CN115629364B - 一种面向动态海面的星载小角度sar海况偏差仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种面向动态海面的星载小角度SAR海况偏差仿真方法，属于海洋观测技术领域。本发明基于星载参数进行海面场景的构建完成动态海面的模拟；在回波计算中，根据回波采集的时间随时更新海面，以及各种调制作用的机理进行回波叠加，在计算过程中，由海面各点对应的斜距直接调整回波大小，达到了同时添加各种海面调制作用的目的；RD算法和SRC算法结合使用考虑了入射角大于3°时的斜视时距离向与方位向的低阶耦合，令二次距离压缩与距离压缩一齐完成使距离向聚焦质量得到改善，提高了成像精度和质量；组织SSB查找表，针对传统雷达高度计的SSB查找表进行补充。本发明提供了一种准确度较高且方便查找的海况偏差仿真方法。
Description
技术领域
本发明属于海洋观测技术领域，具体涉及一种面向动态海面的星载小角度SAR海况偏差仿真方法。
背景技术
海面的不间断流动以及人类难以长时间在海上生存导致海上观测数据难以获取，合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）自从1970年以来就被应用于海面测量，可以获取海表面高度（Sea Surface Height, SSH）、有效波高（Significant Wave Height，SWH）、后向散射系数等海面信息。近年来，干涉合成孔径雷达利用多幅相干SAR的结果得到主副影像相位差信息来测得海面信息，借助于其全天时、全天候、高空间分辨率、宽刈幅的观测模式以及获取数据时不受天气影响的优势，InSAR数据相较于传统高度计获取的数据可以获取海上数字高程模型、海面流场等海洋数据，将成为未来海洋数据的主要来源之一。
但由于星载SAR***建设周期时间长且人力物力费用昂贵，且实际测量的SSH等海面信息中同时缠绕包含各大误差项，难以准确分析由于单项误差影响而产生的海面测量结果差异，所以SAR成像海面仿真对于衡量星载SAR的各个误差项对于海面测量的影响、分析不同频段下的成像结果的区别以及增加海洋信息对比数据池有一定的必要性。干涉成像高度计（Interferometric Radar Altimeter，IRA)的观测刈幅可达上百公里，可基于小入射角对海面进行观测，凭借高采样率、高精度的特点，可获取更高时空分辨率下的海面数据，有利于对海面中尺度以及亚中尺度现象进行研究。但国内外成像高度计卫星稀少，所以相比于大范围的海洋高度计仿真数据，成像高度计仿真数据不可缺失。
随着可获取的海面信息量增加以及人类对海洋认知的深入，海表面高度测量过程中的轨道误差已经被成熟的精密定轨技术大幅减弱，而海况偏差（Sea-State Bias，SSB）成为了影响海表面高度的第一误差源。SSB的主要部分为电磁偏差，是由于波峰波谷的存在以及海面电磁散射效应而引入的一种高度偏差，波谷相较于波峰能够作为更好的雷达反射器，其单位面积内的后向散射功率大于波峰，因此雷达高度计测量的海平面要低于真实的海平面，对于雷达高度计海况偏差的校正主要依赖于经验模型，如：参数模型估计——利用未经海况偏差(SSB)校正的海面高度SSH进行线性回归确定SSB与风速(U)和有效波高(SWH)等变量的关系，以及非参数模型估计。对于传统雷达高度计，目前已经有学者构建了以SWH和风速U为查找范围，在不同海况条件下的SSB查找表，而成像高度计***下的SSB测量还有待进一步研究。
