CN105093220A - 一种利用真实孔径雷达测量海洋表面流速度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用真实孔径雷达测量海洋表面流速度的方法，所述真实孔径雷达采用笔形波束圆锥扫描体制；该方法包括：在第一观测方位角对目标进行第一次观测；在第一观测方位角对目标进行第二次观测；通过对目标的两次观测所得到的数据计算目标的径向速度；真实孔径雷达在第二观测方位角对目标进行第三次观测；在第二观测方位角对目标进行第四次观测；通过对目标的两次观测所得到的数据计算目标的径向速度；根据在两个观测方位角分别计算得到的目标的径向速度，计算海洋表面流的速度矢量。

Description

一种利用真实孔径雷达测量海洋表面流速度的方法

技术领域

本发明涉及海洋表面流速度的检测方法，特别涉及一种利用真实孔径雷达测量海洋表面流速度的方法。

背景技术

海洋表面流是一个重要的海洋动力环境参数，在全球变化、海洋环境预报及海上航行和工程保障中都有重要应用，洋流的观测和预报越来越受到人们的关注。洋流是海洋中水体有规律的运动，它是影响和调节全球气候变化的重要参数之一，洋流对海洋中多种物理过程、化学过程、生物过程和地质过程，以及气候和天气的形成及变化，都有影响和制约的作用。同时，海洋表面流也是决定生物和化学成分输送和分布的重要因素，如生物量和污染物等。洋流是由海洋上层水体所受的驱动力而形成，驱动力包括：地球自转、风场、温度和盐度差异、潮汐等。此外，海底地形，海岸线也会对洋流的方向和强度产出影响。

现有的洋流测量手段包括现场测量和遥感测量。现场测量是利用传感器对观测地点附近的洋流速度矢量进行实时测量，主要包括浮标、随船测量等。现场测量的地点主要集中于沿岸海域，无法提供全球范围的观测，但是其测量精度较高。遥感测量主要是通过对海洋表面流的直接或间接观测，利用反演方法得到不同深度的流场矢量信息。遥感测量包括地基高频雷达、机载和星载雷达。遥感测量具有更大的观测范围，更高的空间和时间分辨率，甚至可以实现全球范围的海洋表面流观测。

现场测量和地基高频雷达均可以提供相对较高的流速测量精度。然而这两种测量手段只能应用于沿海区域，无法进行全球观测。星载雷达高度计可以实现全球覆盖，且随着人们对大地水准面的精确测量，雷达高度计反演得到的海洋表面流速度精度也有了很大提高。然而，雷达高度计为星下点观测，刈幅范围很窄，测量效率不高，无法实现快速全球覆盖。顺轨干涉合成孔径雷达是海洋表面流速度测量的直接方法，反演过程比较简单，并且可以实现很高的空间分辨率，适合应用于沿海区域的洋流观测。然而合成孔径雷达系统复杂、功耗很高，无法进行海面的连续观测。因此，无法实现快速的全球覆盖。且合成孔径雷达只能提供雷达视向的海洋表面流速度分量，无法得到完整的流场矢量信息。

现有的观测手段(包括现场测量和遥感测量)，均无法实现快速的全球海洋表面流速度矢量测量，发展一种新的全球流场观测手段具有重要的应用价值。海洋表面流速度矢量的快速全球测量要求测量设备具有较宽的观测刈幅(>1000km)并且能够实现多个方位角的观测，这与海面风场的测量需求基本一致。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的观测手段无法实现快速的全球海洋表面流速度矢量测量的缺陷，从而提供一种具有较宽的观测刈幅的海洋表面流速度检测方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种利用真实孔径雷达测量海洋表面流速度的方法，所述真实孔径雷达采用笔形波束圆锥扫描体制进行扫描；该方法包括：

步骤1)、在第一观测方位角对目标进行第一次观测；

所述第一观测方位角记为假设对目标做第一次观测的时刻为t＝0时刻，雷达与目标之间的距离为r₁，对目标进行观测所能得到的结果为：观测相位φ₁；

步骤2)、在第一观测方位角对目标进行第二次观测；

假设对目标做第二次观测的时刻为t＝τ₁时刻，雷达与目标之间的距离为r₂，对目标进行观测所能得到的结果为：观测相位φ₂；

步骤3)、通过步骤1)和步骤2)中对目标的两次观测所得到的数据计算目标的径向速度；

观测目标的径向速度表示为：

$V_{r1}=\frac{{\mathrm{\Δr}}_1}{{\mathrm{\Δt}}_1}=\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_1}{2{\mathrm{k\τ}}_1};$

