利用双波束干涉技术反演海表流场矢量外文翻译资料

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利用双波束干涉技术反演海表流场矢量

Stephen J. Frasier, Member, IEEE, and Adriano J. Camps, Associate Member, IEEE

摘要：顺轨干涉测量（ATI）技术在合成孔径雷达（SAR）中已经显示了其应用于测量海洋表面流场的发展前景。ATI-SAR技术已被使用估计波场，海流和特征流场。本文描述和分析了双波束顺轨干涉仪用提供空间分辨率的矢量表面速度估计飞机一次通过所记录下的海洋表面流场情况。该设计采用了一对干涉仪波束，一个向前斜视，一个向后斜视。每个干涉相位对波束方向上的表面多普勒速度分量敏感。因此，这些测量的适当组合提供了飞机一次通过的矢量表面速度估计。我们发现精确的测量需要宽间隔的波束，并且斜视SAR的空间分辨率与侧视情况基本相同。讨论了实用的仪器设计问题，并描述了当前正在开发的机载系统。通过计算机模拟，我们通过移动与常规SAR相同的表面来观察干涉相位的方位位移，并发现这种位移可以偏离估计的表面速度。

关键词：顺轨干涉，海洋表面流场

1. 引言

利用顺轨干涉SAR（ATI-SAR）技术对海洋表面的综合测量显示出所期望的表面流场情况。Goldstein et al.^[1]报告了早期比较ATI-SAR和海洋表面漂流。从此，干涉仪SAR也可用于估计波场^[2]和流场特征^[3][4]。近期，通过比较ATI-SAR和基于岸上的高频雷达电流映射系统，在适当的修正时，已显示出合理的一致性^[5]。然而，表面流场的干涉测量已经采用侧视SAR来实现单波束。因此，多普勒表面只有一个径向分量，多普勒速度是在飞机的任何一次通过中获得的。两次通过理想地正交，需要获得矢量测量，在此期间，当前场假定为常量。尽管通常适用于大规模流场特征，但这种假设要求通过尽可能靠近。此外，矢量估计只能在SAR图像重叠的有限区域内进行，使得长距离条带映射不切实际。

图1 双波束干涉模式的成像空间几何关系

在本文中，我们讨论了一种用于估算海洋表面流场矢量的方法，它使用对ATI-SAR的适度扩展，最初由Rodriguez^[6]提出，我们称之为双波束干涉仪（DBI）。DBI的基本概念如图1所示，其中相干机载雷达采用一对双波束天线，每个天线产生前向和后向波束。借助飞机的向前运动，来自前向波束的回波在频率上向上移动，而来自后向波束的回波在频率上向下移动。两幅天线生成的前向波束和后向波束进行交叉干涉处理得到一对干涉图，每个干涉图的相位为多普勒表面速度提供一个视线向分量。然后通过适当组合单独的干涉图获得矢量估计值。本文分为四个部分。第二部分回顾了顺轨干涉测量（ATI）SAR的基本原理。推导并讨论了ATI-SAR技术的研展，包括平台速度/姿态误差。它包括处理微波频率下的海洋表面相干性，SNR的影响以及运动误差的影响。说明目前正在开发的空中DBI系统在第三节中提供。最后，第四节描述了DBI系统的计算机模拟结果。观察对于大范围和/或当前流场速度的固有测量限制以及减轻它们的方式。

1. 顺轨（Along-track）干涉测量

顺轨干涉测量的基本概念是考虑沿着飞机侧面部署的两个相位相干雷达。当由前后天线产生雷达回波时，V₁（t）和V₂(t )，在空间上共同产生，后部图像滞后于前部图像所需的时间，以便后部天线前进到前部天线的（之前）位置：=2B/v_p，其中2B是天线之间的基线距离，v_p是飞机的水平速度。因此，两个天线在稍微不同的时间提供来自相同位置的同一表面的两个观测值。在这些外观之间观察到的相位的任何变化都是由于表面散射体的平均多普勒速度，这是从互相关中获得的，其中lambda;是电磁波长。

