一种改进的基于逆Omega-K算法的海面场景SAR原始数据仿真方法

合成孔径雷达(SAR)海面场景原始数据仿真是研究海洋动力参数(表面波浪、风矢量和洋流)的有效工具。目前海面场景原始数据仿真方法已经基于逆Omega-K算法实现了海洋运动参数的空间变化。但是目前仅仅讨论了正侧视情况下的海面场景仿真,应用范围有限,同时没有考虑Stokes漂流以及Bragg相速度的影响,而这两者都是存在于真实海面的。通常情况下为了反演得到海面流场的二维速度矢量,雷达需要从两个不同的方位方向观察海面的同一个区域,因此这就需要考虑大斜视的雷达波束,同时Stokes漂流和Bragg相速度是SAR海表面流场观测不容忽视的两种运动。本文在不改变原有正侧视逆Omega-K算法的情况下,通过增加重新计算零方位时刻的斜视波束中心位置坐标,并据此确定SAR原始数据在多普勒域的位置来将其扩展到大斜侧视逆Omega-K算法,并通过时域Stokes漂流公式到频域内离散化Stokes漂流公式的推导来加入Stokes漂流,以及根据Bragg散射机制加入了Bragg相速度。仿真结果表明,经过聚焦成像后的SAR图像很好的体现了真实海面波浪场的形状,同时能够很好地反演出设定的雷达径向流场速度,且流速精度误差控制在6%以内。最后也证明了Bragg相速度以及Stokes漂流对于海面流场的影响不可忽视。     

全极化X波段雷达掠散射海面回波统计分布特征研究

尽管复Wishart分布已被广泛应用于SAR数据统计分析,然而该分布函数却很少被用来研究雷达海面掠散射回波时间序列的统计特征。本文通过分析IPIX雷达海面掠散射回波数据发现：大尺度海浪遮挡区的雷达回波能量很低,主要是雷达系统噪声,如果将该部分低能量回波数据剔除以后,真实海面的IPIX 雷达回波时间序列数据亦满足圆高斯分布,因此,IPIX 雷达海面回波的时间序列数据也必然满足复Wishart分布。在此,我们基于Wishart分布模型分别对全极化IPIX 雷达不同极化通道数据的海面回波时间序列数据进行了统计研究,并推导给出了不同通道数据协方差矩阵元素实部、虚部及相位差等参数的统计分布函数模型。通过与雷达测量数据比计较可见,推导所得理论统计模型与实际测量数据吻合很好。本文所得结论对进一步深入理解掠散射海面雷达回波的统计特征具有一定理论意义。     

基于X波段雷达海面波高估计的改进方法

船用X波段导航雷达凹波形成的海杂波图像中包含丰富的海浪、海表层流信息.借鉴合成孔径雷达(SAR)估计有效波高的方法,假设有效波高与雷达回波强度信噪比的平方根成线性关系,可由X波段雷达图像估计得到海浪的有效波高.用此方法主要分析小麦岛海域实验数据,结果显示,直流滤波后计算的信噪比估计的有效波高比不进行直流滤波结果符合得好;而按波浪浮标测得有效波高数据的高低,分两段分别进行线性拟合获取校准系数,估测的有效波高更加准确.     

台风中降雨对中国高分3号合成孔径雷达观测信号的影响

Gaofen-3(GF-3), a Chinese civil synthetic aperture radar(SAR) at C-band, has operated since August 2016.Remarkably, several typhoons have been captured by GF-3 around the China Seas over its last two-year mission.In this study, six images acquired in Global Observation(GLO) and Wide ScanSAR(WSC) modes at verticalvertical(VV) polarization channel are discussed. This work focuses on investigating the observation of rainfall using GF-3 SAR. These images were collocated with winds from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF), significant wave height simulated from the WAVEWATCH-III(WW3) model, sea surface currents from climate forecast system version 2(CFSv2) of the National Centers for Environmental Prediction(NCEP) and rain rate data from the Tropical Rainfall Measuring Mission(TRMM) satellite. Sea surface roughness,was compared with the normalized radar cross section(NRCS) from SAR observations, and indicated a 0.8 correlation(COR). We analyzed the dependences of the difference between model-simulated NRCS and SARmeasured NRCS on the TRMM rain rate and WW3-simulated significant wave height. It was found that the effects of rain on SAR damps the radar signal at incidence angles ranging from 15° to 30°, while it enhances the radar signal at incidence angles ranging from 30° to 45° and incidence angles smaller than 10°. This behavior is consistent with previous studies and an algorithm for rain rate retrieval is anticipated for GF-3 SAR.     

