CN110609287A - 一种双频雷达散射计及同时测量海面风场和流场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双频雷达散射计及同时测量海面风场和流场的方法，所述双频雷达散射计包括天线单元、发射机单元和接收机单元；其中，所述天线单元采用窄波束圆锥扫描体制，用于实现旋转笔形波束扫描；所述发射机单元与接收机单元分别连接到天线上；所述发射机单元用于产生发射信号并将发射信号通过天线单元发射出去；信号到达探测目标返回后，由所述天线单元接收返回信号，然后传输到接收机单元，所述接收机单元接收来自不同观测方位角下的回波功率信号和多普勒信息。所述方法通过双频雷达散射计能够实现同时测量海面风场和流场。本发明的方法能够同时获取高精度、宽刈幅覆盖的全球海面风场和流场信息。

Description

一种双频雷达散射计及同时测量海面风场和流场的方法

技术领域

本发明涉及遥感技术领域，具体而言，涉及一种双频雷达散射计及同时测量海面风场和流场的方法。

背景技术

海面风场是海洋上层运动的主要动力来源，与海洋中几乎所有的海水运动直接相关，是海洋学的重要物理参数之一。在海洋动力学过程中，海面风场不仅是形成海面波浪的直接动力，也是区域和全球海洋环流的动力。风场本身就是海洋大气动力系统中至关重要的因素。在诸如海浪、海流和风暴潮等数值模型中，风场通常需要首先确定，作为输入因子。因此海面风场的测量与分析是海洋动力过程研究的重要基础。海水大规模相对稳定的流动称之为海流，其包括水平流动和垂直流动。海流的成因主要包括：海风引起的风海流；海水密度差异引起的密度流，其中风海流主要是由稳定的盛行风引起，盛行风吹拂海面推动海水随风漂流，并使上层海水带动下层海水流动，形成大规模的海流运动。海流是地球表面热环境的主要调节者，研究海面流场对海洋循环和气候、海洋工程、海况预报、海洋污染等有着重要的意义。

在海洋环境中，海面风场和流场是紧密耦合在一起的，二者相互影响并相互制约。海洋表面风应力驱动海流运动，同时风应力会受到海流的调制。此外，海洋表面风会改变海洋表面的小尺度几何结构，从而影响到海流的运动。海面风场和流场影响着大气和海洋之间的气体、热量、湿度、能量和动量的交换，同时在天气和海洋状态预测以及海洋学和气候研究中起着关键作用。由于海面风场和海面流场相互作用的影响，为精确得到海面流场必须获得海面风场先验信息以消除风场对流场测量的影响。因此，能够在全球范围内同时获得海面风场和海面流场的测量是非常重要的。

现有的海面流场观测手段包括现场测量和遥感测量。现场测量主要包括浮标、随船测量等，地点主要集中在近岸海域，无法进行全球观测。在遥感测量中，地基高频雷达可以实现较高的流速测量精度，但无法进行全球观测；雷达高度计可以实现全球覆盖，但由于其为星下点观测刈幅范围很窄，效率不高，无法实现全球快速覆盖；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，无法实现快速的全球覆盖。并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)，都无法实现快速的全球海洋表面风场和流场同时测量，发展一种新的全球海面风场和流场同时观测手段具有重要意义。海面风场和流场的快速全球测量要求测量设备具有较宽的观测刈幅，并且能够实现多个方位角的观测。

发明内容

本发明的目的在于克服目前已有观测手段无法快速实现全球海面风场和流场同时测量的缺陷，提供了一种双频雷达散射计和同时测量海面风场和流场的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种双频雷达散射计，用于同时测量海面风场和海面流场，所述双频雷达散射计包括天线单元、发射机单元和接收机单元；其中，所述天线单元采用窄波束圆锥扫描体制，用于实现旋转笔形波束扫描；所述发射机单元与接收机单元分别连接到天线上；所述发射机单元用于产生发射信号并将发射信号通过天线单元发射出去；信号到达探测目标返回后，由所述天线单元接收返回信号，然后传输到接收机单元，所述接收机单元接收来自不同观测方位角下的回波功率信号和多普勒信息。

