中国成像高度计

一、中国成像高度计（ChinaImagingAltimeter,CIALT）(一).CIALT的工作原理1.CIALT成像机理CIALT结合了偏离天底点技术与传统高度计的高度跟踪测量技术、SAR的合成孔径技术和干涉SAR的干涉测量技术于一体，它的成像原理和干涉SAR基本一样，但在功能上却可以实现传统高度计那样的厘米级的观测。在偏离天底点模式下工作的CIALT，采用合成孔径技术，在波束限制范围内得到高精度的距离向和方位向的分辨率，为三维成像奠定了基础。传统海洋高度计测高的原理是由传感器发射的电磁波与海面的微尺度波相互作用后，把带有海面信息的脉冲信号反射回来。在CIAIT上有两个天线接收海面反射回来的脉冲信息，由于这两个脉冲信息存在一定的时间延迟量，于是使观测点产生相位差，生成了相干的复图像对，根据传感器高度、脉冲波长、波速视向和天线间的距离等其它系统参数便可以精确地计算每个像元点的三维信息，从而得到三维图像。CIALT采用Ku波段电磁波，入射角在5。以内，当CIALT以成像模式工作时，相当于一部Ku波段、小入射角的SAR。根据海洋表面回波的基本散射理论可知，CIALT发射的电磁波与海面发生“准镜面散射”。在海洋观测时SAR的入射角为20。～70。，SAR发射的电磁波与海面发生Bragg散射或者二尺度散射，因此，SAR的成像机理对于CIAIT不再适用。但是，可以在SAR遥感机理和遥感模型的基础上建立Ku波段、小入射角的CIAIT遥感机理和遥感模型。1.CIALT特点CIALT结合了偏离天底点技术与传统高度计高度跟踪测量技术、SAR的合成孔径技术和干涉SAR的干涉测量技术于一体。偏离天底点技术是为了增大刈幅宽度，高度跟踪技术是为了兼容海陆信息的观测，合成孔径技术是为了增加方位向分辨率，干涉技术是为了测量像素点的高程值。CIALT在应用于海洋时采用轻微偏离天顶点的观测方式，通过传统高度计BROW模型的修正，在海面平均高度、有效波高测量方面获得与传统高度计相当的精度。而在海冰或陆地模式下，它偏离天顶点较大，从而获得更宽的刈幅。在两种模式下，它都通过采用双天线接收干涉处理技术，获得地面分辨单元的高程信息；而且每一个接收机采用合成孔径成像技术，以获得高的地面二维分辨率。具体内容为：偏离天顶点观测，一方面增加了刈幅宽度，同时可以获得距离向的高分辨率（垂直高度的测量转化为斜距的测量）。采用孔径合成技术来获得方位向的高分辨率。在海洋应用时，利用脉冲有限技术来获得平均海平面的高度、海面有效波高（只需要处理回波信号的前面部分），完成传统高度计的测量。此时高度跟踪是通过基BROWN回波的修正模型来实现。在波束限制的范围内，通过距离门技术来获得距离向的分辨率，通过孔径合成技术来获得方位向的分辨率。通过双天线相干技术，获得分辨率单元的高度值，从而达到三维成像的目的。在海冰和陆地应用时，采用偏离重心点算法（OCOG）来进行高度跟踪。OCOG算法是一种与回波模型无关的算法。它既可以获得较大范围内的平均高度值，还可以获得分辨单元的平均高度值。用OCOG算法获得的高度值与用相干技术获得的高度值进行比较，可以更可靠地获得第三维高度信息。2.CIALT与高度计和干涉SAR的区别从三维成像的原理上说，成像高度计与干涉SAR采用的技术是完全一样的，但是从功能角度来说，成像雷达高度计除了具备可以同时对海洋和陆地进行观测成像的能力外，关键在于在海洋应用时能够获得像传统高度计那样的能够达到厘米级的高度测量精度（通过特殊的信号处理来实现）。常规的星载高度计之所以不能成像主要由于两方面的限制：1）地面足迹太大即地面分辨率低；2）刈副不宽。因此高度计要成像必须设法克服这种限制。地面分辨率的提高有三个选择：第一，采用波束有限技术即增大天线口径；第二，采用脉冲有限、线性调频脉冲及脉冲压缩技术；第三，采用合成孔径信号处理技术。对于第一种途径，在目前的航天技术条件下是不可能的。因为它在方位向和距离向都需要巨大的尺寸才能满足要求。