三维成像雷达高度计的工作机理及其可能的海洋学应用

三维成像雷达高度计(China Imaging Altimeter,CIALT)是中科院空间中心在传统高度计的基础上,结合偏离天底点观测技术与高度跟踪测量技术、合成孔径技术和干涉技术发展起来的新型雷达高度计.其中,偏离天底点技术是为了增大刈幅宽度,高度跟踪技术是为了兼容海陆信息的观测,合成孔径技术是为了增加方位向分辨率,干涉技术是为了测量像素点的高程值.CIALT相当于是一部Ku波段、小于5°入射角的SAR,它的成像机理与SAR和InSAR基本相似,同时也能够达到传统高度计那样的厘米量级的精确度.但是,CIALT的入射角小于5°,它发射的电磁波不满足发生Bragg散射和二尺度散射的条件,只能发生准镜面散射.因此,CIALT不能完全应用SAR的一些遥感机理和研究算法,但是可以在SAR的研究基础上发展自己的遥感机理和研究算法.CIALT技术主要是解决增加有效测量点和减小时间间隔的问题,它满足了现代海洋研究与应用对于海洋参数采样空间间隔和时间间隔的要求.它在海洋三维立体成像、海洋大地水准面、洋流、中尺度涡、海面风场、海浪和潮汐等方面有良好的应用前景.     

梳状高度计编队探测海洋涡旋仿真分析

单颗星下点高度计卫星可进行一维海面高度测量，但时空分辨率较低，对涡旋的探测能力不足。梳状高度计卫星编队可提升海面高度时空分辨率，增强对涡旋的识别探测能力。为定量分析高度计编队下的涡旋探测能力，本文在黑潮延伸体海域开展观测仿真实验，对海平面高度进行沿轨采样，经优化插值算法处理后得到逐天海面高度异常数据场并进行涡旋识别与统计分析。此外，本文还同步开展了单颗星下点高度计和成像高度计卫星涡旋探测仿真实验及对比分析。结果表明，梳状高度计卫星编队在涡旋数量、极性、半径及振幅等方面识别效果较好，与成像高度计探测结果相近。     

基于成像高度计数据的系统姿态误差估计

本文基于平台高度误差、基线倾角误差与海面测高误差之间的理论关系,结合成像高度计测量数据和最小二乘理论,提出了一种平台高度误差和基线倾角误差的估计方法,并对不同海况条件,通过仿真分析,评估海浪因素的影响。结果表明,该方法可有效估计成像高度计系统姿态误差。     

基于与Jason-2数据比对的Jason-3卫星高度计全球数据质量评估

Jason-3卫星高度计于2016年1月17日成功发射,2016年2月12日进入预定轨道,与Jason-2高度计同轨进入编队飞行阶段,并落后Jason-2高度计约1分20秒,两者相距约560 km。2016年9月1日,Jason-2高度计变换轨道,编队飞行阶段结束,两高度计进入平行轨道,以增加卫星高度计对地观测的空间覆盖。本研究主要开展了Jason-3高度计的数据质量的评估与检验,包括Jason-3高度计数据可用性和有效性的验证,以及Jason-3高度计和校正辐射计各参数的数据质量监测。重点开展了Jason-2与Jason-3高度计各项参数的综合比较,利用Jason-2与Jason-3高度计编队飞行阶段的数据精确评估了两高度计参数的一致性,并从全球数据角度分析了Jason-3高度计获取各参数的能力以及稳定性;通过与Jason-2互交叉点比较分析评估Jason-3高度计海面高度数据质量情况,验证Jason-3高度计数据精度。结果表明,Jason-3高度计的数据质量满足高度计测高的要求,具有与Jason-1、Jason-2、T/P等高度计相同或更高的测高精度以监测全球海平面变化,此外,Jason-3有效波高参数数据质量明显优于Jason-2高度计。     

