星载雷达高度计沙漠散射特性及定标方法研究

为了提高星载雷达高度计海面风速产品的精度并更好地修正海况偏差的影响,有必要对高度计测量的后向散射系数进行定标。分布目标是星载雷达散射系数定标的有效手段,而沙漠的散射特性特别适于高度计的散射系数定标。检验了Jason-2卫星高度计的沙漠回波波形,在澳大利亚辛普森沙漠和我国的塔克拉玛干沙漠选取了适当的区域,收集了在这些区域长达7a的Jason-2高度计数据。基于这些数据,研究了Jason-2卫星雷达高度计在沙漠上的散射系数特性,并提出了基于沙漠的散射系数定标方法,分析了其原理、可行性和试验方案,探讨了高度计和现场定标散射计足迹匹配等关键技术,并对其定标误差进行了分析,论证了沙漠定标场可实现优于0.5dB的定标精度。该方法有助于进一步提升海洋2号(HY-2A)卫星风速和海况偏差产品的质量和应用前景。     

我国微波遥感现状及前景

分析比较了遥感技术中使用的可见光、红外和微波遥感器的特点,介绍了微波遥感理论研究内容和我国的研究现状,叙述了我国机载合成孔径侧视雷达、机载微波辐射计、机载微波散射计、机载海洋雷达高度计的研制和应用状况,指出目前我国机载微波遥感器已基本达到实用水平,并且在生产建设、科学研究和防灾减灾中发挥出作用。列出了国际主要对地观测卫星装载遥感器的情况,从中看出微波遥感器在对地观测中日益增强的作用,建议国家对微波遥感的研究和应用加强统一领导,加强机载实用运行、陆基实验、微波遥感理论研究,以确保早日实现我国自己的星载微波遥感。     

星载微波散射计的研究现状及发展趋势

介绍了美国宇航局(NASA)和欧空局(ESA)星载微波散射计传感器的类别、特点以及发展历程,详细描述了星载散射计海面风矢量在大洋环流、海洋大气交互作用、中短期极端天气状况预报等领域的应用以及散射计分辨率增强数据在极地海冰制图、监测、分类、陆地植被参数反演等方面的应用,展望星载散射计研究在全天候、全天时、高时间分辨率、高空间分辨率等提高观测能力方向的发展趋势,最后简述国内星载散射计神州4号(SZ 4)散射计(CN/SCAT)和海洋卫星2号(HY 2)散射计的特点及研究现状。     

RFSCAT散射计数据地理定位与误差分析

星载微波散射计是目前唯一能够同时测量海面风速和风向的传感器,在海洋科学研究中发挥着重要作用。散射计获取的地物后向散射只有经过地理定位才能得到包含地物位置信息的有效物理量。因此,散射计地理定位是数据预处理的重要组成部分,与遥感数据的质量密切相关。扇形波束旋转扫描散射计具备扇形固定波束散射计和笔形波束旋转扫描散射计的优势,目前还没有实现在轨运行。基于其工作方式的特殊性,详细分析了该散射计的扫描方式,给出了一种适用于该散射计的地理定位方法,得到了最终的定位结果。然后分析了影响定位结果的误差源,讨论了卫星姿态对于定位结果的影响情况,最终利用HY\|2卫星产品评价了该地理定位算法的相对精度指标。     

基于SWIM、SCAT联合观测小卫星的总体设计要点

海洋对全球气候、气象、环境和经济发挥着重要作用,因此,有必要对其进行监测、研究及预测发生在海洋内部和海洋表面的运动过程。海面风场信息、海面波浪谱信息能够体现并反演海洋气象、海洋动力学特性、海洋资源、海洋污染情况、海洋经济性和海岸环境。波谱仪(SWIM,Surface Wind Investigation and Monitoring)和微波散射计(SCAT,Scatterometer )可以用于获取海面波浪谱信息和海面风场信息。首先对这两套载荷系统进行了介绍,并简要对基于这类主动微波遥感载荷配置的卫星设计进行了任务分析,最后给出了基于波谱仪、微波散射计联合使用在小卫星平台应用背景下卫星系统级设计的几个主要方面进行了研究和分析。     