作为上述装置的一种改进，所述天线单元包括反射面天线和扫描伺服机构，所述扫描伺服机构用于控制天线旋转，实现观测刈幅和获取多方位角后向散射及多普勒信息。

作为上述装置的一种改进，所述双频雷达散射计的频段包括Ku波段和Ka波段，所述Ku波段主要用于实现海面风场的测量，所述Ka波段主要用于实现海面流场的测量。

作为上述装置的一种改进，所述用于获取多普勒信息的双频雷达散射计的脉冲重复频率大于多普勒带宽。

基于上述双频雷达散射计，本发明还提供了一种同时测量海面风场和流场的方法，所述方法包括：

步骤1)所述双频雷达散射计向海面发射脉冲信号，接收其后向散射回波信号，得到不同观测方位角下的海面的后向散射系数和多普勒信息；

步骤2)根据海面后向散射系数与海面风场的关系建立反演模型，基于步骤1)的后向散射系数反演得到海面风场信息；

步骤3)根据步骤2)反演得到的海面风场信息和海浪谱模型建立海面多普勒模型，基于步骤1)的多普勒信息，反演得到海面流场信息。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)的具体包括，

步骤2-1)根据双频雷达散射计接收到的回波信号，结合卫星轨道参数，确定每个风矢量单元的后向散射系数，以及对应的观测方位角、极化方式和噪声估计；

步骤2-2)基于地球物理模式函数反演每个风矢量单元的风速和风向；

步骤2-3)采用中值滤波或二维变分消除每个风矢量单元的风速和风向的模糊解，得到海面风场信息。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)的具体包括，

步骤3-1)根据步骤2)反演得到的海面风场信息，结合海浪谱模型建立用于多普勒频移的预测估计的海面多普勒模型，由此得到由海面风场引起的多普勒频移；

步骤3-2)计算由平台运动引起的多普勒频移，该多普勒频移和由步骤3-1)得到的由海面风场引起的多普勒频移的和作为多普勒频率的修正值；

步骤3-3)将所述双频雷达散射计测得的多普勒频率信息减去步骤3-2)的多普勒频率的修正值，得到由海面流场引起的多普勒频移，反演得到海面流场信息。

本发明的优点在于：

1、本发明的方法能够连续地获取全球海面风场信息，具有较宽的观测刈幅，可以实现快速的全球覆盖；

2、本发明的双频雷达散射计能够对观测目标进行多个方位角的测量，可以全天时持续工作，实现海面流场的快速全球测量；

3、本发明的方法能够同时获取高精度、宽刈幅覆盖的全球海面风场和流场信息，克服了现有观测手段的缺陷。

附图说明

图1是本发明双频雷达散射计的观测几何示意图；

图2是本发明的同时测量海面风场和流场的方法的流程图；

图3是本发明的海面风场反演流程图；

图4是本发明的海面流场反演流程图。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中附图，对本发明作进一步的详细说明。

相比于合成孔径雷达，真实孔径雷达系统更简单，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。

出于以上考虑，本发明中的双频雷达散射计为真实孔径雷达，所述双频雷达散射计系统包括天线单元、发射机单元和接收机单元；其中，天线单元采用窄波束圆锥扫描体制，用于实现旋转笔形波束扫描，其包括反射面天线和扫描伺服机构，该扫描伺服机构用于控制天线旋转；所述发射机单元与接收机单元分别连接到所述天线上；发射信号由发射机单元产生并通过天线发射出去；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，接收机单元接收来自不同观测方位角下的回波功率信号和多普勒信息。如图1所示。

散射计为真实孔径雷达，采用笔形波束圆锥扫描体制。采用真实孔径笔形波束扫描体制同时测量海洋表面风场和流场的双频雷达散射计，频段选择为Ku波段和Ka波段，Ku波段主要用于海面风场的测量，Ka波段主要用于海面流场的测量。

确定双频雷达散射计的主要参数包括：

1)脉冲重复频率确定，双频雷达散射计通过对回波信号中多普勒信息的检测实现海洋表面流速度的测量，用于获取多普勒信息的双频雷达散射计的脉冲重复频率大于多普勒带宽；

2)脉冲时序的选择，脉冲时序是影响雷达散射计系统测量性能的一个关键因素。步骤1)中脉冲重复频率的设计需要满足脉冲时序模型中距离向无模糊的限制；

3)信号带宽确定，发射信号的带宽越宽，距离向分辨率越高，相应的距离向的独立样本数越多，但随着信号带宽的加宽，噪声功率也成比例增加，从而回波信号的信噪比也降低。双频雷达散射计在进行海面流场的测量中，要求系统具有较高的信噪比。

在本发明中，双频雷达散射计向海面发射脉冲信号，然后接收其后向散射回波信号，回波信号包括不同观测方位角的回波功率信号和多普勒信息，根据雷达方程可得到海面的归一化后向散射系数。由多个观测方位角的多普勒信息，可以得到表面流速度矢量。

