CN115336420B - 底视合成孔径与近底视双刈幅干涉成像的一体化探测装置 - Google Patents

Abstract

底视合成孔径与近底视双刈幅干涉成像的一体化探测装置包括天线***、底视收发组件、近底视收发组件、射频频综、时序与线性调频源、信号处理机、通讯单元和电源单元，实现底视合成孔径测高和近底视干涉成像，实现底视合成孔径测高通道与近底视宽刈幅干涉成像通道的一体化集成，实现对海面的高精度高分辨测高、高分辨宽刈幅三维成像以及海陆二维成像。本探测装置实现了多用途观测，用于海洋遥感观测，同时兼顾海冰和陆地水文观测，能够应用于海洋地球物理学研究、海洋动力学研究、海洋气候与环境监测等，在军事上可以应用于舰艇航行所需洋流数据的获取、核潜艇巡航所需的高精度重力场测量、中远程弹道导弹射击大地水准面测量、近海军事勘测等。

Description

底视合成孔径与近底视双刈幅干涉成像的一体化探测装置

技术领域

本发明所涉及的是卫星雷达高度计技术领域。

背景技术

目前国内外研制和发射的海洋遥感探测装置主要有高度计、散射计、辐射计等，其中高度计在测高技术上主要分为3类，第一类高度计主要采用全去斜技术和底视双频探测等，测高精度可以达到cm级的测量精度，但由于足迹太大导致空间分辨率不高(在km级)，只能应用在海洋大尺度观测，无法进行中尺度和小尺度海洋观测。另外由于采用底视探测方法，只能对星下点区域进行观测，刈幅窄，对海洋的时间和空间观测数据率低。因此这类高度计基本上只能用在海洋卫星上对海洋进行监测。第二类高度计主要采用底视合成孔径方法，通过对多个回波进行多普勒锐化和延时补偿处理，实现方位向波束锐化，顺轨向分辨率大大提高，用于海洋、海冰冰架观测等。这类高度计只是解决了顺轨向分辨率低的问题，但是由于采用底视探测方法，其观测刈幅窄，不能实现对海洋、陆地的宽刈幅区域中小尺度观测，限制了其性能的进一步提高。第3类高度计主要采用合成孔径技术和干涉测量方法，具备了对海洋高精度测高、宽刈幅高分辨三维成像、中小尺度观测功能，兼顾陆地应用。采用这种测高方法的高度计包括美国NASA的WSOA高度计和SWOT高度计，WSOA高度计采用小角度(近底视)干涉测量方法，安装有两幅天线，分别位于卫星的两端，测量范围在地面轨迹两侧各100km范围的海面，虽然观测刈幅得到大幅度提高，但在顺轨向采用的是实孔径技术方式，所以顺轨向面元分辨率没有得到提高。很多科学家在WSOA的基础上，提出了改进措施，其中的HM计划(Hydrosphere Mapper)就是在WSOA的技术上，增加了方位向的合成孔径处理，使得在1km×1km的面元分辨率下实现高精度的三维成像测高。欧空局则在2005年提出了WatER计划，用于高度计的水文处理。2007年，NASA和CNES将两项计划合并，成立了SWOT科学工作组，SWOT虽然采用了干涉和合成孔径技术，在海洋观测时观测刈幅和空间分辨率得到很大提高，但在陆地应用时受限。所以WSOA和SWOT只适用于海洋和陆地水文观测。

国内在高度计的研制上也已开展了近二十年的研究，在弹载、机载高度计的基础上，开展了星载高度计的研究，如中科院空间中心、航天科技八院802研究所和航天科工三院35所等单位。其中在SZ-4飞船上曾搭载过一台高度计，为我国第一台实现太空遥感的高度计，取得了一定的数据。HY-2卫星是正式应用雷达高度计进行海面遥感的第一个海洋卫星型号，其主载荷实现了第三代高度计的技术和性能。在雷达高度计的高分辨率宽刈幅测量方面，中科院空间中心开展了三维成像高度计的研究工作，采用了干涉和合成孔径技术，但其只能对卫星的一侧开展宽刈幅测量，且没有考虑底视高度计的集成，对卫星平台的稳定性和定轨精度要求较高。

