论文总字数：18940字

目 录

1引言 3

1.1研究背景 3

1.2星载SAR特点 3

1.3国内外研究现状 4

1.4论文贡献 5

1.5论文组织安排 5

2双波束干涉（DBI）测流矢量理论 6

2.1顺轨干涉（ATI）技术原理 6

2.2 DBI几何模型 6

3双波束干涉（DBI）测流精度 7

3.1单波束InSAR测流精度公式及推导 7

3.2海浪对测流精度的影响理论分析 9

3.2.1海洋场景/SAR几何 9

3.2.2海洋表面建模 9

3.3信噪比（SNR）雷达方程分析 12

3.3.1决定回波信号功率的雷达方程 12

3.3.2决定检测前信噪比的雷达方程 13

3.3.3决定检测后信噪比的雷达方程 15

3.4 DBI测流标准差…………………………………………………………………………………………………………..16

4星载DBI性能评估与分析 17

4.1 星载DBI参数设计 17

4.2测流精度曲线图分析 17

4.2.1海面风速和有效波高 18

4.2.2海浪主波长 21

5结论与展望 23

参考文献： 24

致谢 26

双波束干涉合成孔径雷达流场反演研究

王涛

, China

Abstract: Along-track interferometry (ATI) technique has been widely used in Synthetic Aperture Radar (SAR). ATI-SAR technology has been used to estimate the ocean wave spectrum and current characteristics. Based on this, this paper mainly analyzes and discusses the issues related to the double-beam interference (DBI) mode in the ATI technology for the estimation of the ocean surface flow field, and evaluates the feasibility of applying the spaceborne SAR to this field. The contents of the paper mainly include the establishment of the sea surface Doppler spectrum model, the principle and processing flow of the dual beam interferometric SAR measurement, the performance evaluation and analysis of the satellite-borne DBI, and the conclusions and prospects of our research.

Key words: Along-track interferometry, dual beam, ocean surface current field

1引言

1.1研究背景

海流对海洋里的多种物理和化学过程，还有海洋上空的降水等气候的形成和变化，都有着影响以及制约的作用。在洋流显著的海域，能够带来大量的微生物并且可以将氧气输送到深层水域，这些都有利于海洋生物的生存和繁衍；轮船顺着海流方向航行能够节省燃料，加快航行的速度；在海军作战时，海流是十分重要的考虑因素，恰当地利用海流，能够减少战争消耗。因此，进行海流的观测研究、了解海洋表面流场的特征和变化规律，对于海洋交通运输、港口建设、资源勘探、海洋环境和灾害监视以及相关海洋科学研究等都具有非常重要的意义。

利用顺轨干涉合成孔径雷达（ATI-SAR）技术对海洋表面流场的综合测量已显示出了所期望的情况。Goldstein等人^[1]报告了早期比较ATI-SAR和海洋表面漂流。从此，干涉仪SAR也可以用于估计波场^[2]和流场特征^[3][4]。近期，通过比较ATI-SAR和岸基高频雷达流场测绘系统，在适当的修正应用时，已显示出合理的一致性^[5]。然而，海洋表面流场的干涉测量采用两个单独的天线来实现，因此，在飞机的任何一次航过中只能获得一个径向速度。需要两次航过，理想的正交，以获得矢量测量，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。

由于ATI技术只能够获得一个径向速度，并且存在着上述的缺陷，因此在本论文中我们讨论了另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系统（DBI）。DBI系统的相干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。

1.2星载SAR特点

目前机载SAR已经被应用到海洋表层流场的估计中，然而星载SAR由于存在着诸多难点，暂时还没有被用于进行海表流场反演。因此本文我们主要是针对利用星载SAR进行海洋表层流场反演的可行性进行分析。星载SAR是合成孔径雷达的一种空间应用形式，和机载SAR相比较，含有以下特点：①星载SAR的飞行高度较高，所以由雷达天线产生的波束具有很大的照射范围，因此由SAR所获取的数据量十分庞大；②星载SAR的飞行速度要比机载SAR快，所有加快了所获取数据的更新率；③星载SAR的姿态数据与卫星轨道有着不确定性，要得到精确的成像参数，需要从合成孔径雷达（SAR）数据流中获取这些参数值的自聚焦和杂波锁定功能^[13]；④由于照射范围大和星载SAR的飞行速度快，使得距离模糊与速度模糊间产生了更加严密的制约关系。⑤星载SAR能够快速覆盖全球，但在测量精度和机动性方面要弱于机载SAR。

