合成孔徑雷達高度計與傳統高度計精度比對分析與機載試驗驗證

劉 鵬 許 可 王 磊 史靈衛 于秀芬

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合成孔徑雷達高度計與傳統高度計精度比對分析與機載試驗驗證

劉 鵬①②③許 可*①②王 磊①②史靈衛①②于秀芬①②

①(中國科學院微波遙感技術重點實驗室 北京 100190)②(中國科學院國家空間科學中心 北京 100190)③(中國科學院大學 北京 100049)

合成孔徑雷達高度計是目前測高精度最高的新一代衛星海洋雷達高度計，它將孔徑合成的思想引入到傳統高度計中來，測高精度比傳統高度計提高了1倍。該文在對合成孔徑雷達高度計與傳統雷達高度計的測量精度進行比對研究的基礎上，提出了機載試驗數據比對處理方法，首次通過機載試驗的方法驗證了合成孔徑高度計比傳統高度計測量精度提高約1倍的結論。

合成孔徑雷達高度計；精度比對；航空校飛

1 引言

雷達高度計是觀測海洋的重要儀器，它能獲得高精度的海面高度、有效波高和后向散射系數。它于上世紀60年代被首次提出[1,2]，在這幾十年里得到了飛速的發展，其測高精度從米級逐漸提高到了厘米量級。在國際上，美國和歐洲先后發射了Seasat-A, Geosat, Topex/Posiden, ERS-1/2, Envista, Geosat, Jason-1/2/3等系列測高衛星；我國也于2011年發射了HY-2A海洋動力環境衛星，其主載荷之一雙頻雷達高度計的測量精度約為2~4 cm[6]。

上述星載雷達高度計都工作于傳統的脈沖有限體制，受工作體制所限，其測量精度已很難再進一步提高；同時其觀測的空間分辨率較低，在海岸線、近海、海冰等區域的應用有一定的局限，因此國內外的學者又提出了合成孔徑雷達高度計的概念并對其進行了深入的研究[7,8]。與傳統雷達高度計相比，合成孔徑雷達高度計能獲得更高的順軌向分辨率和更多的有效觀測視數，進而提高海面高度的測量精度[9,10]。于2010年發射的Cryosat-2衛星上的雷達高度計系統是第1臺具有合成孔徑試驗模式的星載雷達高度計，其測量精度及分辨率明顯優于傳統模式；歐空局研制的Sentinel-3A衛星已于2016年2月16日發射，它的主載荷是一臺真正意義上的合成孔徑雷達高度計，并設計有兩種工作模式：低分辨率的傳統模式和高分辨率的SAR模式[14]。我國也在積極研究合成孔徑雷達高度計技術[15]。

本文對星載合成孔徑高度計與傳統高度計的測量原理、測量精度進行了詳細的比對分析和仿真，理論分析和仿真結果表明，合成孔徑雷達高度計的儀器測量精度比傳統雷達高度計提高大約1倍。在合成孔徑雷達高度計機載試驗數據的處理中，本文提出了機載試驗數據比對處理方法，首次通過機載試驗的方法驗證了合成孔徑高度計比傳統高度計測量精度提高約1倍的結論，與理論分析一致，同時也驗證了合成孔徑高度計的數據處理算法。

2 測量機理及系統參數

雷達高度計測高的基本思想是：高度計向天底點海面發射大時帶積線性調頻信號，然后接收海面的回波信號，通過對回波的跟蹤處理，從回波波形以及回波脈沖的精確定時中提取發射和接收信號的時間間隔，測量衛星到海面的高度值[16]。

如圖1(a)，圖1(b)所示，傳統高度計工作在脈沖有限方式：高度計向海面發射一個窄脈沖，這個窄脈沖的海面后向散射回波被高度計接收，經過平均處理后得到一個均值為如圖1(c)所示的回波波形，布朗指出該回波可以用3項卷積模型表示[16]。高度計通過測量發射脈沖到回波波形上升沿半功率點的時間延遲獲得測量高度。該測量高度精度與參與平均的獨立樣本數有關，獨立樣本數越多測量精度越高。但是，單位時間內能夠獲得的獨立脈沖數是有限的，因此傳統高度計的測量精度存在一個理論的上限值[17]。

