一种基于高斯拟合的雷达多普勒谱估计海面流场的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种雷达多普勒谱估计海面流场的方法，适用于星载或机载合成孔径 雷达（SAR)的海洋信息反演领域，主要基于高斯拟合从雷达信号多普勒谱估计高海况时海 面流场分布。
【背景技术】
[0002] 星载或者机载SAR信号的多普勒谱包含了运动目标的散射特性和运动特性等信 息。利用SAR海洋观测数据的多普勒频移量可以提取海面流场信息。相同海面流速的情况 下，一般的会采用较高频段（C波段以上）SAR才能较为精确的流场反演结果。
[0003] SAR观测海洋时，其SAR回波信号的能量来源于海面线性短波散射分量（Bragg 波）和海面镜面散射分量（大尺度波）。SAR回波信号获取海面多普勒速度除了雷达波束 相对地面运动速度外，实际上是各种波流速度（如表面流场速度、Bragg波相速度、大尺度 波轨道速度等）的矢量和，反演表面流场的过程就是要从SAR获取的多普勒速度中剔除雷 达波束相对地面运动速度、Bragg波相速度和大尺度波的轨道速度，从而得到表面流场。最 近的海面实际观测表明，在高海况下SAR海面回波信号还有部分能量来自于海面非线性短 波散射，这部分非线性短波相速度未从多普勒速度中去除，导致在高海况下反演海面流场 速度的精度下降。所以，开发一种适用于高海况下反演海面流场的方法就显得十分有必要。
[0004] 中国专利CN201310352793名称为基于顺轨干涉SAR测量海面流场径向速度的方 法，该方法利用在顺轨方向设置的三幅天线获取三种不同干涉时间的干涉相位，得到准确 海面流场径向速度。该专利适用于单发多收的SAR体制，无法推广单发单收的SAR体制。中 国专利CN200410036470名称为海洋表层流场的获取方法，将雷达单站采集的海区表层径 向流速Ul和以POM海洋模型获取的该海区表层径向流速U2的差值，代入POM模型中的三 维海流动力学控制方程进行迭代优化直到得到最优流场，该专利对海洋模型的精度要求较 高，和本专利在处理思路和方法有本质不同。中国专利CN201310673951名称为一种基于单 站船载高频地波雷达的表面流测量方法，利用时-空联合谱估计方法及谱搜索获得每个探 测单元上实测正负一阶Bragg谱峰位置，并求取相应探测单元上的径向流速；以及美国专 利4509048名称为一种SAR的Λ K测量海面流场的方法和设备，这两个专利均适用于中低 海况情况下，没有考虑非线性短波相速度对流场反演精度的影响，处理精度大大较弱。
[0005] 目前，我国主要依靠岸基、舰载雷达测定海面流场，星载或机载SAR具备全天时、 全天候观测能力，可以大范围获取海面流场信息，为我国积累大量的海面洋流的实测资料。 特别的针对高海况时，亟待设计一种高精度SAR反演海洋流场的方法，避免传统方法在反 演时精度的大幅度降低。
【发明内容】
[0006] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于高海况情况下 SAR反演海面流场的方法，避免了传统测量流场方法高海况下反演精度下降、对海洋模型依 赖度较高、增加 SAR系统复杂度的不足。
[0007] 本发明的技术方案是：
[0008] -种基于高斯拟合的雷达多普勒谱估计海面流场的方法，包括步骤如下：
[0009] (1)获取测量海域的SAR回波信号SJ τ，η)，并进行距离压缩处理，得到SAR信 号为SM(T, η)，其中τ为距离向时间，η为方位向时间；
[0010] ⑵计算任意一个距离向时间Ttl和方位向时间n ^，对应的多普勒谱；
[0011] 具体计算方式如下：获取对应距离门R(Ttl)的SAR-维时域信号&。（^，n)，在 Tl ^Τ/2和τι JT/2范围内对一维时域信号Sre (^，n)进行方位向傅里叶变换，从而得到为 τ ^和n 〇对应的多普勒谱D ^ ( Tc^fn)，其中T为海面相干时间、匕为方位向多普勒频率；
[0012] ⑶根据雷达运动轨迹和观测几何，计算出nC1时刻雷达波束扫过地球表面的速度 VMf，估计SAR与地面相对运动造成的多普勒频移，并将多普勒谱进行频谱搬移，得到去 除平台运动影响后的多普勒谱0 1(1(|，。）=0(|(1(|，匕-43;
