中國成像高度計(jì)

1、一、中國成像高度計(jì) （China Imaging Altimeter, CIALT）(一). CIALT的工作原理1. CIALT成像機(jī)理CIALT結(jié)合了偏離天底點(diǎn)技術(shù)與傳統(tǒng)高度計(jì)的高度跟蹤測量技術(shù)、SAR的合成孔徑技術(shù)和干涉SAR的干涉測量技術(shù)于一體，它的成像原理和干涉SAR基本一樣，但在功能上卻可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)高度計(jì)那樣的厘米級(jí)的觀測。在偏離天底點(diǎn)模式下工作的CIALT，采用合成孔徑技術(shù)，在波束限制范圍內(nèi)得到高精度的距離向和方位向的分辨率，為三維成像奠定了基礎(chǔ)。 傳統(tǒng)海洋高度計(jì)測高的原理是由傳感器發(fā)射的電磁波與海面的微尺度波相互作用后，把帶有海面信息的脈沖信號(hào)反射回來。在CIAIT上有兩個(gè)天線

2、接收海面反射回來的脈沖信息，由于這兩個(gè)脈沖信息存在一定的時(shí)間延遲量，于是使觀測點(diǎn)產(chǎn)生相位差，生成了相干的復(fù)圖像對，根據(jù)傳感器高度、脈沖波長、波速視向和天線間的距離等其它系統(tǒng)參數(shù)便可以精確地計(jì)算每個(gè)像元點(diǎn)的三維信息，從而得到三維圖像。CIALT采用Ku波段電磁波，入射角在5。以內(nèi)，當(dāng)CIALT以成像模式工作時(shí)，相當(dāng)于一部Ku波段、小入射角的SAR。根據(jù)海洋表面回波的基本散射理論可知，CIALT發(fā)射的電磁波與海面發(fā)生“準(zhǔn)鏡面散射”。在海洋觀測時(shí)SAR的入射角為20。70。，SAR發(fā)射的電磁波與海面發(fā)生Bragg散射或者二尺度散射，因此，SAR的成像機(jī)理對于CIAIT不再適用。但是，可以在SAR遙感

3、機(jī)理和遙感模型的基礎(chǔ)上建立Ku波段、小入射角的CIAIT遙感機(jī)理和遙感模型。1. CIALT特點(diǎn)CIALT結(jié)合了偏離天底點(diǎn)技術(shù)與傳統(tǒng)高度計(jì)高度跟蹤測量技術(shù)、SAR的合成孔徑技術(shù)和干涉SAR的干涉測量技術(shù)于一體。偏離天底點(diǎn)技術(shù)是為了增大刈幅寬度，高度跟蹤技術(shù)是為了兼容海陸信息的觀測，合成孔徑技術(shù)是為了增加方位向分辨率，干涉技術(shù)是為了測量像素點(diǎn)的高程值。CIALT在應(yīng)用于海洋時(shí)采用輕微偏離天頂點(diǎn)的觀測方式，通過傳統(tǒng)高度計(jì)BROW模型的修正，在海面平均高度、有效波高測量方面獲得與傳統(tǒng)高度計(jì)相當(dāng)?shù)木?。而在海冰或陸地模式下，它偏離天頂點(diǎn)較大，從而獲得更寬的刈幅。在兩種模式下，它都通過采用雙天線接收干涉

4、處理技術(shù)，獲得地面分辨單元的高程信息；而且每一個(gè)接收機(jī)采用合成孔徑成像技術(shù)，以獲得高的地面二維分辨率。具體內(nèi)容為：Ø 偏離天頂點(diǎn)觀測，一方面增加了刈幅寬度，同時(shí)可以獲得距離向的高分辨率（垂直高度的測量轉(zhuǎn)化為斜距的測量）。Ø 采用孔徑合成技術(shù)來獲得方位向的高分辨率。Ø 在海洋應(yīng)用時(shí)，利用脈沖有限技術(shù)來獲得平均海平面的高度、海面有效波高（只需要處理回波信號(hào)的前面部分），完成傳統(tǒng)高度計(jì)的測量。此時(shí)高度跟蹤是通過基BROWN回波的修正模型來實(shí)現(xiàn)。在波束限制的范圍內(nèi)，通過距離門技術(shù)來獲得距離向的分辨率，通過孔徑合成技術(shù)來獲得方位向的分辨率。通過雙天線相干技術(shù)，獲得分辨率單元

