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    面向海流反演的多普勒散射計(jì)天線轉(zhuǎn)速優(yōu)化方法*

    2024-02-28 11:46:44孫偉峰范陳清戴永壽
    關(guān)鍵詞:海流海面方位

    孫偉峰, 李 雯, 范陳清, 賈 晨, 戴永壽

    (1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)海洋與空間信息學(xué)院, 山東 青島 266580; 2. 自然資源部第一海洋研究所遙感室, 山東 青島 266061)

    海洋表面流是航海、漁業(yè)等海洋工程應(yīng)用及全球氣候變化研究的基礎(chǔ),其觀測(cè)和預(yù)報(bào)受到越來(lái)越多的關(guān)注[1]。多普勒散射計(jì)(Doppler Scatterometer,DopScat)是一種測(cè)量海面風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)的新型真實(shí)孔徑雷達(dá)[2],采用筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描體制,有具有不同的入射角和極化方式的內(nèi)、外兩個(gè)波束。隨著衛(wèi)星平臺(tái)的不斷運(yùn)動(dòng)及天線的快速旋轉(zhuǎn),DopScat具有寬刈幅、多方位角觀測(cè)[3]和單部雷達(dá)即可實(shí)現(xiàn)全球海表面矢量流快速覆蓋的優(yōu)勢(shì)。注意到,DopScat天線的旋轉(zhuǎn)掃描速度對(duì)海流的反演性能具有重要的影響[4]。表1給出了當(dāng)今主流星載微波散射計(jì)的天線轉(zhuǎn)速信息[5-7]??梢?jiàn),在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下,散射計(jì)所采用的天線轉(zhuǎn)速也不相同。當(dāng)對(duì)海流進(jìn)行觀測(cè)時(shí),散射計(jì)天線轉(zhuǎn)速過(guò)快,部分目標(biāo)海面無(wú)法被雷達(dá)波束所覆蓋,存在觀測(cè)盲區(qū);天線轉(zhuǎn)速過(guò)慢,同一目標(biāo)海面被雷達(dá)波束覆蓋次數(shù)較少,利用不同觀測(cè)方位向下的徑向流合成矢量流時(shí),由衛(wèi)星姿態(tài)[8]等引起的徑向速度誤差對(duì)海流反演精度影響較大,導(dǎo)致海流反演精度較低。

    2015年鮑青柳[9]指出天線轉(zhuǎn)速的選擇須滿足雷達(dá)足印對(duì)海洋表面的連續(xù)覆蓋,避免出現(xiàn)覆蓋盲區(qū)。2017年王剛等人[10]研究發(fā)現(xiàn),隨著天線旋轉(zhuǎn)速度的增大,天線掃描損失也逐漸增大,因此,在系統(tǒng)仿真中必須考慮天線掃描損失的影響。同年,董曉龍團(tuán)隊(duì)基于Ku波段多普勒散射計(jì)模型,提出了基于極大似然估計(jì)的多普勒散射計(jì)海流反演方法,在天線轉(zhuǎn)速為18 r·min-1時(shí),利用海洋表面流實(shí)時(shí)分析(Ocean Surface Current Analyses Real-time,OSCAR)數(shù)據(jù)進(jìn)行了海流反演實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明海流反演精度可達(dá)0.18 m·s-1[11]。此外,在ISAR成像領(lǐng)域,朱燕麗等[12]根據(jù)天線轉(zhuǎn)速對(duì)ISAR成像的影響,建立了使方位角分辨率值最小的天線轉(zhuǎn)速優(yōu)化模型,但該模型在DopScat海流反演中并不適用。

