干涉雷達(dá)高度計(jì)定標(biāo)檢驗(yàn)進(jìn)展

周興華楊 磊徐永生朱 琳

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061;2.山東科技大學(xué) 海洋工程技術(shù)學(xué)院,山東 青島266590;3.中國科學(xué)院 海洋研究所,山東 青島266071;4.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島266590)

經(jīng)歷30余a的發(fā)展,衛(wèi)星測高獲得的海面動力學(xué)資料已成為物理海洋學(xué)、大地測量學(xué)等學(xué)科的重要基石[1-2]。至今全球已發(fā)射了數(shù)十顆不同系列高度計(jì)衛(wèi)星,從早期的SEASAT[3]、Geosat[4]到現(xiàn)在的Jason-3[5]、Sentinel3[6]等,數(shù)據(jù)觀測精度從最初的米級提高到現(xiàn)在的3 cm 左右[2],2011年和2017年我國分別發(fā)射的HY-2A 和HY-2B高度計(jì)衛(wèi)星使我國具備了衛(wèi)星海洋動力觀測的業(yè)務(wù)化能力,HY-2A/B 全球測高資料在國際測高領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用[7-12]。由于不同系列衛(wèi)星高度計(jì)的測量偏差各有差異,同一顆衛(wèi)星高度計(jì)的測量偏差也可能隨儀器老化等原因而產(chǎn)生漂移,這就需要開展持續(xù)性的定標(biāo)檢驗(yàn)工作[13-15]。

定標(biāo)檢驗(yàn)(Calibration Validation)是監(jiān)測衛(wèi)星高度計(jì)測量數(shù)據(jù)偏差和系統(tǒng)漂移的基本手段,是保障業(yè)務(wù)化衛(wèi)星資料精度和質(zhì)量長期一致性和連續(xù)性的關(guān)鍵[16-18]。定標(biāo)檢驗(yàn)通常是利用地面實(shí)測真值評估衛(wèi)星測量的精度和質(zhì)量,地面實(shí)測真值通常又包含:1)具有參考橢球基準(zhǔn)的驗(yàn)潮站[19];2)GNSS浮標(biāo)[20-23];3)有源定標(biāo)器[24-26];4)全球驗(yàn)潮站網(wǎng)、海底壓力傳感器、Argo網(wǎng)[27-30]①LEGEAIS J F.Validation of altimeter data by comparison with in-situ T/S argo profiles,2012.等。上述地面實(shí)測數(shù)據(jù)中以統(tǒng)一基準(zhǔn)的驗(yàn)潮站和GNSS浮標(biāo)使用最為廣泛,而有源定標(biāo)器等方法的應(yīng)用研究偏少[13]。

目前國外主要的定標(biāo)場:美國NASA 運(yùn)行的Harvest石油平臺定標(biāo)場[31-33]、法國CNES運(yùn)行的Corsica定標(biāo)場[6,34-38]、希臘克里特理工大學(xué)運(yùn)行的Crete定標(biāo)場[39-45]、澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)負(fù)責(zé)的Bass海峽定標(biāo)場[46-48]。中國建設(shè)的衛(wèi)星高度計(jì)定標(biāo)站點(diǎn)有千里巖定標(biāo)場[49-52]和珠海萬山綜合定標(biāo)場等[13,53-55]。這些定標(biāo)場最長的觀測近30余a,為傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)提供服務(wù),對于探測衛(wèi)星測高偏差,統(tǒng)一衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)基準(zhǔn)發(fā)揮了重要作用[16]。

