一种提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法

摘要

本发明公开了一种提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法。本发明中星载雷达高度计实时接收卫星平台传送的星下点位置与轨迹方向更新信息，并结合陆海地图判断高度计是否经过海陆切换点，还未到切换点时所述高度计保持原工作状态；当从海面进入陆地时，高度计经过回波跟踪状态确认进入陆地后切换到陆地工作模式；当从陆地进入海洋时，高度计提前进入高精度回波搜索模式。通过合理规划在陆海转换区域的工作模式，大幅提高高度计的搜索效率、减少搜索时间，抑制了陆地回波对海洋回波的干扰，大幅提高了星载雷达高度计的近海岸观测能力。

权利要求

1.一种提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法，其特征在于，包含以下过程：步骤1卫星平台通过双区乒乓操作方式存储并更新陆海地图信息；

步骤2星载雷达高度计实时接收卫星平台传送的星下点位置与轨迹方向更新信息，并结合陆海地图提前判断高度计是否经过海陆切换点；所述星下点为判别窗W的中心，且星下点轨迹方向与判别窗W的轨迹方向一致；

判断高度计是否经过海陆切换点的具体方法如下：

S1、设定星载雷达高度计处于陆海转换区域时的等效窄波束足迹大小为L1×L2，其中L1为顺轨向尺寸，L2为交轨向尺寸；

S2、设定沿卫星轨迹方向，判别窗W依次包含四个子窗W_L0、W_M1、W_M0以及W_E0，每个子窗的尺寸与等效窄波束足迹相同；

S3、统计每个子窗内的陆、海区域的比例，分别表示为P_W_L0、P_W_M1、P_W_M0和P_W_E0；根据各子窗的陆、海区域比例所满足的切换条件判断高度计是否经过海陆切换点；

步骤3星载雷达高度计根据判断的切换点类型提前切换到相应的工作模式。

2.如权利要求1所述提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法，其特征在于，海陆地图信息存储区包含第一存储区和第二存储区，星载雷达高度计在轨利用第一存储区地图信息进行切换点判断时，第二存储区地图信息进行更新；所述海陆地图信息按照设定的时间周期或任务规划进行更新。

3.如权利要求1所述提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法，其特征在于，以从海洋进入陆地时的切换点为第一切换点，从陆地进入海洋的切换点为第二切换点，所述海陆切换点包含第一切换点和第二切换点。

4.如权利要求1所述提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法，其特征在于，当各子窗的陆、海区域比例P_W_L0、P_W_M1、P_W_M0及P_W_E0满足公式1所示切换条件，星载雷达高度计从陆地进入海洋，经过第二切换点；所述公式1为：所述高度计在进入海岸线前提前开启高精度搜索模式，当通过回波数据特征判定高度计在海洋上方，则进入跟踪模式。

5.如权利要求1所述提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法，其特征在于，当各子窗的陆、海区域比例P_W_L0、P_W_M1、P_W_M0及P_W_E0满足公式2所示切换条件，星载雷达高度计从海洋进入陆地，经过第一切换点；所述公式2为：所述高度计切换到陆地工作模式。

6.如权利要求1所述提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法，其特征在于，当各子窗的陆、海区域比例P_W_L0、P_W_M1、P_W_M0及P_W_E0满足公式3所示条件，星载雷达高度计尚未到达换点；所述公式3为：所述高度计保持原工作状态。

7.如权利要求4所述提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法，其特征在于，所述提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法适用于合成孔径体制的星载雷达高度计，所述高度计在轨搜索、跟踪过程中均采用合成孔径方式。

8.如权利要求4所述提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法，其特征在于，星载雷达高度计在精搜索模式下的探测脉冲采用簇发簇收方式，簇周期为12.5ms，每个簇内设定

64个探测脉冲。

9.如权利要求4所述提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法，其特征在于，星载雷达高度计在精搜索模式下，采用50ms处理周期获取一组等效窄波束回波数据，当连续4个

50ms处理周期的回波均能确认高度计在海洋上方，则进入跟踪模式。

说明书

一种提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法

技术领域

[0001] 本发明属于星载雷达高度计技术领域，具体涉及一种提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法。

