6.高度计

微波遥感概论6.雷达高度计中国科学院电子学研究所航天微波遥感系统部禹卫东1.绪论2.电磁波理论3.微波与物质相互作用4.微波天线基础5.微波辐射计6.雷达高度计7.微波散射计8.雷达基础9.合成孔径雷达课程安排雷达高度计•雷达高度计以飞行器的轨道为基准，测量与其垂直的地球表面的距离的遥感器。H雷达高度计雷达高度计属于主动（有源）遥感系统，向地面发射电磁脉冲，并接收地面反射的回波，通过测量发射信号和接收信号之间的时间延迟来测量距离。H=c·t/2–H：遥感器到地面的高度–c：光速–t：发射和接收之间的时间假设高度计距地面高度为H，地面反射的回波在t0时刻开始被接收到，但雷达发射的电磁波会持续一定时间，在一个很短的时间回波模型S=πr2=πcHΔtΔt=t-t0内，地面被照射的区域会扩展成为一个半径为r的圆，此圆区域内的反射回波都会被接收到。假设高度计发射电磁持续时间为tp，则最终地面被照射区域会扩展成一个圆环，内外半径分别为圆环面积为即此圆环内反射的回波都会被雷达接收到。回波模型S=πr22-πr12=πcHtp总结上面结果，可以发现：在电磁波照射地表初期，被照射区域逐渐增加，雷达高度计接收回波的功率逐渐增加；而在一段时间后，由于脉冲持续时间的影响，被照射区域停止增长，保持不变，雷达高度计接收到的回波功率不变了。回波功率实际由于天线方向图的影响，随着圆环区域的扩大，方向图存在衰减，因此回波功率也逐渐减小。实际回波功率在实际探测中，表面粗糙度会对回波造成影响。比如在海面上，由于波浪的存在，表面高度存在Δh的起伏，当回波首先碰到波浪顶端时，回波将更早被接收到；但同时回波达到最大值所需时间也增加了。粗糙表面的情况脉冲受限/波束受限假设天线波束宽度为Δθ，脉冲持续时间为tp，对应在t0+tp时刻对应的地面圆半径为rp。则当，高度计为脉冲受限的；当，高度计为波束受限的。•测高分辨率Δh=ctp/23~50ns，4.5cm~75cm•测高精度σh=ctp/2•高分辨率、高精度→窄脉冲，峰值功率问题脉冲压缩技术；测高分辨率与测高精度SNR•假设对流层是非色散的，则大气影响主要是群延迟，干燥大气带来约2.33米的误差，含水层带来约7.1米的误差。•电离层主要与电子密度和工作频率有关，X波段（10GHz)的误差约为0.12米。•可通过对大气和电离层的参数对测高结果进行校正。大气层和电离层的影响•测海面高度–测量脉冲往返时间确定卫星质心到星下点的距离，进而计算星下点的海面高度；•测有效波高和风速–通过分析返回脉冲的波形和强度，可以获取有效波高和海面风速的信息。雷达高度计海洋测量原理•基准面：参考椭球面，地球球体的近似模型•海面高度：Hssh(seasurfaceheight)•卫星高度：Hs，由卫星轨道精密测定可以得到•卫星距离海面的高度：Ha，由雷达高度计得到Hssh=Hs-Ha•大地水准面高度：Hg，根据全球基础数据库得到•海面地形高度：ΔH，由洋流、浪高等海面现象引起Hssh=Hg+ΔH一些高度量的定义高度计海洋测量示意图•高度计测高误差高度计测高误差•雷达高度计脉冲前沿首先到达卫星星下点的海洋，然后，以脉冲圆形波向外移动。•实际效果：圆点-圆形-环形•最大足印：在圆环继续扩张时，内圆半径是由脉冲后沿与与波谷交接来确定，外圆半径为脉冲中点和波峰交接位置来确定。观测足印（Footprint）•对于高度计而言，足印半径只取决于有效的脉冲持续时间，目前高度计脉冲一般都采用3.125nsec的时间长度。•海浪波高对足印半径和面积影响很大，波浪高度会增加足印半径和面积。–比如HY-2高度计，平静海面的足印直径为1.77km，而当波高增加到10m的时候足印直径达到8.37km，面积之比达到22倍。足印半径HY-2高度计海面足印半径和面积大小随波高变化•提高测量精度的→提高回波信噪比•回波信噪比=脉冲能量/噪声能量•脉冲能量=脉冲峰值功率·脉冲时间宽度•峰值功率提升困难，增加脉冲宽度，降低分辨率•采用脉冲压缩技术，发射宽带线性调频信号（LFM），回波采用匹配滤波实现脉冲压缩，压缩后获得和窄脉冲一样那个的效果。脉冲压缩技术•去斜（Dechirp）也是一种匹配脉冲压缩技术，将回波与一个参考线性调频信号进行混频，然后再进行Fourier变换，获得回波的压缩处理。去斜处理–雷达高度计回波强度随时间变化的情况。对于光滑海平面（即海面风浪和风速较小）时，回波波形的前沿非常陡。测海面风浪原理–对于粗糙海平面（即海面风浪和风速较大）时，回波波形的前沿变得平缓（斜率减少）。因此根据回波波形斜率的变化，可以探测海面风浪的变化。海面参数的反演理论上的回波波形及相应的反演参数有效波高（SWH）•波高（H）：相邻波峰与波谷之间的垂直距离。•部分大波的平均波高――将连续观测到的波高按大小排列起来，并就其中最高的一部分波高计算平均值。–例如：如果共观测1000个波，将这些波高按从大到小的顺序排列起来，取其中波高最大的10列波高计算平均波高，得到1/100大波平均波高，记为H1/100。同理，有H1/1000、H1/10、H1/3。