SSB的值受到海况条件的影响，现有的关于SAR成像的仿真***大多通过经验模型将误差项对应添加在仿真***中，与实际成像过程存在差异，各个误差项之间本身存在着一定的耦合，无法单一而论，如：由于卫星在获取回波信号时面对的是一个受到倾斜调制、速度聚束、动力学调制三种不同的调制作用产生持续不间断的运动海面，影像获取的数据是静态的、在数据获取时间段内同时受到各种调制作用后得到的综合结果，所以单一的对初始状态下的静态海面分项添加过程中的误差与实际获取回波成像情况是背离的；且在仿真过程中大多预设了海面场景的仿真分辨率以及场景大小，而实际星载***中，照射海面的场景大小以及成像分辨率应由入射角以及载荷预设信息获取。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向动态海面的星载小角度SAR海况偏差仿真方法，以弥补现有技术的不足。
传统的SAR仿真***基于大的入射角范围下进行仿真，因粗糙海面散射体在大的入射角下以布拉格散射为主，而在小于20°的入射角下，布拉格散射占比小，海面散射主要以镜面散射为主。本发明运用双尺度模型将海浪谱由一维拓展到二维，在小入射角的镜面散射条件下运用几何光学模型对于计算散射场更为有效，海面场景大小由星载的卫星的入射角大小以及卫星进行测量的时间段决定，从实际卫星获取遥感影像的方式来进行仿真。对于海面回波的处理，采用与海面场景对应的斜距距离、合成孔径的时间以及仿真得到的模拟海面高度来实时更新海面，从而动态的直接得到包含速度聚束调制、倾斜调制、流体力学调制的原始回波。
在卫星测高的过程中SSB已经成为不可忽视的误差之一，传统雷达高度计测得数据所创的查找表可以在有效波高SWH和风速U已知的情况下得到经验条件下的SSB值，用于海面其他信息的反演和模拟，但是对于成像高度计而言，遥感影像精度优于传统雷达高度计，宽幅高精度条件下建立SSB查找表用以估计某种、某点海面状态下的电磁误差对于提高海面信息反演精度和误差校正有较高的研究意义。
为实现上述技术目的，本发明采取的具体技术方案为：
一种面向动态海面的星载小角度SAR海况偏差仿真方法，包括以下步骤：
S1：建立仿真海面：设定卫星参数，计算海面场景的大小以及确定海面场景分辨率，建立场景网格，根据线性滤波法计算海浪谱，得到初始海面，即为t=0时刻的静态海面，且同时得到海面相位以及海面高度；
S2：所述静态t=0时刻的静态海面，通过更新时间变量，重新计算海面相位以及海面高度来实现动态海面仿真；
S3：根据海面信息更新散射场：
S4：计算得到仿真回波信息；
S5：基于距离多普勒（RD）算法以及二次距离压缩（SRC）算法对所述仿真回波信息进行处理，在2°到4°入射角情况下，分入射角情况运用RD算法与改进的SRC算法对小斜视角下的进行成像，得到主副天线回波成像图像；
S6：由于主副天线对照射目标点的距离不同而导致聚焦后的SLC1和SLC2信息有差异，利用相干系数法对成像图像进行配准，复共轭相乘得到干涉图；
S7：对所述干涉图进行去平地和去噪处理；
S8：实际的干涉处理中，由于经过了三角运算，所以只能得到干涉相位的主值(缠绕相位)，而无法得到真实的干涉相位，再采用Goldstein枝切法对其进行相位解缠；
S9：高程重建：利用解缠后的干涉相位图计算SSH，即得到海面高度起伏；
S10：重复S2到S9，得到相同海面状态下初始时刻静态的SSH，利用得到的两次海面高度SSH计算得到对应目标点的SSB；
S11：重复S2到S10，模拟相同卫星参数不同海面状态下SSB的值，得到多次实验数据，构建卫星多维数据库，完成动态海面仿真。
进一步的，所述S1中，所述卫星参数包括：卫星载频f 0、脉冲宽度Tr以及带宽B r、入射角θ、卫星平台高度alt、方位向天线长度D以及基线长度B、基线倾角α、采样率f s以及脉冲重复频率PRF、卫星运行速度v等；根据空间几何关系计算卫星主副天线的近地距和远地距，并以斜距上的采样率计算斜距采样个数，从而用入射角的波束宽度以及入射角大小得到海面距离向仿真场景分辨率，方位向采样间隔根据PRF计算，采点数目Ny自拟，计算海面方位向仿真场景分辨率
，Nx和Ny取正偶数，为了达到拟定分辨率统一乘以一个小于1的k值来增强场景的精细度，场景大小建立为/>