傳統(tǒng)高度計(jì)的噪聲水平被限定在100 km 以上的空間分辨率[56-57],為了以更高的分辨率觀測海洋現(xiàn)象,美國NASA 和法國CNES于2009年正式提出SWOT 干涉雷達(dá)高度計(jì)計(jì)劃②LEE L F,DOUG L A,ERENSTO R,et al.The SWOT(Surface Water and Ocean Topography)mission:spaceborne radar interferometry for oceanographic and hydrological applications,2009.,經(jīng)過10余a的論證和發(fā)展,SWOT 計(jì)劃于2022年發(fā)射[58]。該衛(wèi)星將利用干涉雷達(dá)測量技術(shù),獲得120 km 寬度刈幅的海面高度信息,使高度計(jì)觀測中尺度、亞中尺度海洋現(xiàn)象成為可能,對于進(jìn)一步研究海洋和全球氣候變化的互相作用具有重大意義[59]。同時該衛(wèi)星還將觀測高分辨率的陸地水表面高度,對研究氣候變化和全球陸地水分布、儲量變化的相互作用意義重大[60]。然而目前現(xiàn)有的定標(biāo)檢驗(yàn)技術(shù)均服務(wù)于傳統(tǒng)星下點(diǎn)高度計(jì),其點(diǎn)對點(diǎn)式的定標(biāo)方法很難適用于具有百余公里寬度刈幅的干涉雷達(dá)高度計(jì)[61]。如何利用地面實(shí)測資料實(shí)現(xiàn)干涉雷達(dá)高度計(jì)的定標(biāo)檢驗(yàn)已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注的重點(diǎn)問題之一[59,62]。因此,NASA 研制了AirSWOT 機(jī)載干涉雷達(dá)高度計(jì)系統(tǒng),并進(jìn)行了相關(guān)定標(biāo)檢驗(yàn)試驗(yàn)[63-64],開發(fā)了SWOT simulator模擬程序以及SWOT OSSE定標(biāo)檢驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)[61,65-66]③GAULTIER L,UBELMANN C,FU L L.SWOT simulator documentation,2017.,進(jìn)行SWOT 短波分量的定標(biāo)檢驗(yàn)?zāi)M工作;我國也開展了相應(yīng)的預(yù)研工作,其中“天宮”二號搭載全球首個成像雷達(dá)高度計(jì)獲取了高分辨率的寬刈幅海面高度[67],我國也開展了機(jī)載干涉雷達(dá)高度計(jì)飛行試驗(yàn),對衛(wèi)星載荷原型進(jìn)行了性能檢驗(yàn)和評估[62,68]。

1 SWOT定標(biāo)檢驗(yàn)技術(shù)

圖1 SWOT 干涉衛(wèi)星高度計(jì)工作原理以及誤差波數(shù)譜需求④DANIEL E F.SWOT project mission performance and error budget revision A:JPL D-79084,2017.Fig.1 Conceptual illustration of the SWOT mission measurement and the sea surface height error spectrum requirement as a function of wavenumber④

SWOT 主要載荷包括Ka波段的雷達(dá)干涉計(jì)(KaRIN),它可以通過干涉測量方式獲取海洋和陸地水的二維高度信息,此外還有一個傳統(tǒng)的剖面高度計(jì)載荷用于星下點(diǎn)測量,在這種測量模式下,SWOT 可以覆蓋寬20～120 km、平行于基線方向的范圍,其網(wǎng)格像素大小在10～70 m 范圍,在垂直于基線方向可以獲得高達(dá)2.5 m 的理論分辨率④DANIEL E F.SWOT project mission performance and error budget revision A:JPL D-79084,2017.(圖1)。在7.5 km×7.5 km的范圍內(nèi),通過濾波可以使SWOT噪聲水平降低到2cm2/(cycle·km-1),而Jason系列的噪聲水平約為100 cm2/(cycle·km-1)[69],因此SWOT 對海洋信號的分辨能力與傳統(tǒng)高度計(jì)比較提高一個數(shù)量級,其對海洋信號的目標(biāo)分辨率高達(dá)15 km[65]。針對SWOT二維海面高度特征以及全新的科學(xué)目標(biāo),其定標(biāo)檢驗(yàn)也有別于傳統(tǒng)高度計(jì),例如傳統(tǒng)高度計(jì)的定標(biāo)檢驗(yàn)?zāi)康闹饕獮楂@取測高偏差,并以均值和均方根誤差的形式進(jìn)行評估,而SWOT 的定標(biāo)檢驗(yàn)開創(chuàng)性地將高度計(jì)誤差分解為波數(shù)譜的形式[69],并設(shè)定2個目標(biāo):大地測量檢驗(yàn)和海洋學(xué)定標(biāo)檢驗(yàn)。其中大地測量檢驗(yàn)主要評估SSH(Sea Surface Height)是否滿足SWOT 波數(shù)譜的科學(xué)需求,主要可用的設(shè)備包括GNSS和LiDAR;海洋學(xué)檢驗(yàn)主要是評估SWOT 滿足既定科學(xué)目標(biāo)的能力,如亞中尺度海洋信號的探測等,可用的現(xiàn)場測量設(shè)備有溫鹽潛標(biāo)、Glider、海洋上層剖面儀等⑤⑥FU L L.Ocean in-situ Cal Val,2018.。此外SWOT 還觀測陸地水域,因此其定標(biāo)檢驗(yàn)也在河流湖泊開展,目前國外已經(jīng)利用機(jī)載干涉雷達(dá)高度計(jì)和GNSS浮毯、無人船、LiDAR 等開展了河流觀測和定標(biāo)檢驗(yàn)⑦⑧FROIDEVAL L,LAIGNEL B,PICOT N.Cal Val LiDAR,2018.。

