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

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。