SWIM：第一个星载波浪散射仪外文翻译资料

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SWIM：第一个星载波浪散射仪

摘要：本文概述了计划将于2018年中期发射的中法海洋学卫星（CFOSAT）携带的两种有效载荷仪器之一的表面波调查和监测（SWIM）仪器。SWIM是一种真实孔径微波散射仪，以接近天底点入射角度运行，专用于测量海浪方向谱。SWIM飞行模型目前正在组装和测试，其性能正在评估中，其标准数据处理算法正在开发中。本文的目的是提供关于该任务的动机和科学要求的全面概述，对SWIM仪器的设计和特性的描述，以及基于发射前研究的预期性能分析。开发了端到端模拟器来评估数据产品的质量，从而评估仪器的整体性能。模拟运行两个完整轨道部分，表明仪器的性能和反演算法将满足任务的科学要求。

关键词——雷达，雷达应用，雷达截面，遥感，卫星应用，海面。

I、引言

海洋表面风浪是影响海洋气象学，海洋动力学，海-气交换以及海洋资源，污染，全球经济和安全（航海，渔业，海洋结构，港口，旅游）和沿海环境（沉淀，污染）的关键参数。由于控制这些参数的过程的天气尺度，需要在全球范围内不断对其进行监测，从而不仅能够实施业务海洋学[1]，而且还能够改进建模并更好地了解海-气耦合系统[2]。全球海洋观测系统组织的国际小组将海洋状态参数确定为可靠气候监测的基本变量。他们还指出，除了有效波高（SWH）以外，在全球范围内测量波浪参数的可能性非常小。

在此背景下，中法空间机构（分别为中国国家航天局和法国国家太空研究中心）已同意共同开发一项创新任务，称为中法海洋学卫星（CFOSAT）。它旨在同时监测海洋表面的风浪和提供相关的科学和应用。CFOSAT旨在满足气象和海洋预报及其相关应用的运行，以及国际研究目标（风浪相互作用，波浪与流的相互作用，波浪对海冰的影响，海气通量和波候）的需求。CFOSAT也将提供给科学界以补充其它卫星所获取的数据（，用于评估陆地表面参数（特别是土壤湿度和粗糙度）以及测量极地冰盖特征。

对于以前或现有的任务，CFOSAT将创新性地提供更全面的与海浪有关的信息（涌浪、风浪和混合状况的全方位波谱），并提供同时同地观测的风场和波浪。为实现这些目标，CFOSAT有效载荷包括两种雷达仪器：表面波研究和监测（SWIM）是一种在接近天底点入射时测量表面波定向谱的波散射仪，以及以中等入射角度运行的风散射仪（SCAT），可以测量海面风向量。

目前，海洋表面波的全球观测值相当有限。它们由高度计或合成孔径雷达（SAR）提供。但是雷达高度计任务提供的唯一波参数是总SWH[3]，没有关于波的主要传播方向或波长的信息。虽然从20世纪90年代开始实施将高度计产品应用到数字波预测模型中（见[4]），但现在认识到，由于缺乏光谱信息[5]，纳入这些数据对波浪预报的效果影响有限。对于SAR观测，尽管可以处理SAR图像以得到波的定向谱，但是基于后向散射信号中多普勒信息的分析的测量原理，将获得的信息限制在最长波（通常波长大于250m）或者或多或少地沿着垂直于卫星地面轨道进行的波。这是由于海面散射体随机运动造成的所谓“方位切断”效应[6]-[8]。因此，SAR数据反演，海浪波谱同化和数值波预测所需的处理步骤的分离只能在涌浪条件下进行。尽管存在这些限制，但与涌浪有关的波谱信息，包括其明确的传播方向[10]，在监测远离生成区域的涌浪属性[11]、改善模式的物理参数化[12]、提升涌浪预报的性能[5]、[13]方面是十分有用的。但是，由于SAR限制，有许多海况下的谱信息很少或无法获得：风浪和涌浪的初始阶段以及风浪交叉的海区。此外，其余挑战之一是提高波传播方向测量的准确性，以提高我们对海流，小岛和冰山等影响的理解和建模。

为了确定海浪的方向谱，SWIM仪器采用了一个真实孔径方位扫描观测系统，而没有SAR成像机制的限制。因此，与海洋波相关的谱信息不仅可以在长时间涌浪的条件下获得，还可以在混合的海洋和风浪环境中以高方位角分辨率获得。与SAR相比，SWIM的缺点是波谱只能获得数十公里的空间分辨率（90公里量级），而不是利用SAR测量获得的10至20公里的空间分辨率。

