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.     

合成孔径雷达反演海面风场变分模型分析

为考察合成孔径雷达反演海面风场变分模型精度,开展了误差分析试验.在背景场误差为极大值条件下分析场误差低于背景场误差,且随背景场风向增大呈周期性变化;在背景场误差逐渐变大条件下分析场误差逐渐增大,误差偏离方向与背景场误差偏离方向一致;在特定背景场条件下与直接反演模型相比,低风速时反演误差略高,中高风速时反演误差明显较低.总体来讲,变分模型误差小于背景场误差,风速反演误差小于1.60 m/s,风向误差小于17.15°.     

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.     

合成孔径雷达图像反演海面风向新方法的研究

提出了利用基于Tikhonov正则化的二维数值微分方法来反演合成孔径雷达图像海面风向的新方法. 首先将高分辨率合成孔径雷达图像去噪、降采样并分割成数个子图像,利用基于Tikhonov正则化的二维数值微分方法求解所关注子图像每一个点的梯度方向,在此基础上通过带有距离权重的目标函数确定子图像整体强度的梯度方向,该梯度的垂线方向就是所要求解的风向,然后进行模拟试验,在添加误差为10%的随机扰动情况下,分别基于Tikhonov正则化的二维数值微分方法与基于有限差分的Sobel算子方法来反演风向,结果表明,前者误差为0.7293°,后者误差为13.5069°,最后进行了实例试验,结果显示,Sobel算子方法的部分风向反演结果偏离整体风向明显,而基于Tikhonov正则化的二维数值微分方法的风向反演结果一致性较好. 将三个船舶报风向与相应位置合成孔径雷达图像的海面风向反演结果进行对比,Sobel算子方法的风向反演结果平均误差在9.0331°,而基于Tikhonov正则化的二维数值微分方法的风向反演结果平均误差仅为1.1148°. 关键词： 合成孔径雷达 海面风向 数值微分 Sobel算子     

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     

合成孔径雷达资料反演海面风场的正则化方法研究

针对基于散射计地球物理模型函数的合成孔径雷达资料反演海面风场中背景风向存在很大误差的问题,提出了利用正则化方法反演海面风场,并通过L曲线准则对正则化参数进行最优选择,然后对该方法进行仿真试验.试验结果显示,正则化方法反演海面风场的风速和风向的反演精度均优于变分同化方法,分析不同真实风向情况下的反演精度表明,真实风向在45°和135°附近时,风速反演的精度高,真实风向在0°和90°时,风向反演的精度高,这种现象与地球物理模型函数中后向散射截面相对于风向的导数相关. 关键词： 合成孔径雷达 正则化 L曲线准则 变分同化     

机载光纤多普勒测风激光雷达风场反演及实验验证

通过分析1 550 nm全光纤机载多普勒测风激光雷达系统的测量模式特征,给出飞机速度校正方法、机载系统风场反演模型和算法,实现了机载大气三维风场的反演和显示软件。利用机载激光雷达的飞行试验数据,结合实时测量的小球测风数据,进行了风场信息的反演和结果的对比印证,统计4个架次的风廓线测量结果,两者的水平风速标准偏差小于1.4 m/s,风向标准偏差小于10°,相关系数都达到0.95以上,从实验结果上验证了激光雷达的工作性能和数据反演算法的准确性。     

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     

扫描式测风激光雷达的风场反演

为了解决扫描式测风激光雷达斜上方空域三维风场分布探测的难题,提出采用多点规则采集、四波束分组结算、多区域融和的方式进行观测区域的风场反演。以速度可控的硬目标作为研究对象,通过比较合成后的风速大小与控制速度的差异验证了该反演方式的有效性。通过设计精度试验,对实际风场进行测量。对雷达测量结果与三维超声波风速风向仪测量数据进行对比,结果表明：采用该风场反演技术对距离400 m内的风场进行推算,风向精度优于5°,风速精度优于2 m/s,能够准确描绘探测区域的风场信息。     

合成孔径雷达光学处理器的检测方法

本文以一个通用合成孔径雷达光学处理器(简称OSARP)的检测为例,来说明OSARP的检测方法。给出OSARP的每个可调部件与合成孔径雷达(简称SAR)数据片的各特征参数间的关系,通过测量调整量求得OSARP的适用范围;用普通检测目标加位移透镜,来检测OSARP的成像质量。同时用模拟的SAR数据片,以另一种方法对OSARP做检测,结果相同。最后处理了真实SAR数据片,用来展示SAR和OSARP的综合成像质量。文中给出一些实验照片和数据,结果表明,本检测方法是可行的。     

Determination of ocean wave heights from synthetic aperture radar imagery

A calculation is presented for the cross-correlation of the radar images obtained by processing the same signal data over different portions of the chirp spectrum bandwidth as a function of the center frequency spacings for these portions. This is shown to be proportional to the square of the product of the characteristic function for ocean wave heights and the pupil function describing the chirp spectrum bandwidth used in the processing. Measurements of this function for ocean wave imagery over the coast of Alaska, the North Atlantic, and Monterey Bay, California, and correlation with the significant wave heights reported from ground truth data indicate that the synthetic aperture radar instrument can be used for providing wave height information in addition to the ocean wave imagery. This paper presents the results of one phase of research carried out at the Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, under Contract NAS 7-100, sponsored by the National Aeronautics and Space Administration     

基于高频雷达多普勒谱预测风向的一种新方法

通过高频雷达一阶多普勒谱与海上风向的关系, 提出了一种基于神经网络和多波束采样法相结合预测海面风向的新方法. 在神经网络不同输入、输出参数情况下对扩展因子为奇数时的仿真数据进行了风向预测, 并在扩展因子为偶数时结合多波束采样法进行风向预测, 消除了风向的模糊性. 通过预测数据和仿真数据对比, 发现两者符合较好. 从神经网络和多波束采样法相结合的预测结果中可以看出, 风向的误差大约为4°—6°, 风向扩展因子的平均误差为0.26, 为预测海面风场的研究提供一种新的思路和方法.     

二维海面上舰船目标电磁散射及合成孔径雷达成像技术研究

研究了二维海面上三维金属目标的电磁散射计算以及合成 孔径雷达(SAR)成像技术. 基于物理光学法、几何光学法和射线弹跳法计算了海 面与目标镜面反射及相互耦合作用; 并用等效电流法计算了目标的棱边绕射作用, 该方法考虑了阴影效应,同时为了消除人为截断引起的边缘衍射, 采用锥形入射波入射. 应用蒙特卡罗法生成的Pierson-Moskowitz谱粗糙面模拟实际海洋面, 计算海面上立方体及舰船的双站雷达散射截面, 通过与数值算法的结果相比较, 验证了该算法的正确性. 运用该解析法快速获取不同频率、 不同角度入射波照射下海面与目标的复合后向散射场数组, 结合SAR成像技术, 得到海面上立方体以及不同姿态舰船目标的SAR成像结果. 该研究成果在实际海洋遥感、海面上军事目标的探测与识别 等领域中具有重要的应用价值.