5、的高度值，從而達(dá)到三維成像的目的。Ø 在海冰和陸地應(yīng)用時(shí)，采用偏離重心點(diǎn)算法（OCOG）來進(jìn)行高度跟蹤。OCOG算法是一種與回波模型無關(guān)的算法。它既可以獲得較大范圍內(nèi)的平均高度值，還可以獲得分辨單元的平均高度值。用OCOG算法獲得的高度值與用相干技術(shù)獲得的高度值進(jìn)行比較，可以更可靠地獲得第三維高度信息。2. CIALT與高度計(jì)和干涉SAR的區(qū)別從三維成像的原理上說，成像高度計(jì)與干涉SAR采用的技術(shù)是完全一樣的，但是從功能角度來說，成像雷達(dá)高度計(jì)除了具備可以同時(shí)對海洋和陸地進(jìn)行觀測成像的能力外，關(guān)鍵在于在海洋應(yīng)用時(shí)能夠獲得像傳統(tǒng)高度計(jì)那樣的能夠達(dá)到厘米級(jí)的高度測量精度（通過特殊的信號(hào)處

6、理來實(shí)現(xiàn)）。常規(guī)的星載高度計(jì)之所以不能成像主要由于兩方面的限制：1）地面足跡太大即地面分辨率低；2）刈副不寬。因此高度計(jì)要成像必須設(shè)法克服這種限制。地面分辨率的提高有三個(gè)選擇：第一，采用波束有限技術(shù)即增大天線口徑；第二，采用脈沖有限、線性調(diào)頻脈沖及脈沖壓縮技術(shù)；第三，采用合成孔徑信號(hào)處理技術(shù)。對于第一種途徑，在目前的航天技術(shù)條件下是不可能的。因?yàn)樗诜轿幌蚝途嚯x 向都需要巨大的尺寸才能滿足要求。第二種選項(xiàng)只能在一定程度上改善地面分辨率，事實(shí)上現(xiàn)在的高度計(jì)基本上都采用了這些技術(shù)。應(yīng)當(dāng)指出的是，采用脈沖有限技術(shù)后導(dǎo)致了信號(hào)處理的難度比采用波束有限技術(shù)要高。只有第三種途徑才 是理想的選擇。因?yàn)樗蟠?/p>

7、降低了對天線口徑的要求，但同時(shí)它也大大增加了信號(hào)處理的復(fù)雜性。3. CIALT與SWOT和CryoSAT-2的區(qū)別SWOT未對星下點(diǎn)進(jìn)行合成孔徑處理。而CryoSAT-2由于是星下點(diǎn)工作，因此在沒有距離向分辨率。 (二). CIALT的工作參數(shù)與系統(tǒng)構(gòu)成1. CIALT的工作參數(shù)一般高度計(jì)測高精度2cm，成像高度計(jì)測高精度1cm。2. CIALT的系統(tǒng)組成新型三維成像雷達(dá)高度計(jì)將采用雙拋物面天線，在方位向利用合成孔徑技術(shù)、在距離向利用線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)來獲得兩個(gè)方向的地面分辨率。在第三維高度方向利用雙天線獲取相干信號(hào)并通過算法提取高程信息。該或像高度計(jì)的原理框圖如圖1所示。圖1中，I部分是一