背景技术

[0002] 星载雷达高度计是一种重要的主动式微波遥感设备，通过对海洋的探测和数据反演，可以获取丰富的海面特征信息，广泛应用于海洋地球物理学、海洋动力学、海洋气候与环境监测等方面的研究。传统的星载雷达高度计一般采用全去斜技术和底视探测的方法。在陆海转换区域(近海岸区域)，星载雷达高度计的探测内既有海洋回波，又有陆地回波，这种情况下存在陆地回波对海洋回波的污染，造成高度计在近海岸区域探测数据失效，形成探测盲区。星载雷达高度计在近海岸探测足迹如图1示意图，图2为星载雷达高度计在近海岸回波功率示意图。

[0003] 在星载雷达高度计系统设计上一般采用两种方法提高对近海岸区域、冰区等陆海转换区域的探测能力。第一种方法通过提高星载雷达高度计的探测频段以减小地面探测足迹大小；当天线口径为1.2m时，Ka频段和Ku频段星载雷达高度计实孔径足迹大小如表格1所示。从表格1可以得出星载雷达高度计Ka频段实孔径足迹大小为Ku频段的40％左右，所以Ka频段高度计近海区域探测能力要优于Ku频段。

[0004] 表格1 Ka/Ku频段星载雷达高度计足迹对比

[0005]

[0006] 第二种方法将合成孔径技术应用在星载雷达高度计中，在卫星平台的运动过程中对某一目标进行多次独立观测，并进行相干处理，即使用小尺寸宽波束天线，经过孔径合成后等效为大尺寸窄波束天线，从而得以提高方位分辨率并缩小星载雷达高度计波束足迹。通过图3与图5、图4与图6对比传统星载雷达高度计与合成孔径高度计探测足迹；其中，图3为传统星载雷达高度计探测足迹示意图，图4为其对应俯视图；图5为合成孔径高度计探测足迹示意图，图6为其对应俯视图。图5和图6采用合成孔径高度计在顺轨向能够达到百米量级分辨率，但在交轨向分辨率仍比较低，通过在合成孔径高度计上采用干涉的方法(即InSAR模式)，能提高交轨向分辨率，可以有效提高星载雷达高度计对近海岸区域、冰区等陆海转换区域的探测能力。

[0007] 以上两种方法虽然能有效提高星载雷达高度计对陆海转换区域的探测能力，但受高度计在轨回波跟踪策略及搜索时间等因素影响，近海岸观测能力较弱。目前在轨运行的星载雷达高度计采用实孔径闭环跟踪模式，造成其搜索效率较低，不适用于陆海交换区域的观测应用。星载雷达高度计在轨实孔径闭环跟踪模式下，由于测量足迹远大于合成孔径足迹，在陆海转换区域会造成陆地回波污染海洋回波，甚至造成高度计距离跟踪失锁等极端情况。

发明内容

[0008] 为了解决星载雷达高度计在陆海转换区域观测能力弱的问题，本发明提供了一种提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法，根据陆海地图信息判断海陆切换点，准确调整星载雷达高度计在陆海转换区域的工作模式，以提高合成孔径星载雷达高度计在近海岸的观测能力。

[0009] 本发明提供的提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法，包含以下过程：

[0010] 步骤1卫星平台通过双区乒乓操作方式存储并更新陆海地图信息；

[0011] 步骤2星载雷达高度计实时接收卫星平台传送的星下点位置与轨迹方向更新信息，并结合陆海地图提前判断高度计是否经过海陆切换点；

[0012] 步骤3星载雷达高度计根据判断的切换点类型提前切换到相应的工作模式。

[0013] 优选地，海陆地图信息存储区包含第一存储区和第二存储区，星载雷达高度计在轨利用第一存储区地图信息进行切换点判断时，第二存储区地图信息进行更新；所述海陆地图信息按照设定的时间周期或任务规划进行更新。

[0014] 优选地，以从海洋进入陆地时的切换点为第一切换点，从陆地进入海洋的切换点为第二切换点，所述海陆切换点包含第一切换点和第二切换点。

[0015] 优选地，所述星下点为判别窗W的中心，且星下点轨迹方向与判别窗W的轨迹方向一致；判断高度计是否经过海陆切换点的具体方法如下：

[0016] S1、设定星载雷达高度计处于陆海转换区域时的等效窄波束足迹大小为L1×L2，其中L1为顺轨向尺寸，L2为交轨向尺寸；

[0017] S2、设定沿卫星轨迹方向，判别窗W依次包含四个子窗W_L0、W_M1、W_M0以及W_E0，每个子窗的尺寸与等效窄波束足迹相同；

[0018] S3、统计每个子窗内的陆、海区域的比例，分别表示为P_W_L0、P_W_M1、P_W_M0和P_W_E0；根据各子窗的陆、海区域比例所满足的切换条件判断高度计是否经过海陆切换点。

