海洋視聽監(jiān)測衛(wèi)星的設計與實現

海洋視聽監(jiān)測衛(wèi)星的設計與實現

1海洋觀測手段中國是一個海洋大國，有義務保護海洋權利，合理開發(fā)海洋資源，科學保護海洋環(huán)境，防止和減少海洋災害。我們迫切需要發(fā)展多種檢測手段的衛(wèi)星探測系統(tǒng)。除了開發(fā)和應用海洋水分監(jiān)測衛(wèi)星的光學觀測系統(tǒng)和海洋動態(tài)監(jiān)測衛(wèi)星的微波觀測系統(tǒng)外，還需要開發(fā)和開發(fā)信息手段。其中，星載集成波系統(tǒng)（sar）是當前演示的重點之一。衛(wèi)星系統(tǒng)主要用于海上運輸目標監(jiān)控，其主要任務包括：。(1)獲取船舶、石油平臺等目標的精細圖像,監(jiān)視專屬經濟區(qū)(EEZ)的船舶活動和漁區(qū)作業(yè)等情況,為國家海洋執(zhí)法監(jiān)察、海洋權益維護提供信息服務。(2)獲取近海波浪場的SAR圖像,提取海浪譜、海面溢油、海冰等環(huán)境監(jiān)測數據,為海洋污染、海洋漁業(yè)、災害監(jiān)測和預報、海洋船舶導航等應用提供服務。(3)全天候、全天時、寬幅觀測,快速獲取EEZ和近海的監(jiān)視監(jiān)測數據,提高海洋遙感定量化應用水平。本文針對海洋監(jiān)視監(jiān)測SAR衛(wèi)星主要應用需求,在分析各觀測要素成像機理的基礎上,進行衛(wèi)星的軌道參數和有效載荷工作模式等任務分析。2sar圖像的bragg共振作用海洋現象十分復雜,SAR對各種現象成像機理也不同,在一般海況和入射角20°~60°范圍內,SAR主要通過雷達電磁波與海面微尺度波的Bragg共振作用成像,對于各類海洋現象,只要對海面微尺度波的分布產生影響,就會在SAR圖像中表現。本節(jié)針對海浪、船舶、溢油、內波和海冰5類主要的海洋現象進行星載SAR成像機理和觀測要求分析。2.1bragg共振分量與雷達后向散射系數根據雙尺度模型和Bragg散射理論,在小擾動條件下,海面的電磁波后向散射系數可以表示為:σ0(θ)=8πk4ii4cos4θ|gpol(θ)|2F(2kisinθ)(1)其中:gHH(θ)=ε?1[cosθ+(ε?sin2θ)1/2]2?gVV(θ)=(ε?1)[ε(1+sin2θ)?sin2θ][εcosθ+(ε?sin2θ)1/2]2?kigΗΗ(θ)=ε-1[cosθ+(ε-sin2θ)1/2]2?gVV(θ)=(ε-1)[ε(1+sin2θ)-sin2θ][εcosθ+(ε-sin2θ)1/2]2?ki表示入射電磁波波數,θ是電磁波入射角。2kisinθ代表沿著電磁波方向的Bragg共振分量,F表示短Bragg波譜,ε是海水介電常數?？梢?后向散射系數與雷達頻率、極化、入射角、海浪譜等因素有關。圖1和圖2給出了國外學者實際測量的雷達后向散射系數與海況、入射角、雷達頻段和極化之間的關系。國外實驗研究表明,在20°~60°入射角下觀測海浪:雷達后向散射系數隨風速增加而增加,隨入射角增大而急劇減小,入射角應該盡量選取Bragg散射理論適用范圍內的較小角度,使返回能量更強,C頻段雷達后向散射系數最大,VV極化后向散射系數高于HH極化。