    通過(guò)研究DopScat天線轉(zhuǎn)速的選擇及優(yōu)化工作(見(jiàn)表1)發(fā)現(xiàn),利用現(xiàn)有方法優(yōu)化得到的天線轉(zhuǎn)速進(jìn)行海流反演,反演精度仍未滿足海洋工程應(yīng)用及全球氣候變化研究對(duì)海流流速、流向分別為0.1 m·s-1、20°的測(cè)量精度要求。因此,本文提出了一種面向海流反演的多條件約束天線轉(zhuǎn)速優(yōu)化方法。以研究區(qū)域內(nèi)被天線波束覆蓋3次或者4次的目標(biāo)海面數(shù)量為目標(biāo)函數(shù),以順軌與交軌方向的波束足印連續(xù)性、空間分辨率要求作為約束條件,結(jié)合天線轉(zhuǎn)速與天線掃描損耗的關(guān)系,建立非線性約束下的多普勒散射計(jì)天線轉(zhuǎn)速優(yōu)化模型,利用優(yōu)化得到的天線轉(zhuǎn)速計(jì)算得到每個(gè)目標(biāo)海面的觀測(cè)方位向組合。利用OSCAR海流數(shù)據(jù),采用基于觀測(cè)方位向優(yōu)選的矢量流合成方法[10]估計(jì)海面流場(chǎng)。

    1 多普勒散射計(jì)海流觀測(cè)原理

    為了實(shí)現(xiàn)寬刈幅、多方位角觀測(cè)和快速無(wú)間隙全球覆蓋,DopScat采用內(nèi)、外兩個(gè)筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描進(jìn)行海流觀測(cè)[14]。設(shè)衛(wèi)星平臺(tái)軌道高度為H,DopScat沿著軌道運(yùn)行的同時(shí),其天線以ra的旋轉(zhuǎn)速率進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描,其觀測(cè)幾何如圖1所示。其中,vsat表示衛(wèi)星平臺(tái)的飛行速度,θ表示DopScat觀測(cè)海流的入射角,R表示天線足印中心到星下點(diǎn)的距離,φ表示在觀測(cè)時(shí)間t時(shí),由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及天線旋轉(zhuǎn),雷達(dá)天線波束指向在地面的投影與雷達(dá)運(yùn)動(dòng)方向的夾角,即觀測(cè)方位向。DopScat具體參數(shù)指標(biāo)[9-10,15]如表2所示。

    圖1 多普勒散射計(jì)海流觀測(cè)示意圖

    表2 系統(tǒng)仿真參數(shù)

    如圖1所示,DopScat向海面發(fā)射電磁波信號(hào),與海面發(fā)生相互作用產(chǎn)生Bragg散射,散射的一部分電磁波將作為回波被DopScat接收。將接收到的電磁波信號(hào)與發(fā)射的電磁波信號(hào)進(jìn)行混頻,通過(guò)濾波等前端處理后得到中頻信號(hào),對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行回波功率譜估計(jì),通過(guò)譜峰檢測(cè)提取由海流引起的多普勒頻移[16]。

    由多普勒頻移及多普勒效應(yīng)可知,海流徑向流速Vr與多普勒頻移fd之間的關(guān)系[17]可以表示為:

    (1)

    其中,λ表示電磁波波長(zhǎng)。

    令研究區(qū)域內(nèi)總目標(biāo)海面數(shù)量為N,每一個(gè)目標(biāo)海面可以為Pi(i=1,2…,N),多普勒散射計(jì)S對(duì)目標(biāo)海面P1進(jìn)行觀測(cè)時(shí)的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,V表示目標(biāo)點(diǎn)處的海表矢量流速,Vr表示雷達(dá)與目標(biāo)間的相對(duì)徑向速度,Vr′表示目標(biāo)點(diǎn)處海表矢量流速V在觀測(cè)方位向φ上的分量,η表示海流流向φcur與觀測(cè)方位向φ之間的夾角。由空間投影關(guān)系可知,V、Vr與Vr′之間滿足如下關(guān)系式[13]:

    圖2 多普勒散射計(jì)海流觀測(cè)幾何示意圖

    (2)

    在不同的天線轉(zhuǎn)速下,DopScat發(fā)射電磁波波束足印對(duì)同一目標(biāo)海面的覆蓋次數(shù)不同,觀測(cè)方位向也不同。由公式(1)可以計(jì)算得到海流在不同觀測(cè)方位向下的徑向流速;利用兩個(gè)及以上不同觀測(cè)方位向下的徑向流速,由公式(2),通過(guò)矢量流合成的方法計(jì)算得到矢量流場(chǎng)。