第二种选项只能在一定程度上改善地面分辨率，事实上现在的高度计基本上都采用了这些技术。应当指出的是，采用脉冲有限技术后导致了信号处理的难度比采用波束有限技术要高。只有第三种途径才是理想的选择。因为它大大降低了对天线口径的要求，但同时它也大大增加了信号处理的复杂性。3.CIALT与SWOT和CryoSAT-2的区别SWOT未对星下点进行合成孔径处理。而CryoSAT-2由于是星下点工作，因此在没有距离向分辨率。(二).CIALT的工作参数与系统构成1.CIALT的工作参数一般高度计测高精度2cm，成像高度计测高精度1cm。2.CIALT的系统组成新型三维成像雷达高度计将采用双抛物面天线，在方位向利用合成孔径技术、在距离向利用线性调频脉冲压缩技术来获得两个方向的地面分辨率。在第三维高度方向利用双天线获取相干信号并通过算法提取高程信息。该或像高度计的原理框图如图1所示。图1中，I部分是一个传统高度计的原理框图，包括接收机和信号处理系统。II部分包含常规高度计的接收机、数据记录以及方位向和距离向压缩处理。III部分是传统高度计的发射机部分并为两个通道的接收机提供参考信号和自动增益控制。IV部分为主接收通道方位信号处理部分。主要进行方位向的波束锐化处理，获得方位向较高的分辨率。V部分是相干信息的形成和处理单元并获取分辨率单元内的高度值。图1.成像高度计的系统组成3.CIALT采用的技术在技术上成像高度计采用了延时多谱勒补偿技术，沿航迹向的信号历史经过处理都对高度测量做出贡献，这样高度计利用了更多的辐射能量，而传统的雷达高度计主要利用了脉冲有限足迹内的能量进行高度测量。成像高度计的发射信号采用了大时带积的线性调频信号，该信号经过海面的后向散射后产生的回波信号通过天线进入接收机，这时成像高度计将发射信号复制了一份在接收机内与回波信号进行混频，即去斜处理，完成了时间—频率的转换，再经过下变频后进行A/D采集处理。SAR成像采集的A/D信号存储在存储器内，在沿航迹维进行FFT变换，然后进行距离延时校正。在每个多谱勒频率单元内，距离向数据进行逆FFT变换、滤波、多视处理后形成同一位置的多视数据，进而获取SAR高度计回波信号。通过对回波信号的跟踪处理得到高度测量信息。主要内容有：偏离天顶点观测，偏离的角度与轨道高度，高度测量精度，地面分辨率等因素有关。脉冲有限体制和波束有限体制相结合。在海洋观测时利用回波的前沿部分来测量海洋三要素（即脉冲有限体制），而在陆地观测时则采用波束有限体制。采用与回波模型无关的高度跟踪算法，例如偏离重心点算法（OCOG），达到海陆兼容。方位向采用聚焦或非聚焦孔径合成技术来提高方位向分辨率。采用干涉技术（通过双天线和双通道接收机来实现）来获得地面分辨单元内的高度值。由于成像雷达高度计具有精确的距离测量能力，因此非常有助于提高高程测量精度。4.CIALT的关键技术双天线相干信息提取方法研究，其中包括相干信息的形成和获取技术并进而获得高度信息。合成孔径技术在高度计数据处理中的应用及软硬件实现方法。包括几何校正、数据重排，匹配滤渡等。从电磁波与海面相互作用的机理出发，研究非垂直入射时海面回波的模型，今儿研究海洋高度数据处理技术，以达到常规高度计主要测量参数的精度。研究陆地表面的高程信息提取技术，这里将包括多种算法（例如上沿判定算法、峰值功率判定算法、门限电平判定算法、半能量值判定算法、矩形质心算法等）的比较研究。(三).CIALT的数据处理系统成像雷达高度计数据处理系统包括数据预处理子系统、高度跟踪子系统、二维成像子系统、三维成像子系统以及图像后处理子系统等5个子系统。其系统框图见图2所示。图2.CIALT数据处理系统1.数据处理子系统原始A/D采样数据的转换，对数据状态的判断，对数据直流分量的消除及滤波降噪处理，接收机I/Q通道的不平衡校正，以及惯性导航仪的数据接口，全球定位系统的接口。2.高度跟踪处理子系统从前级获得的平台信息，运用高度跟踪处理算法对数据进行高度的解算，精确获得天线相位中心到地面足迹中心点的距离。