一種用于海浪方向譜探測的星載微波海洋波譜儀系統(tǒng)

黃 瓊, 丁 虎, 黃 勇

(上海無線電設備研究所,上海200090)

0 引言

海浪是一種海洋波動現(xiàn)象,是海洋觀測的一個重要研究領域,研究海浪的生成、成長、消衰及傳播機制,對于國防、災害預報、航運、海上石油平臺的建設等具有重要意義。海浪方向譜是描述海浪關于波數(shù)能量分布的一個物理量,在線性理論框架下,海浪在某個時空的所有統(tǒng)計性質(zhì),均可由海浪方向譜獲得[1]。

因此,對于海浪方向譜的研究近年來備受關注,在軍事方面可為航行安全、航路選擇、兵力展開的距離和時間、艦上武器控制系統(tǒng)等提供直接可用的輔助決策信息;民用方面可用于大面積海浪預報、海洋工程建設等;此外在理論研究領域也具有一定的實用價值。

應用傳統(tǒng)的現(xiàn)場觀測方法難以獲得大面積的測量數(shù)據(jù)和較可靠的方向譜,海洋衛(wèi)星遙感技術以其間接的、大范圍的測量方式成為彌補傳統(tǒng)測量方法不足的新手段。

雷達高度計的應用最為廣泛,但其只能測量海面高度和有效波高;合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)是目前主要采用的測量海表波浪譜的星載技術,多個國家的衛(wèi)星均裝載了SAR傳感器進行海浪遙感方法的研究,并取得了一定的研究成果,但其在估計海洋方向譜特性時存在以下幾個主要缺陷:

a)海表沿方位向的運動會造成圖像譜的扭曲;

b)由于圖像譜和波浪譜之間的非線性關系,在反演海浪譜時需要輸入額外的數(shù)據(jù)(波浪場或者風場)作為第一猜測譜進行迭代計算;

c)獲得海浪信息資料的費用昂貴,不易普及。

因此限制了SAR在海浪方向譜探測中的發(fā)展[2]。

鑒于高度計和SAR的以上種種限制,部分學者將目光投向了真實孔徑雷達傳感器——微波海洋波譜儀,其中最具代表性的有美國國家宇航局的Ku波段機載雷達系統(tǒng) ROWS(Radar Ocean Wave Spectrom eter)、歐空局與法空局合作的C波段機載雷達系統(tǒng)RESSAC(Radar pour l'Etude du Spectre de Surface par Analyse Circulaire)和法國學者Hauser等研制的Ku波段星載雷達系統(tǒng)SW IM(Surface Waves Investigation and M onitoring)[3-6]。但上述系統(tǒng)均是通過一維機構(gòu)驅(qū)動掃描和饋源陣列來實現(xiàn)不同入射角的波束指向,掃描天線轉(zhuǎn)動慣量產(chǎn)生的角動量對衛(wèi)星姿態(tài)會產(chǎn)生一定的影響,導致可靠性降低,且在一次數(shù)據(jù)采集時間內(nèi)波束沿掃描方向會發(fā)生距離徙動。此外,掃描機構(gòu)的體積與重量是限制其應用的另一重要原因。

本文針對以上缺點提出一種微波海洋波譜儀系統(tǒng),采用相控陣饋源和拋物面天線組成天線系統(tǒng),以電掃代替機掃,極大地提高了可靠性,并能有效去除方位向徙動的影響。

1 海浪探測基本原理

在小入射角情況下,后向散射機制主要為垂直于雷達觀測方向的小平面的準鏡面反射,海面可看作是由長波浪以及疊加在其上的均勻高度短波浪組成,雷達接收的后向散射信號是由波長為測量電磁波波長3至5倍的短波直接貢獻,但長波對短波具有傾斜調(diào)制作用。

