１９８ 测绘第３５卷第５期２０１２年ｌＯ月 卫星雷达高度计近海波形重构算法进展研究 刘博 甘薇薇 袁宏才 （１．７８１ ３８部队，四川Ｉ成都６１ ００３６；２．四川省气候中心，四川成都６１ ００７２） ［摘要］目前，制约卫星雷达高度计继续发展的一个主要问题是近海海域数据精度较低，并且大范围不可用。 在现有的科技条件下，解决该问题的有效方法是波形重构。本文首先介绍了卫星雷达高度计回波波形形成原理 接着对几种用于近海的经典波形重构算法以及几种改进算法做了综述。 ［关键词］卫星雷达高度计；波形重构；波形数据处理；回波波形 ［中图分类号］Ｐ２２８ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１６７４—５０１９（２０１２）０５—０１９８—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｒａｄａｒ Ａｌｔｉｍｅｔｅｒ Ｗａｖｅｆｏｒｍ Ｒｅｔｒａｃｋｉｎｇ ｏｖｅｒ Ｃｏａｓｔａｌ Ｓｅａ ＬＩＵＢｏ ＧＡＮ Ｗｅｉ—ｗｅｉ ＹＵＡＮＨｏｎｇ－ｃａｉ １ 引言 卫星雷达高度计（以下简称高度计）是一种主 动式微波测量仪，具有独特的全天候、长时间历程、 观测面积大、观测精度高、时间准同步、信息量大 的能力和特点 。目前，高度计已进入全球业务化阶 段，而高度计数据在海洋大地水准面、海洋重力异 常、海面波高、海面风速、南极大陆冰盖等的研究 中发挥了重要的作用。 量得到海面回波波形。 如图１所示，脉冲以球面波形式向下传播， 时 刻到达海面，在海面目标区形成一个斑点；然后脉冲 逐渐与海面接触，斑点也逐渐扩大成圆形，并且圆形 的面积也随着时问的增长而不断增大，到 时刻圆形 的面积达到最大；接着，圆形变成一个内环和外环都 不断变化的圆环，且圆环的面积与 时刻圆形的面积 相等。圆环扩张的过程持续到环状区域到达天线波束 所限定的边缘。与这一过程相对应，回波波形可以分 为三部分：０～ 时刻为波形的热噪声； ～ 时刻 为波形的上升沿；在 时刻之后，为波形的下降沿 。 现阶段，高度计在远海海域的探测精度达到２～ ３ｃｍ。但是，在近海海域，高度计的数据精度较低， 主要原因是卫星星下点足迹与陆地的距离、陆地的 地形以及形态复杂多变的海岸线使高度计回波波形 变形 。在现在的科技条件下，近海高度计数据质 量较差这一问题已成为制约高度计进一步发展的关 键问题。因此，欧美多个国家都为解决这一问题展 开了多项研究 。目前，最有效的解决方法是对高度 计回波波形数据进行波形重构。所谓波形重构 是指 重新确定回波波形上升沿中点的位置，并通过与波 ／ ／ ＼ ，一 Ｉ＿’Ｉ Ｉ一． ， Ｔｃ ＋ Ｔａ ● ■ ＇ ， 形预设门比较，计算出波形重构改正量，用于改善 近海海面高度数据的质量。本文主要对几种用于近 海的经典波形重构算法以及几种改进算法作一简单 的综述。 间 ２高度计回波波形 高度计通常由发射机、接收机、时间系统和数 据采集系统组成。主要工作原理是：发射机垂直向 下发射一定脉冲重复频率的压缩脉冲，经过海面反 射后，脉冲信号被接收机接收，测量出发射脉冲与 返回脉冲的时间差，记录随时间变化的海面反射能 从回波波形中可以计算出三个观测物理量： （１）卫星到海面的距离，通过波形上升沿中点 对应的采样时间求得； 图１脉冲与回波波形 测绘第３５卷第５期２０１２年１Ｏ月 （２）有效波高，通过波形上升沿斜率求得； （３）海面风速，通过回波波形强度求得。 ３波形重构算法 经典的波形重构算法主要分为两类：一类是基 于模型的数学拟合算法，包括海洋算法、 参数算 法、ＩＣＥ一２算法、ｓ／ｖ算法等 ；另一类是不基于 模型的统计算法，包括重心偏离算法（ＯＣＯＧ，Ｏｆｆｓｅｔ Ｃｅｎｔｒｅ ｏｆ Ｇｒａｖｉｔｙ）、阈值算法等 卜 。两类算法各 有优劣，前者的优点是计算精度高，但是由于基于 模型需要进行迭代，计算时间较长；而后者计算更 加灵活，计算速度快，但是精度较前者低。在这两 类算法的基础上，国内外学者又对波形重构算法进 行了大量研究，提出了多种改进算法。 ３．Ｉ数学拟合算法 在数学拟合算法中，目前常用于近海的算法是 海洋算法和 参数算法。这两种算法所采用的数学 模型都是Ｂｒｏｗｎ模型 。