    2 多條件約束的DopScat天線轉(zhuǎn)速優(yōu)化

    隨著衛(wèi)星平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和筆形波束的旋轉(zhuǎn)掃描,在內(nèi)波束刈幅范圍的同一目標(biāo)海面最多可以被散射計(jì)內(nèi)、外波束的前、后視觀測(cè)四次,內(nèi)波束刈幅和外波束刈幅之間的目標(biāo)海面最多可以被散射計(jì)外波束前、后視觀測(cè)兩次[18]。為了使DopScat發(fā)射的電磁波波束在海洋表面的足印覆蓋到大多數(shù)的目標(biāo)海面,避免出現(xiàn)覆蓋盲區(qū),必須要考慮雷達(dá)足印在海洋表面順軌方向與掃描方向的連續(xù)覆蓋[9,19]。由DopScat天線發(fā)射內(nèi)、外波束在海洋表面的足印連續(xù)性約束條件可以確定內(nèi)、外波束天線轉(zhuǎn)速范圍分別為18~1 147 r·min-1,15.1~953.2 r·min-1。為了同時(shí)滿足天線內(nèi)、外波束足印掃描的連續(xù)性,天線轉(zhuǎn)速約束范圍應(yīng)為18~953.2 r·min-1。

    在滿足天線足印快速無(wú)間隙全球覆蓋的同時(shí),也要滿足海流反演對(duì)空間分辨率的要求。海洋工程應(yīng)用及全球氣候變化研究要求海流觀測(cè)空間分辨率高于50 km[6]??臻g分辨率包括距離向分辨率和方位向分辨率,距離向分辨率主要受脈沖信號(hào)寬度影響,在脈沖信號(hào)寬度為4 MHz時(shí),雷達(dá)的距離向分辨率為50 km。方位向分辨率與時(shí)間-帶寬積(Time Bandwidth Product, TBP)有關(guān),而TBP由天線轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。方位向分辨率可以表示為:

    (3)

    由公式(3)可知,為滿足海流觀測(cè)50 km×50 km的空間分辨率要求,天線轉(zhuǎn)速應(yīng)低于173 r·min-1。因此,結(jié)合天線足印覆蓋連續(xù)性約束與空間分辨率要求,天線轉(zhuǎn)速約束范圍為18~173 r·min-1。

    另外,由于DopScat的天線口徑更大,雷達(dá)的距離向足印寬度較小,為了滿足星下點(diǎn)軌跡的全覆蓋,天線轉(zhuǎn)速比風(fēng)場(chǎng)測(cè)量筆形波束掃描雷達(dá)散射計(jì)更快,天線掃描損耗也更嚴(yán)重[9],而該損耗會(huì)降低信噪比,從而影響海流的反演精度。因此,在系統(tǒng)仿真時(shí)必須考慮天線掃描損耗。由文獻(xiàn)[20]給出的天線掃描損耗與天線轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖可知,隨著天線轉(zhuǎn)速的增大,天線掃描損耗逐漸變大,那么信噪比就越低,導(dǎo)致海流反演精度低。因此,在滿足天線波束足印連續(xù)性的約束條件下,應(yīng)盡可能選擇較小的天線轉(zhuǎn)速。

    DopScat天線轉(zhuǎn)速不同時(shí),雷達(dá)對(duì)同一目標(biāo)海面的觀測(cè)次數(shù)也不同,采用矢量流合成的方法進(jìn)行海流反演時(shí)至少需要兩個(gè)觀測(cè)方位向的徑向流,而采用不同的徑向流合成矢量流時(shí),由衛(wèi)星姿態(tài)誤差等引起的徑向速度誤差對(duì)海流反演的影響不同。本節(jié)通過(guò)分析天線轉(zhuǎn)速對(duì)海流反演精度的影響規(guī)律,提出了一種新的天線轉(zhuǎn)速優(yōu)化方法,在天線轉(zhuǎn)速最優(yōu)時(shí),利用最優(yōu)觀測(cè)方位向下的徑向流合成矢量流,提高海流反演精度。