在专利方面，中国科学院空间科学与应用研究中心的张云华和姜景山在三维成像高度计的研究基础上申请了专利-一种海陆兼容并三维成像的雷达高度计***及设计方法(公开号：CN1301968A)，根据该专利的描述，该测高装置的主要特征在于：(1)偏离天顶点1.5°至2°观测，采用波束有限工作方式，可以增加地面刈幅，同时可以获得距离向的分辨率；(2)在方位向采用孔径合成技术，提高方位向的分辨率；(3)采用双天线相干技术，获得相干信息并从中获得分辨率单元的高度信息；(4)采用传统高度计的高度测量方法，采用脉冲有限方式获得平均地表(海面、陆地)高度及海平面有效波高信息；(5)采用偏离重心点高度跟踪算法设计与回波模型无关高度***，实现高度计的海陆兼容。技术实现途径主要包括：(1)成象处理器中采用非聚焦孔径合成技术提高方位向的分辨率；(2)根据海洋、海冰和陆地三个不同的工作模式，改变发射信号的带宽。海洋模式信号带宽最宽，海冰模式次之，陆地模式带宽最小；(3)高度跟踪采用实时方式，而三维成象处理采用非实时方式。该高度计采用了干涉和合成孔径技术，但是需要通过模式切换，通过照射方式、信号波形、接收方式和信号处理算法的改变，实现高度计模式、SAR模式、INSAR模式三种工作模式，控制***复杂，任一时刻只能工作在一种模式下，其只能对卫星的一侧开展宽刈幅测量，且没有考虑底视高度计的集成。

另外中国科学院空间科学与应用研究中心的王志森、许可、杨双宝和刘和光对子孔径雷达高度计进行了研究，并申请了实用新型专利-子孔径雷达高度计(公开号：CN2914111Y)，根据该专利的描述，该实用新型包括定时单元、调频信号生成单元、上变频放大单元、功放单元、天线、低噪声放大单元、下变频放大单元、相位检波单元、数字处理单元、回波跟踪单元、第一混频器、第二混频器和去斜本振，在功能上，该实用新型虽然通过非聚焦子孔径合成和粗视配准的实时处理模式与聚焦子孔径合成和精视配准的后处理模式相结合，提高了功率利用效率，但是由于采取底视照射，观测刈幅窄，功能也比较单一。

随着海洋研究、全球地形地貌测绘以及军事应用的发展，对星载雷达高度计的观测空间尺度、观测刈幅、测高精度以及功能多样性等方面均提出了很高的要求。具有高精度的测高能力、更宽的测量刈幅、较好的空间分辨能力以及多功能的高度计是今后星载雷达高度计的发展方向。

因此，业界需要加强能够实现底视合成孔径测高与近底视双刈幅干涉成像的一体化探测装置的研究。

发明内容

本发明提供了一种底视合成孔径与近底视双刈幅干涉成像的一体化探测装置，满足对海洋和陆地的多功能测高、二维、三维成像等需求，有效解决海面高度、有效波高和海面后向散射系数等参数的高分辨宽刈幅测量，以及海冰、近海岸、陆地水文观测以及海洋陆地的三维成像观测。

本发明采取以下技术方案：

本探测装置将合成孔径技术、高度计技术和干涉成像技术相结合，由底视天线、底视收发组件、近底视干涉天线、近底视收发组件、射频频综、时序与线性调频源、信号处理机、通讯单元和电源单元组成，实现底视合成孔径测高和近底视干涉成像，本装置实现底视合成孔径测高通道与近底视宽刈幅干涉成像通道的一体化集成，实现对海面的高精度高分辨测高、宽刈幅高分辨三维成像。