干涉雷达高度计定标检验进展

卫星雷达高度计正从传统星下点的剖面测量向宽刈幅干涉测量发展,利用卫星观测二维的高分辨率、高精度海面高度正在成为可能,国外研究人员提出SWOT(Surface Water and Ocean Topography)干涉雷达高度计计划和我国新一代海洋科学卫星任务等计划有望实现海洋亚中尺度现象的观测。定标检验是评价卫星观测资料精度和质量的必要工作,传统高度计的定标检验均为基于验潮站、GNSS(Global Navigation Satellite System)浮标、有源定标器等方式的单点比对,难以满足干涉高度计的需求。目前国内外研究人员在干涉雷达高度计的定标检验中采用了全新的技术方案,并已利用机载试验和理论模拟开展了验证工作。对近10 a干涉雷达高度计定标检验的新技术方法进行介绍和总结,希望对我国的干涉雷达高度计卫星定标计划起到借鉴作用。     

卫星高度计资料在三维海温和盐度数值预报中的应用

随着卫星遥感观测技术的发展,越来越多的卫星观测资料被应用于数值模式的同化研究中.基于国家海洋环境预报中心西北太平洋三维湿盐流预报系统,利用法国CLS中心的沿轨高度计资料的海表面高度异常的融合数据,结合基于三维变分的OVALS(ocean variational analysis system)同化系统,在垂向将海面高度...     

中国近岸海域高度计JASON-1测量数据的波形重构算法研究

卫星雷达高度计的测量数据目前已被广泛应用于各个领域,但高度计在近海的测量数据却一直不可用,一方面是因为高度计在近岸海域的回波波形测量受陆地回波的影响,另一方面是因为一些校正量对近海不准确,如大气湿对流层校正、海洋潮汐校正以及大气高频因数校正等。通过对高度计在近海测量的回波波形进行重构处理,可以缩短近海数据不可用的距离,提高数据的数量和质量。以我国海域及邻近海域(14°~45°N,105°~130°E)为研究区域,采用四种波形重构算法(海洋算法、重力中心偏离算法、冰层算法二和阈值算法)对JASON-1高度计1 a共31个周期的测量波形重新进行了计算,比较了轨道交叉点处升轨和降轨的海面高度异常值以及海面高度值与验潮站的实测水位,结果表明重力中心偏离法比其他三种算法更适合我国近海的测高波形重构:计算结果精度最高,有效数目最多。     

基于GNSS信号信噪比观测量的海平面高度变化研究

建立基于GNSS信号的海面测高数学模型,揭示基于载波和信噪比观测量测高方法的内在联系;提出利用造价便宜的GPS接收机以及普通接收机天线进行海平面高度变化监测的手段;进行海平面高度变化监测的实验并与验潮仪对比分析。结果表明:利用普通GPS接收机和天线进行海平面测高可以获得厘米级的测量精度,24 h连续监测的均方根误差为4.13 cm,GPS高度计与验潮仪的测量结果相关系数为0.86;所布设的GNSS高度计与造价昂贵的大地测量型接收机监测结果相当,该造价便宜的高度计更适合用于未来大规模实际的海平面高度变化监测中。     

复合雷达后向散射模型与合成孔径雷达、散射计和高度计海面雷达后向散射观测的比较分析

海洋微波散射模型相比于以经验统计建立的地球物理模式函数具有不受特定微波频率限制的优势。组合布拉格散射模型和几何光学模型形成了复合雷达后向散射模型。利用南海北部气象浮标2014年海面风速风向实测值作为散射模型输入,分别比较了复合雷达后向散射模型与RADARSAT-2卫星C波段SAR、HY-2A卫星Ku波段微波散射计的海面后向散射系数,偏差分别为(?0.22±1.88) dB (SAR)、(0.33±2.71) dB (散射计VV极化）和(?1.35±2.88) dB (散射计HH极化);以美国浮标数据中心(NDBC)浮标2011年10月1日至2014年9月30日共3年的海面风速、风向实测值作为散射模型输入,分别比较了复合雷达后向散射模型与Jason-2、HY-2A卫星Ku波段高度计海面后向散射系数,偏差分别为(1.01±1.15) dB和(1.12±1.29) dB。中等入射角和垂直入射下的卫星传感器后向散射系数观测值与复合雷达后向散射模型模拟值比较,具有不同的偏差,但具有相同的海面风速检验精度,均方根误差小于1.71 m/s。结果表明,复合雷达后向散射模型可模拟计算星载SAR、散射计和高度计观测条件下的海面雷达后向散射系数,且与CMOD5、NSCAT-2、高度计业务化海面风速反演的地球物理模式函数的计算结果具有一致性;复合雷达后向散射模型可用于微波遥感器的定标与检验、海面雷达后向散射的模拟。     