Accuracy improvement of the radar backscatter simulation from sea surface covered by oil slick using fetch-dependent waveheight spectrum: Comparison with the 2007 <Emphasis Type="Italic">Heibei Spirit</Emphasis> Case in the Yellow Sea

In this paper, results are presented on the comparison of X-band radar backscattering coefficient (RBC) from an oilcovered sea surface that features the Elfouhaily and Durden-Vesecky waveheight spectra. The Durden-Vesecky spectrum applies to a fully-developed sea, while the Elfouhaily spectrum accounts for the fetch of arbitrary length. Using these two waveheight spectra, a one-dimensional random rough surface is simulated by the Monte Carlo method, and the method of moments (MoM) is applied to yield the RBC. Comparison of the results with TerraSAR-X synthetic aperture radar (SAR) data acquired over the coastal waters polluted by the Hebei Spirit oil tanker shows that the Elfouhaily spectrum yields better agreement than the Durden-Vesecky spectrum for the fully-developed sea, and that the fetch-dependent Elfouhaily spectrum improves the agreement with SAR data in comparison with the fetch-independent spectrum for the fully developed sea. A possible application to estimate the amount of spilled oil is also suggested.     

星载SAR浅海水下地形和水深测量模拟仿真──水下地形高度、坡度和方向与可测水深分析

根据星载合成孔径雷达(SAR)浅海水下地形和水深成像机理,建立了浅海水下地形和水深雷达后向散射截面仿真模型.利用该模型模拟并分析了不同地形条件下,浅海水下地形的雷达后向散射截面.分析结果表明,水下地形高度越高,SAR可测量的水深越深;水下地形坡度越大,越易被SAR所观测.水下地形的星载SAR测量还与水下地形的方向有关,与卫星飞行方向平行的水下地形最易被SAR观测,与卫星飞行方向垂直的水下地形最不易被SAR观测.     

高分3号星载合成孔径雷达极地海冰自动检测方法研究

随着全球变暖等一系列气候变化的发生,极地海冰成为人们日益关注的焦点。由于不受光线和云雨影响,合成孔径雷达（SAR）可以进行全天时全天候的观测。高分3号是我国高分系列卫星中的一颗星载合成孔径雷达成像卫星,具有多种成像模式,可以在全球获取SAR数据。全天时全天候的工作特性和高空间分辨率的优势,使得高分3号星载SAR在极地海冰遥感监测中发挥重要的作用。本文基于高分3号水平-垂直（Horizontal-Vertical,HV）极化数据,提出了一种基于支持向量机的无需人工干预的海冰检测方法,实现海水和海冰的自动分离。利用该方法得到的海冰和海水分离结果同辅以人工解译的半监督分类结果相比较为吻合,为高分3号服务于极区海冰监测奠定了良好的基础。     

Ocean wave parameters retrieved directly from compact polarimetric SAR data

We aim to directly invert wave parameters by using the data of a compact polarimetric synthetic aperture radar(CP SAR) and validate the effectiveness of ocean wave parameter retrieval from the circular transmit/linear receive mode and π/4 compact polarimetric mode. Relevant data from the RADARSAT-2 fully polarimetric SAR on the C-band were used to obtain the compact polarimetric SAR images, and a polarimetric SAR wave retrieval algorithm was used to verify the sea surface wave measurements. Usin...     

对ENVISAT ASAR level2算法固有误差的分析

欧洲空间局的ENVISAT ASAR level 2算法是从合成孔径雷达(SAR)单视复图像反演涌浪方向谱的算法.该算法假设双峰海浪谱的SAR图像交叉谱是涌浪的图像交叉谱和风浪的图像交叉谱之和.实际上双峰海浪谱的SAR图像交叉谱中还有一个混合项,正是该混合项导致ENVI-SAT ASAR level 2算法有固有误差.利用遥感仿真的方法分析了不同海况条件下该算法的这一固有误差,结果表明,只有在有效波高较小、或风浪的成分较少、或双峰海浪的传播方向较靠近SAR距离向、或波长较长时固有误差才较小,ENVISAT ASAR level 2算法对海浪谱的反演才较为适用.     