其中，Δr₁＝r₂-r₁为两次观测的径向距离差，Δt₁＝τ₁为对目标的两次观测的时间间隔；Δφ₁＝φ₂-φ₁为两次观测的干涉相位差，k＝2π/λ为雷达电磁波波数，λ为雷达电磁波长；

步骤4)、真实孔径雷达在第二观测方位角对目标进行第三次观测；

所述第二观测方位角记为假设对目标做第三次观测的时刻为t＝0时刻，雷达与目标之间的距离为r₃，对目标进行观测所能得到的结果为：观测相位φ₃；

步骤5)、在第二观测方位角对目标进行第四次观测；

假设对目标做第四次观测的时刻为t＝τ₂时刻，雷达与目标之间的距离为r₄，对目标进行观测所能得到的结果为：观测相位φ₄；

步骤6)、通过步骤4)和步骤5)中对目标的两次观测所得到的数据计算目标的径向速度；

观测目标的径向速度表示为：

$V_{r2}=\frac{{\mathrm{\Δr}}_2}{{\mathrm{\Δt}}_2}=\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_2}{2{\mathrm{k\τ}}_2};$

其中，Δr₂＝r₄-r₃为两次观测的径向距离差，Δt₂＝τ₂为两次观测的时间间隔，Δφ₂＝φ₄-φ₃为两次观测的干涉相位差；

步骤7)、根据在两个观测方位角分别计算得到的目标的径向速度，计算海洋表面流的速度矢量；

海洋表面流的速度矢量表示为：

$\stackrel{\→}{V}=\frac{\stackrel{\→}{V_{r1}}}{sin\mathrm{\θ}}+\frac{\stackrel{\→}{V_{r2}}}{sin\mathrm{\θ}};$

其中，θ为雷达电磁波的本地入射角。

上述技术方案中，所述步骤7)还包括：

计算海洋表面流的速度在x轴与y轴上的分量，其计算公式如下：

其中，V_sat表示卫星速度；τ₁＝τ₂＝τ。

本发明的优点在于：

1、本发明采用真实孔径雷达测量海洋表面流速度，具有较宽的观测刈幅，能够全天时持续工作，可以实现快速的全球覆盖，速度测量精度可达0.1m/s。

2、本发明可以实现对观测目标多个方位角的观测，能够进行海洋表面流速度矢量的测量。

3、本发明给出的测量方法在进行海洋表面流速度矢量测量的同时，能够进行回波功率的检查，实现海面风场的反演。

附图说明

图1是本发明的真实孔径雷达做干涉测量的示意图；

图2是本发明的真实孔径雷达做多方位角观测的示意图；

图3是真实孔径雷达的观测几何的示意图；

图4是真实孔径雷达的脉冲时序的示意图；

图5是真实孔径雷达的PRF与最大脉冲时宽之间的关系示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

相对于合成孔径雷达，真实孔径雷达(real-apertureradar)系统更简单，但其分辨率更粗。然而，对于开放海域观测，真实孔径雷达的空间分辨率已经可以满足其应用需求。真实孔径雷达的观测刈幅较宽，同时真实孔径雷达的功率需求更小或者同等发射功率情况下信噪比更高，数据量更小，能够全天时连续工作，便于实现快速的全球覆盖。

出于上述原因，本发明中采用真实孔径雷达测量海洋表面流速度矢量，所述真实孔径雷达包括一副天线、一套发射机单元和一套接收机单元；其中，所述反射机单元与接收机单元分别连接到所述天线上；所述发射机单元所发射的信号通过所述天线发射出去；信号到达探测目标返回后，由所述天线接收返回信号，然后传输到所述接收机单元。

下面对真实孔径雷达中的各个部件做进一步说明。

所述天线为笔形波束天线；笔形波束天线的回波信号的信噪比更高，能够实现更高的PRF。

海洋表面流可视为二维流场，所述二维流场包括流速和流向。多个方位角的观测是洋流速度矢量反演的必要条件。在本发明中，所述真实孔径雷达采用笔形波束圆锥扫描体制，利用真实孔径干涉的方法实现海洋表面流速度径向的测量；通过多个方位角的观测，实现海洋表面流速度矢量的反演。

