高分三號衛(wèi)星ATI模式海表面流場測量性能分析

王文煜 謝春華 袁新哲 何志華 丁澤剛

(1 國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081) (2 國防科技大學(xué)，長沙 410073) (3 北京理工大學(xué)，北京 100081)

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高分三號衛(wèi)星ATI模式海表面流場測量性能分析

王文煜1謝春華1袁新哲1何志華2丁澤剛3

(1 國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081) (2 國防科技大學(xué)，長沙 410073) (3 北京理工大學(xué)，北京 100081)

順軌干涉合成孔徑雷達(Along-Track Interferometric Synthetic Aperture Radar，ATI-SAR)是獲取高分辨率海表面流場的一種有效手段。文章首先分析了ATI-SAR海表面流場測量精度的影響因素(極化方式、入射角、有效順軌基線、海面風(fēng)場)，給出了適用于ATI海表面流場測量的雷達系統(tǒng)參數(shù)，然后基于仿真實驗對高分三號衛(wèi)星海表面流場測量性能進行了研究。由于單星順軌干涉基線長度有限影響流場測量精度，而在雙星編隊模式下可以使測量性能達到最佳，因此最后分析了雙星編隊方式下ATI海表面流場干涉基線選取范圍，可為雙星編隊海流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

海表面流場；順軌干涉SAR；ATI有效基線；高分三號衛(wèi)星

1 引言

海流是海水大規(guī)模相對穩(wěn)定的流動，是海水的重要運動形式之一。海流是海洋觀測、海洋科學(xué)研究中的重要要素，并對海洋氣候、海洋污染、漁業(yè)、海岸帶開發(fā)、軍事行動等都有重大的影響。

1987年美國噴氣推進實驗室(JPL)的Goldstein和Zebker等[1]首先提出順軌干涉合成孔徑雷達 (Along-Track Interferometric Synthetic Aperture Radar，ATI-SAR)測量高分辨率海表面流場的原理并驗證了可行性。2002年，德國航空航天研究院(DLR)研究了星載ATI技術(shù)用于海表流場監(jiān)測技術(shù)與方法精度；研究了L頻段和X頻段ATI-SAR測流的系統(tǒng)參數(shù)和性能，研究成果已應(yīng)用于陸地合成孔徑雷達-X頻段(TerraSAR-X)衛(wèi)星與X頻段陸地合成孔徑雷達-附加數(shù)字高程測量(TanDEM-X)編隊衛(wèi)星海流監(jiān)測[2-8]。

目前星載SAR使用ATI測流的方式主要有2種：一種是以TerraSAR-X的雙接收天線(Dual Receive Antenna，DRA)模式[9]為代表的單星雙孔徑方式，由于單星平臺限制，ATI有效基線較短，測流精度有限；另一種是以TanDEM-X編隊[10]為代表的雙星編隊方式，其在33 m空間分辨率上可以達到0.1 m/s的反演精度。

高分三號衛(wèi)星(GF-3)是我國首顆分辨率達到1 m的C頻段多極化SAR衛(wèi)星，衛(wèi)星具有單天線雙孔徑ATI試驗?zāi)Ｊ?，可用于海表流場監(jiān)測。本文分析了GF-3衛(wèi)星ATI海表面流場測量精度的影響因素，給出了適于ATI海流測量的雷達系統(tǒng)參數(shù)，并基于仿真實驗研究了海表面流場測量性能。由于單星順軌基線長度有限影響流場監(jiān)測精度，本文最后分析并給出了雙星編隊方式下ATI海表面流場干涉基線選取范圍，可為未來雙星編隊海流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

2 ATI測流雷達系統(tǒng)參數(shù)分析

影響ATI測流的外部主要因素是風(fēng)，其中風(fēng)向的影響較小，而風(fēng)速的影響主要有兩方面：①風(fēng)速越大，海面越粗糙，雷達后向散射信號也越強，但后向散射越強，越容易掩蓋海流產(chǎn)生的相位變化，不利于流場測量。②風(fēng)速越大，海面后向散射信號的相關(guān)性越差。因此在下面的仿真分析中，風(fēng)速選取具有代表性的5 m/s和10 m/s。

雷達系統(tǒng)參數(shù)直接影響ATI測流的性能，主要包括極化方式、ATI有效基線、入射角。

2.1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

后文的所有仿真使用GF-3衛(wèi)星的雷達系統(tǒng)參數(shù)(見表1)，其中入射角和ATI有效基線根據(jù)研究需要進行調(diào)整。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)Table 1 System simulation parameters