虽然海洋表面风在全球范围内得到很好的监测，但通过使用具有散射计，SAR或微波辐射计有效载荷的卫星，缺乏对风和波的同时观测和同地观测。CFOSAT任务以及其包括的波浪散射仪SWIM和风散射仪SCAT在内的双重有效载荷，将开辟新的机遇，特别是研究区域尺度上的风和波浪相互作用，或改善对风暴辐射波的跟踪。此外，凭借其多重结构配置，SWIM将为短波和长波情况提供有关海面粗糙度的新信息。

CFOSAT任务使用极地轨道，海拔519公里。为了确保在这个时间尺度上的方向波谱的全球覆盖，选择了一个13天的周期（第四部分描述了条带特征）。在SCAT仪器的情况下，由于使用了更大的条带，将在短短三天内实现全球范围的覆盖。该系统将通过两个极地台站（法国分部）和三个中纬度台站（中国分部）不断收集和下载数据。极地台站（加拿大的伊努维克和瑞典的基律纳）将为该系统提供接近实时（即在获得数据后不到3小时内）的传输和处理能力，以允许大气或海洋业务预报中心实施同化过程和预报程序。两个任务中心（中国和法国）将独立处理来自两个有效载荷的所有数据。 CFOSAT现在计划在2018年中期发射。

图1 艺术家对CFOSAT卫星的看法。SWIM馈电喇叭和天线安装在右侧面板上，SCAT天线安装在底部面板上。接地面板上的其他天线用于TM / TC（X和S波段）。 照片来源：CNES / Gekko。

图1提供了一个艺术家对卫星及其两个有效载荷的看法，这两个有效载荷都是围绕垂直轴进行扫描的Ku波段仪器（分别工作在13.6和13.2 GHz）。 他们如下：

1. 波谱仪SWIM以接近天底点的入射角度工作，其中六个光束覆盖[0°-10°]入射角范围并进行360°锥形扫描。
2. 风散射仪SCAT使用扇形圆锥扫描天线以中等到大的入射角（距天底点26°-46°）运行[14]

本文重点介绍了SWIM仪器。 其测量概念和科学要求的细节分别在第二部分和第三部分。第四部分介绍了该仪器的主要特点和性能。在第五节中，解释了地面基站的数据处理，说明了模拟方向波谱的一些例子，并根据观测模拟讨论了获取参数的性能。第六部分是总结。

II、测量概念

SWIM被设计为测量作为二维波数矢量k的函数的二维波谱，即波高或波斜率密度谱。我们首先记得这个谱被定义为表面位移的瞬时空间自相关的傅里叶变换

(1)

其中是地表高程的二维自相关函数，u是二维水平向量。

在下文中，使用极坐标，并将二维波高谱记录为，其中k是波数矢量的模，而是波传播方向。波浪斜率谱与波高谱有关

(2)

波高谱的总能量由SWH Hs表征，写作

(3)

SWIM的概念是基于扫描光束的实际孔径雷达。由Jackson等人在20世纪80年代提出的[15]-[17]，在海浪定向谱信息的获取方面，为了避免无论是机载还是星载的SAR成像的限制。这个概念已经在各种机载系统上实现和验证，例如Jackson等人开发的Ku波段雷达海浪波谱仪[17]，C波段系统RESSAC [18]和C波段极化系统STORM [19]。最近，Ku波段KuROS机载雷达[20]专门设计用于准备CFOSAT任务，其配置与SWIM（Ku波段，类似发射范围）的配置尽可能相似。结果表明，这个概念已经足够成熟，可以转化为卫星。尽管15年前对航天仪器进行了初步设计[21]，但SWIM将成为首个基于这一原理的星载仪器。用于实际孔径方位扫描雷达测量定向海浪波谱的物理原理在[16] - [18]中给出，并在下文中回顾，重点放在作为数据处理算法基础的分析方程上。这些原理是普遍的，并不取决于平台类型（飞机或卫星）。但是，地球物理产品和仪器设计的规格（在第III和IV节中介绍）适用于我们使用SWIM仪器选择的卫星配置。

测量原理依赖于这样一个事实，即在近地表入射角（距离天底点约8°-10°）时，归一化的雷达截面对海面的局部倾斜敏感，这与长波的倾斜有关，但对风所产生的小尺度粗糙度效应以及由短波与长波之间的相互作用导致的流体动力学调制几乎不敏感。