8、個(gè)傳統(tǒng)高度計(jì)的原理框圖，包括接收機(jī)和信號(hào)處理系統(tǒng)。II部分包含常規(guī)高度計(jì)的接收機(jī)、數(shù)據(jù)記錄以及方位向和距離向壓縮處理。III部分是傳統(tǒng)高度計(jì)的發(fā)射機(jī)部分并為兩個(gè)通道的接收機(jī)提供參考信號(hào)和自動(dòng)增益控制。IV部分為主接收通道方位信號(hào)處理部分。主要進(jìn)行方位向的波束銳化處理，獲得方位向較高的分辨率。V部分是相干信息的形成和處理單元并獲取分辨率單元內(nèi)的高度值。圖1. 成像高度計(jì)的系統(tǒng)組成3. CIALT采用的技術(shù)在技術(shù)上成像高度計(jì)采用了延時(shí)多譜勒補(bǔ)償技術(shù)，沿航跡向的信號(hào)歷史經(jīng)過處理都對高度測量做出貢獻(xiàn)，這樣高度計(jì)利用了更多的輻射能量，而傳統(tǒng)的雷達(dá)高度計(jì)主要利用了脈沖有限足跡內(nèi)的能量進(jìn)行高度測量。成像高度

9、計(jì)的發(fā)射信號(hào)采用了大時(shí)帶積的線性調(diào)頻信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過海面的后向散射后產(chǎn)生的回波信號(hào)通過天線進(jìn)入接收機(jī)，這時(shí)成像高度計(jì)將發(fā)射信號(hào)復(fù)制了一份在接收機(jī)內(nèi)與回波信號(hào)進(jìn)行混頻，即去斜處理，完成了時(shí)間頻率的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過下變頻后進(jìn)行A/D采集處理。SAR成像采集的A/D信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)，在沿航跡維進(jìn)行FFT變換，然后進(jìn)行距離延時(shí)校正。在每個(gè)多譜勒頻率單元內(nèi)，距離向數(shù)據(jù)進(jìn)行逆 FFT變換、濾波、多視處理后形成同一位置的多視數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取SAR高度計(jì)回波信號(hào)。通過對回波信號(hào)的跟蹤處理得到高度測量信息。主要內(nèi)容有：Ø 偏離天頂點(diǎn)觀測，偏離的角度與軌道高度，高度測量精度，地面分辨率等因素有關(guān)。Ø

10、; 脈沖有限體制和波束有限體制相結(jié)合。在海洋觀測時(shí)利用回波的前沿部分來測量海洋三要素（即脈沖有限體制），而在陸地觀測時(shí)則采用波束有限體制。Ø 采用與回波模型無關(guān)的高度跟蹤算法，例如偏離重心點(diǎn)算法（OCOG），達(dá)到海陸兼容。Ø 方位向采用聚焦或非聚焦孔徑合成技術(shù)來提高方位向分辨率。Ø 采用干涉技術(shù)（通過雙天線和雙通道接收機(jī)來實(shí)現(xiàn)）來獲得地面分辨單元內(nèi)的高度值。由于成像雷達(dá)高度計(jì)具有精確的距離測量能力，因此非常有助于提高高程測量精度。4. CIALT的關(guān)鍵技術(shù)Ø 雙天線相干信息提取方法研究，其中包括相干信息的形成和獲取技術(shù)并進(jìn) 而獲得高度信息。Ø

11、合成孔徑技術(shù)在高度計(jì)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用及軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。包括幾何校正、數(shù)據(jù)重排，匹配濾渡等。Ø 從電磁波與海面相互作用的機(jī)理出發(fā)，研究非垂直入射時(shí)海面回波的模型，今兒研究海洋高度數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以達(dá)到常規(guī)高度計(jì)主要測量參數(shù)的精度。Ø 研究陸地表面的高程信息提取技術(shù)，這里將包括多種算法（例如上沿判定算法、峰值功率判定算法、門限電平判定算法、半能量值判定算法、矩形質(zhì)心算法等）的比較研究。(三). CIALT的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)成像雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)、高度跟蹤子系統(tǒng)、二維成像子系統(tǒng)、三維成像子系統(tǒng)以及圖像后處理子系統(tǒng)等5個(gè)子系統(tǒng)。其系統(tǒng)框圖見圖2所示。圖2. CIA

