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    一種用于海洋要素反演的機(jī)載SAR多普勒中心偏移計(jì)算方法

    2019-07-06 06:12:36趙現(xiàn)斌艾未華
    雷達(dá)學(xué)報(bào) 2019年3期
    關(guān)鍵詞:載機(jī)指向多普勒

    趙現(xiàn)斌 嚴(yán) 衛(wèi) 艾未華 陸 文 馬 爍

    (國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院 長(zhǎng)沙 410073)

    1 引言

    合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種全天時(shí)、全天候的主動(dòng)式微波側(cè)視成像雷達(dá),它通過(guò)合成孔徑原理提高方位向分辨率,采用脈沖壓縮技術(shù)提高距離向分辨率,獲取高空間分辨率的探測(cè)圖像。作為一種先進(jìn)的微波遙感探測(cè)器,SAR已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事偵察、地質(zhì)測(cè)繪和海洋環(huán)境探測(cè)等領(lǐng)域[1]。SAR探測(cè)數(shù)據(jù)中,雷達(dá)后向散射系數(shù)代表回波的強(qiáng)度信息,主要應(yīng)用于海洋環(huán)境要素反演研究[2–4];而多普勒中心頻率代表探測(cè)回波的相位信息,直接影響圖像信噪比、方位模糊信號(hào)比以及成像后的目標(biāo)位置,主要應(yīng)用于雷達(dá)成像領(lǐng)域[5]。

    近幾年,隨著搭載平臺(tái)測(cè)量設(shè)備測(cè)量速度和精度的提高,人們?cè)谔幚鞸AR探測(cè)回波數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn),平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算的多普勒中心頻率和海洋探測(cè)回波數(shù)據(jù)計(jì)算的多普勒中心頻率始終存在特定差異,并開(kāi)始認(rèn)識(shí)到這種差異可能來(lái)自于海洋表層運(yùn)動(dòng)的影響?;谶@一假設(shè),學(xué)者們將SAR平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和海洋探測(cè)回波數(shù)據(jù)計(jì)算多普勒中心頻率存在差異定義為多普勒中心偏移,并據(jù)此開(kāi)展了海面風(fēng)場(chǎng)[6]、海表流場(chǎng)[7,8]等海洋環(huán)境參數(shù)反演研究。

    在多普勒中心頻率計(jì)算研究方面,針對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù),Raney[9]和Bezvesilniy等人[10]分別提出了星載、機(jī)載SAR多普勒中心頻率計(jì)算方法。針對(duì)探測(cè)回波數(shù)據(jù),研究人員按照探測(cè)回波數(shù)據(jù)處理的不同階段,提出了多種多普勒中心頻率計(jì)算方法,包括距離向壓縮前[11,12]、距離向壓縮后和方位向壓縮前[13]以及距離向和方位向壓縮后[14,15]等算法。

    然而,目前針對(duì)多普勒中心偏移計(jì)算方法的研究尚比較少,只有Hansen等人[16]利用Envisat ASAR探測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算了多普勒中心偏移,并對(duì)處理誤差進(jìn)行分析。本文針對(duì)機(jī)載正側(cè)視SAR提出一種多普勒中心偏移計(jì)算方法,并開(kāi)展機(jī)載SAR探測(cè)比對(duì)觀測(cè)實(shí)驗(yàn),結(jié)合C波段多普勒頻移(C-band Doppler Shift,CDOP)地球物理模型函數(shù)驗(yàn)證反演方法的有效性。

    2 多普勒中心偏移

    2.1 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與多普勒中心頻率

    正側(cè)視SAR(天線指向與搭載平臺(tái)航向垂直)探測(cè)目標(biāo)時(shí),平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受氣象要素影響會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致雷達(dá)天線指向產(chǎn)生偏離,此時(shí)平臺(tái)航向和天線指向構(gòu)成的探測(cè)幾何關(guān)系如圖1所示。其中,實(shí)箭頭方向?yàn)榇钶d平臺(tái)飛行航向,兩條虛直線間區(qū)域?yàn)镾AR探測(cè)覆蓋區(qū)域。當(dāng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)處于理想穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),天線指向用矢量表示,實(shí)線橢圓表示理想天線波束覆蓋區(qū)域,而平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí),天線指向用矢量表示,虛線橢圓表示實(shí)際天線波束覆蓋區(qū)域。雷達(dá)天線實(shí)際指向與理想指向的夾角稱(chēng)為雷達(dá)斜視角,由俯仰角和偏航角等姿態(tài)參數(shù)決定。其中,俯仰角為搭載平臺(tái)實(shí)際航向與設(shè)計(jì)航向沿豎直方向的夾角,偏航角為搭載平臺(tái)實(shí)際航向與設(shè)計(jì)航向沿水平方向的夾角。