卫星高度计海上定标场及定标方法研究进展

介绍了卫星高度计定标中海面高度和后向散射系数的定标方法。在后向散射系数的定标中介绍了利用有源定标器和微波辐射计定标两种方法。结合卫星高度计的特点,提出了海上定标场选取所需注意的问题,并介绍了目前比较成功的几个定标场及其定标结果,旨在为我国今后发射的卫星高度计绝对定标和定标场的选取提供依据。     

GNSS浮标高程测量精度的影响因素研究

针对高度计定标检验的需求,研制了GNSS浮标,并在天津市于桥水库和威海市石岛镇分别进行了浮标性能测试。通过对影响浮标数据处理精度的因素进行研究,为GNSS浮标数据处理方法建立了完整的技术流程,使其满足高度计定标检验的需求。结果表明:GNSS浮标可以满足高度计定标检验的需求;但需特定的数据处理方法。(1)在基准站数据处理中,卫星截止高度角选择为5°~15°,数据采集时间不少于24 h;(2)浮标数据处理模式选择为自动模式,并对其进行移动平均滤波或中值滤波处理后,流动站解算结果最优;(3)GNSS浮标的水面高程测量精度优于1 cm;(4)受到GNSS本身的限制,当浮标距离GNSS基准站越远,浮标数据的解算精度越低。     

太平洋东南海域海面高度的季节及年际变化特征

利用1992～2001年Topex/Poseidon卫星高度计遥感资料分析了太平洋东南海域 (5°～55°S ,70°～110°W)海面高度的季节及年际变化特征。研究结果表明 ,海区海面高度的季节变化总体上受太阳辐射季节变化的影响 ,南半球夏季 (1～3月 )和秋季 (4～6月 )大致为正距平 ,而冬季 (7～9月 )和春季 (10～12月 )大致为负距平 ,1996～1998年除外 ;同时 ,受季节性风场、海区罗斯贝波等的影响 ,海面高度变化的区域特征性很强。海面高度的年际变化在低纬处和沿岸还受ElNino影响。     

基于浮标数据的卫星雷达高度计海浪波高数据评价与校正

卫星雷达高度计是海浪有效波高（significant wave height,SWH）观测的重要手段之一,本文利用时空匹配方法对T/P、Jason-1、Envisat、Jason-2、Cryosat-2和HY-2A共6颗卫星雷达高度计SWH数据与NDBC（National Data Buoy Center,NDBC）浮标SWH数据进行对比验证,并对雷达高度计SWH数据进行校正。全部卫星雷达高度计SWH数据时间跨度为1992年9月25日到2015年9月1日,对比验证NDBC浮标共53个,包括7个大洋浮标。精度评价发现除T/P外,各卫星雷达高度计SWH的RMSE都在0.4~0.5 m之间,经过校正后,RMSE都有显著下降,下降程度最大为13.82%;对于大洋浮标,评价结果RMSE在0.20~0.28 m之间,结果明显优于全部NDBC浮标的精度评价结果;HY-2A卫星雷达高度计SWH在经过校正后数据质量与国外其他5颗卫星雷达高度计SWH数据质量差异较小。     

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。     

基于GPS的测高浮标的设计、研制与测试

卫星高度计在海洋中的广泛应用,离不开准确的定标工作。高度计海面高度定标主要采用验潮仪法和全球定位系统(Global Positioning System,GPS)浮标法。文中详细介绍了GPS浮标的研制工作,分别对可用于高度计海面高度定标使用的GPS浮标的性能要求、设计、数值模拟计算做了详细研究,采用数值模拟的方法对研制后浮标的性能进行了评价,数值模拟结果表明研制的浮标可以满足海上试验的要求。最后结合GPS浮标测高验证试验,对研制的GPS浮标的测高精度进行了验证,结果表明研制的GPS浮标精度能够满足高度计海面高度定标的要求。     

