海洋視聽監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

海洋視聽監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1海洋觀測(cè)手段中國是一個(gè)海洋大國，有義務(wù)保護(hù)海洋權(quán)利，合理開發(fā)海洋資源，科學(xué)保護(hù)海洋環(huán)境，防止和減少海洋災(zāi)害。我們迫切需要發(fā)展多種檢測(cè)手段的衛(wèi)星探測(cè)系統(tǒng)。除了開發(fā)和應(yīng)用海洋水分監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)和海洋動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的微波觀測(cè)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(dāng)前演示的重點(diǎn)之一。衛(wèi)星系統(tǒng)主要用于海上運(yùn)輸目標(biāo)監(jiān)控，其主要任務(wù)包括：。(1)獲取船舶、石油平臺(tái)等目標(biāo)的精細(xì)圖像,監(jiān)視專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)(EEZ)的船舶活動(dòng)和漁區(qū)作業(yè)等情況,為國家海洋執(zhí)法監(jiān)察、海洋權(quán)益維護(hù)提供信息服務(wù)。(2)獲取近海波浪場(chǎng)的SAR圖像,提取海浪譜、海面溢油、海冰等環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),為海洋污染、海洋漁業(yè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、海洋船舶導(dǎo)航等應(yīng)用提供服務(wù)。(3)全天候、全天時(shí)、寬幅觀測(cè),快速獲取EEZ和近海的監(jiān)視監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),提高海洋遙感定量化應(yīng)用水平。本文針對(duì)海洋監(jiān)視監(jiān)測(cè)SAR衛(wèi)星主要應(yīng)用需求,在分析各觀測(cè)要素成像機(jī)理的基礎(chǔ)上,進(jìn)行衛(wèi)星的軌道參數(shù)和有效載荷工作模式等任務(wù)分析。2sar圖像的bragg共振作用海洋現(xiàn)象十分復(fù)雜,SAR對(duì)各種現(xiàn)象成像機(jī)理也不同,在一般海況和入射角20°~60°范圍內(nèi),SAR主要通過雷達(dá)電磁波與海面微尺度波的Bragg共振作用成像,對(duì)于各類海洋現(xiàn)象,只要對(duì)海面微尺度波的分布產(chǎn)生影響,就會(huì)在SAR圖像中表現(xiàn)。本節(jié)針對(duì)海浪、船舶、溢油、內(nèi)波和海冰5類主要的海洋現(xiàn)象進(jìn)行星載SAR成像機(jī)理和觀測(cè)要求分析。2.1bragg共振分量與雷達(dá)后向散射系數(shù)根據(jù)雙尺度模型和Bragg散射理論,在小擾動(dòng)條件下,海面的電磁波后向散射系數(shù)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(shù),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(shù)?？梢?后向散射系數(shù)與雷達(dá)頻率、極化、入射角、海浪譜等因素有關(guān)。圖1和圖2給出了國外學(xué)者實(shí)際測(cè)量的雷達(dá)后向散射系數(shù)與海況、入射角、雷達(dá)頻段和極化之間的關(guān)系。國外實(shí)驗(yàn)研究表明,在20°~60°入射角下觀測(cè)海浪:雷達(dá)后向散射系數(shù)隨風(fēng)速增加而增加,隨入射角增大而急劇減小,入射角應(yīng)該盡量選取Bragg散射理論適用范圍內(nèi)的較小角度,使返回能量更強(qiáng),C頻段雷達(dá)后向散射系數(shù)最大,VV極化后向散射系數(shù)高于HH極化。根據(jù)RADARSAT-1的數(shù)據(jù)分析,當(dāng)風(fēng)速在3~40m/s時(shí),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(jìn)行全球海浪觀測(cè)。