1.1 海洋長波信號定標(biāo)

結(jié)合SWOT 的科學(xué)目標(biāo),其海洋領(lǐng)域的定標(biāo)檢驗(yàn)需在15～1000 km 波長范圍內(nèi)開展,其中短波部分(15～120 km)需使用現(xiàn)場觀測資料進(jìn)行定標(biāo)檢驗(yàn),而長波部分(120～1000 km)則使用SWOT 攜帶的Jason型傳統(tǒng)高度計(jì)[59,70]。研究表明,Jason級的傳統(tǒng)高度計(jì)在大于100 km 波長范圍海洋信號強(qiáng)于噪聲,在SWOT 刈幅寬度120 km 處的信噪比為5,具備在長波部分評估SWOT 的條件[59],但Jason系列高度計(jì)無法識別小于70 km 波長的海洋信號[71](圖2)。Wang等詳細(xì)研究了SWOT 傳統(tǒng)高度計(jì)評估干涉雷達(dá)高度計(jì)長波信號的能力,考慮了SWOT 誤差與沿軌距離的相關(guān)性,選擇刈幅的內(nèi)邊緣(距離星下點(diǎn)最近)和中間線(儀器噪聲最小)分別與傳統(tǒng)高度計(jì)比較波數(shù)譜,通過模擬實(shí)驗(yàn)證明傳統(tǒng)高度計(jì)可評估最短為120 km 波長的SWOT 數(shù)據(jù)[70],因此僅波長小于120 km 的海洋信號需要通過現(xiàn)場觀測進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖2 Jason-2和Jason-1串聯(lián)任務(wù)觀測的波數(shù)譜以及SWOT 傳統(tǒng)高度計(jì)對干涉高度計(jì)長波信號的定標(biāo)波長概率分布函數(shù)Fig.2 The sea surface height wavenumber spectra of Jason-1 and Jason-2 during the tandem mission and the probability function of the globally sampled nadir scale for SWOT

1.2 海洋短波信號檢驗(yàn)

SWOT 設(shè)計(jì)的主要科學(xué)目標(biāo)之一為通過海面地形觀測海洋亞中尺度現(xiàn)象,因此SWOT 短波部分的定標(biāo)檢驗(yàn)非常重要[61,66]。由于SWOT 攜帶的傳統(tǒng)高度計(jì)可在長波部分對SSH 進(jìn)行評估,故地面觀測主要用于SWOT 短波部分(15～120 km)的定標(biāo)檢驗(yàn)。為了開展短波信號的定標(biāo)檢驗(yàn),SWOT 設(shè)計(jì)了總計(jì)90d、重訪周期1 d的快速Cal/Val飛行軌道,和傳統(tǒng)高度計(jì)比較,該設(shè)計(jì)可大大提高時間分辨率,提高地面固定定標(biāo)場的定標(biāo)檢驗(yàn)效率[69]。短波信號的定標(biāo)檢驗(yàn)同樣采用波數(shù)譜的形式,可利用的定標(biāo)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包括機(jī)載LiDAR、機(jī)載干涉高度計(jì)和海上實(shí)測資料等。目前除了機(jī)載數(shù)據(jù),尚無海面現(xiàn)場觀測資料可以提供15～120 km 波長的可靠波數(shù)譜,通過現(xiàn)場觀測資料評估SWOT 短波信號是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作[69]。Wang等研究了利用固定站位Glider、溫鹽錨系定標(biāo)檢驗(yàn)SWOT 短波信號的可行性,為使現(xiàn)場觀測資料能滿足15 km波長的信號解析能力,站位空間間隔至少為7.5 km,為滿足150 km 的最大波長信號解析能力,需沿著SWOT 軌跡布設(shè)20個觀測站位[61]。Wang等結(jié)合傳統(tǒng)高度計(jì)解析長波信號的能力修改了短波信號的上限波長為120 km[70],因此現(xiàn)場站位數(shù)可降低為16個。此外,NASA 關(guān)于GNSS浮標(biāo)用于SWOT 短波定標(biāo)檢驗(yàn)的可行性正在評估之中[69]⑨HAINES B,DESAI S,MEINIG C,et al.Status,results and plans for development of GPS buoys:potential for SWOT in-situ Cal-Val,2018.。然而成像雷達(dá)高度計(jì)獲得的直接海面高度信息為相對于參考橢球的SSH,如與Glider/溫鹽錨系結(jié)果比較,需要轉(zhuǎn)化成動力高度SLA,因此定標(biāo)結(jié)果中將包含大地水準(zhǔn)面誤差。目前大地水準(zhǔn)面在短波分量的誤差尚難以確定[72-73],所以在實(shí)際的海洋定標(biāo)過程中可能產(chǎn)生由大地水準(zhǔn)面誤差引起的潛在問題。