    多普勒中心頻率指探測(cè)目標(biāo)通過(guò)SAR天線波束中心時(shí)刻(波束側(cè)視角為0),回波的多普勒頻率。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí),多普勒中心頻率與雷達(dá)斜視角的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

    圖1 搭載平臺(tái)航向和天線指向構(gòu)成的探測(cè)幾何關(guān)系Fig.1 Sounding geometric relationship between the platform and antenna pointing heading

    多普勒中心頻率表示SAR天線波束中心指向與探測(cè)目標(biāo)之間相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)。由式(1)可知,平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化對(duì)應(yīng)的多普勒中心頻率,不包含探測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的影響。SAR海洋環(huán)境探測(cè)時(shí),多普勒中心頻率的影響因素既包括平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化,又包括海洋表層運(yùn)動(dòng),而后者的影響包含在SAR探測(cè)回波之中。

    2.2 海洋探測(cè)回波與多普勒中心頻率

    SAR探測(cè)回波數(shù)據(jù)是發(fā)射天線覆蓋區(qū)域多個(gè)散射單元回波信號(hào)的矢量和,同時(shí)包含目標(biāo)的幅度和相位信息。每個(gè)散射單元回波在方位向上都是一個(gè)線性調(diào)頻信號(hào),中心頻率被天線方向圖調(diào)制。從文獻(xiàn)[17]可知,SAR信號(hào)的方位向功率譜可表示為

    由式(2)可知,目標(biāo)場(chǎng)景均勻條件下SAR探測(cè)回波的多普勒功率譜與天線方向圖具有相同的形狀。由于天線方向圖函數(shù)為實(shí)對(duì)稱(chēng)函數(shù),且頻譜中心在峰值處,所以多普勒中心頻率等于多普勒功率譜能量中心對(duì)應(yīng)的多普勒頻率。

    2.3 多普勒中心偏移計(jì)算

    平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的多普勒中心頻率僅包含搭載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和地球自轉(zhuǎn)(星載SAR)的影響,而海洋探測(cè)回波確定的多普勒中心頻率同時(shí)包含搭載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和海洋表層運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)。因此,海洋表層運(yùn)動(dòng)是SAR平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和海洋探測(cè)回波數(shù)據(jù)計(jì)算多普勒中心頻率存在差異的關(guān)鍵因素。

    Chapron等人[7]定義多普勒中心偏移表示海洋表層運(yùn)動(dòng)引起的多普勒中心頻率變化。多普勒中心偏移數(shù)值上等于SAR海洋探測(cè)回波數(shù)據(jù)計(jì)算的多普勒中心頻率減去搭載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算的多普勒中心頻率所得差值,可表示為

    式中,fdcs表示多普勒中心偏移,表示海洋探測(cè)回波獲取的多普勒中心頻率,表示搭載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算的多普勒中心頻率。

    對(duì)于動(dòng)態(tài)海面,多普勒中心偏移由表面散射元的距離向空間平均速度和局地雷達(dá)后向散射系數(shù)決定,可表示為[7,18]

    3 機(jī)載SAR多普勒中心偏移計(jì)算方法設(shè)計(jì)

    3.1 載機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算多普勒中心頻率

    圖2 機(jī)載SAR姿態(tài)變化時(shí)構(gòu)成的探測(cè)幾何關(guān)系Fig.2 Sounding geometric relationship in airborne SAR posture change

    此時(shí),天線波束中心到地面指向點(diǎn)的坐標(biāo)為[10]

    由式(5)和式(7)可知,決定多普勒中心頻率的載機(jī)姿態(tài)參數(shù)包括俯仰角、偏航角、飛行速度和探測(cè)斜距。

    俯仰角、偏航角、飛行速度和探測(cè)斜距等載機(jī)姿態(tài)信息,由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System,INS)提供。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為光纖陀螺組合導(dǎo)航系統(tǒng),輸出參數(shù)包括俯仰角、偏航角、飛行高度和速度等。