圖1傳統高度計與合成孔徑高度計測量機理比較示意圖

如圖1(d)，圖1(e)所示，合成孔徑高度計工作在脈沖多普勒有限方式：高度計向海面發射一系列脈沖簇，脈沖簇回波經過順軌向合成孔徑處理和延遲校正[8,18]后，獲得均值為如圖1(f)所示的平均回波波形，該回波可以采用新的3項卷積模型表示[19,20]。合成孔徑高度計同樣通過測量發射脈沖到回波波形上升沿半功率點的時間延遲獲得測量高度，其先進之處在于：傳統雷達高度計只利用了脈沖有限足跡內的回波能量，除此之外的波束內的能量都浪費掉了；合成孔徑雷達高度計在順軌向引入了合成孔徑處理，通過延遲補償技術利用了天線波束內的全部能量，提高了有效觀測次數，進而提高了測量精度。

雷達高度計測量得到的衛星到海面的高度h，還要經過精密定軌、大氣、潮汐和地球物理參數的校正后才能得到海面高(Sea Surface Height, SSH)，校正過程如(1)式所示[21]。

(),h,h,h,h,SSB,SET,GOT,PT以及IB分別為：精密定軌高度、衛星到海面的高度(高度計直接測量結果)、干對流層校正、濕對流層校正、電離層校正、海況偏差校正、固體潮校正、彈性海洋潮校正、極潮校正以及逆氣壓校正。此時，SSH()即為海面高，其物理意義為海洋表面到大地橢球面之間的高度，它是海洋動力環境測量的重要要素。

本文所研究的是高度計儀器測量精度，即h的精度及機載試驗驗證結果。其中雙頻星載雷達高度計(Ku波段和C波段)主要系統參數如表1所示。

系統參數合成孔徑雷達高度計傳統雷達高度計 軌道高度(km)800800 工作頻率(GHz)13.58(Ku)/5.41(C)13.58(Ku)/5.41(C) 發射脈沖峰值功率(W)10(Ku)/20(C)10(Ku)/20(C) 脈沖寬度()51.2102.4 線性調頻信號帶寬(kHz)320320 脈沖重復頻率(MHz)182 脈沖簇重復周期(ms)11.7- 簇內脈沖數目64- 天線波束寬度1.3(Ku)/3.2(C)1.3(Ku)/3.2(C)

3 高度計儀器精度比對分析

高度計的儀器誤差可分為固定偏差和隨機誤差，其中固定偏差可以修正，隨機誤差決定高度計儀器的測量精度。在分析高度計儀器精度的時候，只進行隨機誤差的分析。

高度計的隨機誤差分配到儀器的相關部件當中，由于這些誤差相互獨立，總的均方根誤差滿足：

表2傳統高度計誤差分配表(4 m有效波高，1s平均)

由表2可知，雷達高度計儀器精度主要由跟蹤誤差決定。對于傳統高度計和合成孔徑高度計而言，表2中的前4項誤差源的大小基本一致，主要區別在于跟蹤誤差不同。所以在對兩種體制高度計進行精度比對分析的時候，主要進行跟蹤誤差的精度比對分析。

3.1跟蹤精度對比分析

分析合成孔徑高度計與傳統高度計的跟蹤精度，著重于對回波模型和重跟蹤算法精度的分析。

3.1.1回波的模型分析 根據文獻[16]的研究，傳統雷達高度計得到的海面回波模型可以表示為3項函數的卷積：

合成孔徑雷達高度計對接收到的回波信號進行多譜勒延遲校正處理后[20]，每個多譜勒條帶對應回波仍然滿足3項卷積的形式如式(4)：

經過多視平均處理后總的回波信號形式如式(5)：

3.1.2回波重跟蹤處理精度比對 雷達高度計最常用的重跟蹤算法是加權最小二乘算法，根據基本原理，估計量的標準差為[21]：

式中未知量xj代表待估的雷達高度、有效波高或者后向散射系數，是協方差矩陣的元素，其中是高度計回波模型的偏導數矩陣，為加權矩陣。將雷達高度計的回波模型，以及回波噪聲特性代入式(6)，即可計算得到單個回波波形重跟蹤精度。