1.3国内外研究现状

合成孔径雷达（SAR）具有全天时、全天候、高分辨率、不受气候条件限制且轨道稳定性好的优势^[7]，因此，将合成孔径雷达（SAR）用于反演海洋表层流场是十分高效的。Goldstein和Zebker^[8-9]首次运用机载SAR对海表流速矢量进行了精确测量，他们通过顺轨干涉测量（ATI）技术，利用合成孔径雷达所获取的两幅干涉图像间的相位差成功估计了多个海湾的海洋表层流场情况。随后，国内外的科学家们开展了很多运用机载ATI技术估计海洋表层流场的研究。然而，机载SAR并没有得到广泛的推广，因为其成本高，而且在当时大多应用于军事领域，这些因素限制了将机载SAR用于估计海洋表层流场的发展

在机载ATI用于估计海洋表面流场取得了突破性的成果后^[8-9]，Romeiser和Thompson^[10]对顺轨干涉测量（ATI）技术的成像机制和信号进行了一系列数值模拟，更明确地检验了将星载ATI技术用于估计海表流场的有效性，并且给出了利用星载ATI技术反演海洋表层流场的理想参数配置（比如中等斜视角、垂直极化、脉冲宽度等）。2000年，由美国奋进号航天飞机所执行的航天雷达地形测绘任务（SRTM）的实施，第一次证明了利用星载ATI技术来估计海表流场的可行性^[10]。但是由于SRTM的主要任务是进行全球性地形测绘，因此将其用于海表流场估计时会受到以下几点限制：①SRTM的入射角（55°）比较大，并且仪器的噪声水平高，使得星载SAR在风速较小的海面上接收到的回波信号信噪比仍较低。②SRTM顺轨天线的基线长度较短，对应两幅SAR的成像时间间隔大约为0.5 ms，这与X波段顺轨干涉技术估计海洋表层流场的最佳时间间隔（2~5 ms）相比差距较大。由于SRTM所获取的ATI数据有着上述两点限制，在进行海洋表层流场反演时得到的数据结果与数值环流模型间的标准差为0.24 m/s。任永政^[11]基于航天雷达地形测绘任务所获取的ATI数据，初步地研究了海洋表层流场的估计。但没有对所获得的海洋表层流场情况进行有效验证，也没有考虑海浪高度对其产生的影响。

由于SRTM计划实施中ATI技术的一些限制，并且SRTM所获取的海面数据量有限，制约了星载ATI在海洋表层流场估计和其他相关领域中的进一步推进。2007年在德国TSX卫星的成功发射，以及2010年TDM卫星的相继运行，为基于ATI技术的星载SAR系统进行海洋表层流场研究提供了前所未有的契机。Chapron^[12]等人所提出的运用单天线星载SAR多普勒频移技术反演海洋表层流场，进一步推动了星载SAR的表层流场反演在海洋诸多相关领域中的应用。

自Rodriguez首先提出双波束干涉（DBI）之后，很多学者展开了相关的双波束干涉测量的研究工作。在2002~2003年这一期间，DBI已经开展了几个主要用来解决工程和技术问题的部署，2003年8月的航班产生了第一批干涉图。随后在2004年，DBI模式被引入到了诸多相关的科学领域。近年来，双波束干涉SAR也被越来越多地用于估计海洋表层流场，推进了ATI技术在海洋学领域的发展。

1.4论文贡献

本论文主要对影响双波束干涉模式测流精度的相关因素进行了分析与讨论。分析了星载DBI进行海洋表层流场估计的可行性，并给出了参数设计和测流精度曲线图。

1.5论文组织安排

本文共分为五个部分。第二部分回顾了顺轨干涉测量（ATI）SAR的基本原理。分析了双波束干涉模式成像的几何关系图并对DBI测流原理进行了讨论。第三部分阐述了海浪相关参量和信噪比（SNR）对DBI测流精度的影响。第四部分对星载DBI用于海洋表层流场估计的性能进行了评估与分析。最后，概述了论文内容并对目前所开发的ATI-SAR研究提出了分析与展望。

2双波束干涉（DBI）测流矢量理论

2.1顺轨干涉（ATI）技术原理

ATI技术首先是由Goldstein和Zebker^[8]提出，其基本原理是在飞行平台上同时装载两个连线和飞行平台航向平行的天线，然后对同一场景成像并获取SAR复图像的相位差，再利用相位差和SAR后向散射信号的多普勒频移来估计雷达视线向的海洋表层流场。

2.2 DBI几何模型

图1 DBI观测几何关系

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