    利用載機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算多普勒中心頻率的具體步驟為:首先,從慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)直接讀取俯仰角和偏航角信息;然后,結(jié)合衛(wèi)星定位信息獲取飛行高度和速度,再利用飛行高度和雷達(dá)入射角計(jì)算探測(cè)斜距;最后,將俯仰角、偏航角、飛行速度和探測(cè)斜距輸入式(5)和式(7),計(jì)算多普勒中心頻率

    3.2 海洋探測(cè)回波數(shù)據(jù)計(jì)算多普勒中心頻率

    通過(guò)分析探測(cè)回波的多普勒功率譜確定多普勒中心頻率的方法,稱(chēng)為多普勒譜分析法[5,19]。當(dāng)有些不完全孔徑點(diǎn)的探測(cè)回波明顯大于海面目標(biāo)場(chǎng)景的其它部分時(shí),會(huì)導(dǎo)致多普勒功率譜的形狀產(chǎn)生畸變,影響多普勒中心頻率的計(jì)算精度。特別是多普勒功率譜峰值附近比較平坦,使得噪聲干擾更容易產(chǎn)生計(jì)算誤差。因此,通過(guò)技術(shù)手段去除噪聲對(duì)多普勒功率譜的影響,是提高多普勒中心頻率計(jì)算精度的重要途徑。

    本文利用小波分析去除噪聲對(duì)多普勒功率譜的影響。在SAR數(shù)據(jù)處理中,本文發(fā)現(xiàn)Mexican-Hat母小波函數(shù)具有任意階的正則性,同時(shí)具有較好的時(shí)域和頻域局部化特性及信號(hào)能量集中特性,有利于去除噪聲對(duì)多普勒功率譜的影響。

    Mexican-Hat小波函數(shù)為高斯函數(shù)的2階導(dǎo)數(shù),可表示為[20]

    利用探測(cè)回波數(shù)據(jù)計(jì)算多普勒中心頻率的具體步驟為:首先,從全極化回波數(shù)據(jù)中讀取VV極化數(shù)據(jù);然后,進(jìn)行方位向FFT,并將FFT后的探測(cè)回波沿方位向疊加,得到多普勒功率譜;接著,利用Mexican-Hat小波函數(shù)去除噪聲干擾;最后,確定多普勒功率譜能量中心對(duì)應(yīng)的多普勒頻率為多普勒中心頻率

    3.3 影響因素分析

    多普勒中心偏移計(jì)算精度取決于載機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)精度和探測(cè)回波數(shù)據(jù)精度兩個(gè)方面。在實(shí)際反演應(yīng)用中,一方面需要從平臺(tái)數(shù)據(jù)獲取高精度的多普勒中心頻率信息,這需要高穩(wěn)定性的平臺(tái)以及高精度的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù),包括俯仰角、偏航角、飛行速度和探測(cè)斜距等參數(shù)及其測(cè)量精度信息。

    本文取俯仰角為0°,偏航角為2.5°,飛行速度為45 m/s,飛行高度為3 km,雷達(dá)入射角40°,采用敏感性分析的方法考察運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量精度對(duì)于多普勒中心頻率計(jì)算精度的影響。假設(shè)一個(gè)參數(shù)存在測(cè)量誤差,其它參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確的情況下,慣導(dǎo)參數(shù)測(cè)量誤差對(duì)多普勒中心計(jì)算精度的影響如表1所示。

    表1 慣導(dǎo)參數(shù)測(cè)量誤差對(duì)多普勒中心頻率計(jì)算精度的影響Tab.1 The influence of inertial parameter measurement error to Doppler center frequency calculation accuracy

    由表1可知,偏航角和俯仰角的測(cè)量精度對(duì)多普勒中心頻率計(jì)算影響顯著,0.1°的測(cè)角誤差會(huì)帶來(lái)2 Hz的頻率測(cè)量誤差。飛行速度的測(cè)量精度對(duì)多普勒中心頻率計(jì)算影響較小,1 m/s的測(cè)速誤差會(huì)帶來(lái)1 Hz左右的頻率測(cè)量誤差。而飛行高度誤差對(duì)于多普勒中心頻率測(cè)量精度沒(méi)有影響。因此,要滿足海洋環(huán)境應(yīng)用需求,慣導(dǎo)的角度測(cè)量精度是影響多普勒中心頻率計(jì)算精度關(guān)鍵因素。

    近些年我國(guó)機(jī)載、星載平臺(tái)以及慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展,能夠提供高精度的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù),使得多普勒中心偏移的應(yīng)用成為可能。另一方面,還需要從探測(cè)回波數(shù)據(jù)中獲取高精度的多普勒中心頻率信息,其精度受到信噪比和數(shù)據(jù)處理方法的影響。