微波散射计反演海面风场的神经网络方法研究

研究利用神经网络方法处理微波散射计数据,反演海面风场。重点研究海洋二号(HY-2)卫星微波散射计数据反演,特别是中高风速条件下的风场反演。其中风速的反演基于后向传播(Back Propagation,BP)神经网络;多解风向的反演基于混合密度(Mixture Density Network,MDN)神经网络,求解过程中的核函数采用高斯分布;网络训练的目标风场采用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Foresting,ECMWF)模式风场。通过与ECMWF风场的比较,利用神经网络方法反演的风场可以满足HY-2微波散射计风场反演的精度要求。同时通过与国家卫星海洋应用中心发布的HY-2微波散射计L2B级风场产品相比较,表明该方法反演的风场更接近ECMWF模式风场。     

星载微波散射计高分辨率σ~0图像重构方法研究

针对我国海洋二号卫星微波散射计(HaiYang-2Scatterometer,HY2-SCAT)数据存在的空间分辨率较低、无法满足对于地球冰冻圈、生物圈探测需求的问题,以其数据拓展应用为目标,开展了微波散射计高分辨率后向散射系数(σ0)图像重构技术仿真研究。采用仿真的方法实现并对比了AART(Additive Algebraic Reconstruction Technique)、MART(Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique)、SIR(Scatterometer Image Reconstruction)3种分辨率增强的图像重构算法,得出了AART算法没有噪声抑制能力、MART算法噪声抑制能力较弱、SIR算法具有较强的噪声抑制能力,能更好地重构图像,达到分辨率增强效果的结论。然后采用HY2-SCAT测量L1B数据对结论进行了验证,重构了岛屿的地貌特征,得到了分辨率增强、细节丰富、边界清晰的重构图像;重构后的图像还可以应用于植被、冰盖和台风观测等地球地理学研究领域。     

浅谈微波遥感器

微波遥感器具有全天时、全天侯、一定穿透能力和能取得被测目标特征信息的特点,所以受到国内外遥感界的重视。现在,可见光、红外光遥感器比较成熟,而微波遥感器正处在研究、开发、推向应用阶段。其发展趋势表明,徽波遥感器所占比例会越来越大。微波遥感器有被动式和主动式两大类。接收地物微波辐射能量的微波辐射计属被动式的。本身向外发射探测信号的高度计、散射计、侧视雷达和全息雷达属于主动式的。本文对微波遥感器作一简单介绍,并对微波遥感器今后的发展方向提出一些粗浅看法。一、微波辐射计微波辐射计是一台特殊微波接收机。它由天线、外差接收机、消除本机噪声和增益波动部分,数据记录或存贮装置等部分组成。微波辐射计天线接收地物的辐射功率比接收机的     

基于现场观测数据的卫星雷达高度计海面风速和有效波高真实性检验方法研究

卫星遥感产品定量化应用前需通过真实性检验。卫星雷达高度计可观测海面风速大小和有效波高等海洋动力环境参数,而对其进行真实性检验存在不同的时空匹配方法。使用3种不同的时空匹配方法,利用美国国家浮标数据中心(NDBC)现场观测数据对2011年的Jason2海面风速和有效波高产品进行了检验。Jason2海面风速大小和有效波高的均方根误差分别为1.28 m/s和0.28 m,同时结果表明:采用卫星高度计海面风速大小(有效波高)和同步的现场观测数据在一定时间(1 h)和空间(50 km)限制条件下进行对比检验,可以得到合理的高度计海面风速大小和有效波高精度评价结果。 Jason2卫星高度计海面风速大小和有效波高的精度与探测海域有关,其精度在墨西哥湾与西大西洋海域相对较高。     