[0013] (4)对步骤（3)得到的D1(Tjn)进行高斯函数拟合；
[0014] (5)根据步骤（4)得到的高斯函数拟合结果设计带通滤波器，将高频谱峰滤除，得 到去除非线性短波的多普勒谱分量后的多普勒谱D2( τ m fn);
[0015] (6)估计多普勒谱D2 (iQ，fn)在正频率区或者负频率区的Bragg波的实际多普谱 中心f1;
[0016] (7)根据海面波动理论，计算得到Bragg波运动对应相速度Vtog，则无流场时Bragg 波峰对应理论多普勒谱中心为^
【主权项】
1. 一种基于高斯拟合的雷达多普勒谱估计海面流场的方法，其特征在于步骤如下： ⑴获取测量海域的SAR回波信号Stl ( τ，η )，并进行距离压缩处理，得到SAR信号为 STC( τ，η)，其中τ为距离向时间，η为方位向时间； (2) 计算任意一个距离向时间Ttl和方位向时间n 〇,对应的多普勒谱； 具体计算方式如下：获取对应距离门R(Ttl)的SAR-维时域信号&。（^，q)，在 Tl ^T/2和Tl JT/2范围内对一维时域信号Sre (^，n)进行方位向傅里叶变换，从而得到为 τ ^和n 〇对应的多普勒谱D ^ ( τ。。），其中T为海面相干时间、匕为方位向多普勒频率； (3) 根据雷达运动轨迹和观测几何，计算出ru时刻雷达波束扫过地球表面的速度VMf， 估计SAR与地面相对运动造成的多普勒频移f Mf，并将多普勒谱进行频谱搬移，得到去除平 台运动影响后的多普勒谱01(1(|，。）=0 (|(1(|，匕-4{); (4) 对步骤（3)得到的D1 ( τ & fn)进行高斯函数拟合； (5) 根据步骤（4)得到的高斯函数拟合结果设计带通滤波器，将高频谱峰滤除，得到去 除非线性短波的多普勒谱分量后的多普勒谱D 2 ( τ m fn); (6) 估计多普勒谱D2(h，fn)在正频率区或者负频率区的Bragg波的实际多普谱中心 fi； (7) 根据海面波动理论，计算得到Bragg波运动对应相速度Vtog，则无流场时Bragg波 峰对应理论多普勒谱中心
(8) 计算得到R ( τ J和q ^对应海面流速V。（ τ m n。)； (9) 改变距离向时间τ和方位向时间q，重复以上的步骤（1)~（8)，可以得到测量海 域二维空间的流场分布信息。
2. 根据权利要求1所述的一种基于高斯拟合的雷达多普勒谱估计海面流场的方法，其 特征在干：所沭步骤（3)中多普勒频移匕{为：
其中，Θ和λ为雷达入射角和波长。
3. 根据权利要求1所述的一种基于高斯拟合的雷达多普勒谱估计海面流场的方法，其 特征在于：所述步骤（8)中对应海面流速VJ Iltl)的计算方式如下：
4. 根据权利要求1所述的一种基于高斯拟合的雷达多普勒谱估计海面流场的方法，其 特征在于：所述步骤（4)中的高斯函数拟合步骤如下： 若正频率区或者负频率区均出现单谱峰，在正频率区或者负频率区采用单高斯函数形 式进行曲线拟合； 若正频率区或者负频率区均出现双谱峰，在正频率区或者负频率区采用双高斯函数叠 加形式进行曲线拟合。
【专利摘要】本发明公开了一种基于高斯拟合的雷达多普勒谱估计海面流场的方法，通过估算雷达波束与地面相对速度，从SAR信号的多普勒谱中提取海面动态引起的多普勒谱，然后对该多普勒谱进行高斯拟合，判定是否有非线性短波散射分量的干扰，若存在，滤除非线性短波散射分量，加权求得Bragg波的实际多普勒中心频率，然后减去Bragg波的理论多普勒中心，求取相应测量单元上的流速，从而获得整个被测海域的流场分布。本发明有效地去除了非线性短波的干扰分量，避免了高海况下反演精度的下降，同时本发明不需要额外辅助海洋模型或数据，方法简单有效以及本发明可以应用到现有单发单收SAR的数据处理中，避免增加星载或者机载SAR系统复杂度。
【IPC分类】G01S13-90, G01S13-88, G06F19-00
【公开号】CN104730518
【申请号】CN201510145148
【发明人】刘磊, 王小青, 种劲松, 杜辉, 刘飞标, 王垒, 肖遥
【申请人】北京空间飞行器总体设计部
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月30日