    仿真和試驗(yàn)結(jié)果均表明[21]:提高信噪比有利于提高多普勒中心頻率的計(jì)算精度,但信噪比大于10 dB后,通過(guò)信噪比改善多普勒中心頻率精度的效果將會(huì)大大降低。在應(yīng)用中可以根據(jù)這一特點(diǎn)選擇合適的信噪比。

    4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究

    4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

    機(jī)載正側(cè)視SAR的飛行探測(cè)時(shí)間為2012年7月26日14~21時(shí),載機(jī)飛行高度為3 km,探測(cè)分辨率為1.5 m, 3 m,雷達(dá)中心入射角為30°, 40°。飛行探測(cè)試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)包括全極化SAR原始回波數(shù)據(jù)和搭載平臺(tái)的慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)。機(jī)載SAR工作參數(shù)包括工作模式、極化方式和PRF等,指標(biāo)如表2所示。

    表2 機(jī)載SAR工作參數(shù)及指標(biāo)Tab.2 Operating parameters and indicators of airborne SAR

    機(jī)載SAR的探測(cè)回波為全極化數(shù)據(jù),本文采用VV極化回波數(shù)據(jù)計(jì)算多普勒中心頻率。

    慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出俯仰角、橫滾角、偏航角等角度信息,以及飛行速度和高度信息,角度測(cè)量精度優(yōu)于0.05°,速度測(cè)量信息優(yōu)于0.1 m/s。

    比對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)海域的國(guó)家氣象局“58573號(hào)”浮標(biāo)觀測(cè)提供。浮標(biāo)位于舟山海域29.75°N, 122.75°E附近,提供海面10 m風(fēng)向、風(fēng)速,海浪的波向、有效波高和有效波周期等海洋環(huán)境要素,觀測(cè)時(shí)間間隔為10 min。為了保證探測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空匹配的有效性,本文通過(guò)航向設(shè)計(jì)使得機(jī)載SAR在浮標(biāo)周?chē)?0 km×50 km海域獲取探測(cè)數(shù)據(jù)。

    4.2 CDOP地球物理模型函數(shù)

    Mouche等人[6]統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)無(wú)明顯中尺度海洋現(xiàn)象條件下(海面風(fēng)場(chǎng)主導(dǎo)),風(fēng)向和風(fēng)速兩個(gè)地球物理參數(shù)是影響多普勒中心偏移主要因素。通過(guò)對(duì)ENVISAT ASAR獲取的多普勒中心偏移與ASCAT散射計(jì)反演的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析,提出了CDOP地球物理模型函數(shù),一般表達(dá)式為

    雖然CDOP模型函數(shù)僅包含風(fēng)向和風(fēng)速兩個(gè)地球物理參數(shù),但其刻畫(huà)的多普勒中心偏移與海洋表層運(yùn)動(dòng)的地球物理關(guān)系,包含了傾斜調(diào)制、流體力學(xué)調(diào)制、自然散射機(jī)制和Bragg散射等海洋表層地球物理特性,與理論模型相比具有更為顯著的代表性。因此,本文將浮標(biāo)實(shí)測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)輸入CDOP地球物理模型函數(shù),仿真計(jì)算多普勒中心偏移作為比對(duì)驗(yàn)證真值,驗(yàn)證計(jì)算方法的有效性。

    4.3 驗(yàn)證方案

    機(jī)載正側(cè)視SAR多普勒中心偏移計(jì)算方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案如圖3所示。一方面,本文利用機(jī)載正側(cè)視SAR開(kāi)展飛行探測(cè)試驗(yàn),獲取多普勒中心偏移數(shù)據(jù);另一方面將實(shí)驗(yàn)海域的浮標(biāo)風(fēng)向、風(fēng)速輸入CDOP地球物理模型函數(shù),仿真計(jì)算多普勒中心偏移。最終,將CDOP地球物理模型函數(shù)的計(jì)算結(jié)果作為比對(duì)驗(yàn)證真值,驗(yàn)證計(jì)算方法的有效性,具體步驟為

    4.4 實(shí)例計(jì)算

    本文以機(jī)載SAR探測(cè)數(shù)據(jù)20120726-011為例,研究多普勒中心偏移計(jì)算方法的精度,步驟如下:

    步驟 1 利用慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)計(jì)算多普勒中心頻率。探測(cè)數(shù)據(jù)20120726-011采用的雷達(dá)入射角為40°,俯仰角、偏航角、飛行速度和高度等姿態(tài)信息,如圖4所示。