[0019] 优选地，当各子窗的陆、海区域比例P_W_L0、P_W_M1、P_W_M0及P_W_E0满足公式1所示切换条件，星载雷达高度计从陆地进入海洋，经过第二切换点；所述公式1为：

[0020]

[0021] 所述高度计在进入海岸线前提前开启高精度搜索模式，当通过回波数据特征判定高度计在海洋上方，则进入跟踪模式。

[0022] 优选地，当各子窗的陆、海区域比例P_W_L0、P_W_M1、P_W_M0及P_W_E0满足公式2所示切换条件，星载雷达高度计从海洋进入陆地，经过第二切换点；所述公式2为：

[0023]

[0024] 所述高度计切换到陆地工作模式。

[0025] 优选地，当各子窗的陆、海区域比例P_W_L0、P_W_M1、P_W_M0及P_W_E0满足公式3所示条件，星载雷达高度计尚未到达换点；所述公式3为：

[0026]

[0027] 所述高度计保持原工作状态。

[0028] 优选地，所述提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法适用于合成孔径体制的星载雷达高度计，所述高度计在轨搜索、跟踪过程中均采用合成孔径方式。

[0029] 优选地，星载雷达高度计的探测脉冲采用簇发簇收方式，簇周期为12.5ms，每个簇内设定64个探测脉冲。

[0030] 优选地，星载雷达高度计在精搜索模式下，采用50ms处理周期获取一组等效窄波束回波数据，当连续4个50ms处理周期的回波均能确认高度计在海洋上方，则进入跟踪模式。

[0031] 本发明提供的提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法包含陆海地图存储及更新、陆海切换点判断以及星载雷达高度计在陆海转换区域工作模式的规划等内容。与同类在轨运行的星载雷达高度计相比，本发明所述提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法通过提前判断陆海切换点，合理规划所述高度计在陆海转换区域的工作模式，大幅提高所述高度计的搜索效率、减少搜索时间，抑制了陆地回波对海洋回波的干扰，大幅提高了星载雷达高度计的近海岸观测能力。

附图说明

[0032] 图1为星载雷达高度计在近海岸探测足迹示意图；

[0033] 图2为星载雷达高度计在近海岸回波功率示意图；

[0034] 图3为传统星载雷达高度计探测足迹示意图，图4为其对应俯视图；

[0035] 图5为合成孔径高度计探测足迹示意图，图6为其对应俯视图；

[0036] 图7为本发明所述提高星载雷达高度计近海岸观测能力方法流程图；

[0037] 图8为陆海转换区域切换点判别准则示意图；

[0038] 图9为星载雷达高度计的精搜索流程图；

[0039] 图10为星载雷达高度计发射和接收脉冲簇示意图；

[0040] 图11为星载雷达高度计工作时序及等效波束示意图；

[0041] 图12为星载雷达高度计陆海转换区域捕获海面回波过程示意图；

[0042] 图13为Ka频段星载雷达高度计由陆地进入海洋工作时序；

[0043] 图14为Ka频段星载雷达高度计精搜索模式信号处理流程如图。

具体实施方式

[0044] 下面结合附图及实施例，对本发明进行详细描述。

[0045] 本发明提供的提高星载雷达高度计近海岸观测能力的方法包含陆海地图存储及更新、陆海切换点判断，及星载雷达高度计在陆海转换区域工作模式规划。图7为本发明所述提高星载雷达高度计近海岸观测能力方法流程图。如图7所示，星载雷达高度计实时接收卫星平台传送的星下点位置与轨迹方向更新信息，结合陆海地图判断高度计是否经过海陆切换点，还未到切换点时所述高度计保持原工作状态(合成孔径测高状态)；当从海面进入陆地时，高度计经过回波跟踪状态确认进入陆地后切换到陆地工作模式；当从陆地进入海洋时，高度计提前进入高精度回波搜索模式。

[0046] 1)陆海地图存储及更新

[0047] 陆海地图轨迹按照0.5'，对应的轨迹时间按0.1s，子周期内共有约0.15×109点。9
按照0.5'网格划分地球可分为约1.87×10 点。地图存储采用双区(如第一存储区、第二存储区)乒乓操作的方式。在轨利用第一存储区地图进行判别切换点时，第二存储区地图数据可更新，陆海地图可以按照固定时间周期或任务规划进行更新。