该模型于１９７７年由Ｂｒｏｗｎ 提出，他将高度计回波的卷积模型进一步简化为一 个数学解析表达式，为高度计数据进行定量化计算 打下了基础。１９８０年，Ｈａｙｎｅ 进一步简化了Ｂｒｏｗｎ 模型，成为现在最常使用的高度计海面回波模型。 数学拟合算法的优点是计算结果精度较高，缺 点是计算时间较长，回波波形要符合模型定义的波 形，收敛程度和计算速度受波形形状、参数初始值 等因素的影响严重，有很大的局限性。 ３．２统计算法 ＯＣＯＧ算法和阈值算法是统计算法中最典型的代 表，虽然最初提出时的研究对象都不是近海的回波 波形，但随着研究的深入，其使用范围在逐渐拓宽。 它们的优点是波形重构点的估计受噪声和回波实际 形状的影响较小，适应性较强，不需要迭代，计算 速度快，缺点是精度较差，不基于物理模型，缺乏 原理性解释和性能方面的详细分析。 ３．３改进算法 在算法的改进方面，最重要的改进之处在于将 一个近海高度计回波波形分解为多个子波形，并分 别对每个子波形进行波形重构，从中找到最准确的 改正量。这类改进算法的代表有：多前缘多阈值算 法、基于波形分类和子波形的波形重构算法等。 多前缘多阈值算法 的思路是首先进行波前缘 识别与判定，然后根据识别结果将一个波形分成若 干个子波形，对每一个子波形使用阈值算法计算出 多个改正量，得到多个海面高度值，最后根据与 ＥＧＭ９６一ＧＧＭ０２一Ｃ重力场模型计算的参考海面高度的 比较结果确定最终的海面高度值。 杨乐“ 提出的基于波形分类和子波形的波形重 构算法的计算步骤是首先将回波波形分类，再对不 同波形采用不同的波形重构算法计算改正量。在波 形分析方面，杨乐将波形分为三类：典型海洋回波 波形、具有海面信息的复杂波形和不含有海面信息 的波形。计算时，对第一类波形使用海洋算法计算； 对第二类波形首先提取子波形，再用海洋算法计算； 对于第三类波形，认为是无效数据，可以直接删除。 通过实际反演试验证实，以上两种算法在进行 子波形的提取后，使波形数据的使用率大大增加， 也使波形重构后的数据精度大大提高。 在有关海洋算法的改进方面，刘博等 提出了 海洋算法的改进算法——波形重构的Ｔｉｋｈｏｎｏｖ正则 化算法，主要针对海洋算法采用最小二乘法在计算 过程中可能出现解不唯一及计算不稳定现象。该算 法最主要的改进之处在于克服了海洋算法计算的不 适定性问题，提高了计算成功率和准确率。经过仿 真实验证明，该算法具有较高的计算精度。 除此之外，Ｄｅｎｇ等ｕ刨提出了一个近海波形重构 系统，并使用ＥＲＳ－２卫星波形数据在澳大利亚周围 海域进行了试验。试验结果表明，该系统在距离海 岸线３０ｋｍ的范围内对海面高度有很好的修正效果， 尤其是距离海岸线５ｋｍ范围内海面高度值的精度有 了很大程度的提高。该系统主要由以下几部分构成： 波形数据编辑、波形分类、波形重构、计算距离改 正量、订正距离改正量和计算海面高度值。其中波 形重构算法采用的是参数算法和阈值算法，在阈值 水平的选取方面分为四种：一是混合阈值水平，取 全部波形功率的平均值的５０％；二是当星下点位于离 海岸线０￣５ｋｍ的范围内时，取平均波形最大功率的 ３０％：三是当星下点位于离海岸线的距离大于５ｋｍ时， 取平均波形最大功率的５０％；四是变化阈值水平，它 是根据反射面的情况确定。 ４结语 本文主要对应用于近海海域的多种波形重构算 法进行了简要的综述，可以看出，目前波形重构算 法已日趋成熟，并且取得了令人满意的成果，有效 改善了近海高度计数据的质量。随着研究的继续深 入，相信近海高度计数据的精度和使用率会越来越 高，为人类研究海洋做出更多的贡献。 参考文献 ［１］何宜军，陈戈，郭佩芳，等．高度计海洋遥感研究与应 用［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２． ［２］Ｂｒｏｏｋｓ Ｒ Ｌ，Ｌｏｃｋｗｏｏｄ Ｄ Ｗ，Ｈａｎｃｏｃｋ Ｉｌｌ Ｄ Ｗ．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｉＳ１ａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｇｅｏｓａｔ ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ［ ．