高分三号卫星ATI模式海表面流场测量性能分析

王文煜 谢春华 袁新哲 何志华 丁泽刚

(1 国家卫星海洋应用中心，北京 100081) (2 国防科技大学，长沙 410073) (3 北京理工大学，北京 100081)



高分三号卫星ATI模式海表面流场测量性能分析

王文煜1谢春华1袁新哲1何志华2丁泽刚3

(1 国家卫星海洋应用中心，北京 100081) (2 国防科技大学，长沙 410073) (3 北京理工大学，北京 100081)

顺轨干涉合成孔径雷达(Along-Track Interferometric Synthetic Aperture Radar，ATI-SAR)是获取高分辨率海表面流场的一种有效手段。文章首先分析了ATI-SAR海表面流场测量精度的影响因素(极化方式、入射角、有效顺轨基线、海面风场)，给出了适用于ATI海表面流场测量的雷达系统参数，然后基于仿真实验对高分三号卫星海表面流场测量性能进行了研究。由于单星顺轨干涉基线长度有限影响流场测量精度，而在双星编队模式下可以使测量性能达到最佳，因此最后分析了双星编队方式下ATI海表面流场干涉基线选取范围，可为双星编队海流监测系统设计提供参考。

海表面流场；顺轨干涉SAR；ATI有效基线；高分三号卫星

1 引言

海流是海水大规模相对稳定的流动，是海水的重要运动形式之一。海流是海洋观测、海洋科学研究中的重要要素，并对海洋气候、海洋污染、渔业、海岸带开发、军事行动等都有重大的影响。

1987年美国喷气推进实验室(JPL)的Goldstein和Zebker等[1]首先提出顺轨干涉合成孔径雷达 (Along-Track Interferometric Synthetic Aperture Radar，ATI-SAR)测量高分辨率海表面流场的原理并验证了可行性。2002年，德国航空航天研究院(DLR)研究了星载ATI技术用于海表流场监测技术与方法精度；研究了L频段和X频段ATI-SAR测流的系统参数和性能，研究成果已应用于陆地合成孔径雷达-X频段(TerraSAR-X)卫星与X频段陆地合成孔径雷达-附加数字高程测量(TanDEM-X)编队卫星海流监测[2-8]。

目前星载SAR使用ATI测流的方式主要有2种：一种是以TerraSAR-X的双接收天线(Dual Receive Antenna，DRA)模式[9]为代表的单星双孔径方式，由于单星平台限制，ATI有效基线较短，测流精度有限；另一种是以TanDEM-X编队[10]为代表的双星编队方式，其在33 m空间分辨率上可以达到0.1 m/s的反演精度。

高分三号卫星(GF-3)是我国首颗分辨率达到1 m的C频段多极化SAR卫星，卫星具有单天线双孔径ATI试验模式，可用于海表流场监测。本文分析了GF-3卫星ATI海表面流场测量精度的影响因素，给出了适于ATI海流测量的雷达系统参数，并基于仿真实验研究了海表面流场测量性能。由于单星顺轨基线长度有限影响流场监测精度，本文最后分析并给出了双星编队方式下ATI海表面流场干涉基线选取范围，可为未来双星编队海流监测系统设计提供参考。

2 ATI测流雷达系统参数分析

影响ATI测流的外部主要因素是风，其中风向的影响较小，而风速的影响主要有两方面：①风速越大，海面越粗糙，雷达后向散射信号也越强，但后向散射越强，越容易掩盖海流产生的相位变化，不利于流场测量。②风速越大，海面后向散射信号的相关性越差。因此在下面的仿真分析中，风速选取具有代表性的5 m/s和10 m/s。

雷达系统参数直接影响ATI测流的性能，主要包括极化方式、ATI有效基线、入射角。

2.1 仿真系统参数

后文的所有仿真使用GF-3卫星的雷达系统参数(见表1)，其中入射角和ATI有效基线根据研究需要进行调整。

表1 系统仿真参数Table 1 System simulation parameters

2.2 极化方式

目前存在Bragg散射、Thompson、Kirchho、Elfoubail等多个极化比模型，使用较多的是Thompson等[11]提出的C频段极化比模型：

(1)

图1表示C频段极化比与入射角的关系，可知任意入射角的极化比均大于1，表明VV极化在同等条件下的海面后向散射系数比HH极化大，入射角在30°时VV极化是HH极化的2倍，而在50°时能达到4倍，因此VV极化的后向散射更强，信噪比更好，更适合ATI流场测量。