基于神经网络分类的星载雷达高度计近岸回波处理方法

对HY-2B卫星雷达高度计香港近岸波形进行了统计分析,将近岸非海洋波形分为似海洋波形、似陆地波形、单锥波形。在此基础上,提出基于神经网络分类的星载雷达高度计近岸回波处理方法,提取7项波形特征作为回波分类的输入,构建误差逆传播神经网络（Back propagation,BP）,不同的波形类别对应不同的重跟踪方法。其中针对似海洋波形,提出异常波峰剔除的重跟踪方法,有效提高了似海洋波形的重跟踪成功率。使用Jason-2卫星雷达高度计近岸数据进行实验,结果表明重跟踪成功率和数据有效性均得到提高;利用HY-2B卫星雷达高度计直湾岛海域数据进行实验,并将验潮站数据作为参照标准,重跟踪得到的海面高与验潮站的海面高进行差值比较,该方法得到差分序列的标准差为6.5 cm,优于传统处理方法的14.5 cm。     

Inundated wetland dynamics over boreal regions from remote sensing: the use of Topex‐Poseidon dual‐frequency radar altimeter observations

This study presents a first attempt to estimate the extent and seasonality of northern wetlands using radar altimeter satellite observations. The sensitivity of the Topex‐Poseidon dual‐frequency radar altimeter to detect inundation is investigated and compared with passive and active microwave satellite measurements along with a land surface climatology database. The C band backscatter altimeter signal clearly tracks passive microwave emissivity observations of wetlands and is able to detect small flooded areas. Because of the nadir incidence angle, the radar altimeter also shows more capability to detect wetlands than the C band scatterometer. Monthly flooded areas are calculated by estimating flooded pixel fractional coverage using the altimeter C band backscatter magnitude and a linear mixing model with dual‐frequency altimeter backscatter difference, C–Ku, to account for vegetation effects. Because of the Topex‐Poseidon satellite spatial coverage, the results are given only from 40° N to 66° N. This region nevertheless represents more than 30% of world's inundated surfaces during the summer. A direct validation of the inundated extent is unfortunately impossible on a large scale, due to the scarcity of quantitative observations. As a consequence, the results are evaluated by comparison with other existing estimates. Radar altimetry estimates, comprising natural wetlands and river/lakes, indicate a maximum inundated area of 1.86×10⁶ km² for July 1993 and 1994 as compared with 1.31×10⁶ km² from passive microwave technique and ～2.10×10⁶ km² from climatology dataset. The wetland seasonal variability derived from the altimeter and passive microwave techniques agrees well. These promising results could soon be applied to the ENVISAT dual‐frequency radar altimeter that will provide a better survey of global inundated surfaces thanks to its much more complete spatial coverage.     

神舟4 号主载荷-多模态微波遥感器

多模态微波遥感器作为神舟4号主载荷是我国第一次进入太空的微波遥感器, 是一部集高度、散射计和辐射计为一体, 具有综合观测能力的微波遥感器。在神舟4号飞船在轨飞行实验期间,取得了大量的有效科学数据, 在轨实验获得成功。从多模态微波遥感器的研制要求出发, 列出了系统的主要指标, 介绍了多模态微波遥感器的工作原理、系统组成、运行控制模式和系统验证试验, 总结了在轨运行情况和数据处理结果, 给出了实验结论。
     

卫星遥感海面风场的进展

空间技术的发展使得卫星遥感成为获取海面风速信息的重要手段。对卫星微波遥感海面风场的各种传感器的性能、特点等作了较全面地评述,并指出了卫星微波遥感信息的复合分析和数值同化将是获取海面风场的两个主要方法。     