    2.1 天線轉(zhuǎn)速對(duì)海流反演精度的影響規(guī)律分析

    對(duì)于內(nèi)波束刈幅范圍內(nèi)的同一目標(biāo)海面,最多可實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外波束四個(gè)不同觀測(cè)方位向的觀測(cè)。天線轉(zhuǎn)速不同,雷達(dá)足印對(duì)同一目標(biāo)海面的覆蓋次數(shù)也不同。如圖3所示,該圖為在不同的天線轉(zhuǎn)速下,雷達(dá)足印對(duì)同一目標(biāo)海面覆蓋2、3和4次時(shí),利用兩個(gè)不同觀測(cè)方位向下的徑向流進(jìn)行矢量流合成的示意圖。假設(shè)在目標(biāo)海面P1處,矢量流的流速大小為V、流向?yàn)棣誧ur,流速V在四個(gè)觀測(cè)方位向上的投影分量分別為VR1、VR2、VR3、VR4,不同觀測(cè)方位向組合下的矢量流合成流速分別為V1、V2、V3、V4、V5、V6,流向分別為φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6,箭頭的長(zhǎng)度和方向分別表示合成矢量流速的大小和流向。由于每個(gè)觀測(cè)方位向?qū)?yīng)的徑向速度誤差差異不大,為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),本文假設(shè)了不同的觀測(cè)方位向具有恒定的徑向速度誤差ΔVR。

    圖3 觀測(cè)次數(shù)不同時(shí)矢量流流速合成示意圖

    從圖3(a)中可以看出,在一定的天線轉(zhuǎn)速下,雷達(dá)足印對(duì)目標(biāo)海面僅覆蓋2次,觀測(cè)方位向?yàn)閯e為φ1、φ2,利用兩觀測(cè)方位向下的徑向速度合成矢量流流速、流向分別為V1、φ1;圖3(b)是在一定天線轉(zhuǎn)速下,雷達(dá)足印對(duì)目標(biāo)海面覆蓋到3次時(shí)進(jìn)行矢量流合成結(jié)果,觀測(cè)方位向分別為φ1、φ2、φ3,將3個(gè)方位向下的徑向速度分別組合進(jìn)行矢量合成,得到不同觀測(cè)方位向組合下的矢量流速分別為V1、V2和V3,流向分別為φ1、φ2、φ3,可以發(fā)現(xiàn)在觀測(cè)方位向?yàn)棣?、φ3時(shí),得到的海流矢量流速V2、流向φ2更接近真實(shí)海流流速、流向,并且比圖3(a)僅用兩個(gè)觀測(cè)方位向得到的海流矢量流反演精度高;圖3(c)是在一定的天線轉(zhuǎn)速下,雷達(dá)足印對(duì)目標(biāo)海面覆蓋到4次時(shí)矢量流合成結(jié)果,觀測(cè)方位向分別為φ1、φ2、φ3、φ4,將4個(gè)方位向下的徑向速度分別組合進(jìn)行矢量合成,得到不同觀測(cè)方位向組合下的矢量流速分別為V1、V2、V3、V4、V5、V6,流向分別為φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6,可以發(fā)現(xiàn)在觀測(cè)方位向?yàn)棣?、φ4時(shí),得到的海流矢量流速V4、流向φ4更接近真實(shí)海流流速、流向,相比于僅被觀測(cè)2次和3次時(shí)的矢量合成流速、流向,海流反演精度得以提高。

    因此,可以通過(guò)優(yōu)化天線轉(zhuǎn)速,使得同一目標(biāo)海面可以被雷達(dá)足印覆蓋的次數(shù)達(dá)到3次或者4次,選擇最優(yōu)的觀測(cè)方位向組合來(lái)減小徑向速度誤差對(duì)海流反演的影響,提高海流的反演精度。