如图2所示，一种同时测量海面风场和流场的方法，具体步骤为：

步骤1)双频雷达散射计向海面发射脉冲信号；

步骤2)接收其后向散射回波信号，可以得到不同方位角下的海面的后向散射系数和多普勒信息；

步骤3)根据海面后向散射系数与海面风场的关系建立反演算法，基于步骤2)的后向散射系数反演得到海面风场信息；如图3所示，该步骤具体包括：

步骤a)根据雷达散射计接收到的回波信号，以及卫星轨道参数等资料，确定每个风矢量单元的后向散射系数，以及对应的观测方位角、极化方式和噪声估计等；

步骤b)基于地球物理模式函数(GMF)反演每个风矢量单元的风速和风向；

步骤c)反演结果可能包含多个模糊解，采用中值滤波、二维变分等方法消除模糊解，得到确定的海面风矢量信息。

步骤4)根据回波信号的多普勒信息、海面风场信息和海浪谱模型建立海面多普勒模型，基于步骤2)的多普勒信息和步骤3)得到的海面风场信息反演得到海面流场信息。如图4所示，该步骤具体包括：

步骤a)根据权利要求6中反演得到的海面风场信息，和海浪谱模型建立海面多普勒谱模型，用于海面风场引起的多普勒频移的预测估计；

步骤b)计算由平台运动引起的多普勒频移，该多普勒频移和由步骤a)得到的由海面风场引起的多普勒频移的和作为多普勒频率的修正值；

步骤c)将所述双频雷达散射计测得的多普勒频率信息减去步骤b)的多普勒频率的修正值，得到由海面流场引起的多普勒频移，反演得到海面流场信息。

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 (7)

1.一种双频雷达散射计，其特征在于，所述双频雷达散射计包括天线单元、发射机单元和接收机单元；其中，所述天线单元采用窄波束圆锥扫描体制，用于实现旋转笔形波束扫描；所述发射机单元与接收机单元分别连接到天线上；所述发射机单元用于产生发射信号并将发射信号通过天线单元发射出去；信号到达探测目标返回后，由所述天线单元接收返回信号，然后传输到接收机单元，所述接收机单元接收来自不同观测方位角下的回波功率信号和多普勒信息。

2.根据权利要求1所述的双频雷达散射计，其特征在于，所述天线单元包括反射面天线和扫描伺服机构，所述扫描伺服机构用于控制天线旋转，实现观测刈幅、获取多方位角后向散射及多普勒信息。

3.根据权利要求2所述的双频雷达散射计，其特征在于，所述双频雷达散射计的频段包括Ku波段和Ka波段，所述Ku波段用于实现海面风场的测量，所述Ka波段用于实现海面流场的测量。

4.根据权利要求1所述的双频雷达散射计，其特征在于，所述双频雷达散射计的脉冲重复频率大于多普勒带宽。

5.一种基于权利要求1-4之所述的双频雷达散射计实现的同时测量海面风场和流场的方法，所述方法包括：

步骤1)所述双频雷达散射计向海面发射脉冲信号，接收其后向散射回波信号，得到不同观测方位角下的海面的后向散射系数和多普勒信息；

步骤2)根据海面后向散射系数与海面风场的关系建立反演模型，基于步骤1)的后向散射系数反演得到海面风场信息；

步骤3)根据步骤2)反演得到的海面风场信息和海浪谱模型建立海面多普勒模型，基于步骤1)的多普勒信息，反演得到海面流场信息。

6.根据权利要求5所述的同时测量海面风场和流场的方法，其特征在于，所述步骤2)的具体包括，

步骤2-1)根据双频雷达散射计接收到的回波信号，结合卫星轨道参数，确定每个风矢量单元的后向散射系数，以及对应的观测方位角、极化方式和噪声估计；

步骤2-2)基于地球物理模式函数反演每个风矢量单元的风速和风向；

步骤2-3)采用中值滤波或二维变分消除每个风矢量单元的风速和风向的模糊解，得到海面风场信息。

7.根据权利要求5或6所述的同时测量海面风场和流场的方法，其特征在于，所述步骤3)的具体包括，

步骤3-1)根据步骤2)反演得到的海面风场信息，结合海浪谱模型建立用于多普勒频移的预测估计的海面多普勒模型，由此得到由海面风场引起的多普勒频移；

步骤3-2)计算由平台运动引起的多普勒频移，该多普勒频移和由步骤3-1)得到的由海面风场引起的多普勒频移的和作为多普勒频率的修正值；

步骤3-3)将所述双频雷达散射计测得的多普勒频率信息减去步骤3-2)的多普勒频率的修正值，得到由海面流场引起的多普勒频移，反演得到海面流场信息。