基于MATLAB/SIMULINK的海面回波模拟器仿真与分析

星载雷达高度计是一种重要的对海洋进行精确测量的主动式微波遥感器。因为高度计能够有效地测量卫星到海面的高度、海面有效波高和海面后向散射系数,它在海洋大地水准面研究和海洋应用研究的诸多方面得到了广泛的应用。海面回波模拟器能够接收和处理高度计信号,产生海面回波波谱来调制高度计信号,最后精确延时后发射回高度计,是在地面对高度计进行测试和定标的一种有效手段。由于功能的全面性,回波模拟器是一个复杂度不亚于高度计本身的系统,因此,对回波模拟器的分析和仿真对于指导它的设计、确定它的精度以及定标的效果有着重要意义。介绍了回波模拟器的结构,分析了海面回波波谱的产生原理并设计了回波模拟器的SIMULINK仿真模型,给出并分析了仿真结果。     

Microwave remote sensing of physically buried objects in the Negev Desert: implications for environmental research

We report remote detections of physically buried specularly reflecting objects using microwave radar at two sites: Ashalim and Tseelim in the northern region of the Negev Desert, Israel. These detections provide confirmation that microwave subsurface remote sensing is a genuine phenomenon. At Ashalim, a scatterometer operating in the P-band (441 MHz, 68 cm) was mounted on a cherry picker truck at a height of 8 m and used to detect two triangular aluminum mesh reflectors (forming a 1-m square area reflector) buried down to a depth of 8 cm in dry sand. At Tseelim, the same scatterometer was mounted on an airplane flying at an altitude of 70 m and used to detect 1-m square aluminum reflectors (each one submerged at a different location along the airplane flight path) buried down to a depth of 20 cm. The experimental results compare favorably with a theoretical model that incorporates radar absorption effects arising in the sandy subsurface layer and radar interference effects arising from phase differences between reflections from the surface and buried reflector. The theoretical modeling also predicts the detection of a subsurface reflector down to a depth of about 4.4 m. This experiment and the associated modeling approach is the first of a series of planned experiments, which we outline for the detection and the theoretical evaluation of buried reflectors using remote microwave and VHF radar. We identify potential subject areas for environmental research.     

基于海洋二号高度计内定标方案的工程设计和误差分析

星载雷达高度计是很有应用价值的微波遥感器,我国将于近年发射海洋二号卫星,高度计是其主载荷。在航天环境中,硬件性能的不理想会带来测高误差。通过在星上进行内定标工作能够较好地修正这些误差。首先描述了内定标的主要任务,推导了内定标模式中的信号流程。然后,总结了目前国内外星载高度计的内定标技术,对它们进行了分析和比较,选择了一套内定标方案,对延时和衰减参数进行了工程设计,并分析了双频和多带宽体制对内定标的影响。最后,作者对内定标模式1中产生的误差源及其对测高的影响进行了分析,并结合TOPEX参数对内定标模式2对测高性能的改善进行了定量研究。     

合成孔径高度计的距离校正

在高度计中使用合成孔径技术正在成为当前国际上高度计技术领域内一个新的研究热点。本文首先简单介绍了传统雷达高度计的测距原理,然后介绍了在雷达高度计中引入合成孔径技术的思想。通过分析高度计中合成孔径处理的特点,说明在高度计中使用合成孔径技术时,应该进行距离校正。本文从高度计的多普勒波束锐化对应的几何模型和合成孔径雷达回波信号的相位分析两个角度分析了距离校正的方法,给出了距离校正的思路和校正公式。     

基于有源定标器的卫星雷达高度计近海测高基准重建方法研究

利用卫星雷达高度计开展高精度近海高度测量面临诸多问题,重构受污染的近海回波波形,建立近海测高基准是实现高精度近海高度测量的重要基础。介绍一种利用有源定标器重建卫星雷达高度计近海测高基准的方法,以HY-2卫星雷达高度计为例,分别分析了离岸距离大于20km、离岸距离小于2km及离岸距离处于2~20km之间处近海地区雷达高度计回波波形受影响情况,并从理论上推导了该方法建立近海测高基准的精度。在2012年7月5日唐山近海地区HY-2高度计在轨定标试验中,首次观测到近海地区有源定标器转发高度计信号的回波波形,结果表明:利用有源定标器重建卫星雷达高度计近海测高基准的方法可行,该方法将有助于提高近海测高精度。