。为了使第一个雷达天线与第二个雷达天线产生两个具有不同角度指向的波束，应使得各自的加权系数不同。如图2所示，两个具有不同中心指向的波束就构成了一个角度-分集SAR系统，此时，该SAR系统具有两个角度自由度，其中第一波束的斜视角为第二波束的斜视角为两个波束斜视的方向相反。

两个SAR天线交替发射脉冲信号并交替接收回波信号，从而使得两天线接收的回波信号避免相互干扰。

在观测变量的选取方面，本发明采用SAR多普勒中心频率这个变量。

下面根据图3说明利用角度-分集星载SAR反演海洋流场的原理与步骤。

a)首先将第一个雷达天线接收的SAR回波数据在慢时间(η)维平移如下时间量(见图1)：

其中，H为卫星平台高度，V为卫星平台的速度，α为两个波束的下视角，与分别为第一个SAR波束与第二个SAR波束的斜视角。

b)根据平均互相关系数(ACCC)法分别估计两天线接收信号的基带多普勒中心频率：

$>f_{Dc1}^{\prime }=\frac{PRF}{2\pi }\angle \{\underset{\eta }{\Sigma }{s}_1^{*}\left(\eta \right)·s_1(\eta +\frac{1}{PRF})\},-\frac{PRF}{2}\le f_{Dc1}^{\prime }\le \frac{PRF}{2}---\left(2\right)$>

$>f_{Dc2}^{\prime }=\frac{PRF}{2\pi }\angle \{\underset{\eta }{\Sigma }{s}_2^{*}\left(\eta \right)·s_2(\eta +\frac{1}{PRF})\},-\frac{PRF}{2}\le f_{Dc2}^{\prime }\le \frac{PRF}{2}---\left(3\right)$>

其中，f'_Dc1与f'_Dc2分别为第一个雷达天线与第二个雷达天线的基带多普勒中心频率；PRF为雷达脉冲重复频率；η表示慢时间(即方位时间)；s₁(η)与s₂(η)分别为第一个雷达天线与第二个雷达天线接收海面场景回波方位维原始SAR信号；∠{·}表示取信号的相位。

c)利用多视互相关算法(MLCC)分别估计第一个雷达天线与第二个雷达天线接收信号的多普勒模糊数M_amb1与M_amb2。

d)计算两天线接收SAR信号的绝对多普勒中心频率：

f_Dc1＝f'_Dc1+M_amb1·PRF(4)

f_Dc2＝f'_Dc2+M_amb2·PRF(5)

其中，f_Dc1与f_Dc2分别为第一个雷达天线与第二个雷达天线接收回波SAR信号的绝对多普勒中心频率。

e)从f_Dc1与f_Dc2中去除由系统斜视所引起的多普勒频率，分别得到与

其中，λ为雷达波长。

f)海流的二维速度矢量，可以由下式计算得到：

其中，与分别为海流的方位向速度与距离向速度，H_2×2为一2×2的矩阵，其表达式为：

其中，[]^-1表示矩阵(方阵)的逆矩阵。

利用本发明提出的基于角度分集星载SAR系统反演得到的海洋流场的仿真结果如图4所示。

综上，本发明有如下特点：

1)基于角度分集的海洋流场反演星载SAR系统，用于反演海洋流场的完整二维速度矢量。采用角度分集星载SAR系统并以多普勒中心频率作为观测变量对海洋流场进行反演，反演得到的海流信息不仅包括海流的径向速度信息还包括方位向速度信息。

2)利用两个雷达天线分别产生两个雷达波束；这两个波束“同时”照射海面，但它们的斜视角不同，从而实现SAR系统的“角度分集”。

3)角度分集SAR系统的两个波束的下视角相同，从而使得两个SAR波束能够在不同的时间照射海面上的同一块区域。

4)两个雷达天线交替发射脉冲信号并交替接收回波信号，从而使得两天线接收的回波信号避免相互干扰。

5)为了反演海洋流场，角度分集SAR系统利用多普勒中心频率(即雷达波束中心经过某海面散射单元时对应的瞬时多普勒频率)作为观测变量，即作为海流信息的载体。

6)利用角度分集SAR反演流场时，同一区域的海流将会在两SAR天线接收信号中表现为两个“不同”的多普勒中心频率，从而可以根据两个方程反演出海流的完整速度矢量，即反演得到的海流信息不仅包括海流的径向速度信息还包括方位向速度信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。