］．Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ． Ｒｅｓ．。１９９０，９５（Ｃ３）：２８４９—２８５５． ［３］Ｄｅｎｇ Ｘ，Ｆｅａｔｈｅｒｓｔｏｎｅ Ｗ Ｅ， Ｃ，ｅｔ ａ１．Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｆ Ｓ一２ ａｎｄ Ｐ０ｓＥＩＤ（］Ｎ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｒａｄａｒ ａｌｔｉｍｅｔｒｙ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏａｓｔｓ ｏｆ Ａｕｓｔｒａｌｉａ［Ｊ］．Ｍａｒｉｎｅ Ｃ￣ａｏｄｅｓｙ，２００２，２５（１）：２４ｃ卜２７１． ［４］Ｇｏｍｅｚ—Ｅｎｒｉ Ｊ，Ｃｉｐｏｌｌｉｎｉ Ｐ，Ｇｏｍｍｅｎｇｉｎｇｅｒ Ｃ，ｅｔ ａ１． ＣＯＡＳＴＡＬＴ：Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｒａｄａｒ ａｌｔｉｍｅｔｒｙ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｏｃｅａｎｉｃ ｃｏａｓｔａｌ ａｒｅａ［Ｒ］．２００８． ［５］Ｄａｖｉｓ Ｃ Ｈ．Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｒｅｅｎｌａｎｄ ｉｃｅ ｓｈｅｅｔ：ａ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ａｌｔｉｍｅｔｅｒ ｒｅｔｒａｃｋｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ，１９９５，３３（５）：ｌ１０８—１１ｌ６． ［６］王广运，王海瑛，许国昌．卫星测高原理［Ｍ］．北京：科 学出版社，１９９５． ［７］Ｃａｌｌａｈａｎ Ｐ Ｓ，Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ Ｅ．Ｒｅｔｒａｃｋｉｎｇ ｏｆ Ｊａｓｏｎ－１ ｄａｔａ［Ｊ］．Ｍａｒ．Ｇｅｏｄ．，２００４，２７（３－４）：３９１－４０７． ［８］Ｍａｒｔｉｎ Ｔ Ｖ，Ｚｗａｌｌｙ Ｈ Ｊ，Ｂｒｅｎｎｅｒ Ａ Ｃ，ｅｔ ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｒｅｔｒａｃｋｉｎｇ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ ｉｃｅ ｓｈｅｅｔ ｒａｄａｒ ａｌｔｉｍｅｔｅｒ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９８３，８８（Ｃ３）：１６０８－１６１６． ［９］Ｌｅｇｒｅｓｙ Ｂ，Ｒｅｍｙ Ｆ．Ｓｕｒｆａｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａｎｔａｒｃｔｉｃ ｉｃｅ ｓｈｅｅｔ ａｎｄ ａｌｔｉｍｅｔｒｉｃ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｌａｃｉｏｌｏｇｙ，１９９７，４３（１４４）：２６５—２７５． ［ｉ０］Ｄａｖｉｓ Ｃ Ｈ．Ａ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｖｏｌｕｍｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｒｅｔｒａｃｋｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｉｃｅ ｓｈｅｅｔ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ａｌｔｉｍｅｔｒｙ． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ，１９９３，３１（４）：８１ｌ一８１８． ［ＩＩ］Ｗｉｎｇｈａｍ Ｄ Ｊ，Ｒａｐｌｅｙ Ｃ Ｇ，Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ Ｈ．Ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ ｓａｔｅｌ１ｉｒｅ ａｌｔｉｍｅｔｅｒ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｒｍ［Ｃ］． ＩＧＡＲＳＳ，１９８６，ｌ：１８５—１９０． ［１２］Ｄａｖｉｓ Ｃ Ｈ．Ａ ｒｏｂｕｓｔ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｒｅｔｒａｃｋｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｃｅ—ｓｈｅｅｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｅ ｆｒｏｍ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｒａｄａｒ ａｌｔｉｍｅｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ，１９９７，３５（４）：９７４—９７９． 测绘第３５卷第５期２０１２年１０月 ［１３］Ｂｒｏｗｎ Ｇ Ｓ．Ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｉｍｐｕｌｓｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ａ ｒｏｕｇｈ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，１９７７，２５（Ｉ）：６７—７４． ［１４］Ｈａｙｎｅ Ｇ Ｓ．Ｒａｄａｒ ａｌｔｉｍｅｔｅｒ ｍｅａｎ ｒｅｔｕｒｎ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｆｒｏｍ ｎｅａｒ—ｎｏｒｍａｌ—ｉｎｃｉｄｅｎｃ ｏｃｅａｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，１９８０， ２８（５）：６８７—６９２． ［１５］常晓涛，李建成，郭金运，等．一种多前缘多阈值的波 形重构算法［Ｊ］．地球物理学报，２００６，４９（６）： １６２９—１６３４． ［１６］杨乐．卫星雷达高度计在中国近海及高海况下遥感反 演算法研究［Ｄ］．南京：南京理工大学，２００９． ［１７］Ｌｉｕ Ｂｏ，Ｈｕａｎｇ Ｓｉｘｕｎ，Ｗｕ Ｚｈａｎｐｉｎｇ，ｅｔ ａ１．Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｒａｄａｒ ａｌｔｉｍｅｔｅｒ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｒｅｔｒａｃｋｉｎｇ ｗｉｔｈ ｒｅｇｕｌｒａｉｚａｔｉｏｎ ｅｍｔｈｏｄ［Ｃ］．ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２０１１，７：４７—５０． ［１８］Ｄｅｎｇ Ｘ，Ｆｅａｔｈｅｒｓｔｏｎｅ Ｗ Ｅ．Ａ ｃｏａｓｔａｌ ｒｅｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓａｔｅｌ１ｉｔｅ ｒａｄａｒ ａｌｔｉｍｅｔｅｒ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ： Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ＥＲＳ一２ ａｒｏｕｎｄ Ａｕｓｔｒａｌｉａ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００６，Ｉｌ１（Ｃ０６０１２）：１—１６． ［收稿日期］２０１２－０５－０５ ［作者简介］刘博（１９８５一），男，硕士，主要从事卫星资料反 演与应用研究。 ［基金项目］国家自然科学基金资助项目（编号：４０７７５０２３）