全相参X波段雷达海浪、海流反演理论基础研究

Doppler shifts of X-band coherent radar echoes backscattered from ocean surface can be evaluated utilizing the cross-correlation technology. Because the Doppler shifts are closely related to the motions of the oceanic waves, X-band coherent radar will have wide application prospect in remote sensing monitoring of sea surface currents and sea waves. In this project, the spectral properties of the X-band coherent radar echoes from ocean surface at grazing angles are investigated on the basis of the electromagnetic scattering theory, the back projection algorithm and the spectrum analysis method. Several influence factors of the Doppler spectra are emphatically analyzed such as the polarization modes, the spatial resolution, sea surface wind, and sea surface current. Meanwhile, the physical mechanisms of the Doppler shift noises induced by the decorrelation of scattering fields are thoroughly discussed, and a method for suppressing these noises will be established by the maximum likelihood estimation theory. Thus, we can obtain the radar PPI of the Doppler velocities using the experimental data collected by X-band coherent radar. Based on the obtained Doppler velocity's PPI, in this project, we also develop an algorithm for retrieval of ocean waves and sea surface currents by fast Fourier transform in combination with the modulation transfer function (MTF) of orbit velocity. From the comparisons between the retrieval results and the on-site data collected by buoy, the dependences of the retrieval accuracy on the polarization modes, the spatial resolution, and the radar sample frequency are discussed in detail. The research contents in this project are of more than purely academic interest, with direct applications to the design and analysis of X-band coherent radar.

将不同时刻全相参X波段雷达海面散射场进行互相关处理即可得到回波多普勒频移，该频移信息与海浪运动密切相关，致使全相参X波段雷达在海浪、海流等的遥感监测中具有广泛应用前景。 本项目结合海面电磁散射理论、反投影成像技术及谱分析方法，研究掠射时海面各分辨单元全相参X波段雷达回波的频谱特性，着重分析极化方式、空间分辨率、海面风场及海面流场等因素对回波频谱特性的影响，同时深入研究去相关效应与频移噪声的关系以及该噪声的抑制技术，并基于估计理论建立海面各空间分辨单元多普勒速度的精确提取方法，进而得到多普勒速度的雷达PPI图像；在此基础上，借助二维海浪轨道速度传递函数和傅立叶变换，研究二维海洋波面、海浪方向谱及海面流场等海洋环境参量的关键反演技术，并建立反演算法；通过将反演结果与现场数据相比较，分析雷达极化模式、空间分辨率、数据采样频率等对反演精度的影响，初步为我国全相参X波段探海雷达的设计提供理论参考。

与传统X波段海洋雷达相比，相参X波段雷达既可以观测海面回波强度信息，也可以获得回波相位信息和频谱特征。由于相位信息和频谱特征与海浪运动密切相关，致使相参X波段雷达在海浪、海流等的遥感监测中具有广泛应用前景。.在本项目中，为了更好地研究海面回波的频谱特征，首先，基于海面电磁散射小斜率近似方法及考虑斜率影响的二阶KA近似理论分别研究了正弦波、两正弦波叠加水面的频谱特性，建立了理论公式，并解释了高阶谱峰存在的原因及其影响；同时还结合电磁散射的双尺度理论研究了海面散射回波的频移和谱宽性，并深入分析了风速、风向、倾斜调制、流体力学调制等因素对频移和谱宽特性的影响，通过与测量数据及CDOP经验模型的比较，验证了所建频移公式的有效性。在假定海面回波数据满足圆高斯假设的基础上，推导了相参X波段雷达海面回波协方差矩阵元素实部、虚部、相位差等参量的理论分布模型，通过与IP IX雷达实际测量数据比较，发现所建立的模型与测量数据吻合很。另外，项目研究过程中，还分析了相参X波段雷达回波的时间相关特性和频谱特征，对比分析了不同方法所提取短时频谱效果；同时还分析了不同相关函数法、符号相关函数法等相位差提取方法的有效性，在此研究基础上，结合海浪理论，建立了二维海表轮廓、二维海浪方向谱及海浪破碎率的提取方法，并初步对海面流场进行了反演。. 本项目已按照前期计划开展研究，达到了预期研究目标。在本项目执行期间，基于项目研究内容和所得结果在国内外知名学术期刊上发表/论用SCI/EI论文9篇，国家发明专利1项；成稿3篇，参加IGRSS国际会议4人次，PIERS 会议2人次。在该项目研究过程中，培养硕士研究生5名，博士研究生1名；培养青年教师2名。达到了预期目标。