基于SAR图像速度聚束调制的海浪反演研究

本文首先对合成孔径雷达（SAR）海浪成像中的3种调制（倾斜调制、流体力学调制与速度聚束调制）的影响进行了对比分析,结果显示:速度聚束调制对SAR图像的影响最为显著。另外,由于SAR图像中固有相干斑噪声的存在,较低波数范围的噪声难以滤除或抑制,利用经典MPI方法反演海浪谱会造成低波数范围谱值偏大。基于此,本文借鉴经典MPI海浪谱反演算法,建立了基于速度聚束调制的海浪方位向斜率谱和有效波高的反演算法。通过将经典MPI方法、同极化调制法及本文算法等3种海浪反演方法所得有效波高与浮标数据进行比较,结果显示:本文方法反演得到的海浪有效波高与浮标数据获得的有效波高之间的均方误差为0.79 m,为3种方法中最小。     

基于相参X-波段海洋雷达的海表轮廓测量研究

X-波段海洋雷达测量所得海面散射单元的多普勒信息与散射单元的雷达视向速度密切相关。首先,基于符号多普勒估计方法,对X-波段雷达海面回波的多普勒频移信息进行了估计;在此基础上,应用各分辨单元回波的多普勒频移信息,建立了海浪表面轮廓的反演算法。该算法中,同时考虑了雷达入射角、方位角和雷达空间分辨率等因素对反演结果的影响。通过将反演结果与浮标测量数据相比较,发现雷达空间分辨率起到了类似低通滤波的作用,该作用对短重力波谱影响显著。同时,还应用加拿大麦克马斯特大学的IPIX雷达数据对海表轮廓进行了反演,并将反演所得有效波高、海浪周期与现场测量数据进行了比较,反演结果与现场测量结果吻合较好。     

基于模型相似度拟合的海杂波统计方法

本文提出一种基于模型相似度拟合的海杂波统计方法。首先根据合成孔径雷达(SAR)图像计算瑞利分布、对数正态分布、韦布尔分布、K分布、G0分布5种经典的海杂波分布的概率密度函数,然后根据模型间的相似度准则拟合得到新的海杂波分布模型。文章利用四景不同类型的真实SAR数据对算法的拟合性能进行了评价,结果显示利用该算法得到的拟合模型与真实SAR数据的平均Kullback-Leibler距离仅为0.015 84,远优于其他分布模型。基于该拟合模型的恒虚警率舰船检测算法对四景SAR数据的平均检测精度达到95.75%,在控制虚警和漏检方面均优于采用其他模型的同类方法。     

Sentinel-1卫星合成孔径雷达获取第一幅台风图像

In this note, we present the first Sentinel-1 synthetic aperture radar(SAR) typhoon image acquired in the northwest Pacific on October 4, 2014. The eye shape and sea surface wind patterns associated with Typhoon Phanfone are clearly shown in the high-quality SAR image. SAR winds retrieval procedure was given but the actual wind estimates will only be available after the European Space Agency(ESA) releases the official calibration coefficients in order to accurately derive the SAR-measured normalized radar cross section. This study demonstrates the advantage of Sentinel-1 SAR with regards to imaging fine scale typhoon patterns on the sea surface beneath storm clouds. This paper also advocates the use of Sentinel-1 SAR data that is made freely and openly available worldwide for the first time in civilian SAR history.     

HY-2卫星雷达高度计时标偏差估算

卫星雷达高度计是海洋遥感监测的重要传感器之一,测高系统和定轨系统是高度计重要的组成部分。若两系统使用不同的系统时钟,则获得的轨道高度和卫星测距值之间可能会存在一个时标偏差,该时标偏差会降低卫星雷达高度计的海面高度测量精度。针对HY-2卫星雷达高度计的时标偏差问题,本文分析了时标偏差对测高精度的影响,介绍了一种使用自交叉点数据估算时标偏差值的方法,并基于HY-2卫星雷达高度计第21个周期数据开展了时标偏差修正实验。时标偏差修正后HY-2自交叉点的海面高度差值(也称"不符值")分布收敛程度有了明显的提高,其RMS均方根值从24.7 cm减小到了7.0 cm,HY-2与Jason-2互交叉点的不符值的RMS也从16.6 cm减小到了7.3 cm。这表明本文介绍的时标偏差修正方法可有效地提高HY-2卫星雷达高度计的测高精度。     

