星載微波散射計兩種體制的比較

郎姝燕,林文明

（1.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心,北京 100081；2.Institut de Ciències delMar(ICM-CSIC),Barcelona 08003,Spain）

星載微波散射計兩種體制的比較

郎姝燕1,林文明2

（1.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心,北京 100081；2.Institut de Ciències delMar(ICM-CSIC),Barcelona 08003,Spain）

星載微波散射計可以提供全球、全天候、高精度、高分辨率和短周期的海面風(fēng)場數(shù)據(jù)。根據(jù)雷達天線足印的形狀，雷達散射計主要包括扇形波束體制與筆形波束體制兩種形式。概述了兩種體制微波散射計在設(shè)計結(jié)構(gòu)及后期數(shù)據(jù)處理算法中的優(yōu)缺點，并對兩種不同體制散射計的系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)進行比較。分析結(jié)果表明：對于小型衛(wèi)星平臺，Ku波段的旋轉(zhuǎn)掃描扇形波束散射計比筆形波束圓錐掃描散射計具有更優(yōu)的風(fēng)場反演性能。

扇形波束；筆形波束；風(fēng)場反演；散射計

世界上第一個星載散射計S-193是美國天空實驗室（Skylab）在1973年研制成功的，這一試驗證明了應(yīng)用星載散射計測量海面風(fēng)場是可行的[1]。SeaSat-A衛(wèi)星是美國國家航空航天局（NASA）的第一個海洋衛(wèi)星觀測任務(wù)，在這顆衛(wèi)星上搭載了微波散射計SASS（SeaSat-A Satellite Scatterometer），這一任務(wù)的成功第一次證明了微波散射計觀測海面風(fēng)場的獨特優(yōu)勢。散射計SASS有兩個斜視的扇形波束，分別位于它的左右兩側(cè)。SeaSat-A衛(wèi)星運行時，散射計SASS會對海面上的每個目標(biāo)單元觀測兩次。第一次是斜前視天線觀測，第二次是斜后視天線觀測，從而可獲得兩個不同觀測方位角的后向散射系數(shù)值。歐洲太空局（ESA）在1991年、1995年分別發(fā)射了ERS-1和ERS-2衛(wèi)星，這兩顆衛(wèi)星上搭載了C波段（5.3 GHz）的微波散射計。這種體制的散射計是垂直極化，并攜帶3副天線，分別是前束（與軌道方向成45°交角）、中束（與軌道方向成90°交角）、后束（與軌道方向成135°交角）。1996年9月，NASA在散射計SASS的基礎(chǔ)上研制了一種新型的Ku波段微波散射計NSCAT，并搭載在日本的ADEOS-I衛(wèi)星上。NSCAT是雙極化散射計，采用HH和VV兩種極化方式，并具有不同的方位角和入射角。NSCAT在左右、前后波束方向之間各增加了一個天線，這樣可以增加方位向上對海面目標(biāo)單元的觀測次數(shù)，有效去除風(fēng)向反演中的模糊解。1999年，SeaWinds散射計發(fā)射上天[1-3]，它工作在Ku波段（13.4 GHz），采用了筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描體制。SeaWinds散射計有兩個天線，內(nèi)波束與外波束，極化方式分別為HH，VV。2011年，海洋二號衛(wèi)星（HY-2A）發(fā)射上天，這是中國第一顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，HY-2A上搭載了一個筆形波束散射計，也具有雙極化方式的內(nèi)外波束天線。

目前，根據(jù)微波散射計天線足印形狀的不同，可劃分為兩種形式，扇形波束體制與筆形波束體制?，F(xiàn)已發(fā)射上天并取得風(fēng)場觀測數(shù)據(jù)的散射計主要是固定扇形波束散射計與筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計。兩種體制的散射計各有優(yōu)勢，如何既能獲取到高質(zhì)量的散射計觀測數(shù)據(jù)，又能快速重復(fù)地覆蓋全球海面，即要有大的觀測刈幅，以滿足短期預(yù)報，尤其是風(fēng)暴潮軌跡預(yù)報的需求，為新型散射計的設(shè)計提出了新的要求。面對新要求，已有的兩種體制既有優(yōu)勢，也存在不足。本文將對兩種體制的散射計從理論和仿真兩方面進行比較。

1 測量理論對比

1.1 掃描方式

固定扇形波束散射計通過采用多個固定扇形波束來實現(xiàn)寬刈幅。同一目標(biāo)單元有較長的觀測時間，可獲得較多的獨立測量樣本，有利于提高微波散射計后向散射系數(shù)的測量精度。

筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計是通過筆形波束的掃描獲得無盲區(qū)的連續(xù)測繪帶，并實現(xiàn)掃描刈幅，能夠滿足快速覆蓋全球海面的需求。它的觀測方式如圖1所示。同一目標(biāo)單元的觀測時間較短，只能獲得較少的獨立測量樣本，影響微波散射計后向散射系數(shù)的測量精度。

圖1 筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計的觀測示意圖

固定扇形波束散射計的不足在于它的掃描刈幅存在盲區(qū)，覆蓋全球海面的速度較慢，針對這一缺點，ESA和荷蘭皇家氣象研究協(xié)會（KNMI）提出并設(shè)計了一種新型散射計，扇形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計（Rotating Fan-Beam Scatterometer,RFSCAT），它能夠?qū)ω追鶅?nèi)同一面元實現(xiàn)多次觀測，獲得豐富的后向散射系數(shù)觀測信息，統(tǒng)計平均后，提高測量精度，而且它的星下點無間隙、刈幅連續(xù)。觀測方式如圖2所示。

圖2 RFSCAT的觀測示意圖

1.2 天線

扇形波束散射計的天線增益較低，需要較大的發(fā)射功率才可以滿足信噪比需求。其中，由于固定扇形波束散射計[4]的波束范圍內(nèi)，各分辨單元的相對關(guān)系固定，因此，如果要滿足對同一目標(biāo)單元的多角度測量需求，只能采用多天線的形式。多天線設(shè)計則會導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及帶來多天線測量性能平衡等問題，如圖3所示。

筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計的天線增益較高，所需發(fā)射功率也較小。但因為該體制散射計的天線為旋轉(zhuǎn)掃描，因此導(dǎo)致分辨單元與天線之間的相互位置在不斷變化，也就是說，分辨單元與天線之間的相對運動關(guān)系在不斷變化，會使信號多普勒頻率不斷變化，進而需要不斷調(diào)整接收機的中心頻率。對多普勒頻率不斷變化進行實時跟蹤和補償是筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計重要的系統(tǒng)特征和設(shè)計要點。

圖3 多天線固定扇形波束散射計

1.3 入射角

扇形波束散射計的同一波束范圍內(nèi)，不同分辨單元的入射角都不同，會對數(shù)據(jù)處理帶來一定困難[5-6]。

筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計在運行過程中對同一分辨單元進行前后視觀測，能夠得到多個觀測方位角上的測量數(shù)據(jù)[5,7-8]，另外，不同分辨單元的入射角都相同，因此，有助于數(shù)據(jù)處理。

1.4 空間分辨率

扇形波束散射計的天線波束在兩個正交方向上有較大的區(qū)別，方位向波束窄，可實現(xiàn)很高的真實孔徑分辨率；距離向波束寬，可實現(xiàn)寬刈幅覆蓋，滿足時間分辨率的要求。在距離向可利用距離門或多普勒分辨細(xì)分分辨單元，滿足空間分辨率的需求。

筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計是真實孔徑雷達，它的空間分辨率由天線口面尺寸決定。空間分辨單元的位置決定于天線指向，數(shù)據(jù)處理較容易，可直接獲取按照空間分辨單元區(qū)分的回波數(shù)據(jù)。

1.5 實際應(yīng)用

扇形波束散射計的典型應(yīng)用是ERS1/2遙感衛(wèi)星的AMI，采用了距離門分辨；SeaSat衛(wèi)星的SASS和NSCAT散射計，采用了多普勒頻率分辨。

筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計的典型應(yīng)用是Skylab-194散射計、SeaWinds，神州四號多模態(tài)微波遙感器的散射計，以及HY-2A微波散射計。

2 仿真結(jié)果比較

本文選取了平行風(fēng)場與圓形臺風(fēng)風(fēng)場作為測試風(fēng)場，風(fēng)速為4～24m/s，風(fēng)向為0～360°掃描。風(fēng)場反演采用了經(jīng)典的圓中數(shù)濾波法去除模糊解。比較的參數(shù)包括：風(fēng)速偏差、風(fēng)速均方根誤差、風(fēng)向偏差、風(fēng)向均方根誤差。仿真選取了赤道附近刈幅寬度大小的方形區(qū)域[9]。

圖4 測試風(fēng)場

扇形波束散射計選擇Ku波段的旋轉(zhuǎn)掃描扇形波束散射計RFSCAT（Rotating Fanbeam SCATterometer），筆形波束散射計選擇Ku波段的SeaWinds微波散射計，儀器參數(shù)如表1所示。