12、LT數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)1. 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)原始 A/D采樣數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，對數(shù)據(jù)狀態(tài)的判斷，對數(shù)據(jù)直流分量的消除及濾波降噪處理，接收機(jī)I/Q通道的不平衡校正，以及慣性導(dǎo)航儀的數(shù)據(jù)接口，全球定位系統(tǒng)的接口。2. 高度跟蹤處理子系統(tǒng)從前級(jí)獲得的平臺(tái)信息，運(yùn)用高度跟蹤處理算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行高度的解算，精確獲得天線相位中心到地面足跡中心點(diǎn)的距離。這給出后面三維成像的高度基準(zhǔn)。高度跟蹤算法采用先進(jìn)的與回波模型無關(guān)的偏離重心點(diǎn)算法（OCoG算法），能夠同時(shí)滿足海洋和陸地應(yīng)用的需要。高度跟蹤的結(jié)果將為干涉相位解纏繞和生成DEM提供參考數(shù)據(jù)。3. 二維成像處理子系統(tǒng)距離多普勒算法是經(jīng)典的合成孔徑雷達(dá)成像算法。由于在機(jī)載實(shí)驗(yàn)

13、中，地球曲率等的影響并不考慮，距離徙動(dòng)這個(gè)因素基本可以忽略。這樣，距離多普勒算法的簡潔明了的處理過程使得我們選擇它進(jìn)行二維成像。除了成像的基本算法，此部分子系統(tǒng)還包括運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和多視處理。CIALT的二維成像方式采用正側(cè)視、條帶掃描方式，常用RD算法。4. 三維成像子系統(tǒng)圖像配準(zhǔn)、干涉相位提取、去平地效應(yīng)、相位解纏、地形校正。(1) 圖像配準(zhǔn)：這是干涉信息提取的第一步，其目的是將兩個(gè)通道獲得的復(fù)圖像中每一個(gè)象素點(diǎn)都配準(zhǔn)到同一個(gè)地面點(diǎn)。通常要求配準(zhǔn)的精度要優(yōu)于象素級(jí)，從而保證能夠獲得高質(zhì)量的干涉信息。由于采用了單軌雙天線體制，圖像的配準(zhǔn)很容易實(shí)現(xiàn)。(2) 生成干涉相位圖：將經(jīng)過配準(zhǔn)的兩幅圖像按象素

14、進(jìn)行復(fù)共軛相乘，然后從所得復(fù)數(shù)中取出相位，即干涉相位。(3) 對干涉相位圖進(jìn)行最大似然估計(jì)：在(2)中獲得的相位不可避免存在相位噪聲，極大地影響了真實(shí)相位差的精確恢復(fù)。采用最大似然估計(jì)方法對干涉相位進(jìn)行處理可以降低相位噪聲，但以犧牲空間分辨率為代價(jià)。(4) 去除“平地效應(yīng)”：在(3)獲得的干涉相位中，同時(shí)包含了由于空間關(guān)系而引起的相位差和地面點(diǎn)高度引起的相位差這兩種貢獻(xiàn)。在去除了由于空間關(guān)系而引起的相位差的貢獻(xiàn)(即“平地效應(yīng)”)后，使得干涉相位差唯一的對應(yīng)于地形的高度，同時(shí)還降低了相位梯度變化率，便于解相位纏繞恢復(fù)出真實(shí)的相位差。(5) 相位解纏：由于三角函數(shù)關(guān)系的原因，我們獲得的干涉相位只能

15、是02 弧度之間的主值，必須經(jīng)過算法處理才能獲得真實(shí)的相位差。采用基于FFT的DCT方法，對試驗(yàn)所得干涉相位進(jìn)行相位解纏。(6) 根據(jù)地面控制點(diǎn)進(jìn)行相位差高度轉(zhuǎn)換：生成地形圖。經(jīng)過(5)得到的相位差仍然只是相對的相位差，需要依靠地面控制點(diǎn)來獲得絕對相位差，從而最終獲得正確的地形圖。(四). 可能產(chǎn)生的海洋應(yīng)用1. 海洋三維立體成像：測量原理和成像原理與InSAR基本相同。2. 海洋大地水準(zhǔn)面：CIAIT作為傳統(tǒng)高度計(jì)的繼承和發(fā)展，對海洋大地水準(zhǔn)面觀測時(shí)可以參考傳統(tǒng)高度計(jì)的測量和數(shù)據(jù)處理的方法。同時(shí)，CIAIT結(jié)合SAR/ InSAR技術(shù)和傳統(tǒng)天底點(diǎn)照射的高度計(jì)技術(shù)，能夠在很大的刈幅寬度內(nèi)對目標(biāo)

