星載微波散射計(jì)兩種體制的比較

郎姝燕,林文明

（1.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心,北京 100081；2.Institut de Ciències delMar(ICM-CSIC),Barcelona 08003,Spain）

星載微波散射計(jì)兩種體制的比較

郎姝燕1,林文明2

（1.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心,北京 100081；2.Institut de Ciències delMar(ICM-CSIC),Barcelona 08003,Spain）

星載微波散射計(jì)可以提供全球、全天候、高精度、高分辨率和短周期的海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。根據(jù)雷達(dá)天線足印的形狀，雷達(dá)散射計(jì)主要包括扇形波束體制與筆形波束體制兩種形式。概述了兩種體制微波散射計(jì)在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及后期數(shù)據(jù)處理算法中的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)兩種不同體制散射計(jì)的系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。分析結(jié)果表明：對(duì)于小型衛(wèi)星平臺(tái)，Ku波段的旋轉(zhuǎn)掃描扇形波束散射計(jì)比筆形波束圓錐掃描散射計(jì)具有更優(yōu)的風(fēng)場(chǎng)反演性能。

扇形波束；筆形波束；風(fēng)場(chǎng)反演；散射計(jì)

世界上第一個(gè)星載散射計(jì)S-193是美國(guó)天空實(shí)驗(yàn)室（Skylab）在1973年研制成功的，這一試驗(yàn)證明了應(yīng)用星載散射計(jì)測(cè)量海面風(fēng)場(chǎng)是可行的[1]。SeaSat-A衛(wèi)星是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的第一個(gè)海洋衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)，在這顆衛(wèi)星上搭載了微波散射計(jì)SASS（SeaSat-A Satellite Scatterometer），這一任務(wù)的成功第一次證明了微波散射計(jì)觀測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。散射計(jì)SASS有兩個(gè)斜視的扇形波束，分別位于它的左右兩側(cè)。SeaSat-A衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)，散射計(jì)SASS會(huì)對(duì)海面上的每個(gè)目標(biāo)單元觀測(cè)兩次。第一次是斜前視天線觀測(cè)，第二次是斜后視天線觀測(cè)，從而可獲得兩個(gè)不同觀測(cè)方位角的后向散射系數(shù)值。歐洲太空局（ESA）在1991年、1995年分別發(fā)射了ERS-1和ERS-2衛(wèi)星，這兩顆衛(wèi)星上搭載了C波段（5.3 GHz）的微波散射計(jì)。這種體制的散射計(jì)是垂直極化，并攜帶3副天線，分別是前束（與軌道方向成45°交角）、中束（與軌道方向成90°交角）、后束（與軌道方向成135°交角）。1996年9月，NASA在散射計(jì)SASS的基礎(chǔ)上研制了一種新型的Ku波段微波散射計(jì)NSCAT，并搭載在日本的ADEOS-I衛(wèi)星上。NSCAT是雙極化散射計(jì)，采用HH和VV兩種極化方式，并具有不同的方位角和入射角。NSCAT在左右、前后波束方向之間各增加了一個(gè)天線，這樣可以增加方位向上對(duì)海面目標(biāo)單元的觀測(cè)次數(shù)，有效去除風(fēng)向反演中的模糊解。1999年，SeaWinds散射計(jì)發(fā)射上天[1-3]，它工作在Ku波段（13.4 GHz），采用了筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描體制。SeaWinds散射計(jì)有兩個(gè)天線，內(nèi)波束與外波束，極化方式分別為HH，VV。2011年，海洋二號(hào)衛(wèi)星（HY-2A）發(fā)射上天，這是中國(guó)第一顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星，HY-2A上搭載了一個(gè)筆形波束散射計(jì)，也具有雙極化方式的內(nèi)外波束天線。