，/>
。
进一步的，所述S3具体为：所述海面信息为：根据得到的海面相位计算对应的海面距离向和方位向的均方斜率以及局部入射角，计算不同极化模式下、不同局地入射角下的菲涅尔反射系数，得到的菲涅尔系数、均方斜率、局地入射角以及相对风向，再基于几何光学模型计算并根据所述海面信息更新散射场。
进一步的，所述S4具体为：利用原始信号级仿真时域方法模拟主副天线接收回波的真实过程，采用叠加的方法计算目标反射回来的所有回波信号，利用计算出来的目标点位的最大合成孔径时间，目标点位与卫星距离以及回波时长对步骤2）、3中每次更新的海面进行散射场回波的叠加计算，对在接收时间内的回波进行记录，否则不记录；由于海面处于不断更新中，目标点位距离卫星的理论距离时刻在变化，所以因为海面运动而产生的速度聚束、叠掩、流体力学调制信息被一次性添加入仿真回波中。
进一步的，所述S5中，所述改进的SRC是在SRC的基础上作以下改进：
（1）进行距离向压缩，得到距离压缩后的频谱，经过傅里叶变换得到时域谱；
（2）***传递函数的方位频谱表示为两个分谱的卷积，只用求得驻定相位点代替sinc函数中的二次以上项和天线方向图中的相应变量；
（3）利用三阶逼进距离模型、傅里叶变换的性质等在方位向进行二次距离压缩，再进行频率域距离徙动校正。
进一步的，所述S8具体为：
S8-1：判定得到的相位图中残差点位置，定义固定大小的残差点判断窗口，顺时针计算窗口四周相邻相位的差值，当差值超过π区间时，对该值加减2π使其回归到正常单调区间内；
S8-2：计算残差点，当所述S8-1中四个差值相加不为0时记录为残差点，根据其与2π倍数的正负情况将其值设为±1；
S8-3：使用搜索窗口遍历残差点，窗口内残差点形成枝切线，在整幅图像内部进行枝切线建立，直到全图残差点均被连接；
S8-4：从非枝切线上的点开始向四周进行解缠，碰到枝切线上的点则更换路径，直至遍历全图，枝切线上的点周围若有已经解缠的点则对其进行解缠，否则标为异常点。
进一步的，所述S7具体为：利用已知的理想斜距和目标点入射角，计算理论的平地干涉相位φ flat，得到去平地之后的干涉相位φ h；由于干涉相位中存在各类噪声，需要对干涉图利用正余弦均值滤波法处理达到去除噪声的目的。
进一步的，所述S10中同时记录一次实验下SWH、涌浪波长、风速、涌浪方向等海面参数。
进一步的，所述S11的多维数据库目的是分析数据，适用于不同情形下海面SSB值的分析和组织，面临不同状态下的海面，由于海面运动所引起的SSB值可以在多维度筛选条件下通过多维数据库查找得到。
本发明的优点和有益效果如下：
本发明基于星载参数进行海面场景的构建完成动态海面的模拟，更加符合实际观测过程。在回波计算中，根据回波采集的时间随时更新海面，基于各种调制作用的机理进行回波叠加，并在计算过程中，由海面各点对应的斜距直接调整回波大小，避免了各种效应的分项叠加，达到了同时添加各种海面调制作用的目的。RD算法和SRC算法结合使用考虑了入射角大于3°时的斜视时距离向与方位向的低阶耦合，令二次距离压缩与距离压缩一齐完成使距离向聚焦质量得到改善，提高了成像精度和质量。针对传统雷达高度计的SSB查找表进行补充，在海况偏差校正领域提供多维的成像高度计SSB查找表，为海况偏差的进一步研究提供了新的思路。
本发明基于动态海面进行小角度InSAR干涉图的仿真，以弥补目前小角度条件下，全链路星载干涉成像仿真数据方面的不足以及对IRA观测***下SSB查找表的补充，提供了一种准确度较高且方便查找的海况偏差仿真方法。基于本发明能够开发成像高度计的成像仿真平台，为已有的和未发射的成像高度计卫星相关误差的校正提供参考意义，有一定的工程化意义。
附图说明
图1为本发明提出的面向动态海面的星载小角度SAR海况偏差仿真方法流程图。
图2为本发明实施例中进行的海面以及对应散射场的模拟实验结果。