•其中，H1/3称为有效波高，波浪预报图上的波高即为有效波高。海面有效波高对海面平均回波功率的影响有效波高（SWH）的测量•有效波高与风速直接相关，因此可用于风速的确定。对于一片经海风吹拂时间足够长的海面，可用下式来确定风速。H1/3≈0.02vw2•其中vw是海面上10米的风速，在此基础上确定的风速，准确度在2m/s内。海面风速的测量新型的雷达高度计•多谱勒雷达高度计（合成孔径雷达高度计）•干涉雷达高度计多谱勒雷达高度计由于传统雷达高度计采用脉冲有限方式进行高度测量，其空间分辨率一般在2km左右，并且质量和功耗较大。延时多普勒雷达高度计(DelayDopplerRadarAltimeter,DDA)是采用多普勒分辨技术或孔径合成技术进行高度测量的雷达高度计。与传统雷达高度计相比，DDA大大提升了沿航迹方向上的分辨率（从几公里提高到几百米），同时系统的测高精度也提高了，系统的发射功率降低10dB，降低了系统的体积和功耗。延时多谱勒雷达高度计传统高度计波束照射侧视图DDA波束照射侧视图干涉成像雷达高度计采用双天线配置，采用小角度偏离天顶点观测，并运用合成孔径、干涉测量等技术，从而使雷达高度计同时具备了传统雷达高度计和SAR的功能，不仅可用于海洋和海冰观测，还能用于陆地观测并具备三维成像能力。典型雷达高度计-SeaSat1978年美国发射的SEASAT卫星，装载的雷达高度计可以测量卫星和海面之间的距离，测量误差在10cm以内。测量距离约800km，准确度为800万分之一，这不能不说是一项了不起的成就。•Topex/Poseidon（T/P）是SeaSat的后继星，作为第一个专门设计用于海洋科学研究的卫星雷达高度计，发射早期由于数据处理算法的错误，众多研究结果得出的海面高度误差大于10cm，误差漂移约为~7mm/年，经过误差修正目前精度已经能达到厘米级，并且已经验证其性能优异，测高准确度能达到2~3cm，首次高精度地获取了全球海洋的季节周期和其他时间变异。•T/P数据广泛成功地运用在诸多领域，包括物理海洋、全球气候变化以及大地测量等领域，而在这些领域的研究越来越倚重卫星测高数据。典型雷达高度计-T/P卫星T/P卫星高度计资料得出的1992年10月~1993年9月大洋环流发布大西洋和印度洋T/P卫星高度计资料得出的1992年10月~1993年9月大洋环流发布太平洋T/P卫星高度计资料得出的1992年10月~1993年9月的有效波高T/P卫星高度计资料得出的1992年10月~1993年9月的海面风速分布•美国航宇局、法国国家空间研究中心、欧洲气象卫星组织及美国国家海洋和大气局4家机构的合作项目Jason海洋卫星。•Jason-1卫星（2001年发射）•Jason-2卫星（2008年发射）典型雷达高度计—Jason卫星Jason-1Satellite•海面高度SSH（SeaSurfaceHeight）•有效波高SWH(SignificantWaveHeight)•风速(WindSpeed)Jason-2卫星及WSOA高度计Jason-2观测的全球海表面高度值海洋二号卫星海洋二号卫星典型雷达高度计-海洋2号•我国的海洋动力环境卫星HY-2在2011年发射，携带雷达高度计、微波散射计、扫描辐射计和校正辐射计，其主要任务是监测海洋动力环境，获得包括海面风场、海面高度场、有效波高、海洋重力场、大洋环流和海表温度场等重要海况参数。•观测精度达到国际先进水平，测高精度达8.5厘米，有效波高精度0.5米，风速精度2米/秒。海洋二号卫星(HY-2)HY-2观测的全球海表面高度值HY-2与Jason-2在交叉点处SSH值差值HY-2和Jason-2观测海表面高度直线拟合图•2008年4月9日，日本宇宙航空研究开发机构、国立天文台、国土地理院等5家机构联合发布了最新月球地形图。此地形图是由日本国立天文台解析了绕月卫星“月亮女神”号上搭载的激光雷达高度计传回的数据后，由日本国土地理院制成的。典型雷达高度计—月亮女神“嫦娥一号”贡献的全月DEM地形图激光雷达高度计典型星载雷达高度计的测高精度及工作频率SWOT卫星•地表水和海表地形测绘任务（SurfaceWaterOceanTopographyMission，SWOT）。•其核心技术为Ka波段雷达干涉测量（Ka-bandRadarINterferometer，KaRIN），工作原理类似于航天雷达地形测绘任务（ShuttleRadarTopographyMission，SRTM）。后续在研雷达高度计轨道高度970km倾角78°/74°周期22天类型非太阳同步SWOT干涉测量系统指标单侧刈幅宽度60km总宽度140km星下数据间隙20km高度计频率35.6GHz基线长度10m方位向分辨率5m距离向分辨率10m~60mSWOT科学需求最小水体观测面积250m2最小河流宽度100m测高精度10cm(大于1km2)坡度精度1cm/km(大于10km)观测水体面积误差20%总体水域面积设计寿命3年数据收集范围轨道覆盖90%全球范围的数据定标阶段3天重复轨道条件下3个月谢谢！