所述底视合成孔径测高通道采取天线收发共用的小足迹底视合成孔径探测体制，获取高空间分辨率，在800km～1000km的轨道高度，方位向从数公里级的分辨率提高到100m左右的分辨率，这对海洋的中小尺度观察、近海观测、冰架观测、陆地水文观测、陆地高程测量的效果将更为明显。

底视合成孔径测高通道实现了高精度高分辨测高，将传统的脉冲限制方式改进为交轨向脉冲限制和顺轨向波束限制相结合，使得波束内的照射能量可以得以充分利用，通过合成孔径后的距离校正，实现多视处理和积累，有利于降低***功耗，减小海杂波斑点噪声对测量精度的影响降低，同时方位向的合成孔径处理带来了多普勒中心估计，可以估计出方位向的天线中心指向误差，天线指向误差值的修正，同时也使得海面后向散射***测量精度的提高。

所述近底视干涉成像通道采取双通道短基线干涉合成孔径探测体制，通过对顺轨向的两侧采取双刈幅观测，大大提高了观测刈幅宽度，使得刈幅达到120km以上，同时以1km×1km的空间分辨率进行三维成像观测，海面时空采样率得到了大大提高，解决以往星载高度计装置无法观察的数百公里的洋流变化情况；

所述底视与近底视一体化集成，采取模块共用、硬件集成和信息融合复用，实现底视合成孔径测高与近底视干涉成像通道的一体化集成，提高两种观测方式下的综合测高精度。底视为近底视提供观测的基准，弥补近底视观测的空隙。近底视的滚动角经过估计和修正，还可为底视天线指向的修正提供必要的参数，提高底视散射系数测量的精度；

本探测装置实现了多用途观测，在海洋遥感观测应用的同时兼顾海冰和陆地水文观测，其底视合成孔径测高组合由于具备高精度高分辨测高能力，除了可以应用于海洋观测外，还可以进行近海岸、海冰冰架、陆地水域的观测等；近底视干涉成像组合具有准实时二维成像和三维高程获取功能，并且双刈幅观测能力使其观测的刈幅宽度约为传统星载SAR/INSAR刈幅宽度的两倍，可以应用于海洋的中小尺度观测(如洋流、涡旋等)以及陆地水文观测等。

说明书附图

图1为本发明的观测示意图；

图2为本发明的***组成框图。

具体实施方式

以下通过较佳实施例对本发明的技术方案进行说明，但下述实施例并不能限制本发明的保护范围。

结合图1、2所示，图2中底视合成孔径与近底视双刈幅干涉成像的一体化探测装置包括了天线***、底视合成孔径测高组合、近底视双刈幅干涉成像组合、信号处理组合、数传接口等，其中天线***、底视收发组合和近底视收发组合一体集成。

天线***包括一副底视天线、两副近底视干涉天线。底视天线为ka波段抛物面天线，对星下点区域进行照射；近底视干涉天线为两副ku波段平面反射阵列天线，采取偏离天底点的左右区域同时照射方式，每个天线采取双波束双极化技术，每个天线可同时照射卫星星下点左右两侧刈幅，从而实现宽的双刈幅观测。