高度計重跟蹤處理后，還要通過平均處理來進一步提高測量精度，一般采用1 s平均。根據式(6)，1 s平均的測量精度為

式中，a代表1 s內回波波形的獨立樣本數。設傳統雷達高度計的脈沖重復頻率為PRF，則其1 s內的獨立樣本數為

合成孔徑雷達高度計1 s內的獨立樣本數為

根據上述方法，結合式(2)，計算出的傳統高度計和合成孔徑高度計儀器精度比對如表3所示。從表中可以看出，合成孔徑高度計測高精度比傳統高度計精度提高了約1倍。

表3傳統高度計和合成孔徑高度計理論測高精度對比(星載平臺下)

3.2仿真驗證

為了驗證上述精度分析結果，本文對測量精度進行了計算機仿真。仿真包含3個方面的內容：第一是觀測場景仿真，第二是軌道參數仿真，第三是高度計數據處理仿真。根據參考文獻[22]的方法，采用海浪譜反演的方法進行了觀測場景的仿真，其中風速20 m，涌浪波長600 m，涌浪波高2 m，有效波高4 m，海面網格分辨率1 m1 m；軌道和高度計儀器的仿真采用了表1中所列參數。

仿真得到的海面場景如圖2(a)所示。以仿真得到的海面作為觀測目標，模擬雷達高度計信號的收發過程，并分別根據傳統雷達高度計和合成孔徑雷達高度計的數據處理方法進行處理，最后得到仿真測量精度。圖2 (b)是仿真獲得的合成孔徑高度計距離多普勒域延遲校正以后的回波；圖3 (a)、圖3 (b)分別是傳統雷達高度計的平均回波和合成孔徑高度計多視處理后的回波及重跟蹤結果。

圖2 仿真過程數據

圖3 高度計系統仿真回波波形及重跟蹤擬合結果

表4是2 m和4 m有效波高下傳統高度計和合成孔徑高度計的測高精度仿真計算結果，與表3比較可知仿真結果與理論分析是基本一致的。

表4傳統高度計和合成孔徑高度計仿真計算測高精度對比(1s)

4 機載試驗驗證

在機載飛行試驗中，由于飛機平臺抖動很大，無法對高度計儀器直接測量結果進行精度比對。在本文中提出了通過對機載飛行試驗中獲得的SSH值進行精度比對，從而間接驗證儀器測量精度的方法。

從式(1)可以看出，在SSH測量過程中除了高度計儀器自身誤差外，還包含了其他多種誤差項。在機載飛行試驗中，由于飛行區域相對較小且飛行高度較低，在飛行試驗區域中的干對流層校正、濕對流層校正、電離層校正、海況偏差校正、固體潮校正、彈性海洋潮校正、極潮校正以及逆氣壓校正都可以視為常數，所以機載模式下的SSH精度可直接表述為

4.1 機載試驗儀器參數與SSH值理論測量精度估計

因機載試驗的飛行高度較低，只有3600 m左右，因此機載試驗的雷達高度計系統參數需要在星載參數的基礎上進行調整。綜合考慮機載平臺高度、觀測區域、多普勒頻率等因素，機載設備相對于星載設備調整的主要參數見表5。

表5機載雷達高度計系統適應性調整主要參數

在機載試驗中，儀器設備按表所示的合成孔徑高度計參數工作，其脈沖重復頻率為5 kHz。而傳統高度計的有效PRF較低，在機載情況下約為500 Hz，因此可以在地面將合成孔徑高度計的原始數據以1:10的比例抽取處理，進而獲得傳統高度計的回波數據。這樣就獲得了傳統高度計和合成孔徑高度計同一時刻對同一場景的觀測數據。