根據RADARSAT-1的數據分析,當風速在3~40m/s時,在25m分辨率模式下能夠獲取海浪的方向譜,而ENVISAT-ASAR則是在10m分辨率的波模式(WaveMode)下進行全球海浪觀測。2.2船舶船體本身是具有一定雷達截面的硬目標,船運動還會在海面留下尾跡,因此可以通過檢測船體本身或檢測運動船舶尾跡來監(jiān)視艦船活動。2.2.1船舶監(jiān)視概率船體幾何形狀、材質特性、環(huán)境條件和雷達參數、成像質量會影響對船舶的檢測效果。根據RADARSAT-1的應用情況,在窄幅掃描模式或者寬幅掃描模式均可對船舶監(jiān)視,此時的監(jiān)視范圍廣,但無法對小漁船監(jiān)視。根據加拿大的評估結果,掃描模式監(jiān)測的船舶都比33.5m長,對平均長度120m的船舶檢測概率大于84%。要實現對船舶跟蹤則需要在更高分辨率下,如標準條帶或精細條帶模式,此時對平均長度120m的船舶檢測概率大于97%。為更好地檢測和定位船舶,要求SAR分辨率在3~10m。RADARSAT-2就設計了3m分辨率超精細模式,預期能夠分辨出船舶的類型,估計其大小和航向,但由于觀測幅寬小,不利于在廣闊海域中的監(jiān)測應用。由RADARSAT-1(HH極化)和ERS(VV極化)SAR數據的對比研究表明,HH極化非常適合于船體等硬目標監(jiān)測。2.2.2船舶尾跡的成像機理運動船只的尾跡結構一般可分為4類:(1)船尾部延伸的湍流尾跡;(2)分米尺度重力波形成的Kelvin尾跡;(3)船體產生厘米尺度波形成的窄V尾跡;(4)淺分層條件下形成的內波尾跡。這4種尾跡的產生機理不同,其對SAR回波的貢獻也不同,但船的尾跡在海面的表現特征與海浪、內波和油膜等相似,對各類尾跡的成像機理可以用相應的海洋特征成像機理等效,通過船舶的尾跡,能夠反演運動方向和速度。RADARSAT-1和ERS的研究表明VV極化可以提供更多的尾流監(jiān)測信息。2.3海洋表面能量平衡方程觀測溢油的目的是發(fā)現海洋較大面積的石油污染,可以監(jiān)測突發(fā)性污染事件,用于發(fā)現污染、估算污染范圍、監(jiān)視污染擴散。油膜分布會削弱海面短波分布而使雷達后向散射減弱,對越短的Bragg波的阻尼作用越強,因此用X和C波段雷達檢測溢油,比L和P波段雷達的檢測效率高。根據能量平衡方程,得到海洋表面譜能量比:SsSw=βw?2cgΔw+αwβs?2cgΔs+αs(2)SsSw=βw-2cgΔw+αwβs-2cgΔs+αs(2)其中:下標w和s代表干凈水和有油膜水,Sw,s代表海面譜,βw,s是能量輸入率,cg是海水群速度,Δw,s是粘滯阻尼系數,αw,s是非線性能量轉換率。油膜越厚,則表面張力衰減越強,雷達后向散射系數越弱,因此,表面張力減少情況與海面油膜污染一致?？梢?油膜的特性、風速、波長等因素影響著溢油區(qū)域的雷達后向散射系數。2.4內波輻聚與輻散效應內波引起的表面粗糙度特征為一對相鄰的粗糙和光滑條紋,被本地平均粗糙度區(qū)域隔開,在雷達圖像均勻背景上出現一對相鄰的明暗條帶。領頭的內波邊緣對應會聚區(qū),也對應雷達圖像的亮條帶。內波會引起海面流場變化,在海洋表面的垂直位移很小,但是水平流速卻很大,結果在海面上不同的位置處造成流場的輻聚和輻散效應。雷達后向散射系數σ正比于Bragg波譜能量密度E。σ=T[E(+2k0)+E(-2k0)](3)其中:k0為雷達波矢量在水平面的投影,T為散射系數。