圖3 SWOT 和現(xiàn)場設(shè)備模擬的波數(shù)譜誤差[61]Fig.3 Simulated wavenumber spectra of SWOT and field facilities[61]

因機(jī)載干涉雷達(dá)高度計(jì)存在顯著的wave-bunching效應(yīng),機(jī)載LiDAR 將替代AirSWOT 進(jìn)行SWOT短波信號的定標(biāo)檢驗(yàn)[74]。美國Scripps海洋研究所開發(fā)了一套MASS(Modular Aerial Sensing System)系統(tǒng),主要攜帶機(jī)載地形測量LiDAR、視頻、紅外高光譜成像儀等設(shè)備,可以直接觀測SSH、海浪譜和海流等參數(shù)[74]。因?yàn)楹Ｑ蟊砻嬲鎸?shí)值難以確定,所以MASS選擇不變的地面目標(biāo)且與海洋波動類似的沙丘進(jìn)行了系統(tǒng)噪聲檢驗(yàn),結(jié)果如圖4所示,MASS的噪聲水平在傳統(tǒng)高度計(jì)之下,符合SWOT 需求。然而MASS尚未在海洋領(lǐng)域獲得可靠的結(jié)論,主要原因是缺少海上實(shí)測資料支持15～120 km 的準(zhǔn)確波數(shù)譜觀測,相關(guān)研究仍在進(jìn)行之中。

圖4 MASS在沙漠中觀測的高度波數(shù)譜和SWOT 目標(biāo)誤差⑩Fig.4 MASS lidar height error spectra obtained over the dunes,with the SWOT ocean requirements and typical nadir altimetry signal levels overlaid⑩ LENAIN L,MELVILLE K,STATOM N,et al.Broad range airborne ocean topography measurements:Modular Aerial Sensing System(MASS)in support of SWOT Calval,2019.

1.3 AirSWOT河流定標(biāo)檢驗(yàn)

SWOT 陸地水觀測的科學(xué)目標(biāo)為直接觀測地表水面高度,并進(jìn)一步獲得水儲量、流量、洪水動力等參數(shù),陸地水觀測的誤差分配(error budget)包含高度誤差、坡度誤差和水分類誤差,SWOT設(shè)計(jì)的陸地水表面高度測量目標(biāo)為1 km2面積平均后的誤差不大于10 cm,坡度測量目標(biāo)為10 km 長度誤差不大于1 cm/km,對面積大于250 m2的水體或者寬度大于100 m 的河流識別誤差小于15%。和傳統(tǒng)高度計(jì)比較SWOT 可以觀測不低于70 m 分辨率的二維陸地水文信息,通過觀測水面坡度可估計(jì)得到水流速度、流量等信息,對于研究水文動力學(xué)意義重大[75-78]。

圖5 AirSWOT 河流測量實(shí)驗(yàn)區(qū)域及WSE觀測的定標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果[63]Fig.5 Location of the Tanana River study by AirSWOT,and the Cal/Val results from the WSE measurement[63]

