面向海流反演的多普勒散射计天线转速优化方法

本文针对多普勒散射计天线转速过快或者过慢导致海流反演精度较低甚至无法进行海流反演的问题,提出了一种面向海流反演的天线转速优化方法。该方法以研究区域内被天线波束覆盖3次或者4次的目标海面数量为目标函数,以顺轨与交轨方向的波束足印连续性、空间分辨率要求作为约束条件,结合天线转速与天线扫描损耗的关系,建立了非线性约束下的多普勒散射计天线转速优化模型,利用优化得到的天线转速计算得到每个目标海面的观测方位向组合。利用海洋表面流实时分析数据,采用基于观测方位向优选的矢量流合成方法进行了海流反演实验。结果表明,在天线转速为20 r·min^(-1)时,不同研究区域内被雷达内、外波束足印覆盖到3次或者4次的目标海面数量占总目标海面数量的80%以上,反演得到的流速、流向标准差小于0.1 m·s^(-1)、20°,满足海洋工程应用对海流观测的精度需求。

基于C#与MATLAB混合编程的DopScat海流反演平台

多普勒散射计(Doppler scatterometer,DopScat)是一种新型的海流遥感探测手段,具有快速全球覆盖、单部雷达可反演矢量流场等优势。文章利用C#与MATLAB混合编程设计开发了DopScat海流反演平台。首先,利用MATLAB丰富的库函数开发了海浪谱仿真、海面仿真、海面斜率仿真、后向散射系数仿真、多普勒谱仿真、多普勒频移仿真和海流反演等7个功能模块,分别封装成可供C#调用的动态链接库文件。然后,利用运行效率高的C#语言搭建平台框架,实现数据输入、动态链接库文件调用和数据可视化等功能。利用海流实时分析数据对平台海流反演性能的实验测试结果表明,该平台能够精确反演海流,流速反演均方根误差小于0.04 m/s,满足海流观测应用的精度需求。该平台的运行不依赖MATLAB安装环境,各模块功能可拓展升级,可作为大学生创新实验及创新创业项目的基础平台。

星载InSAR方位向逐行的顺轨有效基线计算方法

本文开展了星载干涉合成孔径雷达(Interferometric synthetic aperture radar,InSAR)顺轨有效基线计算方法的改进研究。首先利用多项式拟合卫星轨道方程,使用相干系数法计算待配准图像对的像元偏移量,通过建立顺轨有效基线与方位向行号的函数关系式获得逐行有效基线,解决了在整幅图像使用固定有效基线带来的误差问题。通过TanDEM-X/TerraSAR-X实测干涉数据对本文的改进方法进行了应用和检验,同时针对所使用干涉图像对的特殊线性关系建立了快捷实用的线性方程。通过在整幅图像上精细化使用顺轨有效基线会对诸如海流反演方面有效提高反演精度。

一种基于声传播时间的海流垂直剖面求解方法

基于射线声学理论建立了运动介质中的三维声线传播模型作为正演模型,在利用双向声传播时延差计算海流流速分量时,对目前已有的时延差计算海流的方法进行改进,考虑了海流对本征声线影响,改进后的计算方法可在收发双方本征声线不同的情况下计算出海流流速,同时可以获得声传播方向上的流速垂直分布结构.最后通过仿真验证了海流计算方法的可行性.

基于AR模型的多普勒散射计回波功率谱估计

当采样点数少或流速较小时,采用周期图法估计的多普勒散射计(Doppler scatterometer,DopSCAT)回波功率谱分辨率低,多普勒频移提取精度低。对此,提出了一种基于自回归(autoregressive,AR)模型的DopSCAT回波功率谱估计方法。该方法为DopSCAT回波信号建立含有未知参数的AR模型,采用赤池信息量准则自适应确定模型的最优阶数;对定阶后的AR模型采用Burg算法计算模型参数,利用得到的AR模型估计回波功率谱;对功率谱进行峰值检测提取多普勒频移计算径向流,采用两个观测方位向的径向流合成得到海面流场。利用OSCAR海流数据进行了回波功率谱估计与海流反演实验。分析结果表明,与周期图法相比,该方法能够显著提高回波功率谱分辨率和多普勒频移的提取精度,进而提高了海流的反演精度。

X波段测波雷达海流信息反演的影响因素分析

X波段测波雷达海流信息的提取决定着有效浪高结果的准确度。因此,对可能影响X波段测波雷达海流信息提取的各种环境因素以及雷达工作模式等进行了海浪回波成像仿真,然后采用目前测波雷达通用的算法对仿真回波图像进行了海流信息反演。主要研究了海表面风速、雷达天线架设距离海平面高度、天线转速、海流流速、海流流向与海浪方向夹角、所选取的图像帧数以及每帧图像大小对海流信息反演的影响。对比分析设定值与反演结果,可知海表面风速在6~14 m/s之间,天线高度大于20 m并且转速为50~70r/min,流速小于200cm/s并且主波浪向与流向夹角不接近90°,图像帧数为128帧并且每帧图像数据点数为128×128时,X波段测波雷达能获得最佳海流信息反演结果。

基于MIMO雷达的海面场景成像模拟及海浪信息反演方法

多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)雷达作为一种新型的雷达体制,其成像兼具高分辨率与实时性的优点,为海面成像观测提供了一种新的技术平台.基于MIMO雷达的海面成像技术目前还处于探索性研究阶段,若干关键问题需要进一步解决和完善.针对这一问题,本文从MIMO雷达海面场景模拟和基于MIMO雷达图像的海流与海浪信息反演两个方面展开了研究.在MIMO雷达海面场景成像模拟方面,针对目前利用MIMO雷达对海面进行成像的外场实验条件尚不具备的问题,提出一种基于双尺度模型的MIMO雷达海面场景成像模拟方法.利用曲率修正的双尺度方法和阴影效应构建海面的后向散射截面分布模型,以此为目标采用舰载MIMO雷达成像系统与反向投影成像算法对其作成像处理.在海流与海浪信息反演方面,利用所得的MIMO雷达图像反演海表面流速与海浪参数.反演海流时,采用加权最小二乘法,在海浪参数反演时,利用成像模拟仿真实验确定了MIMO雷达的调制传递函数,在此基础上获得了海浪谱与海浪参数反演结果.相比于航海导航雷达,基于MIMO雷达的有效波高,主波波向与上跨零周期反演都具有更高的精度.仿真实验验证了基于MIMO雷达的海面成像以及海流海浪信息反演相较于航海导航雷达的优越性.