图3为本发明实施例中定义的星载卫星采点轨迹。
图4为本发明实施例中静态海面的L1A级产品展示以及配准对比图。
图5为本发明实施例中面向动态海面的理想平地结果以及L1B产品展示。
图6为本发明实施例中静态海面的干涉结果图与面向动态海面的干涉结果图。
图7为本发明实施例中SSB结果进行按列取平均的结果分析图。
图8为本发明中提出的多维数据库组织结构图解。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进一步解释和说明。
实施例1:
一种面向动态海面的星载小角度SAR海况偏差仿真方法，如图1所示，包括以下步骤：
一种面向动态海面的星载小角度SAR海况偏差仿真方法，如图1所示，包括以下步骤：
该实例中，卫星载频 
、脉冲宽度以及带宽/>
、入射角/>
、卫星平台高度/>
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以及基线长度/>
、基线倾角/>
、采样率/>
以及脉冲重复频率
等。
（1）确定模拟卫星的相关参数，建立海面场景网格，场景大小建立为
，
。
由于合成孔径长度的存在，计算最大合成孔径长度D max、回波在方位向t a采集时间和距离向t r采集时间以及每个像素位置的对应采样点理论斜距y r、理论平地距离y h并设置一定的余量保证信息采集完全，图3为模拟卫星的主副天线的采点轨迹。
（2）粗糙海面动态仿真以及海面对应散射场生成。
将海面看作不同次谐波的叠加，运用PM谱方法生成风浪谱与涌浪谱，采用线性滤波法利用高斯随机数矩阵生成两组独立随机数组合为复随机数，经过快速傅里叶运算分别计算风浪谱与涌浪谱的展开系数并将其进行耦合，快速傅里叶逆变换得到粗糙海平面空间的高度起伏，得到静态海面经过的蒙特卡罗法(Monte Carlo)的风浪涌浪耦合系数、涌浪相位以及海面起伏。通过更新时间变量，重新计算涌浪相位以及海面高度来实现动态海面仿真。PM谱方法表示为：
其中，
、β是无量纲的经验常数，/>
定义为/>
，β定义为0.74，重力加速度
，ω为海浪空间频率，U 19.5为海面高度19.5m处的风速，在本次实例中，如图2(a)，风向角设置为45°，风速设置为10m/s，涌浪传播方向角设置为45°，涌浪波长设置为200m，有效波高设置为1m，生成了输入的海浪谱。
（3）三维成像高度计一般采用波长相对较短的Ku~Ka波段微波，Ku波段的电磁波在入射角不超过10º情况下，有：
根据步骤（1）中得到的回波时间信息对步骤（2）的海面进行更新，据（2）中得到的海面相位信息同步更新散射场，初始时刻的海面对应的散射场见图2(b)，表示为：
其中，φ为风向与方位向之间的夹角，mss x 和 mss y 分别表示海面各要素沿距离向和沿方位向的斜率，R代表菲涅尔系数。
（4）对主天线和副天线分别计算，得到主、副回波。
根据场景大小以及天线长度D计算最大合成孔径长度、方位向采样点时间以及采样点数，根据步骤（1）中得到的近地距和远地距以及最大合成孔径长度得到距离向采样时间以及采样点数，对方位向和距离向回波进行余量添加以保证信息接收完整。
各像素点回波强度表示为：
其中，A 0 表示任意复常量，本例中取1，τ为距离向快时间，η为方位向慢时间,R(η)表示瞬时斜距，ηc为波束中心偏移时间（正侧视为0），ω a 为方位向信号包络，Kr为调频率。
（5）在入射角大于3度时RD算法的成像质量就会被影响，运用改进的SRC算法对小斜视角下的进行成像，考虑到距离向与方位向的耦合关系，在处理时引用了三阶逼近距离模型得到多普勒调频率的压缩因子，同时完成距离向压缩和二次距离压缩，进而进行距离插值徙动校正（RCMC）和方位向处理。
距离匹配滤波器H r *为：
其中，B r为发射信号带宽、K为调频斜率、f τ 瞬时多普勒频率。