    2.2 DopScat天線轉(zhuǎn)速優(yōu)化

    根據(jù)天線轉(zhuǎn)速對(duì)海流反演精度的影響規(guī)律分析,以增加雷達(dá)足印對(duì)目標(biāo)海面的覆蓋次數(shù),選擇最優(yōu)的觀測(cè)方位向組合來(lái)減小徑向速度誤差對(duì)海流反演影響為目標(biāo),本節(jié)提出了一種天線轉(zhuǎn)速優(yōu)化方法。如圖1所示,隨著平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)及天線的旋轉(zhuǎn),多普勒散射計(jì)以12 kHz的脈沖重復(fù)頻率[9]向海面發(fā)射脈沖,雷達(dá)足印對(duì)海面進(jìn)行連續(xù)覆蓋。以內(nèi)波束足印為例,在t0~t3時(shí)間段內(nèi),正側(cè)視時(shí),雷達(dá)足印對(duì)海面的覆蓋如圖4所示,其中,實(shí)線橢圓與虛線橢圓分別表示雷達(dá)外波束與內(nèi)波束足印。

    圖4 正側(cè)視足印覆蓋示意圖

    天線轉(zhuǎn)速不同時(shí),雷達(dá)足印對(duì)目標(biāo)海面的覆蓋次數(shù)也不同。由圖1與圖4可知,內(nèi)波束的足印運(yùn)動(dòng)軌跡與天線轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系可以表示為:

    (4)

    外波束的足印運(yùn)動(dòng)軌跡與天線轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系可以表示為:

    (6)

    其中:xin、xout分別表示內(nèi)、外波束交軌方向的足印軌跡;yin、yout分別表示內(nèi)、外波束順軌方向的足印軌跡;Rin、Rout分別表示內(nèi)、外波束的刈幅半徑;t1′表示雷達(dá)足印從進(jìn)入研究區(qū)域到覆蓋到目標(biāo)海面所用的時(shí)間。

    圖5 目標(biāo)海面P1的觀測(cè)幾何示意圖

    (6)

    (7)

    其中,t′、t″分別表示雷達(dá) 、外波束足印從進(jìn)入研究區(qū)域到覆蓋到目標(biāo)海面所用的時(shí)間。

    聯(lián)立公式(4)—(7),DopScat天線內(nèi)、外波束足印覆蓋到目標(biāo)海面時(shí)的觀測(cè)方位向可以分別表示為:

    (8)

    (9)

    其中,(xobj,yobj)表示雷達(dá)足印覆蓋到觀測(cè)目標(biāo)海面P時(shí)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)海面的幾何位置。不同的天線轉(zhuǎn)速下,內(nèi)、外波束足印覆蓋到目標(biāo)海面時(shí)的觀測(cè)方位向φin、φout的取值均可能有0、1或2個(gè),即對(duì)于同一目標(biāo)海面,內(nèi)、外波束足印覆蓋到目標(biāo)海面時(shí)總的觀測(cè)方位向個(gè)數(shù)可能為0、1、2、3或4個(gè)。

    結(jié)合公式(8)與(9),天線轉(zhuǎn)速ra不同時(shí),同一目標(biāo)海面P1被雷達(dá)內(nèi)、外波束足印覆蓋的總次數(shù)可以表示為:

    nP1(ra)=num(φin)+num(φout)。

    (10)

    其中,num(·)表示取多值變量取值的個(gè)數(shù)。

    由第1節(jié)給出的研究區(qū)域內(nèi)目標(biāo)海面的總數(shù)為N,目標(biāo)海面集合可以表示為P={P1,P2,…PN}。由公式(10)可知,在不同的天線轉(zhuǎn)速下,被雷達(dá)足印覆蓋3次或者4次的目標(biāo)海面集合可以表示為:

    P′={Pi,i=1,2,…N|nPi(ra)>2}。

    (11)

    因此,在不同的天線轉(zhuǎn)速ra下,研究區(qū)域內(nèi)滿足被雷達(dá)足印覆蓋3次或者4次的目標(biāo)海面數(shù)量可以表示為:

    M(ra)=card(P′)。

    (12)

    其中,card(·)表示集合的勢(shì)。

    當(dāng)M取最大值時(shí),研究區(qū)域內(nèi)被雷達(dá)足印覆蓋到3次或者4次的目標(biāo)海面數(shù)量最多,此時(shí)對(duì)應(yīng)的天線轉(zhuǎn)速為最優(yōu)天線轉(zhuǎn)速。