影响三维声纳成像质量的因素分析及应用

三维成像声纳系统具有高分辨率、全方位成图的特点,正在成为水下工程精细测量的重要技术手段。根据成像原理的不同,将三维成像声纳系统划分三类,分别阐述其工作原理,针对影响三维成像声纳测量精度和分辨率的因素展开分析,并提出了测量时相应的应对措施。通过在海上风电桩基测量项目中的应用,验证了给出的提高测量成果质量措施的有效性以及三维成像声纳系统在水下工程精细测量中的优势。     

星载海洋高度计应用对测轨精度的要求

本文通过动力海洋学的典型空间尺度与ＧＥＯ－３，ＳＥＡＳＡＴ，ＧＥＯＳＡＴ和ＴＯＰＥＸ／Ｐｏｓｅｉｄｏｎ等卫星高度计测量高度的精度作比较，将星载高度计应用对测轨精度的要求作了总结。对大多数海洋学研究来说，应用卫星高度计数据要求测轨精度达到数十厘米。     

HY-2A卫星雷达高度计海面高度测量分析与评估

HY-2A卫星是我国首颗自主海洋动力环境卫星,已连续运行6年多。卫星上搭载的主载荷雷达高度计能够实现全天候、全天时全球海面高度、有效波高和海面风速的观测,这些观测数据已经广泛用于海洋防灾减灾、资源开发和海上安全等领域。为了全面了解HY-2A卫星雷达高度计多年来的整体观测性能,本文选取了2012年10月26日至2017年8月27日间的全部观测数据IGDR产品进行综合评价。通过自交叉和与Jason-2互交叉两种手段对HY-2A卫星雷达高度计测高能力进行评估。计算HY-2A升降轨自交叉点的测高不符值,发现HY-2A卫星雷达高度计在近全球海域内、升降轨高度异常差小于30cm的限制条件下,平均绝对高度误差为5.81cm,高度异常标准差为7.76cm;限制观测区域为南北纬60°范围内、海面高度异常升降轨交叉点处的差小于10cm的情况下,平均绝对误差可达3.95cm,海面高度异常标准差达4.76cm。通过和Jason-2卫星的互交叉,发现在南北纬66°范围内,交叉点高度异常差小于30cm的情况下,HY-2A和Jason-2的海面高度异常平均绝对误差为5.86cm,标准差为7.52cm,如果在该海域内将海面高度异常差限制在10cm内,平均绝对误差和标准差分别达到4.19cm和4.98cm。HY-2A卫星雷达高度计已经达到国际同类卫星雷达高度计测高水平,可以满足海洋科学研究、海洋环流反演等的需求。     

神舟四号高度计波形数据预处理和信息提取

神舟四号(SZ-4)高度计在国内首次提供了星载雷达高度计回波波形数据.本文中作者分析了SZ-4高度计回波波形的特点,完成波形数据的预处理,并在此基础上完成初步的信息提取.在数据预处理方面,通过SZ-4高度计水陆边界处波形的特点,提出了波形最大幅度控制的方法,筛选回波波形.在波形归一化处理过程中,发现SZ-4高度计波形中存在双峰现象,并指出第二个峰为异常波形区.在波形信息提取方面,利用波形重新跟踪得到的半功率点计算出SZ-4高度计高度跟踪补偿误差,并根据高度计天线指向角和回波波形下降沿斜率之间的关系,从波形后沿提取天线指向角信息.分析结果表明,SZ-4高度计天线指向比较平稳,而跟踪补偿由于变化较大,在计算海面高度时,应作为一项误差源被考虑到.     

星载海洋高度计应用对测轨精度的要求

本文通过动力海洋学的典型空间尺度与ＯＥＯ－３，ＳＥＡＳＡＴ，ＧＥＯＳＡＴ和ＴＯＰＥＸ／Ｐｏｓｅｉｄｏｎ等卫星高度计测量高度的精度作比较，将星戴高度计应用对测轨精度的要求作了总结．对大多数海洋学研究来说、应用卫星高度计数据要求测轨精度达到数十厘米