2.2船舶船體本身是具有一定雷達(dá)截面的硬目標(biāo),船運(yùn)動(dòng)還會(huì)在海面留下尾跡,因此可以通過檢測(cè)船體本身或檢測(cè)運(yùn)動(dòng)船舶尾跡來監(jiān)視艦船活動(dòng)。2.2.1船舶監(jiān)視概率船體幾何形狀、材質(zhì)特性、環(huán)境條件和雷達(dá)參數(shù)、成像質(zhì)量會(huì)影響對(duì)船舶的檢測(cè)效果。根據(jù)RADARSAT-1的應(yīng)用情況,在窄幅掃描模式或者寬幅掃描模式均可對(duì)船舶監(jiān)視,此時(shí)的監(jiān)視范圍廣,但無法對(duì)小漁船監(jiān)視。根據(jù)加拿大的評(píng)估結(jié)果,掃描模式監(jiān)測(cè)的船舶都比33.5m長(zhǎng),對(duì)平均長(zhǎng)度120m的船舶檢測(cè)概率大于84%。要實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶跟蹤則需要在更高分辨率下,如標(biāo)準(zhǔn)條帶或精細(xì)條帶模式,此時(shí)對(duì)平均長(zhǎng)度120m的船舶檢測(cè)概率大于97%。為更好地檢測(cè)和定位船舶,要求SAR分辨率在3~10m。RADARSAT-2就設(shè)計(jì)了3m分辨率超精細(xì)模式,預(yù)期能夠分辨出船舶的類型,估計(jì)其大小和航向,但由于觀測(cè)幅寬小,不利于在廣闊海域中的監(jiān)測(cè)應(yīng)用。由RADARSAT-1(HH極化)和ERS(VV極化)SAR數(shù)據(jù)的對(duì)比研究表明,HH極化非常適合于船體等硬目標(biāo)監(jiān)測(cè)。2.2.2船舶尾跡的成像機(jī)理運(yùn)動(dòng)船只的尾跡結(jié)構(gòu)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(chǎn)生厘米尺度波形成的窄V尾跡;(4)淺分層條件下形成的內(nèi)波尾跡。這4種尾跡的產(chǎn)生機(jī)理不同,其對(duì)SAR回波的貢獻(xiàn)也不同,但船的尾跡在海面的表現(xiàn)特征與海浪、內(nèi)波和油膜等相似,對(duì)各類尾跡的成像機(jī)理可以用相應(yīng)的海洋特征成像機(jī)理等效,通過船舶的尾跡,能夠反演運(yùn)動(dòng)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(cè)信息。2.3海洋表面能量平衡方程觀測(cè)溢油的目的是發(fā)現(xiàn)海洋較大面積的石油污染,可以監(jiān)測(cè)突發(fā)性污染事件,用于發(fā)現(xiàn)污染、估算污染范圍、監(jiān)視污染擴(kuò)散。油膜分布會(huì)削弱海面短波分布而使雷達(dá)后向散射減弱,對(duì)越短的Bragg波的阻尼作用越強(qiáng),因此用X和C波段雷達(dá)檢測(cè)溢油,比L和P波段雷達(dá)的檢測(cè)效率高。根據(jù)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(biāo)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(shù),αw,s是非線性能量轉(zhuǎn)換率。油膜越厚,則表面張力衰減越強(qiáng),雷達(dá)后向散射系數(shù)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(fēng)速、波長(zhǎng)等因素影響著溢油區(qū)域的雷達(dá)后向散射系數(shù)。2.4內(nèi)波輻聚與輻散效應(yīng)內(nèi)波引起的表面粗糙度特征為一對(duì)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(dá)圖像均勻背景上出現(xiàn)一對(duì)相鄰的明暗條帶。領(lǐng)頭的內(nèi)波邊緣對(duì)應(yīng)會(huì)聚區(qū),也對(duì)應(yīng)雷達(dá)圖像的亮條帶。內(nèi)波會(huì)引起海面流場(chǎng)變化,在海洋表面的垂直位移很小,但是水平流速卻很大,結(jié)果在海面上不同的位置處造成流場(chǎng)的輻聚和輻散效應(yīng)。雷達(dá)后向散射系數(shù)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(dá)波矢量在水平面的投影,T為散射系數(shù)。