    (13)

    結(jié)合天線掃描損耗的要求,利用公式(13)采用非線性約束求最值的方法進(jìn)行天線轉(zhuǎn)速優(yōu)化,得到最優(yōu)天線轉(zhuǎn)速。在該天線轉(zhuǎn)速下,利用公式(8)、(9)可以計(jì)算得到每一個(gè)目標(biāo)海面被雷達(dá)足印覆蓋3次或者4次時(shí)的觀測(cè)方位向。由于采用基于投影關(guān)系的矢量流合成方法進(jìn)行海流反演時(shí)需要兩個(gè)觀測(cè)方位向下的徑向流,為了提高海流的反演精度,需要對(duì)觀測(cè)方位向進(jìn)行優(yōu)選。結(jié)合公式(2),兩個(gè)不同觀測(cè)方位向與海流反演流速、流向之間的關(guān)系可以表示為:

    (14)

    其中,下標(biāo)n、m表示同一天線轉(zhuǎn)速下的兩個(gè)不同觀測(cè)方位向。在觀測(cè)方位向組合為φm與φn時(shí),海流流速與流向反演結(jié)果最優(yōu),此時(shí),φm與φn即為最優(yōu)觀測(cè)方位向組合。利用最優(yōu)觀測(cè)方位向組合下的徑向流合成矢量流,得到最終的海流流速和流向。

    在本文確定的最優(yōu)天線轉(zhuǎn)速下進(jìn)行海流反演,避免了出現(xiàn)雷達(dá)足印覆蓋盲區(qū)導(dǎo)致海流無(wú)法反演的問(wèn)題,同時(shí)也減小了徑向速度誤差對(duì)海流反演的影響,提高了海流反演精度。

    3 實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證

    天線轉(zhuǎn)速不同時(shí),雷達(dá)足印對(duì)目標(biāo)海面的覆蓋次數(shù)不同,增加對(duì)同一目標(biāo)海面的覆蓋次數(shù),對(duì)觀測(cè)方位向進(jìn)行優(yōu)選,可以減小矢量流合成時(shí)徑向速度誤差對(duì)海流反演的影響,提高海流反演精度。由于海流對(duì)氣候變化等科學(xué)研究具有重要的影響,本文選取了赤道流域、北太平洋流域及墨西哥灣流域[21]三個(gè)比較有代表性的海流區(qū)域作為研究區(qū)域,采用上述三個(gè)研究區(qū)域2020年12月30日的OSCAR數(shù)據(jù),在DopScat系統(tǒng)仿真參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了矢量流反演實(shí)驗(yàn)。

    本節(jié)以墨西哥灣21.67°N—28.33°N,85.36°W—94.66°W范圍內(nèi)的3 600個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)為例,如圖6所示,將研究區(qū)域按照50 km×50 km的空間分辨率劃分為100個(gè)小的目標(biāo)海面,每個(gè)目標(biāo)海面的流速值與流向值分別為該目標(biāo)海面范圍內(nèi)所有采樣點(diǎn)的流速與流向數(shù)據(jù)的平均值,流速范圍為0.02~0.18 m·s-1,流向范圍為114.4(°)~339.7(°),如圖7所示。其中,每個(gè)目標(biāo)海面按照從1到100的順序進(jìn)行編號(hào)。

    (圖中“→”表示海流的流向,顏色深淺表示流速的大小。“→”represents the current direction, the color indicates the current velocity.)