2.3 ATI有效基线

ATI流场测量最重要的系统参数是ATI有效基线。双发双收下有效基线等于物理基线；单发双收下有效基线等于物理基线的一半。有效基线的选择需要考虑干涉信号的相关性，雷达后向散射信号的自相关系数关于时间延迟的函数为

(2)

式中：〈σ〉是归一化雷达后向散射截面(NRCS)的期望值；fD是多普勒频率；τ是时间延迟；S是后向散射信号的多普勒谱。

图2是利用M4S仿真软件计算的自相关系数，从图2中可以发现，随着时间延迟的增加，信号时间去相关的影响亦增大。因此，时间延迟既要足够长来获得明显的相位变化，又要足够短来避免信号之间去相关。

另一方面，根据ATI相位和速度的关系公式[1]：

(3)

式中：u为目标水平视线向速度；ΔΦ为干涉相位差；V为平台速度；B为ATI有效基线；λ为波长。由式(3)可知，基线越长，2π相位差对应的不模糊速度区间就越小。

图3是2π相位差转化的速度区间和ATI时间延迟/ATI有效基线的关系，入射角分别为30°、45°、60°，假设流速在-2～2m/s，即速度区间为4m/s，阴影区域表示相关性低于0.5或产生相位缠绕。可以发现，随着基线的增加，时间去相关，不模糊速度区间减小；而ATI测流应避免相位缠绕，因此2π相位差对应的速度区间应始终高于实际流速区间。基线越长，由流场引起的干涉相位差越明显，但干涉信号的相关性越差，不模糊速度区间越小，因此在选择ATI有效基线时要进行折衷选择。

2.4 入射角

入射角对ATI测流有两方面影响：①低入射角时垂直速度的贡献较大，随着入射角的增大，垂直波浪运动的贡献降低，水平流场的贡献增加，信号变化更明显。但是，随着入射角增大，海表面的后向散射和信噪比都会降低，不利于流场测量。②根据图3的分析，入射角越大，2π相位差对应的不模糊速度区间就越小，因此入射角的选择也需要折衷考虑。

使用M4S仿真软件对不同入射角的干涉相位图进行仿真。仿真所用的流场见图4(a)，有6个独立的、带有不同流速梯度的正方形区域，周围流场设置为0.5 m/s。左侧两个正方形区域为1500 m×1500 m，右侧4个小正方形区域为750 m×750 m，流场梯度范围在0.000 36 m/s到0.001 40 m/s，网格分辨率为25 m×25 m，其中蓝色竖线是对流场的取样，见图4(b)。

仿真系统参数见表1，为了突出入射角对ATI相位的影响，ATI有效基线设为70 m，相应的时间延迟为10 ms。仿真结果见图5～图7：图5为取样列的仿真相位，图6为5 m/s风速下的仿真相位图，图7为10 m/s风速下的仿真相位图。当风速为5 m/s时，在低入射角下，干涉相位图中的特征区域表现出明显的非线性特征，相位误差较大；在中等偏大的入射角下，相位特征与输入流场较为接近。10 m/s风速下的整体情况与5 m/s风速下相似，但相位噪声变得更大。同时，入射角越大，相位差就大，相位变化范围也越大，有利于ATI测量。

因此ATI流场测量的理想入射角，综合考虑上述因素，应该选择在35°到45°之间。

3 GF-3卫星ATI模式流场测量性能仿真分析

3.1 仿真流程

仿真使用图4的流场作为“实际流场”，使用表1的系统参数，其中极化方式为VV极化，入射角为40°。卫星双孔径获得两幅SLC图像配准并进行干涉处理后，即可获得所需的干涉相位图，这里使用M4S仿真模型直接生成干涉相位图。流场反演使用迭代算法[12]，首先将相位转化为流速，作为初猜流场输入M4S模型生成干涉相位图，然后将干涉相位图与“实际相位”进行对比，再对初猜流场进行修正，迭代循环直到M4S生成的相位图与“实际相位”基本一致，输出此时的流场。反演流程图如图8所示。

3.2 结果分析

由于GF-3卫星ATI模式的有效基线为3.75 m，大约只有0.54 ms的时间延迟，干涉相位差较小，仪器噪声较大，因此在实际流场反演中必须对图像进行降分辨率平均处理，平均处理可以提高信噪比，降低噪声。这里对相位图进行了10×10像元和20×20像元的平均处理。

进行10×10像元平均处理后，采样间隔为250 m，采样点数为80×80，经2次3×3均值滤波后进行迭代反演，反演流场流速的均方根误差(RMSE)为0.237 m/s，相关系数为0.922，结果见图9。

