一種基于高斯擬合的雷達多普勒譜估計海面流場的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雷達多普勒譜估計海面流場的方法，適用于星載或機載合成孔徑 雷達（SAR)的海洋信息反演領(lǐng)域，主要基于高斯擬合從雷達信號多普勒譜估計高海況時海 面流場分布。
【背景技術(shù)】
[0002] 星載或者機載SAR信號的多普勒譜包含了運動目標(biāo)的散射特性和運動特性等信 息。利用SAR海洋觀測數(shù)據(jù)的多普勒頻移量可以提取海面流場信息。相同海面流速的情況 下，一般的會采用較高頻段（C波段以上）SAR才能較為精確的流場反演結(jié)果。
[0003] SAR觀測海洋時，其SAR回波信號的能量來源于海面線性短波散射分量（Bragg 波）和海面鏡面散射分量（大尺度波）。SAR回波信號獲取海面多普勒速度除了雷達波束 相對地面運動速度外，實際上是各種波流速度（如表面流場速度、Bragg波相速度、大尺度 波軌道速度等）的矢量和，反演表面流場的過程就是要從SAR獲取的多普勒速度中剔除雷 達波束相對地面運動速度、Bragg波相速度和大尺度波的軌道速度，從而得到表面流場。最 近的海面實際觀測表明，在高海況下SAR海面回波信號還有部分能量來自于海面非線性短 波散射，這部分非線性短波相速度未從多普勒速度中去除，導(dǎo)致在高海況下反演海面流場 速度的精度下降。所以，開發(fā)一種適用于高海況下反演海面流場的方法就顯得十分有必要。
[0004] 中國專利CN201310352793名稱為基于順軌干涉SAR測量海面流場徑向速度的方 法，該方法利用在順軌方向設(shè)置的三幅天線獲取三種不同干涉時間的干涉相位，得到準(zhǔn)確 海面流場徑向速度。該專利適用于單發(fā)多收的SAR體制，無法推廣單發(fā)單收的SAR體制。中 國專利CN200410036470名稱為海洋表層流場的獲取方法，將雷達單站采集的海區(qū)表層徑 向流速Ul和以POM海洋模型獲取的該海區(qū)表層徑向流速U2的差值，代入POM模型中的三 維海流動力學(xué)控制方程進行迭代優(yōu)化直到得到最優(yōu)流場，該專利對海洋模型的精度要求較 高，和本專利在處理思路和方法有本質(zhì)不同。中國專利CN201310673951名稱為一種基于單 站船載高頻地波雷達的表面流測量方法，利用時-空聯(lián)合譜估計方法及譜搜索獲得每個探 測單元上實測正負(fù)一階Bragg譜峰位置，并求取相應(yīng)探測單元上的徑向流速；以及美國專 利4509048名稱為一種SAR的Λ K測量海面流場的方法和設(shè)備，這兩個專利均適用于中低 海況情況下，沒有考慮非線性短波相速度對流場反演精度的影響，處理精度大大較弱。
[0005] 目前，我國主要依靠岸基、艦載雷達測定海面流場，星載或機載SAR具備全天時、 全天候觀測能力，可以大范圍獲取海面流場信息，為我國積累大量的海面洋流的實測資料。 特別的針對高海況時，亟待設(shè)計一種高精度SAR反演海洋流場的方法，避免傳統(tǒng)方法在反 演時精度的大幅度降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于高海況情況下 SAR反演海面流場的方法，避免了傳統(tǒng)測量流場方法高海況下反演精度下降、對海洋模型依 賴度較高、增加 SAR系統(tǒng)復(fù)雜度的不足。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0008] -種基于高斯擬合的雷達多普勒譜估計海面流場的方法，包括步驟如下：
[0009] (1)獲取測量海域的SAR回波信號SJ τ，η)，并進行距離壓縮處理，得到SAR信 號為SM(T, η)，其中τ為距離向時間，η為方位向時間；
[0010] ⑵計算任意一個距離向時間Ttl和方位向時間n ^，對應(yīng)的多普勒譜；
[0011] 具體計算方式如下：獲取對應(yīng)距離門R(Ttl)的SAR-維時域信號&。（^，n)，在 Tl ^Τ/2和τι JT/2范圍內(nèi)對一維時域信號Sre (^，n)進行方位向傅里葉變換，從而得到為 τ ^和n 〇對應(yīng)的多普勒譜D ^ ( Tc^fn)，其中T為海面相干時間、匕為方位向多普勒頻率；
[0012] ⑶根據(jù)雷達運動軌跡和觀測幾何，計算出nC1時刻雷達波束掃過地球表面的速度 VMf，估計SAR與地面相對運動造成的多普勒頻移，并將多普勒譜進行頻譜搬移，得到去 除平臺運動影響后的多普勒譜0 1(1(|，。）=0(|(1(|，匕-43;
[0013] (4)對步驟（3)得到的D1(Tjn)進行高斯函數(shù)擬合；
[0014] (5)根據(jù)步驟（4)得到的高斯函數(shù)擬合結(jié)果設(shè)計帶通濾波器，將高頻譜峰濾除，得 到去除非線性短波的多普勒譜分量后的多普勒譜D2( τ m fn);