    從圖4可知,由于高空風(fēng)影響,載機(jī)姿態(tài)會(huì)在一個(gè)固定狀態(tài)附近產(chǎn)生微小變化。本文通過(guò)載機(jī)姿態(tài)信息的平均處理去除姿態(tài)微小變化的影響,再將俯仰角、偏航角、飛行速度、高度以及雷達(dá)入射角輸入式(8),計(jì)算多普勒中心頻率

    圖3 多普勒中心偏移計(jì)算方法驗(yàn)證方案Fig.3 Doppler centroid shift calculation method verification scheme

    步驟 2 利用探測(cè)回波數(shù)據(jù)計(jì)算多普勒中心頻率。讀取機(jī)載SAR探測(cè)回波數(shù)據(jù),一個(gè)脈沖序列的全極化回波數(shù)據(jù)排列如圖5(a)所示,圖中幅度顯著變化部分為回波信號(hào),極化方式依次為HH, HV,VH和VV,其余部分為噪聲。從中讀取VV極化回波數(shù)據(jù)(圖5(b), 512×512),作方位向FFT,所得圖像如圖5(c)所示,圖中明亮部分為天線方向圖中心指向區(qū)域。將FFT后的探測(cè)回波沿方位向疊加,得到多普勒功率譜(圖5(d),藍(lán)色曲線)。如果直接從圖5(d)藍(lán)色曲線確定多普勒中心頻率,受噪聲影響將會(huì)在59~64 Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)局部最優(yōu)解,產(chǎn)生±2.5 Hz的計(jì)算誤差。

    圖4 探測(cè)數(shù)據(jù)20120726-011的姿態(tài)信息Fig.4 Attitude information of the probe data 20120726-011

    利用Mexican-Hat小波函數(shù)濾波,平滑多普勒功率譜(圖5(d),紅色曲線),最終依據(jù)多普勒功率譜能量中心位置確定多普勒中心頻率

    圖5 機(jī)載SAR探測(cè)回波數(shù)據(jù)計(jì)算多普勒中心頻率Fig.5 The Doppler center frequency calculate from Airborne SAR detection echo data

    步驟 4 采用CDOP地球物理模型函數(shù)計(jì)算多普勒中心偏移。探測(cè)數(shù)據(jù)20120726-011的雷達(dá)入射角為40°,天線波束中心指向?yàn)?80°。與其匹配的浮標(biāo)風(fēng)速為5.3 m/s,風(fēng)向?yàn)?36°,則風(fēng)向與天線波束中心指向的夾角為–44°。將雷達(dá)入射角、風(fēng)速和風(fēng)向與天線波束中心指向的夾角輸入CDOP地球物理模型函數(shù),計(jì)算多普勒中心偏移結(jié)果為14.5 Hz。

    4.5 可行性分析

    按照4.3節(jié)計(jì)算過(guò)程,本文計(jì)算7月26日9組探測(cè)數(shù)據(jù)的多普勒中心偏移,并以CDOP地球物理模型函數(shù)計(jì)算結(jié)果作為比對(duì)驗(yàn)證真值,計(jì)算結(jié)果如表3所示。

    由表3可知,9組探測(cè)數(shù)據(jù)多普勒中心偏移計(jì)算誤差的絕對(duì)值均小于2 Hz,均方根誤差為1.4 Hz。

    基于CDOP經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,本文取風(fēng)向45°,雷達(dá)入射角取30°,研究多普勒中心偏移計(jì)算誤差與風(fēng)速誤差關(guān)系。在中、低風(fēng)速條件下,多普勒中心偏移計(jì)算誤差與風(fēng)速誤差的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

    表3 多普勒中心偏移計(jì)算結(jié)果比對(duì)驗(yàn)證(Hz)Tab.3 Comparison of Doppler centroid shift calculation verification (Hz)

    圖6中,風(fēng)速誤差隨著多普勒中心偏移計(jì)算誤差的增加而增加,1 Hz的多普勒中心偏移計(jì)算誤差會(huì)帶來(lái)約1 m/s的風(fēng)速誤差。海洋環(huán)境應(yīng)用中要求風(fēng)速反演誤差小于2 m/s,此時(shí)多普勒中心偏移計(jì)算誤差應(yīng)小于2.2 Hz??紤]設(shè)計(jì)冗余,論文中要求多普勒中心偏移計(jì)算誤差應(yīng)小于2 Hz。比對(duì)驗(yàn)證結(jié)果表明,本文提出的多普勒中心偏移計(jì)算方法有效,可滿足海洋環(huán)境要素反演精度要求。