这给出后面三维成像的高度基准。高度跟踪算法采用先进的与回波模型无关的偏离重心点算法（OCoG算法），能够同时满足海洋和陆地应用的需要。高度跟踪的结果将为干涉相位解缠绕和生成DEM提供参考数据。3.二维成像处理子系统距离—多普勒算法是经典的合成孔径雷达成像算法。由于在机载实验中，地球曲率等的影响并不考虑，距离徙动这个因素基本可以忽略。这样，距离—多普勒算法的简洁明了的处理过程使得我们选择它进行二维成像。除了成像的基本算法，此部分子系统还包括运动补偿和多视处理。CIALT的二维成像方式采用正侧视、条带扫描方式，常用RD算法。4.三维成像子系统图像配准、干涉相位提取、去平地效应、相位解缠、地形校正。(1)图像配准：这是干涉信息提取的第一步，其目的是将两个通道获得的复图像中每一个象素点都配准到同一个地面点。通常要求配准的精度要优于象素级，从而保证能够获得高质量的干涉信息。由于采用了单轨双天线体制，图像的配准很容易实现。(2)生成干涉相位图：将经过配准的两幅图像按象素进行复共轭相乘，然后从所得复数中取出相位，即干涉相位。(3)对干涉相位图进行最大似然估计：在(2)中获得的相位不可避免存在相位噪声，极大地影响了真实相位差的精确恢复。采用最大似然估计方法对干涉相位进行处理可以降低相位噪声，但以牺牲空间分辨率为代价。(4)去除“平地效应”：在(3)获得的干涉相位中，同时包含了由于空间关系而引起的相位差和地面点高度引起的相位差这两种贡献。在去除了由于空间关系而引起的相位差的贡献(即“平地效应”)后，使得干涉相位差唯一的对应于地形的高度，同时还降低了相位梯度变化率，便于解相位缠绕恢复出真实的相位差。(5)相位解缠：由于三角函数关系的原因，我们获得的干涉相位只能是0～2弧度之间的主值，必须经过算法处理才能获得真实的相位差。采用基于FFT的DCT方法，对试验所得干涉相位进行相位解缠。(6)根据地面控制点进行相位差——高度转换：生成地形图。经过(5)得到的相位差仍然只是相对的相位差，需要依靠地面控制点来获得绝对相位差，从而最终获得正确的地形图。(四).可能产生的海洋应用1.海洋三维立体成像：测量原理和成像原理与InSAR基本相同。2.海洋大地水准面：CIAIT作为传统高度计的继承和发展，对海洋大地水准面观测时可以参考传统高度计的测量和数据处理的方法。同时，CIAIT结合SAR/InSAR技术和传统天底点照射的高度计技术，能够在很大的刈幅宽度内对目标同时进行空间采样和时间采样，且空间和时间采样间隔均比传统高度计的短,因此可以提高测高的精度。3.洋流和中尺度涡：CIALT观测研究中尺度涡主要是借鉴传统高度计的技术进行的。CIALT可以扩展高度计对中尺度涡观测的空间测度范围，且由于采样时间间隔的减小，可以得到长时间序列的中尺度涡数据。而CIALT对洋流的观测相对于传统高度计的优势体现在测高结果的精确度上。4.海面风场：结合高度计和SAR观测海表面风场的优势和已有的研究方法以及相对于传统高度计的宽刈幅探测,可以得到全球海表面风场的风速和风向以及时空分布。5.海浪：到目前为止，SAR仍然是唯一能够反演海浪的波长、波向和二维方向谱的星载传感器。而CIAIT将是继SAR之后的又一个能够得到这些参数的星载传感器。它不仅可以直接得到有效波高信息，还可以得到海浪的波长、波向、周期和二维方向谱。6.潮汐：CIALT对近岸观测时,根据散射特性区分海路信息,采样数据的增加、采样时间的减少以及对同一目标的干涉测量，都使观测近岸潮汐的数据更为精确，同时CIALT能够给出近岸潮汐时间序列的三维立体图像，更为直观地给出近岸潮汐的变化规律。7.海冰：8.海岸带：二、SWOT(SurfaceWaterOceanTopography)MissionSWOT是由NASA/JPL和CNES联合开发的，其主要任务是：1.以10km以及更高的空间分辨率刻画海洋的中尺度和次中尺度环流；2.提供