一種利用真實孔徑雷達測量海洋表面流速度的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及海洋表面流速度的檢測方法，特別涉及一種利用真實孔徑雷達測量海 洋表面流速度的方法。
【背景技術】
[0002] 海洋表面流是一個重要的海洋動力環境參數，在全球變化、海洋環境預報及海上 航行和工程保障中都有重要應用，洋流的觀測和預報越來越受到人們的關注。洋流是海洋 中水體有規律的運動，它是影響和調節全球氣候變化的重要參數之一，洋流對海洋中多種 物理過程、化學過程、生物過程和地質過程，以及氣候和天氣的形成及變化，都有影響和制 約的作用。同時，海洋表面流也是決定生物和化學成分輸送和分布的重要因素，如生物量和 污染物等。洋流是由海洋上層水體所受的驅動力而形成，驅動力包括：地球自轉、風場、溫度 和鹽度差異、潮汐等。此外，海底地形，海岸線也會對洋流的方向和強度產出影響。
[0003] 現有的洋流測量手段包括現場測量和遙感測量。現場測量是利用傳感器對觀測地 點附近的洋流速度矢量進行實時測量，主要包括浮標、隨船測量等。現場測量的地點主要集 中于沿岸海域，無法提供全球范圍的觀測，但是其測量精度較高。遙感測量主要是通過對海 洋表面流的直接或間接觀測，利用反演方法得到不同深度的流場矢量信息。遙感測量包括 地基高頻雷達、機載和星載雷達。遙感測量具有更大的觀測范圍，更高的空間和時間分辨 率，甚至可以實現全球范圍的海洋表面流觀測。
[0004] 現場測量和地基高頻雷達均可以提供相對較高的流速測量精度。然而這兩種測量 手段只能應用于沿海區域，無法進行全球觀測。星載雷達高度計可以實現全球覆蓋，且隨著 人們對大地水準面的精確測量，雷達高度計反演得到的海洋表面流速度精度也有了很大提 高。然而，雷達高度計為星下點觀測，別幅范圍很窄，測量效率不高，無法實現快速全球覆 蓋。順軌干涉合成孔徑雷達是海洋表面流速度測量的直接方法，反演過程比較簡單，并且可 以實現很高的空間分辨率，適合應用于沿海區域的洋流觀測。然而合成孔徑雷達系統復雜、 功耗很高，無法進行海面的連續觀測。因此，無法實現快速的全球覆蓋。且合成孔徑雷達只 能提供雷達視向的海洋表面流速度分量，無法得到完整的流場矢量信息。
[0005] 現有的觀測手段（包括現場測量和遙感測量），均無法實現快速的全球海洋表面 流速度矢量測量，發展一種新的全球流場觀測手段具有重要的應用價值。海洋表面流速度 矢量的快速全球測量要求測量設備具有較寬的觀測刈幅OlOOOkm)并且能夠實現多個方 位角的觀測，這與海面風場的測量需求基本一致。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于克服已有的觀測手段無法實現快速的全球海洋表面流速度矢 量測量的缺陷，從而提供一種具有較寬的觀測刈幅的海洋表面流速度檢測方法。
[0007] 為了實現上述目的，本發明提供了一種利用真實孔徑雷達測量海洋表面流速度的 方法，所述真實孔徑雷達采用筆形波束圓錐掃描體制進行掃描；該方法包括：
[0008] 步驟I)、在第一觀測方位角對目標進行第一次觀測；
[0009] 所述第一觀測方位角記為@，假設對目標做第一次觀測的時刻為t = 0時刻，雷達 與目標之間的距離為A，對目標進行觀測所能得到的結果為：觀測相位Φ1;
[0010] 步驟2)、在第一觀測方位角對目標進行第二次觀測；
[0011] 假設對目標做第二次觀測的時刻為t = T1時刻，雷達與目標之間的距離為r2，對 目標進行觀測所能得到的結果為：觀測相位Φ 2;
[0012] 步驟3)、通過步驟1)和步驟2)中對目標的兩次觀測所得到的數據計算目標的徑 向速度；
[0013] 觀測目標的徑向速度表示為：
[0014]
[0015] 其中，Ar1= rm為兩次觀測的徑向距離差，At i= τ為對目標的兩次觀測的 時間間隔；A (J)1= φ為兩次觀測的干涉相位差，k = 2π/λ為雷達電磁波波數，λ 為雷達電磁波長；
[0016] 步驟4)、真實孔徑雷達在第二觀測方位角對目標進行第三次觀測；
[0017] 所述第二觀測方位角記為&，假設對目標做第三次觀測的時刻為t =0時刻，雷達與目標之間的距離為r3，對目標進行觀測所能得到的結果為：觀測相位Φ 3;