為驗(yàn)證SWOT 所設(shè)定的科學(xué)目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn),美國科學(xué)家利用AirSWOT 干涉雷達(dá)高度計(jì)進(jìn)行了大量的河流觀測定標(biāo)檢驗(yàn)試驗(yàn)[63-64]⑩LENAIN L,MELVILLE K,STATOM N,et al.Broad range airborne ocean topography measurements:Modular Aerial Sensing System(MASS)in support of SWOT Calval,2019.。AirSWOT 河流定標(biāo)檢驗(yàn)地點(diǎn)之一是美國阿拉斯加州的Tanana河,通過機(jī)載干涉雷達(dá)高度計(jì)得到了河流的水面高度(Water Surface Elevation,WSE)和水面坡度兩個參數(shù),地面驗(yàn)證數(shù)據(jù)采用船載測繪型GPS和河底壓力計(jì)。該試驗(yàn)結(jié)果表明,AirSWOT觀測到的WSE誤差均方根為9.0 cm(1 km 平均),坡度均方根誤差為1.0 cm/km(10 km 長度),符合SWOT 科學(xué)目標(biāo)的精度需求,因此未來可使用AirSWOT 開展SWOT 陸地水域的現(xiàn)場定標(biāo)檢驗(yàn)工作[63]。此外,AirSWOT 在美國俄勒岡州的Willamette河也開展了定標(biāo)檢驗(yàn)試驗(yàn),其WSE誤差均方根為11.6 cm,坡度誤差均方根為3.2 cm/km[64],與文獻(xiàn)[63]有所不同,高出SWOT 的目標(biāo)誤差值,這也表明SWOT 的地面定標(biāo)檢驗(yàn)仍舊存在挑戰(zhàn)和不確定性。

2 中國干涉雷達(dá)高度計(jì)定標(biāo)檢驗(yàn)技術(shù)

目前我國多家機(jī)構(gòu)也計(jì)劃研制干涉雷達(dá)高度計(jì),其中“觀瀾”衛(wèi)星是一顆由青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室牽頭研發(fā)的干涉雷達(dá)高度計(jì)衛(wèi)星,除干涉雷達(dá)高度計(jì)外,“觀瀾”還計(jì)劃搭載激光雷達(dá)進(jìn)行海洋的剖面觀測,“觀瀾”干涉雷達(dá)高度計(jì)的主要科學(xué)目標(biāo)與SWOT 類似,也是海洋中尺度和亞中尺度海洋信號的觀測[79]。但“觀瀾”干涉雷達(dá)高度計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)與SWOT 略有不同,其設(shè)計(jì)的刈幅寬度為166.4 km,觀測信息的像素大小為5 km,設(shè)定的目標(biāo)是識別10 km 尺度的亞中尺度海洋信息。為了驗(yàn)證“觀瀾”干涉雷達(dá)高度計(jì)的概念設(shè)計(jì),目前已開展機(jī)載海洋觀測進(jìn)行定標(biāo)試驗(yàn)[62]。

2.1 機(jī)載系統(tǒng)定標(biāo)檢驗(yàn)

機(jī)載干涉雷達(dá)高度計(jì)系統(tǒng)(Airborne Interferometric Radar Altimeter System,AIRAS)設(shè)計(jì)波段為Ka波段,刈幅覆蓋范圍為1 km(3000 m 高度,1°～15°入射角),預(yù)期測量精度為3.4 cm。2019年3月自然資源部第一海洋研究所等在青島小麥島海域進(jìn)行了機(jī)載觀測和現(xiàn)場定標(biāo)檢驗(yàn)試驗(yàn),現(xiàn)場觀測設(shè)備為2套同類型的GNSS測高浮標(biāo),同時搜集了小麥島海洋觀測站采集的驗(yàn)潮、氣象、波浪等資料,通過GNSS靜態(tài)測量和水準(zhǔn)測量,統(tǒng)一了小麥島驗(yàn)潮站和機(jī)載資料的參考基準(zhǔn)面。如何利用有限的GNSS浮標(biāo)對機(jī)載干涉雷達(dá)高度計(jì)的二維海面高度數(shù)據(jù)進(jìn)行評估是一項(xiàng)前人所未涉及的研究,由于GNSS僅提供固定點(diǎn)位的SSH 時間序列(1 Hz),而機(jī)載干涉雷達(dá)高度計(jì)則測量二維SSH(原始分辨率0.3 m),因此無法使用直接比較的辦法進(jìn)行誤差分析。對此,提出一種適用于GNSS浮標(biāo)評估二維海面高度的方法,對于時空域中波浪引起的海平面高程(Wind-induced Sea Surface Elevation,WSSE)的均勻場,假定以下3個陳述正確[62]:

1)如果被測WSSE的時間序列足夠長,則在域內(nèi)任何位置測得的WSSE的方差都相同;

2)如果被測WSSE的面積足夠大,則域內(nèi)隨時測量的WSSE的方差相同;

