星载雷达波谱仪反演海浪谱的精度研究

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第32卷 第5期海 洋 学 报

Vo l 132,N o 152010年9月

ACT A OCEANOLOGICA SIN ICA

September 2010

星载雷达波谱仪反演海浪谱的精度研究

林文明1,2,董晓龙1*

(1.中国科学院空间科学与应用研究中心,北京100190;2.中国科学院研究生院,北京100049)

收稿日期:2010-05-07;修订日期:2010-07-22。

基金项目:国家高技术研究发展计划(/八六三0计划)课题(2007AA12Z119)。

作者简介:林文明(1984)),男,福建省仙游县人,博士研究生,研究方向为星载雷达散射计信号处理及微波遥感技术。E -mail:1inw enzi1984@

通信作者:董晓龙(1969)),男,陕西省人,研究员,主要从事微波遥感理论研究以及微波遥感器系统研究、设计与研制等。E -m ail:dxl@nm

摘要:介绍了星载雷达波谱仪的观测原理及误差分析模型,并在H auser 等提出的SWIM (sea w ave investigatio n and mo nitoring by satellite)的基础上分析了波谱仪反演海浪谱的波长分辨率和角度分辨率。为了减小反演调制谱的波动,在数据处理过程中时域和波数域相邻单元的平均个数分别为10和8个。系统在不同的模式下工作,为了获取20b 的角度分辨率,对调制谱平均次数分

别取3次(模式1)、7次(模式2)、10次(模式3)。使用解析法和仿真法分析了SWIM 工作在模式2时海浪谱观测的能量误差,两种方法的结果一致。对于给定的海浪条件,能量误差小于20%。关键词:雷达波谱仪;海浪谱;精度指标;能量误差

中图分类号:T P732.1

文献标志码:A

文章编号:0253-4193(2010)05-0009-08

1 引言

海洋波浪谱信息在数值波浪预测模型的数据同化中可以改善波浪预测的精度[1]。以往的数据同化一般都是基于波浪谱的总能量,而忽略了谱的具体参数,因此需要假定波浪特性。对于全球性的海浪预测,需要卫星遥感技术提供大尺度海浪谱观测的数据。合成孔径雷达(SAR)是当前惟一用于海浪方向谱估计的星载传感器,但SAR 图像与真实的海浪具有非线性的关系,由图像提取海浪谱并不直观;SAR 观测受限于海面的运动特性和海浪的波长,并非所有海况都能成像;由于SAR 的功耗和数据量的限制,不能实现全球观测,并且SAR 图像比较昂贵,因此利用SAR 观测的海浪谱来预测波浪并没有得到广泛应用[1-2]。国际上利用雷达波谱仪进行海浪谱观测的研究已经开展并取得了一定的成果。Jackson 等[3]论证了利用机载和星载真实孔径雷达即雷达波谱仪测量海浪

谱的可行性,并分析了相应的数据处理流程;通过对比机载Ku 波段雷达(ROWS)海浪方向谱观测数据和现场观测数据,证明ROWS 测量的海浪谱与浮标测量的海浪谱相当吻合[4]。H auser 等[1]利用C 波段的机载雷达(RESSAC)进行海浪谱测量实验,观测结果也与真实值一致。H auser 等[1]还提出了利用星载雷达进行表面波研究和监测计划(SWIM SAT,sea w ave investigation and monitoring by satellite ),并建立了相应的仿真模型,指出SWIM SAT 能够测量波长大于70m,有效波高大于1.5~2.0m 的海浪谱信息。

真实孔径雷达波谱仪是一种较新的遥感仪器,它的应用指标还没有统一的规范。本文在SWIM

的基础上,分析了雷达波谱仪的海浪方向谱的角度测量精度、波长确定度,并利用解析法着重分析了雷达波谱仪的能量误差指标,最后通过仿真的方法进一步验证雷达波谱仪的精度指标。用解析法和仿真得到的结果一致。研究这些精度及指标将为雷达波