    圖7 OSCAR海流流速與流向真實(shí)值

    3.1 雷達(dá)足印覆蓋2次以上的目標(biāo)海面數(shù)量驗(yàn)證

    為了提高海流反演精度,使研究區(qū)域內(nèi)大多數(shù)的目標(biāo)海面被DopScat足印覆蓋到3次或者4次,需要在滿足雷達(dá)足印連續(xù)性的條件下,根據(jù)天線掃描損耗的要求,不斷調(diào)整DopScat的天線轉(zhuǎn)速。由第2節(jié)確定的天線轉(zhuǎn)速范圍及天線轉(zhuǎn)速與天線掃描損耗關(guān)系,根據(jù)表1給出的當(dāng)前主流星載微波散射計(jì)設(shè)定的天線轉(zhuǎn)速,選取在DopScat天線轉(zhuǎn)速為18~40 r·min-1時(shí)對(duì)墨西哥灣研究區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)海面進(jìn)行觀測(cè),由公式(12)可以得到在不同天線轉(zhuǎn)速下,研究區(qū)域內(nèi)雷達(dá)觀測(cè)到同一目標(biāo)海面的次數(shù)為3次或者4次的目標(biāo)海面數(shù)量,如圖8所示。

    圖8 觀測(cè)次數(shù)達(dá)到3次或4次的目標(biāo)海面數(shù)量

    研究區(qū)域內(nèi)被雷達(dá)足印覆蓋3次或者4次的目標(biāo)海面數(shù)量M(ra)占總的目標(biāo)海面數(shù)量N的比例可以表示為:

    (15)

    結(jié)果表明,在天線轉(zhuǎn)速為18 r·min-1[9]時(shí),由公式(15)可得在墨西哥灣研究區(qū)域內(nèi),雷達(dá)足印覆蓋同一目標(biāo)海面次數(shù)達(dá)到3次或者4次的目標(biāo)海面數(shù)量占總研究區(qū)域內(nèi)目標(biāo)海面數(shù)量的80%,低于天線轉(zhuǎn)速為20 r·min-1時(shí),雷達(dá)足印覆蓋3次或者4次的目標(biāo)海面數(shù)量占總目標(biāo)海面數(shù)量的比例82%,因此,在天線轉(zhuǎn)速為20 r·min-1時(shí),研究區(qū)域內(nèi)雷達(dá)足印對(duì)同一目標(biāo)海面覆蓋3次或者4次的目標(biāo)海面數(shù)量最多;另外,可以發(fā)現(xiàn),隨著天線轉(zhuǎn)速的加快,對(duì)同一目標(biāo)海面觀測(cè)到3次或者4次的目標(biāo)海面數(shù)量總體呈現(xiàn)不斷減少的趨勢(shì)。隨后,在赤道流域及北太平洋流域也做了相同的實(shí)驗(yàn),結(jié)論與墨西哥灣流域所做實(shí)驗(yàn)結(jié)論相同。

    3.2 海流反演精度驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證DopScat足印對(duì)同一目標(biāo)海面覆蓋次數(shù)越多,海流反演精度越高,本文在天線轉(zhuǎn)速為18~20 r·min-1時(shí),對(duì)墨西哥灣研究區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)海面進(jìn)行觀測(cè)為例進(jìn)行海流反演實(shí)驗(yàn)。分別對(duì)在天線轉(zhuǎn)速為20 r·min-1時(shí),被DopScat足印覆蓋到3次或者4次,在天線轉(zhuǎn)速為18 、19 r·min-1時(shí),被DopScat足印覆蓋到2次的目標(biāo)海面及在天線轉(zhuǎn)速為20 r·min-1時(shí),被DopScat足印覆蓋到4次,在天線轉(zhuǎn)速為18、19 r·min-1時(shí),被DopScat足印覆蓋到3次的目標(biāo)海面進(jìn)行海流反演實(shí)驗(yàn)。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示,從圖9(a)、(c)中可以看出,相比于被雷達(dá)足印覆蓋3次時(shí)的目標(biāo)海面海流流速、流向反演誤差,被覆蓋4次時(shí),海流流速、流向反演誤差明顯減小;圖9(b)、(d)表明,被雷達(dá)足印覆蓋3次或者4次時(shí)的海流流速、流向反演誤差低于被覆蓋2次時(shí)的海流流速、流向反演誤差。為了驗(yàn)證方法的適用性與有效性,分別選取天線轉(zhuǎn)速為27、28、39和40 r·min-1開(kāi)展了相同的實(shí)驗(yàn),得到了與上述實(shí)驗(yàn)相同的結(jié)論。