真实孔径雷达采用笔形波束圆锥扫描体制进行扫描时，如图2所示，观测目标会被每个观测波束的前、后视共观测两次，所述前视与后视有不同的观测方位角，将前视的观测方位角记为将后视的观测方位角记为前视与后视的观测方位角满足互补关系，即

下面对本发明的真实孔径雷达的具体工作过程做详细说明。

步骤1)、在第一观测方位角对目标进行第一次观测。

所述第一观测方位角即为前视时的观测方位角，记为假设对目标做第一次观测的时刻为t＝0时刻，雷达与目标之间的距离为r₁，对目标进行观测所能得到的结果为：观测相位φ₁。

步骤2)、在第一观测方位角对目标进行第二次观测。

假设对目标做第二次观测的时刻为t＝τ₁时刻，雷达与目标之间的距离为r₂，对目标进行观测所能得到的结果为：观测相位φ₂。

步骤3)、通过步骤1)和步骤2)中对目标的两次观测所得到的数据计算目标的径向速度。

在步骤1)与步骤2)中对目标的两次观测的时间间隔Δt₁＝τ₁，参考图1，两次观测的干涉相位差的计算公式为：

Δφ₁＝2kΔr₁

其中，Δφ₁＝φ₂-φ₁为两次观测的干涉相位差，Δr₁＝r₂-r₁为两次观测的径向距离差，k＝2π/λ为雷达电磁波波数，λ为雷达电磁波长。

观测目标的径向速度可表示为：

$V_{r1}=\frac{{\mathrm{\Δr}}_1}{{\mathrm{\Δt}}_1}=\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_1}{2{\mathrm{k\τ}}_1}.$

本步骤所得到的目标的径向速度为真实孔径雷达在第一观测方位角测量得到的目标的径向速度，该径向速度也被记为

步骤4)、真实孔径雷达在第二观测方位角对目标进行第三次观测。

所述第二观测方位角即为后视时的观测方位角，记为假设对目标做第三次观测的时刻为t＝0时刻，雷达与目标之间的距离为r₃，对目标进行观测所能得到的结果为：观测相位φ₃。

步骤5)、在第二观测方位角对目标进行第四次观测。

假设对目标做第四次观测的时刻为t＝τ₂时刻，雷达与目标之间的距离为r₄，对目标进行观测所能得到的结果为：观测相位φ₄。

步骤6)、通过步骤4)和步骤5)中对目标的两次观测所得到的数据计算目标的径向速度。

在步骤4)与步骤5)中对目标的两次观测的时间间隔Δt₂＝τ₂，参考图1，两次观测的干涉相位差的计算公式为：

Δφ₂＝2kΔr₂

其中，Δφ₂＝φ₄-φ₃为两次观测的干涉相位差，Δr₂＝r₄-r₃为两次观测的径向距离差，k＝2π/λ为雷达电磁波波数，λ为雷达电磁波长。

观测目标的径向速度可表示为：

$V_{r2}=\frac{{\mathrm{\Δr}}_2}{{\mathrm{\Δt}}_2}=\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_2}{2{\mathrm{k\τ}}_2}.$

本步骤所得到的目标的径向速度为真实孔径雷达在第二观测方位角测量得到的目标的径向速度，该径向速度也被记为

步骤7)、根据在两个观测方位角分别计算得到的目标的径向速度，计算海洋表面流的速度矢量。

在之前的步骤3)中已经计算得到真实孔径雷达在第一观测方位角测量得到的目标的径向速度在之前的步骤6)中已经计算得到真实孔径雷达在第二观测方位角测量得到的目标的径向速度由这两个值理论上可以计算出海洋表面流的速度矢量，如图2所示，海洋表面流的速度矢量可表示为：

$\stackrel{\→}{V}=\frac{\stackrel{\→}{V_{r1}}}{sin\mathrm{\θ}}+\frac{\stackrel{\→}{V_{r2}}}{sin\mathrm{\θ}}$

其中，θ为雷达电磁波的本地入射角。

在实际应用中除了海洋表面流的速度矢量外，还要计算海洋表面流的速度在x轴与y轴上的分量，可依照如下方法计算。

真实孔径雷达观测方位角为时的观测几何如图3所示。其中S点(真实孔径雷达所在位置)的坐标为(0,0,H)，P点(观测目标)的坐标为(HtanθHtanθ0),卫星速度为 ${\stackrel{\→}{V}}_{sat}=(V_{sat},0,0),$ 观测目标速度为 ${\stackrel{\→}{V}}_{current}=(V_x,V_y,0).$