2.2 極化方式

目前存在Bragg散射、Thompson、Kirchho、Elfoubail等多個極化比模型，使用較多的是Thompson等[11]提出的C頻段極化比模型：

(1)

圖1表示C頻段極化比與入射角的關(guān)系，可知任意入射角的極化比均大于1，表明VV極化在同等條件下的海面后向散射系數(shù)比HH極化大，入射角在30°時VV極化是HH極化的2倍，而在50°時能達到4倍，因此VV極化的后向散射更強，信噪比更好，更適合ATI流場測量。

2.3 ATI有效基線

ATI流場測量最重要的系統(tǒng)參數(shù)是ATI有效基線。雙發(fā)雙收下有效基線等于物理基線；單發(fā)雙收下有效基線等于物理基線的一半。有效基線的選擇需要考慮干涉信號的相關(guān)性，雷達后向散射信號的自相關(guān)系數(shù)關(guān)于時間延遲的函數(shù)為

(2)

式中：〈σ〉是歸一化雷達后向散射截面(NRCS)的期望值；fD是多普勒頻率；τ是時間延遲；S是后向散射信號的多普勒譜。

圖2是利用M4S仿真軟件計算的自相關(guān)系數(shù)，從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，隨著時間延遲的增加，信號時間去相關(guān)的影響亦增大。因此，時間延遲既要足夠長來獲得明顯的相位變化，又要足夠短來避免信號之間去相關(guān)。

另一方面，根據(jù)ATI相位和速度的關(guān)系公式[1]：

(3)

式中：u為目標(biāo)水平視線向速度；ΔΦ為干涉相位差；V為平臺速度；B為ATI有效基線；λ為波長。由式(3)可知，基線越長，2π相位差對應(yīng)的不模糊速度區(qū)間就越小。

圖3是2π相位差轉(zhuǎn)化的速度區(qū)間和ATI時間延遲/ATI有效基線的關(guān)系，入射角分別為30°、45°、60°，假設(shè)流速在-2～2m/s，即速度區(qū)間為4m/s，陰影區(qū)域表示相關(guān)性低于0.5或產(chǎn)生相位纏繞?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著基線的增加，時間去相關(guān)，不模糊速度區(qū)間減?。欢鳤TI測流應(yīng)避免相位纏繞，因此2π相位差對應(yīng)的速度區(qū)間應(yīng)始終高于實際流速區(qū)間?；€越長，由流場引起的干涉相位差越明顯，但干涉信號的相關(guān)性越差，不模糊速度區(qū)間越小，因此在選擇ATI有效基線時要進行折衷選擇。

2.4 入射角

入射角對ATI測流有兩方面影響：①低入射角時垂直速度的貢獻較大，隨著入射角的增大，垂直波浪運動的貢獻降低，水平流場的貢獻增加，信號變化更明顯。但是，隨著入射角增大，海表面的后向散射和信噪比都會降低，不利于流場測量。②根據(jù)圖3的分析，入射角越大，2π相位差對應(yīng)的不模糊速度區(qū)間就越小，因此入射角的選擇也需要折衷考慮。

使用M4S仿真軟件對不同入射角的干涉相位圖進行仿真。仿真所用的流場見圖4(a)，有6個獨立的、帶有不同流速梯度的正方形區(qū)域，周圍流場設(shè)置為0.5 m/s。左側(cè)兩個正方形區(qū)域為1500 m×1500 m，右側(cè)4個小正方形區(qū)域為750 m×750 m，流場梯度范圍在0.000 36 m/s到0.001 40 m/s，網(wǎng)格分辨率為25 m×25 m，其中藍色豎線是對流場的取樣，見圖4(b)。

仿真系統(tǒng)參數(shù)見表1，為了突出入射角對ATI相位的影響，ATI有效基線設(shè)為70 m，相應(yīng)的時間延遲為10 ms。仿真結(jié)果見圖5～圖7：圖5為取樣列的仿真相位，圖6為5 m/s風(fēng)速下的仿真相位圖，圖7為10 m/s風(fēng)速下的仿真相位圖。當(dāng)風(fēng)速為5 m/s時，在低入射角下，干涉相位圖中的特征區(qū)域表現(xiàn)出明顯的非線性特征，相位誤差較大；在中等偏大的入射角下，相位特征與輸入流場較為接近。10 m/s風(fēng)速下的整體情況與5 m/s風(fēng)速下相似，但相位噪聲變得更大。同時，入射角越大，相位差就大，相位變化范圍也越大，有利于ATI測量。