表1 Ku-RFSCAT與SeaWinds的參數(shù)對比

表2～表3分別給出了在輸入為平行風(fēng)場和圓形風(fēng)場下，Ku-RFSCAT與SeaWinds散射計反演后不同風(fēng)速參數(shù)的對比。表中各參數(shù)已對風(fēng)向進行了平均。Ku-RFSCAT風(fēng)向掃描的步長取10°，Sea－Winds風(fēng)向掃描的步長取15°。由于刈幅遠(yuǎn)端的風(fēng)場反演質(zhì)量一般較差，因此分區(qū)域做比較。表中深色行表示Ku-RFSCAT刈幅600 km內(nèi)，風(fēng)速小于10m/s；刈幅800 km內(nèi)，風(fēng)速大于等于10 m/s；以及SeaWinds刈幅1 500 km內(nèi)的參數(shù)。淺色行表示Ku-RFSCAT與SeaWinds散射計刈幅遠(yuǎn)端的參數(shù)。

觀察表2～表3，可得到如下結(jié)論：

（1）風(fēng)速低于10m/s時，Ku-RFSCAT刈幅600 km內(nèi)的風(fēng)場反演質(zhì)量與SeaWinds刈幅1 500 km內(nèi)的風(fēng)場反演質(zhì)量基本一致，刈幅遠(yuǎn)端Ku-RFSCAT的風(fēng)場反演質(zhì)量劣于SeaWinds；

（2）風(fēng)速大于等于10 m/s時，Ku-RFSCAT刈幅800 km內(nèi)的風(fēng)場反演質(zhì)量優(yōu)于SeaWinds刈幅1 500 km內(nèi)的風(fēng)場反演質(zhì)量，尤其是風(fēng)向的反演，但刈幅遠(yuǎn)端的風(fēng)場反演質(zhì)量仍劣于SeaWinds；

（3）風(fēng)速大于12 m/s（平行風(fēng)場）或14 m/s（圓形風(fēng)場）時，Ku-RFSCAT刈幅遠(yuǎn)端的風(fēng)向反演質(zhì)量優(yōu)于SeaWinds，風(fēng)速的反演質(zhì)量仍劣于SeaWinds；

（4）風(fēng)速大于16 m/s時，Ku-RFSCAT整個刈幅內(nèi)的風(fēng)場反演質(zhì)量都要優(yōu)于SeaWinds。

3 結(jié)論

本文從測量原理及風(fēng)場反演性能仿真兩個方面對扇形波束與筆形波束兩種不同體制的散射計進行了比較。經(jīng)比較，兩種體制在儀器結(jié)構(gòu)、風(fēng)場測量等方面各具優(yōu)勢。筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計采用天線圓錐掃描以實現(xiàn)多方位角觀測，刈幅范圍內(nèi)分辨單元最多有2或4個觀測方位角，不利于風(fēng)向的反演；但它的天線增益較高，因而具有較高的信噪比，所以對低風(fēng)速風(fēng)場的反演效果較好；筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計的天線體積較大、重量較重，所以對天線伺服機構(gòu)的要求較高。扇形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計作為一種新型體制的散射計，能夠?qū)ω追鶅?nèi)同一面元進行多次觀測，獲得豐富的后向散射系數(shù)值，統(tǒng)計平均后，能提高風(fēng)場測量精度，并且它的星下點無間隙、刈幅連續(xù)。相對于筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計，它的天線尺寸較小，重量較輕，更適用于小衛(wèi)星平臺。

表2 平行風(fēng)場下Ku-RFSCAT與SeaWinds反演風(fēng)場比較

表3 圓形風(fēng)場下Ku-RFSCAT與SeaWinds反演風(fēng)場比較

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Comparison of the Fan-Beam and Pencil-Beam Scatterometers for Satellite Remote Sensing Systems

LANG Shu-yan1,LINWen-ming2
1.National Satellite Ocean Application Service,Beijing 100081,China; 2.Institut de Ciències de Mar(ICM-CSIC),Barcelona 08003,Spain

Space-bornemicrowave scatterometer can provide sea surface wind field data with global,all-weather, high-accuracy,high-resolution and short cycle features.According to the shape of footprint,radar scatterometers have two types:fan-beam and pencil-beam.This paper summarizes the advantages and disadvantages of these two types of scatterometers in terms of structural design and late time data processing.The simulated data from these two types of scatterometer systems are compared,and it is found that for small satellite platform,the Kuband fan-beam scatterometer has better performance in wind retrieval than that of pencil-beam scatterometer.

fan-beam;pencil-beam;wind field retrieval;scatterometer

TP732.1

A

1003-2029（2017）01-0019-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.004

2016-08-15

中國科學(xué)院微波遙感熱技術(shù)重點實驗室研究基金——海洋二號衛(wèi)星散射計輻射計聯(lián)合反演海面風(fēng)場和陸地土壤濕度方法研究。

郎姝燕（1983-），女，助理研究員，工學(xué)碩士，研究方向海洋遙感。E-mail：langshuyan@mail.nsoas.org.cn