2.5冰的密度信息海冰覆蓋了地球兩極的11%~15%區(qū)域,獲取南北極的冰雪信息是全球海洋觀測的重要內容,海冰觀測主要提取海冰的冰齡、厚度、分布、水冰邊界、冰山高度等信息。海水與海冰的電磁波特性差異很大,使得雷達波在海冰和海水中的傳播有顯著區(qū)別,在冰水接觸面上形成強烈的雷達發(fā)射層,海冰部分在雷達圖像上表現出豐富的回波現象,而海水部分則呈現出強烈的衰減與吸收現象。海冰分類主要依賴于對小范圍內的表面粗糙特征,影響海冰的雷達散射特性的因素包括:表面粗糙度、海冰的介電常數、雷達波束方向等。3模型的衛(wèi)星軌道和sar3.1星下點附近區(qū)域的重訪時間盡管SAR工作不受光照條件限制,但SAR衛(wèi)星對電源供給有較高的要求,選擇太陽同步軌道能夠保證穩(wěn)定的光照條件,考慮覆蓋范圍、有效載荷可視角度、測控操作、觀測帶拼接、回歸要求等因素,初步設計一組軌道參數:(1)高度:822.8km;(2)傾角:98.7°;(3)偏心率:0;(4)周期:101.3min;(5)回歸周期:33day。單獨考慮降軌段或升軌段,在3d內該軌道的相鄰軌跡在赤道附近覆蓋區(qū)域有上百公里的重疊,衛(wèi)星星下點的盲區(qū)可由其前后相鄰兩天覆蓋,即星下點附近區(qū)域的重訪時間為2d;而相鄰兩軌的中間區(qū)域可以同時被這兩軌覆蓋,即對該區(qū)域的重訪時間最快約1d。下圖是截取的降軌段2d內可視區(qū)域覆蓋圖(橫坐標為經度,縱坐標為緯度),兩種顏色代表2d重訪的地面可視觀測帶,入射角為20°~60°范圍,雙側視工作,未可視區(qū)域在28°N左右消失。3.2觀測模式和內波監(jiān)測對于海浪監(jiān)測:利用20m分辨率條帶模式觀測海浪,在較小入射角下,獲取HH和VV極化數據,能夠較好的反演海浪譜。由于20m分辨率具有合適的分辨率和觀測帶寬,適應的觀測目標較多,定義為標準條帶模式。對于船舶監(jiān)視:利用5m分辨率精細條帶模式HH極化進行船舶本身監(jiān)視,或利用標準條帶模式VV極化進行尾跡觀測,設計沿航跡干涉模式(ATI)用于檢測運動船只。對于油污觀測:區(qū)分水面有無油污,通常首先在目標區(qū)域進行掃描,然后選擇高分辨模式觀測。根據觀測區(qū)域大小,分辨率可選取在3~50m之間?？梢栽跇藴蕳l帶模式VV極化進行較大范圍觀測,或利用精細模式進行溢油精細觀測和監(jiān)視。對于內波監(jiān)測:RADARSAT-1在1~10m/s風速下,可探測內波的尺度為0.3~3km。應用寬幅掃描模式或標準條帶模式、VV極化下進行內波探測,利用ATI工作模式有利于檢測內波流場。對于海冰監(jiān)測:RADARSAT-1的ScanSAR模式能夠實現大范圍觀測,其25m分辨率能精確分辨冰緣位置。VV極化有利于浮冰邊緣檢測和分辨類型,HV極化檢測海冰分布形狀最佳。若采用交叉極化將在冰水界定能力上大為提高,而且能更好的區(qū)分多年冰和一年冰。因此,建議選擇交叉極化ScanSAR模式,具備相對較寬的覆蓋帶,更有效的進行海冰監(jiān)測?？傊?衛(wèi)星運行在800km左右的太陽同步軌道,選用C波段多極化SAR,設計多種工作模式,能夠滿足對海浪、船舶、溢油、內波和海冰的監(jiān)視與監(jiān)測任務,有效載荷的主要工作模式及其參數如表1:4衛(wèi)星觀測系統(tǒng)的