因此ATI流場測量的理想入射角，綜合考慮上述因素，應(yīng)該選擇在35°到45°之間。

3 GF-3衛(wèi)星ATI模式流場測量性能仿真分析

3.1 仿真流程

仿真使用圖4的流場作為“實際流場”，使用表1的系統(tǒng)參數(shù)，其中極化方式為VV極化，入射角為40°。衛(wèi)星雙孔徑獲得兩幅SLC圖像配準并進行干涉處理后，即可獲得所需的干涉相位圖，這里使用M4S仿真模型直接生成干涉相位圖。流場反演使用迭代算法[12]，首先將相位轉(zhuǎn)化為流速，作為初猜流場輸入M4S模型生成干涉相位圖，然后將干涉相位圖與“實際相位”進行對比，再對初猜流場進行修正，迭代循環(huán)直到M4S生成的相位圖與“實際相位”基本一致，輸出此時的流場。反演流程圖如圖8所示。

3.2 結(jié)果分析

由于GF-3衛(wèi)星ATI模式的有效基線為3.75 m，大約只有0.54 ms的時間延遲，干涉相位差較小，儀器噪聲較大，因此在實際流場反演中必須對圖像進行降分辨率平均處理，平均處理可以提高信噪比，降低噪聲。這里對相位圖進行了10×10像元和20×20像元的平均處理。

進行10×10像元平均處理后，采樣間隔為250 m，采樣點數(shù)為80×80，經(jīng)2次3×3均值濾波后進行迭代反演，反演流場流速的均方根誤差(RMSE)為0.237 m/s，相關(guān)系數(shù)為0.922，結(jié)果見圖9。

進行20×20像元平均處理后，采樣間隔為500 m，采樣點數(shù)為40×40，經(jīng)2次3×3均值濾波后進行迭代反演，反演流場流速的RMSE為0.191 m/s，相關(guān)系數(shù)為0.943，結(jié)果見圖10。

結(jié)果表明，500 m分辨率的反演流場流速比250 m分辨率的反演流場流速的RMSE更小，相關(guān)性更高，因此降低分辨率對于提升圖像的信噪比、提高反演精度是有利的。GF-3衛(wèi)星的ATI模式由于基線較短導(dǎo)致圖像噪聲較大，但是經(jīng)過平均處理，就能夠有效地反演海表面流場。然而達到0.2 m/s的精度需要降低到500 m分辨率，如果需要0.1 m/s的精度，需要進一步降低分辨率；但500 m甚至1 km的空間分辨率只能滿足開闊海域的要求，對于近岸海域100 m空間分辨率的要求來說是遠遠不夠的，因此使用雙星編隊的方式來進行測流是必要的。

4 ATI編隊模式理想基線分析

GF-3衛(wèi)星的基線過短導(dǎo)致流場反演需要通過平均處理來提高信噪比，而長基線則能在保持高分辨率的情況下進行流場測量，滿足近岸海域的監(jiān)測需求。而雙星編隊可以允許基線根據(jù)應(yīng)用需求進行調(diào)整，這對流場測量來說是十分有利的。

仿真仍然使用GF-3衛(wèi)星的雷達參數(shù)，其中ATI有效基線選為：14 m、28 m、42 m、56 m、70 m、98 m、126 m。仿真結(jié)果見表2，由于海面大部分情況風(fēng)速都小于10 m/s ，因此本文只列出了10 m/s風(fēng)速下的仿真相位圖，圖11為添加噪聲后的仿真相位圖，圖12為沒有添加噪聲的仿真相位圖，其中τ為ATI時間延遲，ρ為信號自相關(guān)系數(shù)。

表2 ATI時間延遲和對應(yīng)的自相關(guān)系數(shù)Table 2 ATI time lag and the coherences of the backscattered signal

根據(jù)圖11的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)相位圖像有明顯的噪聲，只有流場左側(cè)最明顯的兩個特征區(qū)域可見；對比圖12可以發(fā)現(xiàn)，在時間延遲10 ms以下，儀器噪聲占了主要影響，隨著基線的增長，儀器噪聲逐漸變小，但低相關(guān)引起的相位噪聲卻越來越大。高相關(guān)帶來了高儀器噪聲，低相關(guān)帶來了高相位噪聲，因此有效基線應(yīng)當(dāng)折衷選擇。結(jié)合分析以及仿真結(jié)果，C頻段理想的干涉SAR時間延遲應(yīng)當(dāng)在4～8 ms之間，也就是有效基線在28～56 m之間，在40°入射角的情況下，不模糊速度區(qū)間為[-2.7，2.7]到[-5.4，5.4]。

