一种基于角度分集的海洋流场反演星载sar系统及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于海洋遥感技术领域，具体设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】
[0002] 海流对海洋上空的气候和天气的形成及变化W及海洋中多种物理、化学、生物W 及地质过程有重要的影响和制约作用。比如，由低缔度流向高缔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;而由高缔度流向低缔度的海流会产生逆溫，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，还没有一个专口的卫星遥感测流业务化传感器。
[0003]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"。运种方法的突出优点是其具有较高 的测量精度，然而，运种方法的空间覆盖范围有限，难W全面了解海流的时空变化，并且每 次观测的成本较高，运些缺点使得"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W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。高频地波雷达是专口用 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Ξ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"W及大气误差的影响，离海岸线50公里W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(如海表溫度、叶绿素浓度等)在海流作用下的变化来测量海 流。遗憾的是，海表溫度数据W及叶绿素数据的获得受到"云层覆盖"的制约，并且运种方法 对于"等溫区域"或"等叶绿素区躁'通常是失效的。星载SAR流场反演主要有立种方法。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 为沿轨干设法(ATI)，它利用两个沿着轨道放置的天线，通过计算两天线的干设相位即可获 取径向海流信息。第Ξ种方法利用单天线的多普勒中屯、偏移进行流场反演，运种方法的海 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屯、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W获取粗糖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Ξ 种方法，它们都只能获取径向流场，难W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％景相干时阿'直接与化agg散射波浪有关系；当％景 相干时间"小于"干设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】
[0004]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W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"多普勒中屯、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。
[000引为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] -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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] -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W多普勒中 屯、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屯、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。
[0010] 本发明的有益效果是：
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 3)SAR-ATI方法W及单天线SAR多普勒中屯、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 运一难点问题，能够同时得到海流的径向速度信息与方位向速度信息。
[0014] 4)对于已有的SAR-ATI方法，通常要求"场景相干时间"大于"干设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。
[0015] 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】
[0016] 图1为基于角度分集的海洋流场反演星载SAR系统
[0017] 图2为角度分集的实现方案流程；
[0018] 图3为海洋流场反演流程；
[0019] 图4为角度分集星载SAR反演流场仿真结果。
【具体实施方式】
[0020] 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。
[0021] 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（图中的〇)，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。
[0022] 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屯、指向的天