目前，根據(jù)微波散射計(jì)天線足印形狀的不同，可劃分為兩種形式，扇形波束體制與筆形波束體制。現(xiàn)已發(fā)射上天并取得風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的散射計(jì)主要是固定扇形波束散射計(jì)與筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計(jì)。兩種體制的散射計(jì)各有優(yōu)勢(shì)，如何既能獲取到高質(zhì)量的散射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)，又能快速重復(fù)地覆蓋全球海面，即要有大的觀測(cè)刈幅，以滿足短期預(yù)報(bào)，尤其是風(fēng)暴潮軌跡預(yù)報(bào)的需求，為新型散射計(jì)的設(shè)計(jì)提出了新的要求。面對(duì)新要求，已有的兩種體制既有優(yōu)勢(shì)，也存在不足。本文將對(duì)兩種體制的散射計(jì)從理論和仿真兩方面進(jìn)行比較。

1 測(cè)量理論對(duì)比

1.1 掃描方式

固定扇形波束散射計(jì)通過(guò)采用多個(gè)固定扇形波束來(lái)實(shí)現(xiàn)寬刈幅。同一目標(biāo)單元有較長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間，可獲得較多的獨(dú)立測(cè)量樣本，有利于提高微波散射計(jì)后向散射系數(shù)的測(cè)量精度。

筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計(jì)是通過(guò)筆形波束的掃描獲得無(wú)盲區(qū)的連續(xù)測(cè)繪帶，并實(shí)現(xiàn)掃描刈幅，能夠滿足快速覆蓋全球海面的需求。它的觀測(cè)方式如圖1所示。同一目標(biāo)單元的觀測(cè)時(shí)間較短，只能獲得較少的獨(dú)立測(cè)量樣本，影響微波散射計(jì)后向散射系數(shù)的測(cè)量精度。

圖1 筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計(jì)的觀測(cè)示意圖

固定扇形波束散射計(jì)的不足在于它的掃描刈幅存在盲區(qū)，覆蓋全球海面的速度較慢，針對(duì)這一缺點(diǎn)，ESA和荷蘭皇家氣象研究協(xié)會(huì)（KNMI）提出并設(shè)計(jì)了一種新型散射計(jì)，扇形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計(jì)（Rotating Fan-Beam Scatterometer,RFSCAT），它能夠?qū)ω追鶅?nèi)同一面元實(shí)現(xiàn)多次觀測(cè)，獲得豐富的后向散射系數(shù)觀測(cè)信息，統(tǒng)計(jì)平均后，提高測(cè)量精度，而且它的星下點(diǎn)無(wú)間隙、刈幅連續(xù)。觀測(cè)方式如圖2所示。

圖2 RFSCAT的觀測(cè)示意圖

1.2 天線

扇形波束散射計(jì)的天線增益較低，需要較大的發(fā)射功率才可以滿足信噪比需求。其中，由于固定扇形波束散射計(jì)[4]的波束范圍內(nèi)，各分辨單元的相對(duì)關(guān)系固定，因此，如果要滿足對(duì)同一目標(biāo)單元的多角度測(cè)量需求，只能采用多天線的形式。多天線設(shè)計(jì)則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及帶來(lái)多天線測(cè)量性能平衡等問(wèn)題，如圖3所示。

筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計(jì)的天線增益較高，所需發(fā)射功率也較小。但因?yàn)樵擉w制散射計(jì)的天線為旋轉(zhuǎn)掃描，因此導(dǎo)致分辨單元與天線之間的相互位置在不斷變化，也就是說(shuō)，分辨單元與天線之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系在不斷變化，會(huì)使信號(hào)多普勒頻率不斷變化，進(jìn)而需要不斷調(diào)整接收機(jī)的中心頻率。對(duì)多普勒頻率不斷變化進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和補(bǔ)償是筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計(jì)重要的系統(tǒng)特征和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

圖3 多天線固定扇形波束散射計(jì)

1.3 入射角

扇形波束散射計(jì)的同一波束范圍內(nèi)，不同分辨單元的入射角都不同，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)處理帶來(lái)一定困難[5-6]。

筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計(jì)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)同一分辨單元進(jìn)行前后視觀測(cè)，能夠得到多個(gè)觀測(cè)方位角上的測(cè)量數(shù)據(jù)[5,7-8]，另外，不同分辨單元的入射角都相同，因此，有助于數(shù)據(jù)處理。

1.4 空間分辨率

扇形波束散射計(jì)的天線波束在兩個(gè)正交方向上有較大的區(qū)別，方位向波束窄，可實(shí)現(xiàn)很高的真實(shí)孔徑分辨率；距離向波束寬，可實(shí)現(xiàn)寬刈幅覆蓋，滿足時(shí)間分辨率的要求。在距離向可利用距離門(mén)或多普勒分辨細(xì)分分辨單元，滿足空間分辨率的需求。

筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計(jì)是真實(shí)孔徑雷達(dá)，它的空間分辨率由天線口面尺寸決定。空間分辨單元的位置決定于天線指向，數(shù)據(jù)處理較容易，可直接獲取按照空間分辨單元區(qū)分的回波數(shù)據(jù)。

1.5 實(shí)際應(yīng)用

扇形波束散射計(jì)的典型應(yīng)用是ERS1/2遙感衛(wèi)星的AMI，采用了距離門(mén)分辨；SeaSat衛(wèi)星的SASS和NSCAT散射計(jì)，采用了多普勒頻率分辨。

筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計(jì)的典型應(yīng)用是Skylab-194散射計(jì)、SeaWinds，神州四號(hào)多模態(tài)微波遙感器的散射計(jì)，以及HY-2A微波散射計(jì)。

2 仿真結(jié)果比較

本文選取了平行風(fēng)場(chǎng)與圓形臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)作為測(cè)試風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)速為4～24m/s，風(fēng)向?yàn)?～360°掃描。風(fēng)場(chǎng)反演采用了經(jīng)典的圓中數(shù)濾波法去除模糊解。比較的參數(shù)包括：風(fēng)速偏差、風(fēng)速均方根誤差、風(fēng)向偏差、風(fēng)向均方根誤差。仿真選取了赤道附近刈幅寬度大小的方形區(qū)域[9]。

圖4 測(cè)試風(fēng)場(chǎng)

扇形波束散射計(jì)選擇Ku波段的旋轉(zhuǎn)掃描扇形波束散射計(jì)RFSCAT（Rotating Fanbeam SCATterometer），筆形波束散射計(jì)選擇Ku波段的SeaWinds微波散射計(jì)，儀器參數(shù)如表1所示。

表1 Ku-RFSCAT與SeaWinds的參數(shù)對(duì)比

表2～表3分別給出了在輸入為平行風(fēng)場(chǎng)和圓形風(fēng)場(chǎng)下，Ku-RFSCAT與SeaWinds散射計(jì)反演后不同風(fēng)速參數(shù)的對(duì)比。表中各參數(shù)已對(duì)風(fēng)向進(jìn)行了平均。Ku-RFSCAT風(fēng)向掃描的步長(zhǎng)取10°，Sea－Winds風(fēng)向掃描的步長(zhǎng)取15°。由于刈幅遠(yuǎn)端的風(fēng)場(chǎng)反演質(zhì)量一般較差，因此分區(qū)域做比較。表中深色行表示Ku-RFSCAT刈幅600 km內(nèi)，風(fēng)速小于10m/s；刈幅800 km內(nèi)，風(fēng)速大于等于10 m/s；以及SeaWinds刈幅1 500 km內(nèi)的參數(shù)。淺色行表示Ku-RFSCAT與SeaWinds散射計(jì)刈幅遠(yuǎn)端的參數(shù)。

觀察表2～表3，可得到如下結(jié)論：

（1）風(fēng)速低于10m/s時(shí)，Ku-RFSCAT刈幅600 km內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)反演質(zhì)量與SeaWinds刈幅1 500 km內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)反演質(zhì)量基本一致，刈幅遠(yuǎn)端Ku-RFSCAT的風(fēng)場(chǎng)反演質(zhì)量劣于SeaWinds；