圖1所示為傾斜調(diào)制示意圖,在小入射角、長波波陡小于10%及方位向的足跡的寬度大于對應方向表面相關長度的條件下,可以忽略水動力調(diào)制,線性的傾斜調(diào)制起主要作用[5]。海浪方向譜反演基本原理為通過波譜儀接收的能量計算長波信號調(diào)制進而得到信號調(diào)制譜,由調(diào)制譜與海面波陡譜之間的線性關系得到波陡譜,從而計算出海浪二維方向譜,進而可以獲得海浪其他統(tǒng)計性質(zhì)。

圖1 海浪探測基本原理

2 星載微波海洋波譜儀工作原理及系統(tǒng)組成

星載微波海洋波譜儀是一種通過小入射角圓錐掃描實現(xiàn)從空間多方位角觀測海浪方向譜的主動微波遙感雷達系統(tǒng)。其工作在Ku波段,采用多波束分時觀測來平衡小入射角與較大入射角之間的優(yōu)缺點,在獲得高空間分辨率的同時,使反演出的海浪方向譜更加精確。六個波束的入射角分別為 0°,2°,4°,6°,8°,10°,這種階梯式的波束既保證了探測的刈幅覆蓋范圍,同時可以獲取探測區(qū)域更多的信息量。

星下點即0°入射角波束的工作機制相當于一個雷達高度計,可測量星下點的海面高度和有效波高。非星下點的五個波束相當于一個真實孔徑雷達系統(tǒng),通過方位向的360°圓錐掃描測量反演出海浪方向譜,從而提取出波長、波向等參數(shù)。

2.1 系統(tǒng)組成

星載微波海洋波譜儀工作在Ku波段,主要由拋物面天線、相控陣饋源、波束控制、內(nèi)校準控制單元、高頻接收組件、中頻接收機、微波信號源、數(shù)字信號處理單元等部分組成,圖2給出了星載微波海洋波譜儀系統(tǒng)組成框圖。

圖2 星載微波海洋波譜儀系統(tǒng)組成框圖

根據(jù)波譜儀的任務要求和測試維護要求,設計了待機、自檢、內(nèi)標定、自主工作四種工作狀態(tài),圖3為其工作狀態(tài)切換示意圖。

圖3 工作狀態(tài)切換圖

相控陣饋源的波束控制器控制相位依次產(chǎn)生六個初級照射波束,經(jīng)拋物面天線反射后形成不同入射角的波束,六個波束交替發(fā)射接收。處于自主工作狀態(tài)時,工作過程:當某個波束工作時,微波源輸出微波信號到垂直極化發(fā)射機放大后,通過天線輻射出去,回波信號經(jīng)天線接收后,由垂直極化高頻接收機接收,并到V極化中頻接收機處理,最后進入數(shù)字系統(tǒng)進行處理,處理后的數(shù)據(jù)通過總線送到衛(wèi)星平臺。當其他波束工作時,工作流程類似。

2.2 處理流程

實現(xiàn)不同入射角波譜儀的數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。首先,天線接收的信號經(jīng)過高頻接收機處理后變成中頻信號,中頻信號經(jīng)過自動增益調(diào)整后經(jīng)A/D采樣變?yōu)閿?shù)字信號進入數(shù)字信號處理機,進行多普勒補償后做脈壓處理,將計算得到

的功率譜序列和后向散射截面數(shù)據(jù)、波束掃描相關信息等數(shù)據(jù)經(jīng)過打包下傳到衛(wèi)星平臺。最后由衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理中心把波譜儀測量的數(shù)據(jù)及衛(wèi)星角度、速度、系統(tǒng)標定誤差等信息打包下傳到地面。地面通過海浪方向譜反演算法和波向解模糊算法處理后得到最終的海浪二維方向譜密度,進而計算波浪其他參數(shù)信息。

2.3 天線與波束掃描

實現(xiàn)不同入射角波束時分工作并完成360°圓錐掃描有兩種方式:實孔徑機械掃描方式和相控陣數(shù)字波束掃描方式。

前者利用一維掃描驅(qū)動裝置與饋源陣列實現(xiàn)不同入射角波束指向,并控制每個波束進行圓錐掃描,驅(qū)動機構(gòu)的參與導致這種方式可靠性低、體積大、重量大,且波束在一次數(shù)據(jù)采集時間內(nèi)存在距離徙動。