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(cè)的重要內(nèi)容,海冰觀測(cè)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(dá)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(qiáng)烈的雷達(dá)發(fā)射層,海冰部分在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)出豐富的回波現(xiàn)象,而海水部分則呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的衰減與吸收現(xiàn)象。海冰分類主要依賴于對(duì)小范圍內(nèi)的表面粗糙特征,影響海冰的雷達(dá)散射特性的因素包括:表面粗糙度、海冰的介電常數(shù)、雷達(dá)波束方向等。3模型的衛(wèi)星軌道和sar3.1星下點(diǎn)附近區(qū)域的重訪時(shí)間盡管SAR工作不受光照條件限制,但SAR衛(wèi)星對(duì)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(cè)控操作、觀測(cè)帶拼接、回歸要求等因素,初步設(shè)計(jì)一組軌道參數(shù):(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(dú)考慮降軌段或升軌段,在3d內(nèi)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(diǎn)的盲區(qū)可由其前后相鄰兩天覆蓋,即星下點(diǎn)附近區(qū)域的重訪時(shí)間為2d;而相鄰兩軌的中間區(qū)域可以同時(shí)被這兩軌覆蓋,即對(duì)該區(qū)域的重訪時(shí)間最快約1d。下圖是截取的降軌段2d內(nèi)可視區(qū)域覆蓋圖(橫坐標(biāo)為經(jīng)度,縱坐標(biāo)為緯度),兩種顏色代表2d重訪的地面可視觀測(cè)帶,入射角為20°~60°范圍,雙側(cè)視工作,未可視區(qū)域在28°N左右消失。3.2觀測(cè)模式和內(nèi)波監(jiān)測(cè)對(duì)于海浪監(jiān)測(cè):利用20m分辨率條帶模式觀測(cè)海浪,在較小入射角下,獲取HH和VV極化數(shù)據(jù),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(cè)帶寬,適應(yīng)的觀測(cè)目標(biāo)較多,定義為標(biāo)準(zhǔn)條帶模式。對(duì)于船舶監(jiān)視:利用5m分辨率精細(xì)條帶模式HH極化進(jìn)行船舶本身監(jiān)視,或利用標(biāo)準(zhǔn)條帶模式VV極化進(jìn)行尾跡觀測(cè),設(shè)計(jì)沿航跡干涉模式(ATI)用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)船只。對(duì)于油污觀測(cè):區(qū)分水面有無油污,通常首先在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描,然后選擇高分辨模式觀測(cè)。根據(jù)觀測(cè)區(qū)域大小,分辨率可選取在3~50m之間?？梢栽跇?biāo)準(zhǔn)條帶模式VV極化進(jìn)行較大范圍觀測(cè),或利用精細(xì)模式進(jìn)行溢油精細(xì)觀測(cè)和監(jiān)視。對(duì)于內(nèi)波監(jiān)測(cè):RADARSAT-1在1~10m/s風(fēng)速下,可探測(cè)內(nèi)波的尺度為0.3~3km。應(yīng)用寬幅掃描模式或標(biāo)準(zhǔn)條帶模式、VV極化下進(jìn)行內(nèi)波探測(cè),利用ATI工作模式有利于檢測(cè)內(nèi)波流場(chǎng)。對(duì)于海冰監(jiān)測(cè):RADARSAT-1的ScanSAR模式能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍觀測(cè),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(cè)和分辨類型,HV極化檢測(cè)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(duì)較寬的覆蓋帶,更有效的進(jìn)行海冰監(jiān)測(cè)?？傊?衛(wèi)星運(yùn)行在800km左右的太陽同步軌道,選用C波段多極化SAR,設(shè)計(jì)多種工作模式,能夠滿足對(duì)海浪、船舶、溢油、內(nèi)波和海冰的監(jiān)視與監(jiān)測(cè)任務(wù),有效載荷的主要工作模式及其參數(shù)如表1:4衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)的