天宮二號三維成像微波高度計取得系列成果

2021-01-13 光學工程

隨著2月20日新一輪對地觀測周期的結束，天宮二號三維成像高度計已在軌運行888天。迄今為止，天宮二號高度計已經獲得大量重點海區和典型陸地區域的觀測數據。在海洋觀測中，在進行海平面高度測量的同時，觀測到了大量海面雨團、強降雨、內波、海洋鋒面、湧浪、溢油、渦旋、淺海地形調製等典型海洋現象，這些觀測數據將在海洋環境和海洋科學研究中發揮獨特作用。在陸地觀測中，天宮二號三維成像高度計成功獲取了我國青藏高原湖泊以及大量的內陸湖泊、江河水體、典型沙漠、亞馬遜熱帶雨林等典型地表的觀測數據。初步研究表明，其對較大湖泊水位高度變化的監測能力強於在軌的雷達高度計。由於對水體高度敏感，天宮二號高度計展現了對海岸帶的獨特觀測能力。近日，國家海洋局第二海洋研究所、國家衛星海洋應用中心和中國科學院國家空間科學中心研究人員在天宮二號高度計海面風速反演方法研究中取得進展，實現了海面風速的高精度反演，研究成果最近在遙感領域期刊    

IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN 

APPLIED EARTH OBSERVATIONS AND 

REMOTE SENSING上發表。


圖1

 天宮二號高度計與歐空局ASCAT風速反演精度對比。色標圖中的數字代表入射角。


星載雷達高度計是一種能夠以釐米級的精度精確測量海平面高度的微波遙感器，是海洋動力環境觀測的主要遙感器之一，其在海洋科學、海洋環境觀測和預報、全球氣候變化研究中發揮著不可替代的作用。

2016年9月15日22:04分，由中科院空間中心微波遙感技術重點實驗室研製的天宮二號三維成像微波高度計隨天宮二號空間實驗室在酒泉衛星發射基地發射升空，成為國際上第一個突破傳統星載高度計只能進行星下點沿飛行方向一維線觀測、刈幅只有數公裡的局限，單側幅寬達到數十公裡、海平面高度相對測量精度達到釐米級、絕對測量精度達到分米級的寬刈幅雷達高度計（如果軌道高度800公裡以上則能夠實現單側100公裡以上的觀測幅寬）。天宮二號高度計在實現寬刈幅海面測高的同時，可對海面三維形態以及海洋內波進行觀測，還可對海面風速和海面有效波和波向進行測量。天宮二號高度計以前所未有的1-8度視角從太空對地球海洋和陸地進行雷達幹涉成像觀測，以這一獨特的視角所獲取的觀測數據呈現了許多獨特現象，例如對海面和陸表水體呈現強散射，有利於對地球水體的觀測，對沙漠的幹涉觀測數據呈現出很好的相干性。

天宮二號高度計是繼美國NASA奮進號航天幹涉SAR（SRTM）試驗（2000年）、歐空局測冰衛星Cryosat-2（2010年）的SIRAL之後國際上第三個星載雙天線幹涉雷達，同時也是迄今對地球進行成像觀測的電磁波頻率最高的雷達。

天宮二號高度計自2016年9月22日首次開機以來，設備工作狀態良好，性能穩定，先後經歷了在軌測試階段和拓展試驗階段。在軌測試結果表明所有工程指標和儀器性能指標均達到或超過任務要求，觀測刈幅超過了35公裡，在沒有搭載用於溼大氣路徑時延校正的微波輻射計的條件下，利用大氣數值模型進行路徑試驗估計，使海平面相對測高精度達到8.2釐米，在定軌精度為分米量級的情況下絕對測高精度達到21釐米，海面風速測量精度約1.65米/秒，波向測量精度優於15度。

天宮二號高度計實現了多方面的技術突破和創新：

在總體技術方面，在國際上首次試驗驗證了採用小入射角和短基線幹涉測量技術以及新型高度跟蹤技術實現寬刈幅海平面高度釐米級測量精度的工作機理，並在國際上首次獲得了三維海面形態觀測結果；在高相干雷達系統的設計、仿真、研製技術以及高精度信號處理技術方面，雷達系統的幹涉相位測量精度達到0.02度。所研製的高度跟蹤器和自動增益控制算法實現了全球海陸觀測的自動切換和自適應跟蹤與控制。

在單項技術方面，在國際上首次星載應用Ku 波段超過100W 大功率脈衝固態功放；憑藉Ku 波段高增益波導縫隙陣天線技術，實現了一體化設計，加工和焊接的單體電尺寸達到國內最大；推動實現了高保相成像算法、高精度定位算法以及高精度幹涉基線校正方法等信號處理方法和算法。


圖2

 天宮二號高度計與歐空局ASCAT風速反演精度散點圖對比。對比的誤差範圍用黑色直線標出。色標圖中的數字代表入射角。


圖3至圖9

給出了天宮二號成像高度計所觀測到的部分典型的海洋現象以及陸表水體和沙漠的觀測結果。

圖3

某海域的海面觀測結果。上圖：幅度圖像，下圖：三維海面。幅度圖像清楚反演了海浪的信息，而三維圖像更加清楚地反映了湧浪的信息。三維海面原始的空間解析度約為100m，可經多視處理成公裡量級以消除海浪對海面測高的影響，得到釐米級精度的海平面高度。


圖4

某海域的內波和海面溢油（上）、孤立波（左下）以及淺海地形調製現象（右下）的觀測結果。結果表明，在小入射角情況下，內波和孤立波以及淺海地形對海面後向散射的調製仍可得到清楚地反映。

圖5

 菲律賓東的多個處於不同生長期的雨團：有的處於快速生長期，有的處於成熟期，有的處於消亡期。由於小入射角觀測的特點，雨團的後向散射係數隨入射角的變化不再敏感，同時後向散射係數一般都大於10dB。雨團空洞區域的後向散射係數比其它區域的後向散射係數一般低10-20dB。雨團是一種在熱帶和亞熱帶海域經常出現的反映大氣與海洋相互作用過程的現象。通過對雨團的觀測，有助於對海面強降雨形成機制的研究。


圖6

黃海海域不同大小船隻的尾跡觀測結果。四種船隻尾跡，即開爾文、窄V、內波、湍流尾跡均在此場景中觀察到。尤其是所觀察到的窄V 和內波尾跡與理論模型高度一致。船隻尾跡不僅在後向散射係數較弱的背景（低風速區）中，而且在後向散射係數較強的高風速區均能得到反映。說明在小入射角情況下，尾跡對海面粗糙度的調製作用仍可清楚地反映到後向散射係數的變化中。


圖7

 上圖是武漢地區長江以及多個湖泊的成像結果。下圖是將天宮二號高度計的幅度圖像和三維高程圖像與谷歌光學圖像（上圖）融合後的偽彩色圖像。對比光學圖像，融合後的圖像中水體的顏色更加鮮明，地表信息更加豐富。


圖8

江蘇如東沿海海岸帶的天宮二號高度計圖像與哨兵1號光學圖像的對比。天宮二號高度計圖像中的水體呈現強散射，所反映的海岸帶層次更加豐富。（圖片來源：Google Earth）


圖9

上圖是澳大利亞Great Victoria 沙漠的成像結果：下圖是將天宮二號高度計的幅度圖像和三維高程圖像與谷歌光學圖像（上圖）融合後的偽彩色圖像。對比光學圖像，融合後的圖像沙漠紋理更加清晰，特徵更加鮮明。


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文章來源：國家空間科學中心 

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