高海况海洋遥感信息提取技术研究进展

中等海况下,星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)已经广泛应用于海洋动力环境要素的监测(风场、波浪、流场)。近年来,SAR高海况遥感,尤其是探测台风海面风场、巨浪、流场已经成为国内外研究热点,并突破了一些关键技术。利用SAR多极化成像模式对海观测和新发展的地球物理模式函数,可以提取高海况下的海面风速、风向、有效波高、流速和流向等海洋表面关键物理参数。这些环境要素可以用于海洋灾害监测预警;为海洋和大气数值模式提供准确的初始场和同化源,改进模式预报精度;为研究全球气候变化提供有力的观测依据。     

An inverse method for underwater bottom topography by using SAR imagery

I~IOXThe image technology of the synthetic aperture radar (SAR) is one of most important advances in spaceberne microwave remote sensing (Larson et al., 1976). It has extensive application in the ocean remote sensing, such as inversion of the sea subdue winds and currentS, reconstruction of underwater hatom topography and so on. Owing tO the high conductivity of sea water, an electromagnetic wave actually cannot penetrate into the sea water, with extremely smallPenetration depth (abbot 1 c…     

用合成孔径雷达图像反演浅海水下地形的一种方法

海流与海底地形的相互作用导致了海表面的粗糙起伏,从而引起对海面观测的雷达散射截面的变化。在浅海海流速度垂直分布廓线为均匀的假定下,由流体连续性方程和驰豫时间近似下流体力学弱相互作用的理论,已证明雷达散射截面的空间变化正比于海流方向上海流速度变化的梯度。研究了合成孔径雷达(SAR)对海面的观测图像在无槽道信息和海流方向预知条件下,提出用散射系数的二维相关函数确定海流方向。在海流速度和方向已知条件下,推导了由雷达散射截面的空间变化迭推反演浅海水下地形的公式,并研究了航天飞机SIR-CSAR在我香港特区海域的二维图像反演浅海水下地形的应用。     

降雨对SAR风场反演的影响及校正

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）在风场反演中发挥着重要的作用,但由于受到降雨的影响,海面风场的反演精度会随之下降。本文利用Radarsat-2 SAR观测数据,准同步降雨数据和再分析风场资料对2014年台风"威马逊"外围风场受降雨影响的情况进行了分析,建立了雨致海表阻尼后向散射系数受降雨强度,入射角等因素影响的拟合模型,并对降雨引起的信号衰减,后向体散射进行了评估。实验发现雨致海表面阻尼作用抑制风致海面波的影响十分明显,且降雨造成的信号衰减随降雨强度和入射角的增大而增加,雨滴产生的后向体散射和雨致海表阻尼作用造成的后向散射系数变化随降雨强度的增大而增加,随入射角的增大而减小。实例表明本文建立的模型能够有效改善降雨条件下SAR风场的反演精度。     

机载雷达立体影像定位方法的比较及改进

由于合成孔径雷达(SAR)具有全天候的成像能力,在地质、生态、水文、海冰和测绘等诸多领域有着广泛的应用。主要研究了雷达立体影像对获取地面三维坐标的方法,分析了目前所广泛使用的三种立体定位模型的优缺点,为利用雷达立体影像对获取数字高程模型提供了选择依据,并对其中的零距离-多普勒模型进行了改进,最后利用机载雷达影像数据对此算法进行了实验研究,取得了较好的实验结果。     

Determination of sea ice motion using digital SAR imagery

Using digital SEASAT synthetic aperture radar (SAR) imagery, high-precision densely sampled maps of ice motion have been derived by tracking ice features to determine the small-scale spatial variability of ice deformation. The digital SAR imagery was processed to remove geometric distortions and located on the Earth to an accuracy of about 100 m utilizing an algorithm based on the spacecraft orbital data and the characteristics of the SAR data collection system, independent of attitude information or ground reference points. Radiometric enhancement of the imagery using a variable linear stretch algorithm was performed to remove a system-related gradient and improve the identification of sea ice features. Using ice features common to an overlapping pair of images, vector plots of ice motion were then produced. Examples of ice motion are shown in the marginal ice zone and in the central ice pack where mean displacements of 15.3 km/day and 5.0 km/day were measured, respectively. Considering errors in Earth location with those in feature identification an overall error of 150-200 m in displacement measurements was estimated. The ice motion vector plots indicate a high degree of spatial deformation, demonstrating the potential value of spaceborne SAR data for production of precision large-scale maps of ice displacement with a spatial resolution of ice deformation on scales much less than 100 km.