本文提出的波譜儀系統(tǒng)采用后一種方式,取消伺服機構(gòu),以電子掃描代替機械掃描,以數(shù)字式穩(wěn)定平臺代替模擬式平臺,利用相控陣作為饋源實現(xiàn)波束指向切換,完成多個不同入射角波束指向和360°圓錐掃描。

此方式具有以下優(yōu)點:

a)有效避免了天線或饋源轉(zhuǎn)動對衛(wèi)星平臺的擾動影響,可靠性高;

b)簡化了饋源設計,不必采用多個饋源實現(xiàn)多入射角;

c)有效去除了方位向徙動的影響。

天線系統(tǒng)由相控陣饋源和拋物面反射天線組成,圖5為偏焦饋電拋物面反射天線和陣列饋源示意圖。

相控陣饋源產(chǎn)生不同入射角初級照射波束,經(jīng)反射器反射后,形成獨立、可變的高增益波束。采用這種偏置結(jié)構(gòu)的反射面天線設計不僅避免了反射面對饋源的反作用,也避免了饋源對反射面的遮擋,有利于提高天線增益和降低旁瓣水平[7]。

星載微波海洋波譜儀采用筆形波束圓錐掃描,圖6為其觀測示意圖。隨著衛(wèi)星平臺的向前運動,除一條0°入射角波束外,五條非星下點波束(入射角分別為 2°、4°、6°、8°、10°)進行 360°圓錐掃描,波譜儀足跡在地面形成圖7所示的觀測條帶。其中,衛(wèi)星高度為500 km,掃描速度為6 r/min。天線3 dB帶寬為2°,六條波束之間的間隔也為2°,因此,波譜儀的測量波束可以覆蓋約80 km×80 km范圍的整個區(qū)域。假設波束在圓錐掃描時掃描間隔為8°,則通過理論計算可得波向測量精度為15°,波長測量精度為10%～20%,最小可探測波長為50 m。

圖6 波譜儀觀測示意圖

圖7 波譜儀波束掃描形成的足跡

3 海浪方向譜反演算法及仿真結(jié)果

3.1 反演算法

在準鏡面假設條件下,海面歸一化后向散射系數(shù)可表示為[8]

式中:ρ為菲涅耳系數(shù);θ為入射角;p(tanθ,0)為視線平面上垂直于觀測方向的海面斜率概率密度分布函數(shù)。

后向散射系數(shù) σ(σ=σ0 S)的相對變化為[9]

S為對應一個獨立雷達距離單元的表面元。式(2)右邊的每一項可用觀測方向波陡ζx1(x,y)的形式表示,因此有

其中:

在天線足跡內(nèi),波譜儀在方位向作積分,在距離向采用脈沖分辨體制。由于方位向的足跡寬度大于對應方向的表面相關長度,在方位向做積分的結(jié)果使所有傳播方向與波束在海面投影方向不一致的長波所產(chǎn)生的調(diào)制效應趨向于零,在距離向則形成一個受長波調(diào)制的測量序列。

圖8為海面調(diào)制示意圖,在圖8的觀測角度下(方位向為φ),可測得沿波束在海面投影方向(x1方向)傳播的海浪信息,即此時信號調(diào)制m x1是x1的函數(shù),通過360°旋轉(zhuǎn)掃描可獲得每個方向的海浪信息。

圖8 海面調(diào)制示意圖

定義后向散射回波在某個給定觀測方向φ和每個水平雷達單元的的信號調(diào)制函數(shù) m

假設天線增益函數(shù)可用高斯函數(shù)近似,而雷達足跡的方位向?qū)挾萀 y遠大于對應方向表面相關長度,顯然,調(diào)制譜和波陡譜k2F之間為線性關系:

這樣,式(6)建立了波譜儀測量的調(diào)制譜Pm和海面波陡譜k2之間的關系,并且兩者之間為線性關系,這是波譜儀在測浪方面的一大優(yōu)勢。

3.2 海浪方向譜反演仿真結(jié)果

通過對波譜儀海浪譜測量的仿真和反演可以驗證算法和仿真模型的靈敏度。圖9給出了具體仿真與驗證流程,分為正演和反演兩部分。

圖9 算法仿真與驗證流程圖

正演包含海浪表面仿真、觀測幾何條件參數(shù)、采樣點積分的雷達信號、斑點噪聲和熱噪聲等。通過比較參考調(diào)制譜與反演計算得出的調(diào)制譜對反演算法進行驗證,并對其改進和優(yōu)化。

下面給出波束入射角為6°時方向譜反演算法的初步仿真結(jié)果。通過理論P-M風浪模型的波浪譜F k,φ得到波陡譜k2F k,φ[5],圖 10所示為波長200m、波向45°的海面波陡譜。

圖10 海浪波陡譜

圖11為其對應的大小約為17.5 km×17.5 km的模擬海面,通過得到的模擬海面結(jié)合波譜儀的系統(tǒng)參數(shù),同時添加噪聲,計算波譜儀接收的能量,經(jīng)過反演算法得到了圖12所示的估計信號調(diào)制譜。雖然譜峰處調(diào)制譜的估計值和真實值有一定差值,但兩條曲線的相關性較高。本例在反演中未考慮去除噪聲引起的誤差影響,但由結(jié)果可以看出,算法能夠較為準確地反演出海浪譜。噪聲的影響以及波向解模糊算法將是下一步的研究重點。

圖11 模擬海面

圖12 反演調(diào)制譜結(jié)果

4 結(jié)束語

本文提出了一種利用相控陣饋源來實現(xiàn)不同入射角波束的星載微波海洋波譜儀系統(tǒng),可實現(xiàn)對海浪方向譜的探測及海浪參數(shù)的估算。仿真結(jié)果表明,該微波海洋波譜儀系統(tǒng)在海洋微波遙感領域具有一定的實用價值和應用前景。

[1] 孫建.SAR影像的海浪信息反演[D].北京:中國海洋大學,2005.

[2] 楊樂.衛(wèi)星雷達高度計在中國近海及高海況下遙感反演算法研究[D].南京:南京理工大學,2009.

[3] B.Chapron,D.Vandemark,et al.Airborne Measurements of the Ocean's Ku-band Radar Cross-Section at Low Incidence Angles,A tmosphere-Ocean,1994,32(1):179-193.

[4] D.Hauser,C.Caudal,et al.RESSAC—A New Airborne FM/CW Radar OceanW ave Spectrometer[J].IEEE T rans.on Geoscience and Remote Sensing,1992,30(5):981-995.

[5] D.H auser,E.Soussi,et al.SW IMSAT:A Real-Aperture Radar to Measure Directional Spectra of Ocean Waves from Space-Main Characteristics and Performance Simulation[J].Journal of A tmospheric and Oceanic Technology,2001,18:421-437.

[6] V.Enjolras,E.Caubet,et al.SW IM,a Multi-incidence Beam s Ku-band Real Aperture Radar for the Observation of the Ocean Wave Field Spectra[M].Boston,USA,IGARSS'08 Proc.2008:236-239.

[7] 寇艷玲.星載反射器天線用相控陣饋源的電氣設計與制作[J].空間電子技術,2000,(4):52-58.

[8] G.R.Valenzuela.Theories for the Interaction of Electromagnetic and Oceanic W aves-A review[J].Bound.-Layer Meteor,1978,(13):61-85.

[9] F.C.Jackson,W.T.W alton,eta l.A Com parison of in Situ and A irborne Radar Observations of OceanW ave Directionality[J].Journalof Geophysical Res.,1985,90(C1):1005-1018.