16、同時(shí)進(jìn)行空間采樣和時(shí)間采樣，且空間和時(shí)間采樣間隔均比傳統(tǒng)高度計(jì)的短, 因此可以提高測高的精度。3. 洋流和中尺度渦：CIALT觀測研究中尺度渦主要是借鑒傳統(tǒng)高度計(jì)的技術(shù)進(jìn)行的。CIALT可以擴(kuò)展高度計(jì)對中尺度渦觀測的空間測度范圍，且由于采樣時(shí)間間隔的減小，可以得到長時(shí)間序列的中尺度渦數(shù)據(jù)。而CIALT對洋流的觀測相對于傳統(tǒng)高度計(jì)的優(yōu)勢體現(xiàn)在測高結(jié)果的精確度上。4. 海面風(fēng)場：結(jié)合高度計(jì)和SAR觀測海表面風(fēng)場的優(yōu)勢和已有的研究方法以及相對于傳統(tǒng)高度計(jì)的寬刈幅探測,可以得到全球海表面風(fēng)場的風(fēng)速和風(fēng)向以及時(shí)空分布。5. 海浪：到目前為止，SAR仍然是唯一能夠反演海浪的波長、波向和二維方向譜 的星載傳

17、感器。而CIAIT將是繼SAR之后的又一個(gè)能夠得到這些參數(shù)的星載傳感器。它不僅可以直接得到有效波高信息，還可以得到海浪的波長、波向、周期和二維方向譜。6. 潮汐：CIALT對近岸觀測時(shí),根據(jù)散射特性區(qū)分海路信息,采樣數(shù)據(jù)的增加、采樣時(shí)間的減少以及對同一目標(biāo)的干涉測量，都使觀測近岸潮汐的數(shù)據(jù)更為精確，同時(shí)CIALT能夠給出近岸潮汐時(shí)間序列的三維立體圖像，更為直觀地給出近岸潮汐的變化規(guī)律。7. 海冰：8. 海岸帶：二、SWOT (Surface Water Ocean Topography) MissionSWOT是由NASA/JPL和CNES聯(lián)合開發(fā)的，其主要任務(wù)是：1. 以10km以及更高的空

18、間分辨率刻畫海洋的中尺度和次中尺度環(huán)流；2. 提供全球超過250m2的水體和超過100m以上的河流的儲(chǔ)量，以及這些儲(chǔ)量的月/旬/年變化；SWOT的測量原理是：通過星下點(diǎn)高度計(jì)測量衛(wèi)星和海洋間的距離，利用兩個(gè)Non Ping Pong模式的天線獲取干涉SAR模式的海面測量數(shù)據(jù)，工作的基線長度為10m。在星下點(diǎn)模式下，測量的空間分辨率為1km，高程測量精度為3cm（海洋）或10cm（陸地水體）。在干涉模型下，干涉SAR圖像的幅寬為100 km，斜距分辨率為75m，地距分辨率為70m（近角）10m（遠(yuǎn)角）；高度測量誤差為±50 cm，修正后可達(dá)±3 cm，重訪周期為16天。SWOT測量原理示意圖SWOT的星下點(diǎn)高度計(jì)與傳統(tǒng)高度計(jì)類似，而干涉SAR模式類似于小入射角的SRTM SAR衛(wèi)星。SRTM干涉SAR是目前唯一一個(gè)成功測量海洋高程的SAR衛(wèi)星。SWOT的參數(shù)指標(biāo)如下：KaRIn（K波段雷達(dá)干涉測量原理）K波段雷達(dá)干涉數(shù)據(jù)