    圖9 不同目標(biāo)海面矢量流反演誤差圖

    另外,為了驗(yàn)證上述結(jié)論能夠適用于全球海流,在上述天線轉(zhuǎn)速下,分別在赤道流域及北太平洋流域也做了相同的海流反演實(shí)驗(yàn),結(jié)論與墨西哥灣流域所做實(shí)驗(yàn)結(jié)論相同。因此,DopScat足印對(duì)同一目標(biāo)海面覆蓋次數(shù)越多,海流反演精度越高。

    結(jié)合墨西哥灣流域、赤道流域及北太平洋流域的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析,DopScat最優(yōu)天線轉(zhuǎn)速為20 r·min-1,與公式(13)計(jì)算得到最優(yōu)天線轉(zhuǎn)速20.001 r·min-1非常接近,因此,本文確定最優(yōu)天線轉(zhuǎn)速為20 r·min-1,此時(shí),天線掃描損耗大約為-1.5 dB。

    為了驗(yàn)證天線轉(zhuǎn)速為20 r·min-1時(shí),DopScat海流反演精度提高,考慮到天線轉(zhuǎn)速越大,天線掃描損耗越大,對(duì)海流反演精度影響越大,選取天線轉(zhuǎn)速為18~21 r·min-1時(shí)分別對(duì)墨西哥灣、赤道流及北太平洋三個(gè)研究區(qū)域進(jìn)行海流反演實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

    圖10 不同區(qū)域不同轉(zhuǎn)速下,流速、流向反演標(biāo)準(zhǔn)差

    結(jié)果表明,在天線轉(zhuǎn)速為20 r·min-1時(shí),三個(gè)研究區(qū)域內(nèi)的海流流速、流向反演標(biāo)準(zhǔn)差明顯低于天線轉(zhuǎn)速為18、19和21 r·min-1時(shí)的海流流速、流向反演標(biāo)準(zhǔn)差,滿足海洋工程應(yīng)用及全球氣候變化研究對(duì)海流觀測(cè)的需求,并且,在不同的研究區(qū)域內(nèi),相比于原有DopScat在天線轉(zhuǎn)速為18 r·min-1時(shí)海流反演得到流速反演標(biāo)準(zhǔn)差0.18 m·s-1[9],利用本文方法得到的海流流速反演標(biāo)準(zhǔn)差均有所減小。

    4 結(jié)語(yǔ)

    DopScat天線轉(zhuǎn)速對(duì)海流反演性能具有重要的影響。天線轉(zhuǎn)速過(guò)快或者過(guò)慢均會(huì)影響雷達(dá)發(fā)射電磁波波束足印對(duì)目標(biāo)海面的覆蓋次數(shù),覆蓋次數(shù)為0或者較少時(shí)導(dǎo)致海流無(wú)法進(jìn)行反演或者反演精度較低。對(duì)此,本文以提高DopScat海流反演精度為目標(biāo),提出了一種面向海流反演的多條件約束天線轉(zhuǎn)速優(yōu)化方法。該方法確定了DopScat的最優(yōu)天線轉(zhuǎn)速為20 r·min-1,在該天線轉(zhuǎn)速下,全球超過(guò)80%的目標(biāo)海面被雷達(dá)足印覆蓋3次或者4次,解決了覆蓋盲區(qū)的問(wèn)題,減小了徑向速度誤差對(duì)海流反演的影響,提高了海流反演精度。海流反演實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,墨西哥灣等不同研究區(qū)域的海流流速、流向反演標(biāo)準(zhǔn)差均減小,滿足海洋工程應(yīng)用及全球氣候變化研究對(duì)海流反演精度的需求。需要指出的是,天線轉(zhuǎn)速的優(yōu)化與衛(wèi)星姿態(tài)和衛(wèi)星運(yùn)行軌道所處的位置也有關(guān)。在不同的觀測(cè)任務(wù)下,根據(jù)任務(wù)所需的系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)天線轉(zhuǎn)速優(yōu)化模型中的參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景下的天線轉(zhuǎn)速優(yōu)化。

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