底视合成孔径测高组合采用宽带线性调频脉冲压缩体制和底视天线的收发共用探测，天线波束垂直对地观测，有效覆盖卫星天底点观测区域，接收机采用全去斜接收方式，并对回波进行高速采集，信号处理机对采集的数据进行处理，处理过程由距离脉压、方位向FFT、多普勒参数估计、多普勒中心频率修正、顺轨方向天线误指向角估计、延时补偿、观测条带多视处理、观测参数最大似然估计以及传输误差修正等部分组成。通过方位向的合成孔径处理，减小了雷达照射足迹，并通过延时补偿、多视处理进一步提高了数据利用率、降低了海洋或陆地噪声对测高精度的影响，实现在底视情况下获取高精度的海面平均高度，有效波高、后向散射系数以及陆地高程等信息。为了降低大气传输误差对测量的影响，采用Ka波段进行探测。近底视双刈幅干涉成像组合采用小入射角短基线干涉天线的双通道探测方式，其中主通道采用收发共用，辅通道采取单接收。信号处理机对回波进行高速采集后，完成滤波、距离脉压等预处理，对预处理后的数据进行降速率处理后下传到地面***。地面***进行二维成像和运动补偿、图像配准、相位降噪滤波、相位解缠绕、多视处理、水体识别和分类等三维干涉成像处理，形成最终的地面海面高程信息和二维图像信息。

底视合成孔径测高组合和近底视双刈幅干涉成像组合共用频综、时序与线性调频源、信号处理机和通讯链路接口。同时两组合独立工作，采用不同的工作频段、天线照射方式、观测区域、回波信号接收方式、信号处理方法等。功能上相互补充，实现宽刈幅高分辨的海面三维观测。

本探测装置的技术指标为：

(1)高度为900km，刈幅宽度＞100km；

(2)海洋测高面元分辨率500m×500m；单视成像平均分辨率40m×40m；

(3)分辨单元高度测量精度(1s数据内)，有效波高＜2m时优于8cm，有效波高＜4m时优于15cm，底视顺轨向分辨率优于100m；

(4)底视探测有效波高测量精度0.5m；

测高精度：(1s数据内)，有效波高＜2m时优于2cm；

后向散射系数测量精度：0.5dB，测量范围0dB～+40dB。

本探测装置的功能组成和工作方式如表1所示。

表1功能组成和工作方式

以上实施例仅用于举例说明本发明的内容，除上述实施方式外，本发明还有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.底视合成孔径与近底视双刈幅干涉成像的一体化探测装置，包括：天线***、底视合成孔径测高组合、近底视双刈幅干涉成像组合、射频频综、时序与线性调频源、信号处理机、通讯单元和电源单元，实现底视合成孔径测高和近底视干涉成像，本装置实现底视合成孔径测高通道与近底视宽刈幅干涉成像通道的一体化集成，实现对海面的高精度高分辨测高、高分辨宽刈幅三维成像和海陆二维成像；

所述天线***包括一副底视天线、两副近底视干涉天线；底视天线为ka波段抛物面天线；近底视干涉天线为两副ku波段平面反射阵列天线，采取偏离天底点的左右区域同时照射方式，每个天线采取双波束双极化技术，每个天线同时照射卫星星下点左右两侧刈幅，从而实现宽的双刈幅观测；

近底视双刈幅干涉成像组合采用小入射角短基线干涉天线的双通道探测，其中主通道采用收发共用，辅通道采取单接收；信号处理机对底视回波和近底视回波的高速采样数据进行处理，完成高度测量、跟踪、二维成像预处理，实现对采样数据的降速率后下传到地面***；地面***进行三维干涉成像处理，形成最终的地面海面高程信息和二维图像信息；

所述底视合成孔径测高组合采用宽带线性调频脉冲压缩体制和底视天线的收发共用探测，采用全去斜接收和合成孔径处理，通过多普勒波束锐化减小雷达照射足迹，并通过延时补偿、多视处理进一步提高数据利用率、降低海洋或陆地噪声对测高精度的影响，实现在底视情况下获取高精度的海面平均高度，有效波高、后向散射系数以及陆地高程信息，为了降低大气传输误差对测量的影响，采用Ka波段进行探测；

底视合成孔径测高组合和近底视双刈幅干涉成像组合共用频综、时序与线性调频源、信号处理机和通讯链路接口；同时两组合独立工作，采用不同的工作频段、天线照射方式、观测区域、回波信号接收方式、信号处理方法，功能上相互补充，实现宽刈幅高分辨的海面三维观测。

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