与观测点的相对速度(径向速度)为：

其中，定义两目标互相靠近时的速度为正。雷达回波信号的多普勒频率f_d可表示为：

若雷达两个脉冲回波的时间间隔为τ，那么两次回波的干涉相位差可表示为：

要想解出目标速度V_x和V_y，至少需要两个观测方位角的干涉相位差。真实孔径雷达可以对观测目标进行不同方位角的观测，观测方位角为和时的干涉相位差分别为Δφ₁和Δφ₂，干涉时间间隔为τ₁＝τ₂＝τ。解出的V_x和V_y可表示为：

由于观测方位角和满足互补关系，即因此上式可化简为：

为了满足回波脉冲的干涉条件，要求雷达系统具有较高的PRF，因此该真实孔径雷达选择脉冲串形式的脉冲时序模型。该真实孔径雷达脉冲时序模型示意图如图4所示，其中，c为光速，T_p为脉冲重复周期，τ_p为脉冲时宽，R_min和R_max分别为足印最近端和足印最远端到雷达散射计的斜距，Δτ为接收窗口可以容忍的距离不确定性带来的回波时间偏移。该真实孔径雷达PRF与最大脉冲时宽之间的关系如图5所示，从图中可以看出，雷达可以实现的PRF是连续的，如果要求发射信号的脉冲时宽不低于40μs或发射信号的等效占空比不小于15％，那么满足距离模糊要求的PRF约为7.5kHz，在相同的发射脉冲时宽条件下可以实现更高的PRF。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种利用真实孔径雷达测量海洋表面流速度的方法，所述真实孔径雷达采用笔形波束圆锥扫描体制进行扫描；该方法包括：

步骤1)、在第一观测方位角对目标进行第一次观测；

所述第一观测方位角记为假设对目标做第一次观测的时刻为t＝0时刻，雷达与目标之间的距离为r₁，对目标进行观测所能得到的结果为：观测相位φ₁；

步骤2)、在第一观测方位角对目标进行第二次观测；

假设对目标做第二次观测的时刻为t＝τ₁时刻，雷达与目标之间的距离为r₂，对目标进行观测所能得到的结果为：观测相位φ₂；

步骤3)、通过步骤1)和步骤2)中对目标的两次观测所得到的数据计算目标的径向速度；

观测目标的径向速度表示为：

$V_{r1}=\frac{{\mathrm{\Δr}}_1}{{\mathrm{\Δt}}_1}=\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_1}{2{\mathrm{k\τ}}_1};$

其中，Δr₁＝r₂-r₁为两次观测的径向距离差，Δt₁＝τ₁为对目标的两次观测的时间间隔；Δφ₁＝φ₂-φ₁为两次观测的干涉相位差，k＝2π/λ为雷达电磁波波数，λ为雷达电磁波长；

步骤4)、真实孔径雷达在第二观测方位角对目标进行第三次观测；

所述第二观测方位角记为 假设对目标做第三次观测的时刻为t＝0时刻，雷达与目标之间的距离为r₃，对目标进行观测所能得到的结果为：观测相位φ₃；

步骤5)、在第二观测方位角对目标进行第四次观测；

假设对目标做第四次观测的时刻为t＝τ₂时刻，雷达与目标之间的距离为r₄，对目标进行观测所能得到的结果为：观测相位φ₄；

步骤6)、通过步骤4)和步骤5)中对目标的两次观测所得到的数据计算目标的径向速度；

观测目标的径向速度表示为：

$V_{r2}=\frac{{\mathrm{\Δr}}_2}{{\mathrm{\Δt}}_2}=\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_2}{2{\mathrm{k\τ}}_2};$

其中，Δr₂＝r₄-r₃为两次观测的径向距离差，Δt₂＝τ₂为两次观测的时间间隔，Δφ₂＝φ₄-φ₃为两次观测的干涉相位差；

步骤7)、根据在两个观测方位角分别计算得到的目标的径向速度，计算海洋表面流的速度矢量；

海洋表面流的速度矢量表示为：

其中，θ为雷达电磁波的本地入射角。

2.根据权利要求1所述的利用真实孔径雷达测量海洋表面流速度的方法，其特征在于，所述步骤7)还包括：

计算海洋表面流的速度在x轴与y轴上的分量，其计算公式如下：

其中，V_sat表示卫星速度；τ₁＝τ₂＝τ。