R(t,R0)多普勒参数表示的高阶逼近距离模型,λ发射电磁波的波长,t表示慢时域的时间，f DC表示由多普勒质心得到的多普勒参数，R0表示t=0时雷达至目标的距离，tc为
对应雷达至目标最近距离的时间，v表示平台飞行速度，c为光速，取/>
：
时域谱表示为：
f a为方位多普勒频率，***传递函数可表示：
（6）两天线得到的SLC数据存在一定的偏移，如图4(a)和4(b)分别为主副天线的回波信息经过RD算法计算得到的的SLC1和SLC2，然后需要用相干系数法对图像进行配准，计算匹配窗口M×M与搜索窗口N×N中主副影像的相干系数，求出最大相关系数确定配准偏移量，进行粗配准。
和/>
为两幅单视复图像的幅度，u和v为偏移量，最大相关系数R表示为：
在粗配准坐标基础上进行插值到0.01个像素，重复上述过程，进行精配准，使得主副天线配准达到更高的精度，对主副影像进行复共轭相乘得到干涉图，图4(c)为未配准主副影像的复共轭结果，可见明显粗糙噪点，图4(d)未配准后的主副影像的复共轭结果，条纹清晰，复共轭计算公式如下：
（7）计算理论的平地干涉相位如图5(a)所示，做差得到去平地之后的干涉相位如图5(b)所示，利用正余弦均值滤波法处理达到去除噪声的目的，并进行相位解缠。计算理论的平地干涉相位表示为：
去平地后的相位计算为：
其中，p为与雷达天线工作模式有关的常数，本例中为自发自收模式，p=2。
（8）计算SSH得到粗糙海面干涉结果，如图6中所示，图6(a)为静态海面条件下的干涉海面高度计算结果，图6(b)为短时间内更新海面得到的干涉海面结果。
（9）在同样的海面参数下（包含SWH、风速U、涌浪波长、涌浪方向等等），重复步骤（2）到步骤（8），得到静态的h s以及收集回波过程中不断更新海面的结果h e，利用得到的两次海面高度SSH计算得到对应目标点的SSB，同时记录一次实验下海面参数的具体数值。
SSB=h s-h e
将一次实验的结果按列取均值，得到沿着距离向分布的SSB的列平均值如图7所示。
（10）更换海面参数重复实验步骤（9），模拟相同卫星参数不同海面下SSB的值，得到多次实验数据，进行数据库构建。以立方体模式组织主要参数：x轴为有效波高、y轴为涌浪方向、z轴为涌浪波长，通过立方体存储查找表序列索引，进而导向最终的风浪二维查找表：x轴为风速，y轴为风向，进而在表中找到对应SSB值，如图8(a)所示。
如果还有更多的参数，数据量过大，需要增加维数，则可在原来的维度上增加一次三维查找，如图8(b)所示，通过一次查找得到的三维索引标号得到二阶三维空间的位置，进而在二阶的三维空间中进行查找得到二维查找表的索引，再根据索引查找具体的表格，得到最终的SSB值。
综上所述，本发明旨在为成像高度计海况偏差校正提出一种新的查找表式解决方法，结合实际星载成像模式，从脉冲采集时实际能覆盖的海面场景开始仿真，而后在已有静态理想海面场景下模拟动态场景的回波生成，在海面运动的期间采集回波，一次性添加速度聚束、叠掩、流体力学调制等效应从而得到含有SSB的海面信息，与理想静态海面进行对比、做差得到具体SSB数值并且采用多维数据库来进行查找和组织。
Claims (8)
1.一种面向动态海面的星载小角度SAR海况偏差仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立仿真海面：设定卫星参数，计算海面场景的大小以及确定海面场景分辨率，建立场景网格，根据线性滤波法计算海浪谱，得到初始海面，即为t＝0时刻的静态海面，且同时得到海面相位以及海面高度；
S2：所述静态t＝0时刻的静态海面，通过更新时间变量，重新计算海面相位以及海面高度来实现动态海面仿真；
S3：根据海面信息更新散射场：
S4：计算得到仿真回波信息；
S5：基于距离多普勒RD算法以及二次距离压缩SRC算法对所述仿真回波信息进行处理，在2°到4°入射角情况下，分入射角情况运用RD算法与改进的SRC算法对小斜视角下的进行成像，得到主副天线回波成像图像；