对于天线的每个方位角方向，平均海面上的位置可以通过其本地水平坐标x和y来定义，其中x是沿着天线指向方向的距离，y是沿着方位角方向的距离。基本后向散射截面由下式给出：，其中A是雷达距离门内包含的区域。表面长波的存在（比分辨单元长）会产生的倾斜调制sigma;由以下公式给出

(4)

其中是不存在大规模波的情况下会出现的平均表面雷达截面。这个横截面只取决于小尺度的粗糙度，对这个入射角范围的影响相对较小。

如[16]所示，沿波传播方向的归一化雷达横截面的部分变化为

(5)

其中是波传播方向上表面的局部斜率。使用实际孔径雷达，雷达所看到的横截面的部分调制的横向平均

(6)

其中是波束方位向天线增益，是后向散射系数，是径向距离，是入射角，是方位角方向。

极坐标斜率谱与调制的谱密度有关

(7)

其中是

(8)

在上述表达式中，波浪符号表示该变量取自卫星轨迹的中心; L_y是与波束轨迹的方位角宽度有关的长度

(9)

其中是径向距离，是3dB方位波束宽度。注意，当假设天线增益图形Gaussian近似时，（8）有效，并且远大于要检测的波长。后者的假设在太空负载配置的情况下必然得到满足。这里，函数称为调制传递函数（MTF）。

方程（8）表明参数与入射角函数的平均趋势有关。假设后向散射为准镜面反射[22]，此时入射角与海面的均方根斜率（mss）成反比。由于海面mss以最短波浪为主，它主要对风速敏感，而随风速（或mss）增加而减小。该理论还预测，对风速的敏感性在低到中等风速（0-10 m / s）时最大。热带降雨测量雷达（TRMM / PR）数据证实了这一趋势[23]。他们还表明，对于给定的风速，随着SWH的变化而变化，但与对风速的灵敏度相比，这仍然是二阶效应。

在信号波动没有散斑和热噪声影响的情况下，由波引起的信号调制的谱密度可以从测量中导出为

(10)

其中针对每个雷达方位角确定投影到信号调制的表面上，并且括号表示集合平均。

实际上，热噪声和斑点噪声（thermal and speckle noise）可能会影响信号波动。由于强大的信噪比（SNR），热噪声对信号波动的影响通常可以忽略不计。可以通过使用宽的传输带宽以及通过平均空间（在连续距离门和时间（时间积分）上的独立样本来最小化散斑噪声的影响。但是，必须在积分的时空域和波谱的截止波数定义（specification of wavenumber cutoff）和方位角分辨率之间权衡。最终，与由长波产生的调制相比，由斑点引起的信号波动可能无法完全忽略，使得在频谱域中，信号调制和表面波斜率调制之间的关系（忽略热噪声的影响）是

(11)

其中是由于斑点引起的信号波动的密度谱，是脉冲响应的密度谱，是狄拉克函数，是信号波动的密度谱

(12)

通过假设脉冲形状近似为高斯函数，可以表示为

(13)

其中与地面投影分辨率有关

(14)

使用相同的假设，散斑密度谱可以表示为

(15)

其中是用于估计信号强度的独立样本的数量。

III、科学要求

同时考虑到现有航天仪器需要取得突破，需要开发改进的波浪数值模型，并有可能为实地测量提供信息，确立了SWIM / CFOSAT任务的科学要求。因此，SWIM的主要规格是为大于约70米的所有波长提供海浪的定向谱，以便为科学界提供不仅与涌浪条件有关的数据，而且还与风浪和混合海况有关的数据。波长和方向的分辨率被指定为（对于波长）波浪浮标测量的数量级或更好（对于方向）的数量级，并且与全球波浪数值模型中的等效频率和方向分辨率兼容。但请注意，提出的15°方向分辨率从未在situ测量中实现过，尽管它对应于标准波模型的波方向分辨率。要求波浪能（或SWH）的准确度与标准波浪浮标所提供的数量级相同。至于定向谱所需的空间采样，当使用圆锥扫描时，通常可用于星载SAR的5-10 km分辨率无法实现。由于这些原因，空间分辨率要求被选择为接近全球波浪模型（大约50-100公里）。因此可以将有用的信息用于波浪模型验证和将数据同化到波浪预测模型中。至于天底点产品，其要求与当前卫星高度计任务的要求相似。

根据这些科学要求，仪器和数据处理的设计旨在提供以下产品和精度：

1. 来自天底点测量的风和波浪参数：
   1. SWH优于10％或50厘米（最大值）;
   2. 风速精度约为plusmn;2 m / s或10％（以最大者为准）;
2. 来自天底点测量的定向波谱：

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   1. 在70公里times;90公里的范围内估计的二维波谱;