[0018] 步驟5)、在第二觀測方位角對目標進行第四次觀測；
[0019] 假設對目標做第四次觀測的時刻為t = T2時刻，雷達與目標之間的距離為r4，對 目標進行觀測所能得到的結果為：觀測相位Φ 4;
[0020] 步驟6)、通過步驟4)和步驟5)中對目標的兩次觀測所得到的數據計算目標的徑 向速度；
[0021] 觀測目標的徑向速度表示為：
[0022]
[0023] 其中，Ar2= r4_r3為兩次觀測的徑向距離差，Δ t2= τ 2為兩次觀測的時間間隔， A Φ2= Φ 4_Φ3為兩次觀測的干涉相位差；
[0024] 步驟7)、根據在兩個觀測方位角分別計算得到的目標的徑向速度，計算海洋表面 流的速度矢量；
[0025] 海洋表面流的速度矢量表示為：
[0026]
[0027] 其中，Θ為雷達電磁波的本地入射角。
[0028] 上述技術方案中，所述步驟7)還包括：
[0029] 計算海洋表面流的速度在X軸與y軸上的分量，其計算公式如下：
[0030]
[0031] 其中，Vsat表示衛星速度；τ τ 2= τ。
[0032] 本發明的優點在于：
[0033] 1、本發明采用真實孔徑雷達測量海洋表面流速度，具有較寬的觀測刈幅，能夠全 天時持續工作，可以實現快速的全球覆蓋，速度測量精度可達〇. lm/s。
[0034] 2、本發明可以實現對觀測目標多個方位角的觀測，能夠進行海洋表面流速度矢量 的測量。
[0035] 3、本發明給出的測量方法在進行海洋表面流速度矢量測量的同時，能夠進行回波 功率的檢查，實現海面風場的反演。
【附圖說明】
[0036] 圖1是本發明的真實孔徑雷達做干涉測量的示意圖；
[0037] 圖2是本發明的真實孔徑雷達做多方位角觀測的示意圖；
[0038] 圖3是真實孔徑雷達的觀測幾何的示意圖；
[0039] 圖4是真實孔徑雷達的脈沖時序的示意圖；
[0040] 圖5是真實孔徑雷達的PRF與最大脈沖時寬之間的關系示意圖。
【具體實施方式】
[0041] 現結合附圖對本發明作進一步的描述。
[0042] 相對于合成孔徑雷達，真實孔徑雷達（real-aperture radar)系統更簡單，但其分 辨率更粗。然而，對于開放海域觀測，真實孔徑雷達的空間分辨率已經可以滿足其應用需 求。真實孔徑雷達的觀測刈幅較寬，同時真實孔徑雷達的功率需求更小或者同等發射功率 情況下信噪比更高，數據量更小，能夠全天時連續工作，便于實現快速的全球覆蓋。
[0043] 出于上述原因，本發明中采用真實孔徑雷達測量海洋表面流速度矢量，所述真實 孔徑雷達包括一副天線、一套發射機單元和一套接收機單元；其中，所述反射機單元與接收 機單元分別連接到所述天線上；所述發射機單元所發射的信號通過所述天線發射出去；信 號到達探測目標返回后，由所述天線接收返回信號，然后傳輸到所述接收機單元。
[0044] 下面對真實孔徑雷達中的各個部件做進一步說明。
[0045] 所述天線為筆形波束天線；筆形波束天線的回波信號的信噪比更高，能夠實現更 高的PRF。
[0046] 海洋表面流可視為二維流場，所述二維流場包括流速和流向。多個方位角的觀測 是洋流速度矢量反演的必要條件。在本發明中，所述真實孔徑雷達采用筆形波束圓錐掃描 體制，利用真實孔徑干涉的方法實現海洋表面流速度徑向的測量；通過多個方位角的觀測， 實現海洋表面流速度矢量的反演。
[0047] 真實孔徑雷達采用筆形波束圓錐掃描體制進行掃描時，如圖2所示，觀測目標會 被每個觀測波束的前、后視共觀測兩次，所述前視與后視有不同的觀測方位角，將前視的觀 測方位角記為將后視的觀測方位角記為％，前視與后視的觀測方位角滿足互補關系， 即麫+?=龍。
[0048] 下面對本發明的真實孔徑雷達的具體工作過程做詳細說明。
[0049] 步驟1)、在第一觀測方位角對目標進行第一次觀測。
[0050] 所述第一觀測方位角即為前視時的觀測方位角，記為％，假設對目標做第一次觀 測的時刻為t = 0時刻，雷達與目標之間的距離為Γι，對目標進行觀測所能得到的結果為： 觀測相位ΦP
[0051] 步驟2)、在第一觀測方位角對目標進行第二次觀測。