（1）

然后从这个速度测量中推断表面流场。明确的相位值的范围是[-pi;，pi;]，这产生明确的多普勒速度区间[-lambda;/4tau; , lambda;/4tau;]。在实践中，其中一个天线通常是发射-接收，而其他天线只接收。这将天线之间的有效基线减半，因为由前后向天线组成的雷达具有位于物理天线中间的相位中心。

1. 海洋表面相干性

对干涉仪设计的关键在于基线的选择。值太小会导致观测时间非常接近，使得多普勒估计对噪声敏感。值太大会导致观测之间反散射的解相关，从而不会产生速度信息。干涉基线的选择取决于两个连续观测表面之间充分相关性。为此，需要估计海面散射的相干时间tau;_s。 这已知是取决于照射表面积和布拉格反射散射面的“寿命”的函数。Plant等人已经表明，只有在小的照明区域，终身效应才是重要的。对于较大的照明区域（几米），照明区域内的均方根（RMS）速度分布决定了多普勒带宽以及相干时间。RMS速度传播本质上是大尺度重力波的观测轨道速度范围，其RMS值是海况的函数。典型值为0.50m/s（设备观察）至2m/s。

给定表面位移谱S_eta;（K），可根据RMS轨道速度的径向分量来估计相干时间^[8]：

, , (2)

其中 入射角；

是相对于观察方向的波传播角；

K_min 空间分辨率；

Omega; 海浪弧度频率。

图2 预测的相干时间与风速在六个不同频率下的空间分辨率为30米。

图2显示了在六个不同频率且空间分辨率为30m下Pierson-Moskowitz型波谱的估计相干时间与风速的关系^[9][10]。假定雷达波束与波形一致，并且相干时间大致由下式给出：其中rho;是空间分辨率，并且u是风速。适用于低至中等分辨率和风速，tau;_sasymp;3lambda;/u。

(3)

这些值分别与在35,14,10,2.671和1.579GHz且报道的相干时间分别为3,7,10,35和58ms时一致^[11]。随着视线速度变化减小，当雷达定向横波时，相干时间可能会有所增加。但是，这将取决于特定的方向光谱。基于公式（3），相干时间达到了风速在10m/s以上的最小值。需要注意的是，通常需要大约2-4m/s的风才能产生足够的小尺度粗糙度以产生雷达回波。因此，该模型预测的相干时间的动态范围并不特别大。

对于海面散射而言，使用合成孔径技术可以实现的空间分辨率不是由可用积分时间决定的，这是由于天线波束宽度，表面运动和表面散射体的相干时间决定的。典型的方位角分辨率表达式为^[12-13]：

(4)

T_i 整合时间；

v_p 平台速度；

tau;_s 连贯时间；

a_r 表面加速度

第一项是固定相干目标的理论SAR分辨率，其中最大可用积分时间由天线波束宽度，范围和平台速度决定。第二项表示表面散射体的有限相干时间，而第三项表示由于表面轨道加速度引起的散焦。前两项往往结合起来产生一个有效的积分时间，由下式给出

(5)

因此，有效积分时间总是小于相干时间或实际积分时间。对于典型的飞机速度而言，积分时间的这个限制通常决定了可实现的空间分辨率。通过将积分时间设置为相干时间的小倍数来优化空间分辨率，使得（4）中所涉及相干时间的项在表达中占主导地位。

1. 表面流场估计

在继续下一步之前，需要注意的是由ATI-SAR产生的测量结果不是真实的表面流场，而是表面多普勒速度的量度，它是雷达给定分辨率单元内的视线速度的功率加权和。多普勒速度的视线分量贡献包括①主要负责微波回波的径向行进布拉格共振表面波的相速度；②长表面波的轨道速度；③表面流场包括风场和波动引起的漂移分量。

为了估算表面流场矢量，必须对项目1和2的影响进行适当考虑。考虑到布拉格共振相速度，需要知道这些波在海面上的定向散布。由于布拉格散射机制只“选择”了径向行波（前进和后退），雷达观测到的纯多普勒速度仅取决于它们的方向分布。正向风或顺风时，这通常不是问题，但在斜向或侧风时需要考虑。在这种情况下，前进和后退布拉格共振波都可以发挥作用。Thompson和Jensen^[3]表示，如果不采取措施，可能会发生严重错误。定向传播通常是由:

(6)

其中是相对于雷达视轴的风向，是扩展因子，通常在谱峰附近为10，在谱的中间范围为2-5^[14][15]。尽管角度扩展的程度与海洋状态有关，对于布拉格共振为5cm的波来说，Poulter^[16]发现asymp;2.5，而对于布拉格共振为1.5cm的波，Moller^[17]发现了更窄的分布，asymp;4。这些观察结果与证据表明，表面张力短波的角度扩散受到较大的重力波的影响^[18]。显然，这需要进一步的调查。

考虑轨道速度效应需要知道雷达回波功率与多普勒之间的耦合。这些已知是相关的并且由雷达调制传递函数（MTF）^[19]描述，其涉及背散射功率波的斜率（或轨道速度）。Chapman^[11]和Moller^[17]展示了MTF对典型ATI-SAR相位差测量的影响。从这个介绍性讨论中可以明显看出，将微波多普勒测量转换为表面流场本身就是一项非常重要的任务，其中有几个潜在的误差来源，其环境参数是一个研究课题。尽管存在这些不确定性的来源，但ATI-SAR和其他技术之间已经进行了合理的比较。在他们的研究中，Graber^[5]等人 采用两种不同的方法来解释这些影响：一个使用原位测量（浮标）作为连接点，另一个使用散射模型来预测没有电场时的多普勒偏差。

在本次研究中，我们不会将这些误差来源纳入我们的分析。我们的注意力仅限于仪器和平台引起的错误。虽然我们已经考虑了海洋表面波的存在以获得表面相干性和空间分辨率的表达式，我们将所做的分析限制在恒定流场区域，作为DBI响应的简单测试案例。因此，获得的表达式应该被解释为表面流场测量精度的下限。

1. DBI点源响应

按照与[13],[20],[21]中类似的过程，并考虑到积分时间较短，包括平台姿态和速度误差的影响，对位于R=（x₀,y₀,0）的点源的归一化顺轨响应是由下式给出的高斯函数:

, , (7)

R 从顺轨基线中点到表面的矢量;

v=v_p-v₀ 表面点v₀相对于平台速度v_p的相对速度;

u_r 成像源的径向速度。

因此，如预期的那样，图像的中心偏离真实位置x₀，x_max处的相位是：

(8)

从中估计斜射波束方向上的径向速度。在水平平台速度和水平基线的情况下，由（8）降低到预期的结果：

(9)

图3 几何图形用于计算可用外观的数量。

其中是干涉测量延迟2B/v_p。测量u_r，将测量的相位除以，其中是从平台速度的独立估计中获得的。

(10)

因此，（的估计）取决于对平台速度的准确了解。给定来自前部和后部所估计的径向速度，水平表面速度的顺轨和交叉轨道分量通过简单的几何形状获得

, (11)

正和负上标分别对应于前向和后向波束。这些当前估计的差异是

, (12)

总速度方差是这些的总和，这可能与使用（8）所测量的相位不确定性有关，由此产生

(13)

1. 信噪比评估

对于干涉测量，SNR的主要关注点是其对相位估计的影响，并因此影响前后方向的径向速度估计。可以将干涉相位估计的标准偏差表示为^[22-24]

(14)

其中是由lag 分隔的观察值之间的相关系数，N是在给定的分辨单元上独立观察的平均数。可以从照明时间T₀中除以相干积分时间T_i来估计可用的独立观察值的数量。N取决于交叉轨迹距离y₀，也取决于斜视角度_s

(15)

其中Delta;是斜视天线的波束宽度（图3）。以空间分辨率为代价，通过图像内的空间平均也可获得额外的观测。最后，将（13）中的（14）和（15）代入，表面流场幅度的变化大约为：

(16)

注意括号内有三个术语。第一个是由去相关引起的方差，第二个和第三个代表在前后波束中观察到的SNR。这些值取决于海况，风速和风向。这个表达式提供了对速度不

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