基于1–10GHz空地链路信号的雨强监测方法可行性研究

空地链路上的微波信号受降雨影响, 会产生功率衰减和去极化效应. 基于这些物理特性, 本文提出利用1–10 GHz空地链路信号的降雨干扰项获取雨强的方法, 并开展了相关理论研究. 根据空地链路信号与雨滴复杂的相互作用, 研究了空地链路信号频率为1–10 GHz时, 雨强 (rain rate, R) 对衰减 (attenuation, A) 和交叉极化分辨率 (cross-polarization discrimination, XPD)的影响, 分别建立了A-R和XPD-R关系模型. 通过数值模拟, 分别分析了利用上述两个关系模型估测雨强的可行性, 并系统研究了不同频率、极化方式和仰角条件下的适用性. 研究结果表明, 对于水平极化或圆极化, 且频率较高的空地链路信号, 利用A-R关系反演强降雨具有理论上的可行性; 对于不同频率和极化方式的信号, XPD-R关系模型都可以用于反演雨强, 并且对于1–50 mm·h^-1范围内的雨强, XPD较为敏感; 不同仰角条件下, A-R和XPD-R 模型都适用. 在4–10 GHz时, 本文的XPD-R模型和国际电信联盟ITU-R中XPD预测模型的结果非常接近. 所得出的结论对于下一步开展相关的验证实验, 拓展卫星系统的气象应用, 实时估测降雨强度, 实现全球降雨观测具有重要的参考价值. 关键词： 空地链路信号 雨强 衰减特性 交叉极化分辨率(XPD)     

C波段机载合成孔径雷达海面风场反演新方法

针对基于散射计地球物理模型函数的机载合成孔径雷达(SAR)海面风场反演中存在的风向获取依赖于图像风条纹或数值预报、 散射计数据和浮标等背景场资料, 风向与SAR图像时空分辨率不匹配, 进而影响机载SAR海面风场反演精度等问题, 本文根据机载SAR对海探测特点, 研究一种适用于C波段机载SAR的海面风场反演新方法. 利用SAR图像距离向不同入射角的后向散射系数, 依据地球物理模型构造最小代价函数, 通过代价函数的求解直接从机载SAR数据同时反演出海面风速和风向. 利用论文提出的海面风场反演方法分别对仿真SAR数据和实测C波段机载SAR数据进行风向、 风速的反演误差分析及试验验证.研究结果表明, 该方法适用于机载SAR海面风场反演, 可不依赖背景风向直接反演出精度较高的风速和风向; 雷达后向散射系数误差是决定海面风速、风向反演精度的关键因素, 辐射定标精度越高则反演误差越小; 海面风速反演误差随着风速的提高而增大, 当海面风速大于18 m/s时, 风速反演误差显著增加, 而海面风向的反演误差与风速无明显关系. 关键词： 机载合成孔径雷达 海面风场 多入射角     

基于海面散射模型的全极化合成孔径雷达海洋环境探测关键技术参数设计仿真研究

技术参数设计研究是提升全极化SAR海洋环境探测能力的有效途径. 本文通过分析噪声等效后向散射系数和辐射分辨率与海洋环境探测的地球物理联系,提出一种全极化SAR关键技术参数设计方法. 采用全极化海面散射模型计算不同海洋环境条件下的雷达后向散射系数,据此确定全极化SAR对海探测的噪声等效后向散射系数,再将其作为合成孔径雷达方程输入参数,以辐射分辨率和信噪比的函数关系为约束条件,开展信噪比、辐射分辨率和系统功率孔径积等技术参数设计研究. 论文通过全极化海面散射模型的仿真计算,发现对海探测的噪声等效后向散射系数设计为-35.0 dB,可满足全极化SAR不同海洋环境条件的探测需求. 通过研究辐射分辨率与信噪比的函数关系,发现对海探测的最优信噪比为8.0 dB. C波段机载全极化SAR设计结果表明,由于兼顾了海洋环境探测需求,本文设计方法使得全极化SAR技术参数同时满足了海洋环境应用需求和系统设计要求. 关键词： 海面散射模型 全极化合成孔径雷达 海洋环境探测 技术参数设计     

机载C波段全极化SAR海面风矢量反演理论研究及实验验证

机载全极化SAR海面风矢量反演研究对于近海岸复杂气象条件下风矢量探测具有重要意义. 本文从极化散射理论出发,通过分析全极化SAR探测数据与海面风矢量的关系, 设计了全极化SAR海面风矢量反演方案.依据机载SAR高机动性和全极化两个探测特点, 针对VV极化探测数据,提出了基于最大似然估计的海面风矢量反演方法,并设计了飞行实验方案; 针对VH极化探测数据,提出了通过带约束最优拟合的VH极化海面散射模型反演风速, 再利用CMOD5地球物理模型函数计算风向的海面风矢量反演方法. 利用机载全极化SAR探测的台风'海葵'边缘数据,开展了海面风矢量反演实验研究. 研究结果表明,两种风矢量反演方法均可不借助辅助信息,反演复杂气象条件下的海面风矢量. 前者反演风向、风速的均方根误差分别为18.0°, 1.8 m/s, 后者反演风向、风速的均方根误差分别为9.3°, 1.2 m/s,后者的反演精度优于前者. 这是因为VH极化归一化雷达截面与风向和雷达入射角无关,仅与风速密切相关, 更适合复杂气象条件下的海面风矢量反演. 关键词： 机载全极化SAR 海面风矢量 理论研究 实验验证     

机载合成孔径雷达海面风场探测辐射定标精度要求研究

复杂的机载合成孔径雷达系统使得探测精度要求研究难以系统有效. 依据辐射定标精度在机载合成孔径雷达海面风场探测信息流程中的作用, 提出通过辐射定标精度要求整体考察系统探测精度要求的研究方法, 仿真研究了CMOD4地球物理模型函数的参数关系,系统地确定出不同入射角和风向条件下机载合成孔径雷达海面风场探测的辐射定标精度要求.研究结果表明, 辐射定标精度要求随着入射角的增加而降低,且随着风向变化呈周期性变化, 这一规律与CMOD4地球物理模型函数中由风速变化引起的后向散射截面变化值的变化规律一致. 依据这一规律,研究发现通过采用有源定标器定标、设计载机做侧风飞行以及选择大入射角的探测图像作为反演图像区这三种手段,能够提高风速反演精度.     

基于小波的多极化机载合成孔径雷达海面风向反演

为了实现从合成孔径雷达(SAR)图像本身提取高精度的海面风向信息, 提高SAR海面风场反演精度,研究了多极化机载SAR海面风向反演技术, 借助小波分析相对傅里叶分析和局部梯度更精细的时-频分析能力, 将二维连续小波变换与快速傅里叶变换(FFT)相结合,提出一种新的机载SAR海面风向反演方法. 为验证反演方法的有效性,通过海上同步飞行试验获取多极化机载SAR数据及同步调查船实测风向数据,用于反演试验的数据比对.采用本文提出的方法, 利用多种小波基对机载C波段SAR的同极化和交叉极化数据进行风向反演, 将反演结果与美国国家环境预报中心再分析资料以及调查船实测风向进行比对. 结果表明,本文提出的基于小波分析的海面风向反演方法适用于机载SAR探测数据, 反演精度优于二维FFT法和局部梯度方法;小波基的选择对反演结果影响较大, Mexican-Hat小波基是机载SAR海面风向反演的最优小波基, 且同极化与交叉极化机载SAR数据均可用于海面风向的反演.