5 結(jié)論

本文通過分析以及仿真實驗，得出如下結(jié)論：①GF-3衛(wèi)星ATI模式適合進行ATI流場測量的系統(tǒng)參數(shù)為：VV極化、35°～45°入射角、在低風(fēng)速的海況下；②GF-3衛(wèi)星ATI模式圖像在降低到500 m分辨率時流場反演精度可達0.2 m/s；③雙星編隊方式下C頻段SAR使用ATI進行海表面流場測量，在有效基線范圍為28～56 m時能取得較好的結(jié)果。

References)

[1] Goldstein R M,Zebker H A.Interferometric radar measurement of ocean surface currents[J]. Nature,1987,328 (6132): 707-709

[2]Romeiser R,Thompson D R. Numerical study on the along-track interferometric radar imaging mechanism of oceanic surface currents[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2000,38(1): 446-485

[3]Romeiser R,Schw?bisch M,Schulz J,et al. Study on concepts for radar interferometry from satellites for ocean (and land) applications，final report: KoRIOLiS[R]. Hamburg: University of Hamburg,2002

[4]Romeiser R,Breit H,Eineder M,et al. On the suitability of TerraSAR-X split antenna mode for current mea-surements by along-track interferometry[C]// International Geoscience and Remote Sensing Symposium,IGARSS 2003. New York: IEEE,2003: 1235-1241

[5]Romesier R. Current measurements by airborne along-track InSAR: measuring technique and experimental results[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering,2005,30(3): 55-56

[6]Romesier R,Breit H,Eineder M,et al. Current measurements by SAR along-track interferometry from a space shuttle[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2005,43(10): 2315-2324

[7]Romeiser R. On the potential of current measurements by space borne along-track InSAR for river runoff monitoring[C]// Oceans 2005 — Europe,Oceans Europe. New York: IEEE,2005: 787-792

[8]Romeiser R,Runge H. Theoretical evaluation of several possible along-track InSAR modes of TerraSAR-X for ocean current measurements[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2007,45(1): 21-35

[9]Romeiser R,Runge H. First analysis of TerraSAR-X along-track InSAR-derived current fields[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2010,48(2): 820-829

[10] Romeiser R,Runge H，Suchandt S，et al. Quality assessment of surface current fields from TerraSAR-X and TanDEM-X along-track interferometry and Doppler centroid analysis[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2013,52(5):2759-2772

[11]Thompson D R,Elfouhaily T M,Chapron B. Polarization ratio for microwave back scattering from the ocean surface at low to moderate incidence angles[C]// International Geoscience and Remote Sensing Symposium,IGARSS 1998. New York: IEEE,1998: 1671-1673

[12]于祥禎,種勁松,洪文. 順軌干涉SAR海洋表面流場迭代反演算法[J]. 電子與信息學(xué)報,2012,34(11): 2660-2665

Yu Xiangzhen,Chong Jinsong,Hong Wen. An iterative method for ocean surface current retrieval by along-track interferometric SAR[J]. Journal of Electronics & Information Technology,2012,34(11): 2660-2665(in Chinese)

(編輯：張小琳)

Performance Analysis of Sea Surface Current Measurements by GF-3 Satellite ATI Mode

WANG Wenyu1XIE Chunhua1YUAN Xinzhe1HE Zhihua2DING Zegang3

(1 National Satellite Ocean Application Service,Beijing 100081,China) (2 National University of Defense Technology,Changsha 410073,China) (3 Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Along-Track Interferometric Synthetic Aperture Radar(ATI-SAR) is an effective way to obtain high resolution ocean surface current field. In this paper,the factors which influence on ocean surface current measurements by ATI-SAR are analyzed (polarization,incidence angle,effective along-track baseline and wind speed),and the appropriate radar system parameters are gi-ven. Then the performance of GF-3 satellite ATI mode in current retrieval is studied based on the simulation experiments. Due to the baseline length of the single satellite limits the accuracy of current monitoring,and the best performance can be achieved in the satellite formation mode,so the method for effective baseline selection of ATI-SAR in satellite formation current measurements is analyzed at last,which will provide reference for SAR system design.

ocean surface current；ATI-SAR；effective along-track baseline；GF-3 satellite

2016-11-22；

2017-01-06

高分辨率對地觀測重大專項(No.12-Y20A15-9001-15/16)

王文煜，男，碩士研究生，研究方向為ATI-SAR海流反演。Email：nbwangwen1@sina.com。

V443

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.019