    圖6 多普勒中心偏移計(jì)算誤差與風(fēng)速誤差對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 Correspondence between Doppler centroid shift calculation error and wind speed error

    實(shí)際應(yīng)用中,可以基于不同平臺(tái)(機(jī)載、星載)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù),針對(duì)性選用計(jì)算方法獲取多普勒中心頻率,同時(shí)基于探測(cè)回波數(shù)據(jù),選用相應(yīng)分析方法求解多普勒中心頻率。

    7月26日14時(shí)到21時(shí)的浮標(biāo)觀測(cè)結(jié)果表明,探測(cè)海域風(fēng)向變化范圍為130°~150°,風(fēng)速為5.2~6.5 m/s。若僅考慮風(fēng)向、風(fēng)速變化,多普勒中心偏移的變化范圍應(yīng)小于3 Hz。而表3中機(jī)載SAR探測(cè)數(shù)據(jù)多普勒中心偏移計(jì)算結(jié)果為–10.2~21.2 Hz,變化范圍為31.4 Hz。這是因?yàn)槎嗥绽罩行钠迫Q于天線波束中心指向與風(fēng)向的夾角,而非單純風(fēng)向。探測(cè)試驗(yàn)時(shí),為了保證浮標(biāo)比對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)空匹配的有效性,本文設(shè)計(jì)載機(jī)作三角航線飛行。由于載機(jī)航向調(diào)整,使得天線波束中心指向與風(fēng)向的夾角發(fā)生變化,影響了天線波束中心指向與探測(cè)目標(biāo)之間相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致多普勒中心偏移變化范圍變大。由此可見(jiàn),載機(jī)飛行航向直接影響多普勒中心偏移計(jì)算結(jié)果。因此,機(jī)載SAR海洋環(huán)境探測(cè)時(shí),設(shè)計(jì)載機(jī)作直線飛行,有利于開(kāi)展海洋環(huán)境要素反演研究。

    5 結(jié)束語(yǔ)

    針對(duì)機(jī)載正側(cè)視SAR,本文提出了一種多普勒中心偏移計(jì)算方法,分別利用載機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和海洋探測(cè)回波數(shù)據(jù)計(jì)算多普勒中心頻率,再作差求解多普勒中心偏移。在多普勒譜分析法中加入小波分析去除噪聲對(duì)多普勒功率譜的影響,提高了海洋探測(cè)回波數(shù)據(jù)計(jì)算多普勒中心頻率的精度。

    利用機(jī)載SAR開(kāi)展了飛行探測(cè)實(shí)驗(yàn),獲取多普勒中心偏移,同時(shí)將實(shí)驗(yàn)海域的浮標(biāo)風(fēng)向、風(fēng)速輸入CDOP地球物理模型函數(shù)仿真計(jì)算多普勒中心偏移作為比對(duì)驗(yàn)證真值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,9組探測(cè)數(shù)據(jù)多普勒中心偏移計(jì)算誤差的絕對(duì)值均小于2 Hz,均方根誤差為1.4 Hz,多普勒中心偏移計(jì)算方法有效,可滿足海洋環(huán)境要素反演的精度要求。多普勒中心偏移變化范圍較大的原因是載機(jī)航向調(diào)整,使得天線波束中心指向與風(fēng)向的夾角發(fā)生變化,影響了天線波束中心指向與探測(cè)目標(biāo)之間相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)。因此,機(jī)載SAR海洋環(huán)境探測(cè)時(shí),設(shè)計(jì)載機(jī)作直線飛行,有利于開(kāi)展海洋環(huán)境要素反演研究。

    本文研究結(jié)果可為機(jī)載、星載SAR多普勒中心偏移的海洋環(huán)境應(yīng)用提供技術(shù)支持。多普勒中心偏移的計(jì)算精度是其應(yīng)用于海洋環(huán)境探測(cè)的一個(gè)關(guān)鍵因素,取決于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)精度和探測(cè)回波數(shù)據(jù)精度兩個(gè)方面。未來(lái)工作中,將系統(tǒng)分析平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)測(cè)量誤差,以及多普勒功率譜的噪聲干擾誤差,構(gòu)建誤差傳遞函數(shù),再通過(guò)誤差系統(tǒng)校正,提高多普勒中心偏移計(jì)算精度。

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