[0015] (6)估計多普勒譜D2 (iQ，fn)在正頻率區(qū)或者負(fù)頻率區(qū)的Bragg波的實際多普譜 中心f1;
[0016] (7)根據(jù)海面波動理論，計算得到Bragg波運動對應(yīng)相速度Vtog，則無流場時Bragg 波峰對應(yīng)理論多普勒譜中心為^
【主權(quán)項】
1. 一種基于高斯擬合的雷達多普勒譜估計海面流場的方法，其特征在于步驟如下： ⑴獲取測量海域的SAR回波信號Stl ( τ，η )，并進行距離壓縮處理，得到SAR信號為 STC( τ，η)，其中τ為距離向時間，η為方位向時間； (2) 計算任意一個距離向時間Ttl和方位向時間n 〇,對應(yīng)的多普勒譜； 具體計算方式如下：獲取對應(yīng)距離門R(Ttl)的SAR-維時域信號&。（^，q)，在 Tl ^T/2和Tl JT/2范圍內(nèi)對一維時域信號Sre (^，n)進行方位向傅里葉變換，從而得到為 τ ^和n 〇對應(yīng)的多普勒譜D ^ ( τ。。），其中T為海面相干時間、匕為方位向多普勒頻率； (3) 根據(jù)雷達運動軌跡和觀測幾何，計算出ru時刻雷達波束掃過地球表面的速度VMf， 估計SAR與地面相對運動造成的多普勒頻移f Mf，并將多普勒譜進行頻譜搬移，得到去除平 臺運動影響后的多普勒譜01(1(|，。）=0 (|(1(|，匕-4{); (4) 對步驟（3)得到的D1 ( τ & fn)進行高斯函數(shù)擬合； (5) 根據(jù)步驟（4)得到的高斯函數(shù)擬合結(jié)果設(shè)計帶通濾波器，將高頻譜峰濾除，得到去 除非線性短波的多普勒譜分量后的多普勒譜D 2 ( τ m fn); (6) 估計多普勒譜D2(h，fn)在正頻率區(qū)或者負(fù)頻率區(qū)的Bragg波的實際多普譜中心 fi； (7) 根據(jù)海面波動理論，計算得到Bragg波運動對應(yīng)相速度Vtog，則無流場時Bragg波 峰對應(yīng)理論多普勒譜中心
(8) 計算得到R ( τ J和q ^對應(yīng)海面流速V。（ τ m n。)； (9) 改變距離向時間τ和方位向時間q，重復(fù)以上的步驟（1)~（8)，可以得到測量海 域二維空間的流場分布信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高斯擬合的雷達多普勒譜估計海面流場的方法，其 特征在干：所沭步驟（3)中多普勒頻移匕{為：
其中，Θ和λ為雷達入射角和波長。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高斯擬合的雷達多普勒譜估計海面流場的方法，其 特征在于：所述步驟（8)中對應(yīng)海面流速VJ Iltl)的計算方式如下：
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高斯擬合的雷達多普勒譜估計海面流場的方法，其 特征在于：所述步驟（4)中的高斯函數(shù)擬合步驟如下： 若正頻率區(qū)或者負(fù)頻率區(qū)均出現(xiàn)單譜峰，在正頻率區(qū)或者負(fù)頻率區(qū)采用單高斯函數(shù)形 式進行曲線擬合； 若正頻率區(qū)或者負(fù)頻率區(qū)均出現(xiàn)雙譜峰，在正頻率區(qū)或者負(fù)頻率區(qū)采用雙高斯函數(shù)疊 加形式進行曲線擬合。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于高斯擬合的雷達多普勒譜估計海面流場的方法，通過估算雷達波束與地面相對速度，從SAR信號的多普勒譜中提取海面動態(tài)引起的多普勒譜，然后對該多普勒譜進行高斯擬合，判定是否有非線性短波散射分量的干擾，若存在，濾除非線性短波散射分量，加權(quán)求得Bragg波的實際多普勒中心頻率，然后減去Bragg波的理論多普勒中心，求取相應(yīng)測量單元上的流速，從而獲得整個被測海域的流場分布。本發(fā)明有效地去除了非線性短波的干擾分量，避免了高海況下反演精度的下降，同時本發(fā)明不需要額外輔助海洋模型或數(shù)據(jù)，方法簡單有效以及本發(fā)明可以應(yīng)用到現(xiàn)有單發(fā)單收SAR的數(shù)據(jù)處理中，避免增加星載或者機載SAR系統(tǒng)復(fù)雜度。
【IPC分類】G01S13-90, G01S13-88, G06F19-00
【公開號】CN104730518
【申請?zhí)枴緾N201510145148
【發(fā)明人】劉磊, 王小青, 種勁松, 杜輝, 劉飛標(biāo), 王壘, 肖遙
【申請人】北京空間飛行器總體設(shè)計部
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月30日