S6：由于主副天线对照射目标点的距离不同而导致聚焦后的SLC1和SLC2信息有差异，利用相干系数法对成像图像进行配准，复共轭相乘得到干涉图；
S7：对所述干涉图进行去平地和去噪处理；
S8：再采用Goldstein枝切法对其进行相位解缠；
S9：高程重建：利用解缠后的干涉相位图计算SSH，即得到海面高度起伏；
S10：重复S2到S9，得到相同海面状态下初始时刻静态的SSH，利用得到的两次海面高度SSH计算得到对应目标点的SSB；
S11：重复S2到S10，模拟相同卫星参数不同海面状态下SSB的值，得到多次实验数据，构建卫星多维数据库，完成动态海面仿真。
2.如权利要求1所述的星载小角度SAR海况偏差仿真方法，其特征在于，所述S1中，所述卫星参数包括：卫星载频f0、脉冲宽度Tr以及带宽Br、入射角θ、卫星平台高度alt、方位向天线长度D以及基线长度B、基线倾角α、采样率fs以及脉冲重复频率PRF、卫星运行速度v；根据空间几何关系计算卫星主副天线的近地距和远地距，并以斜距上的采样率计算斜距采样个数，从而用入射角的波束宽度以及入射角大小得到海面距离向仿真场景分辨率，方位向采样间隔根据PRF计算，采点数目Ny自拟，计算海面方位向仿真场景分辨率Δy＝k×v/PRF，Nx和Ny取正偶数，为了达到拟定分辨率统一乘以一个小于1的k值来增强场景的精细度，场景大小建立为(Δx×Nx)，(Δy×Ny)。
3.如权利要求1所述的星载小角度SAR海况偏差仿真方法，其特征在于，所述S3具体为：所述海面信息为：根据得到的海面相位计算对应的海面距离向和方位向的均方斜率以及局部入射角，计算不同极化模式下、不同局地入射角下的菲涅尔反射系数，得到的菲涅尔系数、均方斜率、局地入射角以及相对风向，再基于几何光学模型计算并根据所述海面信息更新散射场。
4.如权利要求1所述的星载小角度SAR海况偏差仿真方法，其特征在于，所述S4具体为：利用原始信号级仿真时域方法模拟主副天线接收回波的真实过程，采用叠加的方法计算目标反射回来的所有回波信号，利用计算出来的目标点位的最大合成孔径时间，目标点位与卫星距离以及回波时长对每次更新的海面进行散射场回波的叠加计算，对在接收时间内的回波进行记录，否则不记录；由于海面处于不断更新中，目标点位距离卫星的理论距离时刻在变化，所以因为海面运动而产生的速度聚束、叠掩、流体力学调制信息被一次性添加入仿真回波中。
5.如权利要求1所述的星载小角度SAR海况偏差仿真方法，其特征在于，所述S5中，所述改进的SRC是在SRC的基础上作以下改进：
(1)进行距离向压缩，得到距离压缩后的频谱，经过傅里叶变换得到时域谱；
(2)***传递函数的方位频谱表示为两个分谱的卷积，只用求得驻定相位点代替sinc函数中的二次以上项和天线方向图中的相应变量；
(3)利用三阶逼进距离模型、傅里叶变换的性质在方位向进行二次距离压缩，再进行频率域距离徙动校正。
6.如权利要求1所述的星载小角度SAR海况偏差仿真方法，其特征在于，所述S8具体为：S8-1：判定得到的相位图中残差点位置，定义固定大小的残差点判断窗口，顺时针计算窗口四周相邻相位的差值，当差值超过π区间时，对该值加减2π使其回归到正常单调区间内；
S8-2：计算残差点，当所述S8-1中四个差值相加不为0时记录为残差点，根据其与倍2π数的正负情况将其值设为±1；
S8-3：使用搜索窗口遍历残差点，窗口内残差点形成枝切线，在整幅图像内部进行枝切线建立，直到全图残差点均被连接；
S8-4：从非枝切线上的点开始向四周进行解缠，碰到枝切线上的点则更换路径，直至遍历全图，枝切线上的点周围若有已经解缠的点则对其进行解缠，否则标为异常点。
7.如权利要求1所述的星载小角度SAR海况偏差仿真方法，其特征在于，所述S7具体为：利用已知的理想斜距和目标点入射角，计算理论的平地干涉相位
得到去平地之后的干涉相位/>