根據第3節所述的精度計算方法，計算出了機載設備儀器的理論精度(對應式(14)中的)如表6所示：

表6 傳統模式和合成孔徑模式機載條件下儀器理論測高精度對比

在機載試驗中，飛機上搭載了差分GPS來測量飛行高度(對應式(10)中的)，經過事后處理，其測量精度約為2~4 cm。根據公式(10)和表的結果，可獲得機載試驗中SSH的理論精度以及兩種模式的精度比值，如表6所示。在機載數據處理中，如果獲得的SSH的精度在表7所列的范圍之內且兩種模式精度之比在1.12~1.38之間，即可間接驗證合成孔徑高度計儀器的精度相比傳統高度計提高了1倍左右。

表7傳統模式和合成孔徑模式機載條件下的SSH值理論精度比對

4.2 試驗數據處理及結果

機載試驗數據的處理分別按照傳統模式和合成孔徑模式的數據處理方法進行，在此不做詳細介紹，只給出處理結果。圖4(a)是傳統模式平均回波的重跟蹤結果，圖4 (b)是合成孔徑模式的多視回波的重跟蹤結果。

圖4合成孔徑模式與傳統模式回波的重跟蹤結果

圖5所示一組傳統模式(SSH-CRA)、合成孔徑模式(SSH-SARA)的SSH值連續測量結果，并與海洋模型計算得到的SSH值(SSH-Model)進行了對比。通過與模型的相關度分析表明，合成孔徑模式的測量結果與模型的復合度更好。

圖5 合成孔徑模式(SSH-SARA)、傳統模式(SSH-CRA)獲得的SSH值與模型(SSH-Model) 比對

表8給出了幾次飛行試驗中傳統模式與合成孔徑模式測量獲得的SSH值統計精度以及兩者比值。與表7的理論估計結果比較可知，試驗數據處理結果在理論估計范圍之內，兩者之比也符合理論預計，由此可以間接驗證合成孔徑雷達高度計的測量精度比傳統雷達高度計提高大約1倍。

表8飛行試驗海面高測量精度對比

5 結論

傳統雷達高度計工作于脈沖有限體制，受體制所限，其測量精度已很難進一步提高。合成孔徑雷達高度計是新一代的雷達高度計，它在傳統雷達高度計的基礎上，在順軌向增加了合成孔徑處理，從而提高了測量的分辨率和精度。

本文對合成孔徑雷達高度計與傳統雷達高度計的測量精度進行比對研究，并進行了計算機仿真。提出了機載試驗數據比對處理方法，首次通過機載試驗的方法驗證了合成孔徑高度計比傳統高度計測量精度提高約1倍的結論，也驗證了合成孔徑高度計的數據處理算法。

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WANG Lei. Study on the data processing for high precision satellite radar altimeter[D]. [Ph.D. dissertation], Graduate University of the Chinese Academy of Sciences (National Space Science Center), 2015.

Precision Comparison and Airborne Experiment Validation between SAR Altimeter and Conventional Altimeter

LIU Peng①②③XU Ke①②WANG Lei①②SHI Lingwei①②YU Xiufen①②

①(,,100190,)②(,,100190,)③(,100049,)

Synthetic Aperture Radar ALtimeter (SARAL) is a new generation radar altimeter and has the best height precision now. As using synthetic aperture technique, the height precision of SARAL is improved by one fold. Based on studying the height precision of Conventional Radar Altimeter (CRA) and SARAL, a novel comparison method is developed to process the airborne flight experiment data. And the precision comparison result shows that the height precision of SARAL is increased by one fold.

Synthetic Aperture Radar ALtimeter (SARAL); Precision comparison; Airborne flight experiment

TN953

A

1009-5896(2016)10-2495-07

10.11999/JEIT151354

2015-12-01；改回日期：2016-06-08；網絡出版：2016-07-19

許可 xuke@mirslab.cn

劉 鵬： 男，1983 年生，博士生，研究方向為雷達高度計系統技術、數字信號處理.

許 可： 男，1967 年生，博士，研究員，博士生導師，主要研究方向為星載雷達高度計系統技術、合成孔徑雷達高度計系統技術、信號處理技術、電路和軟件技術.

王 磊： 男，1986 年生，博士，研究方向為雷達高度計信號處理.

史靈衛： 男，1980 年生，博士，研究方向為雷達高度計數據處理.

于秀芬： 女，1980 年生，碩士，研究方向為數字信號處理.