谱仪观测的海浪谱数据在数值波浪预报模式的数据同化过程中提供重要的参考。

2 雷达波谱仪观测原理

雷达波谱仪至少有两个观测波束:天底点波束和斜视波束。天底点波束的观测原理与雷达高度计的类似,用它来获取海面的有效波高和风速等信息,其中有效波高参数是波浪谱反演过程的一个重要的输入参数;斜视波束以准镜面散射机制的低入射角(H [15b )观测海面,用它来反演海浪谱。波束足迹应该足够宽,能保证分析到最长的波,并减少统计波动;单个波束足迹应尽量覆盖相同的海面状态;电磁波前的弯曲度应该小于波浪的方向伸展。设计SWIM 观测海浪谱的斜视波束的入射角为6b ~10b 左右,在500km 的轨道高度该入射角范围内的波束最大扫描半径为87km(图1),可以认为大多数情况下这个范围内的海面状态是相同的[1]。图中H

表示入射角。

图1

雷达波谱仪的观测几何位置

雷达后向散射信号的调制是方位方向各散射单元后向散射截面变化的积分平均[3],它是足迹位置x 和观测方位角<的函数:

m(x ,<)=

Q G 2

(y )

D R R d y Q

G 2(y )d y ,

(1)式中,G (y )表示方位方向的天线增益形式;

D R

R

表示雷达散射截面的相对变化。接收信号主要受斑点噪

声和热噪声的影响,分别以函数f 和h 表示这两种噪声的影响,则接收信号

[1]

表示为

I (x ,<)=C(x )Q

G 2

(y)d y 1+f [m(x ,<)]+

h(B th ),

(2)

式中,C (x )为定标因子,包含发射功率、天线增益、目标斜距以及系统损耗等要素;f 表现为乘性噪声,作用在调制信号m (x ,<)上;h 表现为加性噪声,作用在热噪声B th 上。

信号的调制由式(2)提取。对信号的调制的自相关函数进行傅立叶变换得到回波信号的调制谱密度。Jackson 和H auser 的研究指出,假设G (y )是高斯函数形式,波谱仪回波信号的调制谱密度为

[1,5]

P (k,<)=D (k)+R(k)P m (k ,<)+

P sp (k)+

1

N int L dis

P th (k ),

(3)

式中,P m 为观测方向<下波数域的海浪调制谱;P sp 为斑点噪声的谱;P th 表示热噪声引入的谱误差;R(k)为冲击响应;D (k )为信号的连续分量,通过滤波可将该项去除;N int 为用于谱估计的分辨单元包含的方位方向的独立样本数,即积分脉冲个数;L dis 为用于谱估计的分辨单元包含的距离向的独立样本数。因此,通过回波信号的调制谱密度可以估计海浪的调制谱。式(3)中各项的表达式如下[1,3]:P m (k,<)=

2P L y

exp [-(kH s cot H /4)2]@cot H +

2tan H 010028U +010092

k 2F(k ,<),

(4a)

P sp =$x

N int 4P ln2

R(k),

(4b)R(k)=exp -k 2

2k 2p

,

(4c)P th (k)=

1r 2sn

,(4d)

式中,L y 表示-3dB 波束宽度对应的足迹大小;H s 为有效波高(由天底点波束测量得到);F (k ,<)为观测方向<下的波高谱;U 表示风速;$x 为距离向的地面固有分辨率;k p =2

2ln 2/$x ;r sn 为信噪比。

知道了海浪调制谱即可由式(4a )反演海浪的波高谱;知道了海浪波高谱,则可由式(4a)正演计算海浪调制谱的理论值。由雷达方程估算的波谱仪信噪比一般大于6dB,因此式(4d)是个高阶小量,可以忽略不计;雷达冲击响应的值一般为110~0.98。

10海洋学报 32卷

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