3)如果條件1)和2)為真,則波浪引起的WSSE在空間和時間上是均勻的場,并且1)和2)的方差相等。

進(jìn)而通過功率密度譜分析可以得到空間域的波數(shù)譜和時間域的頻率譜,通過積分可以獲得海洋波動信號方差,GNSS浮標(biāo)和機(jī)載數(shù)據(jù)的在時空域的積分方差差異可視為二者的總體差異。然而時空域的波數(shù)譜采用了不同的數(shù)學(xué)單位,因此無法直接分析誤差在單獨(dú)的空間域或者時間域的分布特征。為此,Yang等[62]提出一種時空譜統(tǒng)一方法,通過頻散關(guān)系和方差守恒關(guān)系可以得到:

式中:f為頻率;k為波數(shù);S和Q分別為時間域和空間域的能量密度函數(shù)。

通過上述轉(zhuǎn)換關(guān)系可統(tǒng)一GNSS浮標(biāo)一維時間頻率譜和機(jī)載干涉雷達(dá)高度計(jì)二維空間波數(shù)譜,使之在同樣的坐標(biāo)單位下進(jìn)行比較。結(jié)果表明,機(jī)載干涉雷達(dá)高度計(jì)和GNSS浮標(biāo)的方差差異小于8 cm2,對應(yīng)約2.8 cm 的標(biāo)準(zhǔn)偏差,二者波數(shù)譜的相關(guān)性大于0.9,表明二者在頻率域的方差分布具有很高的一致性。

圖6 機(jī)機(jī)載干涉雷達(dá)高度計(jì)和GNSS浮標(biāo)統(tǒng)一后風(fēng)浪引起的海面高度波數(shù)譜比較[64]Fig.6 Unified VPSin frequency domain of Wind-induced Sea Surface Elevation measured by AIRAS and GNSS buoys[64]

2.2 衛(wèi)星定標(biāo)檢驗(yàn)計(jì)劃

我國“觀瀾”干涉雷達(dá)高度計(jì)設(shè)計(jì)的定標(biāo)方案同SWOT 相似,同樣采用波數(shù)譜的方式進(jìn)行誤差評估。目前我國在西太平洋、印度洋、南海等海域布設(shè)了溫鹽潛標(biāo),這些已有的設(shè)施可為我國相關(guān)衛(wèi)星的定標(biāo)檢驗(yàn)提供潛在的數(shù)據(jù)支持,衛(wèi)星發(fā)射后的定標(biāo)檢驗(yàn)計(jì)劃還包括布設(shè)GNSS 浮標(biāo)陣列、PIES(Pressure-sensorequipped Inverted Echo Sounders)陣列,以及在南海石油平臺安裝GNSS、驗(yàn)潮儀定標(biāo)設(shè)備等[79]。

圖7 “觀瀾”任務(wù)的定標(biāo)示意圖[79]Fig.7 A schematic illustration of calibration/validation facility for the′Guanlan′mission[79]

3 其他方法

除現(xiàn)場觀測和機(jī)載激光測量方法,SWOT 二維海面高度的誤差評估還可以采用交叉譜分析方法[80]。由于SWOT 的觀測數(shù)據(jù)誤差源多樣(如地球物理誤差、儀器誤差等),并且測量誤差和距離向的長度相關(guān),如何定量分離各項(xiàng)誤差成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的研究。Ubelmann等研究表明利用交叉譜分析可以探測雷達(dá)距離向的絕大多數(shù)誤差并給出能量密度譜,對于天線滾動誤差、相位誤差、基線膨脹誤差具有非常高的精度[80]。由于SWOT 的誤差評估采用的波數(shù)譜的策略,因此交叉譜誤差分析的方法對于SWOT 的定標(biāo)檢驗(yàn)具有一定的適用性。此外,該方法還可用于SWOT 數(shù)據(jù)去噪及計(jì)算誤差協(xié)方差等方面,對于SWOT 網(wǎng)格數(shù)據(jù)產(chǎn)品的制作有一定價值。交叉定標(biāo)也是SWOT 干涉雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)定標(biāo)檢驗(yàn)的方法之一[81-82],Dibarboure等研究表明利用經(jīng)驗(yàn)交叉定標(biāo)方法可以探測并顯著降低SWOT 天線的姿態(tài)誤差,例如由天線基線長度誤差和翻滾誤差帶來的最大可為70 cm 的誤差通過交叉定標(biāo)可降低為2 cm[82]。