（2）風(fēng)速大于等于10 m/s時(shí)，Ku-RFSCAT刈幅800 km內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)反演質(zhì)量?jī)?yōu)于SeaWinds刈幅1 500 km內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)反演質(zhì)量，尤其是風(fēng)向的反演，但刈幅遠(yuǎn)端的風(fēng)場(chǎng)反演質(zhì)量仍劣于SeaWinds；

（3）風(fēng)速大于12 m/s（平行風(fēng)場(chǎng)）或14 m/s（圓形風(fēng)場(chǎng)）時(shí)，Ku-RFSCAT刈幅遠(yuǎn)端的風(fēng)向反演質(zhì)量?jī)?yōu)于SeaWinds，風(fēng)速的反演質(zhì)量仍劣于SeaWinds；

（4）風(fēng)速大于16 m/s時(shí)，Ku-RFSCAT整個(gè)刈幅內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)反演質(zhì)量都要優(yōu)于SeaWinds。

3 結(jié)論

本文從測(cè)量原理及風(fēng)場(chǎng)反演性能仿真兩個(gè)方面對(duì)扇形波束與筆形波束兩種不同體制的散射計(jì)進(jìn)行了比較。經(jīng)比較，兩種體制在儀器結(jié)構(gòu)、風(fēng)場(chǎng)測(cè)量等方面各具優(yōu)勢(shì)。筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計(jì)采用天線圓錐掃描以實(shí)現(xiàn)多方位角觀測(cè)，刈幅范圍內(nèi)分辨單元最多有2或4個(gè)觀測(cè)方位角，不利于風(fēng)向的反演；但它的天線增益較高，因而具有較高的信噪比，所以對(duì)低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)的反演效果較好；筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計(jì)的天線體積較大、重量較重，所以對(duì)天線伺服機(jī)構(gòu)的要求較高。扇形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計(jì)作為一種新型體制的散射計(jì)，能夠?qū)ω追鶅?nèi)同一面元進(jìn)行多次觀測(cè)，獲得豐富的后向散射系數(shù)值，統(tǒng)計(jì)平均后，能提高風(fēng)場(chǎng)測(cè)量精度，并且它的星下點(diǎn)無(wú)間隙、刈幅連續(xù)。相對(duì)于筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計(jì)，它的天線尺寸較小，重量較輕，更適用于小衛(wèi)星平臺(tái)。

表2 平行風(fēng)場(chǎng)下Ku-RFSCAT與SeaWinds反演風(fēng)場(chǎng)比較

表3 圓形風(fēng)場(chǎng)下Ku-RFSCAT與SeaWinds反演風(fēng)場(chǎng)比較

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Comparison of the Fan-Beam and Pencil-Beam Scatterometers for Satellite Remote Sensing Systems

LANG Shu-yan1,LINWen-ming2
1.National Satellite Ocean Application Service,Beijing 100081,China; 2.Institut de Ciències de Mar(ICM-CSIC),Barcelona 08003,Spain

Space-bornemicrowave scatterometer can provide sea surface wind field data with global,all-weather, high-accuracy,high-resolution and short cycle features.According to the shape of footprint,radar scatterometers have two types:fan-beam and pencil-beam.This paper summarizes the advantages and disadvantages of these two types of scatterometers in terms of structural design and late time data processing.The simulated data from these two types of scatterometer systems are compared,and it is found that for small satellite platform,the Kuband fan-beam scatterometer has better performance in wind retrieval than that of pencil-beam scatterometer.

fan-beam;pencil-beam;wind field retrieval;scatterometer

TP732.1

A

1003-2029（2017）01-0019-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.004

2016-08-15

中國(guó)科學(xué)院微波遙感熱技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金——海洋二號(hào)衛(wèi)星散射計(jì)輻射計(jì)聯(lián)合反演海面風(fēng)場(chǎng)和陸地土壤濕度方法研究。

郎姝燕（1983-），女，助理研究員，工學(xué)碩士，研究方向海洋遙感。E-mail：langshuyan@mail.nsoas.org.cn