[0048] 2)陆海转换切换点判断

[0049] 高度计实时接收卫星平台传送的星下点位置与轨迹方向更新信息，结合陆海地图提前获取高度计是否经过海陆切换点。以从海洋进入陆地时的切换点为第一切换点，从陆地进入海洋的切换点为第二切换点，所述海陆切换点包含第一切换点和第二切换点。当高度计处于陆海转换区域时，卫星飞行轨迹及高度计探测足迹如图8所示，合成孔径处理后，高度计的等效窄波束足迹大小为L1×L2(顺轨向×交轨向)。

[0050] 设定由W_L0、W_M1、W_M0以及W_E0组成判别窗W，如图8所示。每个子窗的尺寸与等效波束足迹相同，窗W的中心为星下点，窗的方向与星下点运动方向一致。统计每个子窗内的陆、海区域的比例，分别为P_W_L0、P_W_M1、P_W_M0和P_W_E0。如果各个子窗内的陆、海区域比例满足公式1所示切换条件，则认为高度计从陆地进入海洋，经过第二切换点。所述公式1表达式为：

[0051]

[0052] 如果各个子窗内的陆、海区域比例满足公式2所示切换条件，则认为高度计从海洋进入陆地，经过第一切换点。所述公式2表达式为：

[0053]

[0054] 如果各个子窗内的陆、海区域比例满足公式3所示条件，则认为高度计尚未到达切换点。所述公式3表达式为：

[0055]

[0056] 3)星载雷达高度计在陆海转换区域工作模式

[0057] 星载雷达高度计在陆海转换区域有三种情况：从海洋进入陆地、从陆地进入海洋和未到达陆海切换点。当高度计未到达陆海切换点时，保持原工作状态；当高度计从海洋进入陆地，且满足相应的切换条件时，则切换到陆地工作模式；当高度计从陆地进入海洋时，其能否实现快速搜索和跟踪是提升高度计在近海岸探测效率的关键。

[0058] 当卫星从陆地进入海洋时，高度计闭环搜索时间决定了高度计对陆海转换区域的探测效率。当高度计从陆地进入海洋前开启高精度搜索模式，并保持精搜索状态直至捕获到海面回波，进入跟踪模式，精搜索流程如图9所示。

[0059] 本发明所述提高星载雷达高度计近海岸观测能力方法适用于合成孔径体制的星载雷达高度计中，高度计在轨搜索、跟踪过程中均采用合成孔径方式。探测脉冲采用簇发簇收的方式，簇周期为12.5ms，每个簇内暂定64个探测脉冲。发射和接收脉冲簇如图10所示。

[0060] 精搜索模式下，合成孔径工作时序及等效波束如图11所示，采用50ms处理周期(即积累4个簇，积累脉冲数为256个)获取一组等效窄波束回波数据，通过回波数据特征判断高度计是否处于海洋上方。

[0061] 星载雷达高度计陆海转换区域捕获海面回波过程如图12所示，当连续4个50ms内的回波数据均能确认在海洋上方，则进入跟踪模式，因此。当卫星速度为7.4km/s时，50ms内高度计底视探测足迹移动了370m，当高度计从陆地进入海洋上空，需要连续在4个50ms探测周期内实现海洋回波捕获，则0.2s内高度计底视探测足迹移动了约1.5km。相比同类星载雷达高度计，如Altika高度计闭环搜索时间2.8s，CryoSat高度计搜索时间0.4s～0.7s，本发明方法能在0.2s内实现海面回波捕获，有效提高星载雷达高度计近海岸观测能力。

[0062] 从陆地进入海洋时，高度计进入海岸线前2km左右开启高精度搜索模式，精搜索时序下调频带宽80MHz，对应的搜索距离范围240m(搜索范围满足全球海平面最高+76m，最低‑112m的极值分布)。以Ka频段高度计为例，由陆地进入海洋工作时序设计如图13所示，脉冲簇内采用合成孔径处理，采用50ms为处理周期(即包含4个簇周期)，簇间多视不做延时补偿。Ka频段星载雷达高度计精搜索模式信号处理流程如图14所示。

[0063] 搜索时间设计为0.2s，当高度计由陆地进入海洋时，对应海面足迹距离1.5km，即高度计在陆地2km外海面上有充足时间进入跟踪模式。与同类在轨运行的星载雷达高度计相比，本发明所述高度计近海岸探测方法能抑制陆地回波对海面回波的干扰，减少搜索时间，大幅提高星载雷达高度计的近海岸观测能力。

[0064] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。