4 挑戰(zhàn)和展望

SWOT 及其同類型干涉雷達(dá)高度計(jì)的科學(xué)目標(biāo)之一是通過二維海面高度的觀測來解析海洋中尺度和亞中尺度信號,因此設(shè)定的目標(biāo)分辨率為10～15 km,較傳統(tǒng)高度計(jì)高出一個數(shù)量級。干涉雷達(dá)高度計(jì)通過InSAR 技術(shù)進(jìn)行海面高觀測,與傳統(tǒng)高度計(jì)測量方式不同,其測量方式和科學(xué)目標(biāo)使得定標(biāo)檢驗(yàn)具有一定的挑戰(zhàn)性,且尚無成熟經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。其主要挑戰(zhàn)可簡述為以下幾方面:1)衛(wèi)星干涉雷達(dá)高度計(jì)觀測亞中尺度海洋信號本身即一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作,實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)應(yīng)首先將干涉雷達(dá)高度計(jì)儀器噪聲水平控制在約2 cm2/(cycle·km),較現(xiàn)在傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)的噪聲水平需提高2個數(shù)量級,因此對儀器硬件噪聲控制以及數(shù)據(jù)濾波算法都提出了很高要求,特別是在利用機(jī)載干涉雷達(dá)高度計(jì)標(biāo)定衛(wèi)星數(shù)據(jù)時,機(jī)載資料的噪聲水平不應(yīng)高于衛(wèi)星的噪聲水平,同理對浮標(biāo)、PIES等現(xiàn)場設(shè)備也存在噪聲水平的控制問題;2)干涉雷達(dá)高度計(jì)定標(biāo)的主要目標(biāo)之一是獲得噪聲誤差譜,分析其在不同尺度(特別是亞中尺度)的誤差水平,平均海平面模型(MSS)或者大地水準(zhǔn)面模型(Geoid)是海洋動力信號提取的重要參考基準(zhǔn),MSS包含了大地水準(zhǔn)面高度和穩(wěn)態(tài)海面地形(Mean Dynamic Topography,MDT)高度,MSS是海面高度異常(SLA)的參考基準(zhǔn),大地水準(zhǔn)面是絕對動力高度(Absolute Dynamic Topography,ADT)的參考基準(zhǔn)[83],目前常用的MSS模型為多年測高平均模型(如DTU MSS 2018),大地水準(zhǔn)面模型為理論模型EGM2008等,其中多年測高數(shù)據(jù)平均得到的MSS模型忽略了可能存在的亞中尺度的季節(jié)性變化,其引入的誤差可能對分離較弱的亞中尺度海洋信號帶來干擾,進(jìn)而影響誤差譜分析,因此解決MSS基準(zhǔn)模型在亞中尺度波段的精度評估和優(yōu)化格外重要[72]。

本文對SWOT 發(fā)展至今10余年內(nèi)的國外定標(biāo)檢驗(yàn)工作和研究成果進(jìn)行了總結(jié)分析,并對我國相關(guān)的同類型干涉雷達(dá)高度計(jì)的機(jī)載定標(biāo)檢驗(yàn)工作做了闡述。由于SWOT 和我國的同類衛(wèi)星都尚未發(fā)射,目前絕大部分工作都是基于理論模擬數(shù)據(jù)開展,在真實(shí)海洋中的相關(guān)機(jī)載定標(biāo)檢驗(yàn)工作依舊缺乏。目前美國NASA/JPL證實(shí)AirSWOT 尚不具備海洋亞中尺度信號的定標(biāo)檢驗(yàn)?zāi)芰?而轉(zhuǎn)為采用機(jī)載激光測高系統(tǒng)MASS,這也給我國的相關(guān)機(jī)載試驗(yàn)帶來啟示,需盡早開展機(jī)載干涉雷達(dá)高度計(jì)的海洋觀測性能分析,并對海洋干涉雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),論證是否可以滿足相關(guān)要求。SWOT 和我國同類衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一還包括陸地水域測高,因此陸地水域的定標(biāo)檢驗(yàn)也是重要工作之一。陸地河、湖、濕地等資源是寶貴的自然資源,通過新型干涉雷達(dá)高度計(jì)觀測其水位、儲量和流量意義重大,我國在開展海洋領(lǐng)域定標(biāo)檢驗(yàn)研究同時,建議同步考慮陸地水域的測高定標(biāo)研究工作。

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