进行20×20像元平均处理后，采样间隔为500 m，采样点数为40×40，经2次3×3均值滤波后进行迭代反演，反演流场流速的RMSE为0.191 m/s，相关系数为0.943，结果见图10。

结果表明，500 m分辨率的反演流场流速比250 m分辨率的反演流场流速的RMSE更小，相关性更高，因此降低分辨率对于提升图像的信噪比、提高反演精度是有利的。GF-3卫星的ATI模式由于基线较短导致图像噪声较大，但是经过平均处理，就能够有效地反演海表面流场。然而达到0.2 m/s的精度需要降低到500 m分辨率，如果需要0.1 m/s的精度，需要进一步降低分辨率；但500 m甚至1 km的空间分辨率只能满足开阔海域的要求，对于近岸海域100 m空间分辨率的要求来说是远远不够的，因此使用双星编队的方式来进行测流是必要的。

4 ATI编队模式理想基线分析

GF-3卫星的基线过短导致流场反演需要通过平均处理来提高信噪比，而长基线则能在保持高分辨率的情况下进行流场测量，满足近岸海域的监测需求。而双星编队可以允许基线根据应用需求进行调整，这对流场测量来说是十分有利的。

仿真仍然使用GF-3卫星的雷达参数，其中ATI有效基线选为：14 m、28 m、42 m、56 m、70 m、98 m、126 m。仿真结果见表2，由于海面大部分情况风速都小于10 m/s ，因此本文只列出了10 m/s风速下的仿真相位图，图11为添加噪声后的仿真相位图，图12为没有添加噪声的仿真相位图，其中τ为ATI时间延迟，ρ为信号自相关系数。

表2 ATI时间延迟和对应的自相关系数Table 2 ATI time lag and the coherences of the backscattered signal

根据图11的结果，可以发现相位图像有明显的噪声，只有流场左侧最明显的两个特征区域可见；对比图12可以发现，在时间延迟10 ms以下，仪器噪声占了主要影响，随着基线的增长，仪器噪声逐渐变小，但低相关引起的相位噪声却越来越大。高相关带来了高仪器噪声，低相关带来了高相位噪声，因此有效基线应当折衷选择。结合分析以及仿真结果，C频段理想的干涉SAR时间延迟应当在4～8 ms之间，也就是有效基线在28～56 m之间，在40°入射角的情况下，不模糊速度区间为[-2.7，2.7]到[-5.4，5.4]。

5 结论

本文通过分析以及仿真实验，得出如下结论：①GF-3卫星ATI模式适合进行ATI流场测量的系统参数为：VV极化、35°～45°入射角、在低风速的海况下；②GF-3卫星ATI模式图像在降低到500 m分辨率时流场反演精度可达0.2 m/s；③双星编队方式下C频段SAR使用ATI进行海表面流场测量，在有效基线范围为28～56 m时能取得较好的结果。

References)

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Yu Xiangzhen,Chong Jinsong,Hong Wen. An iterative method for ocean surface current retrieval by along-track interferometric SAR[J]. Journal of Electronics & Information Technology,2012,34(11): 2660-2665(in Chinese)

(编辑：张小琳)

Performance Analysis of Sea Surface Current Measurements by GF-3 Satellite ATI Mode

WANG Wenyu1XIE Chunhua1YUAN Xinzhe1HE Zhihua2DING Zegang3

(1 National Satellite Ocean Application Service,Beijing 100081,China) (2 National University of Defense Technology,Changsha 410073,China) (3 Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Along-Track Interferometric Synthetic Aperture Radar(ATI-SAR) is an effective way to obtain high resolution ocean surface current field. In this paper,the factors which influence on ocean surface current measurements by ATI-SAR are analyzed (polarization,incidence angle,effective along-track baseline and wind speed),and the appropriate radar system parameters are gi-ven. Then the performance of GF-3 satellite ATI mode in current retrieval is studied based on the simulation experiments. Due to the baseline length of the single satellite limits the accuracy of current monitoring,and the best performance can be achieved in the satellite formation mode,so the method for effective baseline selection of ATI-SAR in satellite formation current measurements is analyzed at last,which will provide reference for SAR system design.

ocean surface current；ATI-SAR；effective along-track baseline；GF-3 satellite

2016-11-22；

2017-01-06

高分辨率对地观测重大专项(No.12-Y20A15-9001-15/16)

王文煜，男，硕士研究生，研究方向为ATI-SAR海流反演。Email：nbwangwen1@sina.com。

V443

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.019