由于干涉相位中存在各类噪声，需要对干涉图利用正余弦均值滤波法处理达到去除噪声的目的。
8.如权利要求1所述的星载小角度SAR海况偏差仿真方法，其特征在于，所述S10中同时记录一次实验下海面参数：SWH、涌浪波长、风速、涌浪方向。
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1262792A1 (en) * | 2001-05-31 | 2002-12-04 | Starlab Barcelona SL | System for monitoring a feature of a surface by reflected satellite navigation signals |
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|---|---|---|---|---|
| JP2000199790A (ja) * | 1999-01-06 | 2000-07-18 | Mitsubishi Electric Corp | 合成開口レ―ダ装置及び合成開口レ―ダの像再生方法 |
| US7486227B2 (en) * | 2005-08-23 | 2009-02-03 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | System and method for removal of sea-state bias in satellite altimetry data |
| CN103364766B (zh) * | 2012-04-01 | 2015-02-04 | 中国科学院电子学研究所 | 星载InSAR***的外定标方法 |
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| CN110988878B (zh) * | 2019-11-28 | 2023-04-07 | 中国海洋大学 | 一种基于rd算法的sar海浪成像仿真方法 |
| CN113126122B (zh) * | 2021-04-02 | 2023-03-28 | 青岛海洋科学与技术国家实验室发展中心 | 干涉成像高度计与激光雷达双星伴飞海洋观测方法及*** |
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| CN114047511B (zh) * | 2021-11-02 | 2022-04-12 | 中国海洋大学 | 一种基于csa算法的时变海面机载sar成像仿真方法 |
| CN114415181B (zh) * | 2022-03-31 | 2022-07-12 | 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州) | 一种合成孔径雷达的原始回波生成方法和装置 |
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|---|---|---|---|---|
| EP1262792A1 (en) * | 2001-05-31 | 2002-12-04 | Starlab Barcelona SL | System for monitoring a feature of a surface by reflected satellite navigation signals |
| CN114594477A (zh) * | 2022-03-18 | 2022-06-07 | 北京航空航天大学 | 基于回波域的星载sar海上目标信号检测方法和装置 |
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