SWIM：第一个星载波谱仪外文翻译资料

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SWIM：第一个星载波谱仪

Daniegrave;le Hauser, Member, IEEE, Ceacute;line Tison, Thierry Amiot, Lauriane Delaye,
Nathalie Corcoral, and Patrick Castillan

摘要-本文概述了调查和监测表面波的仪器（SWIM），该仪器是中法海洋卫星（CFOSAT）承载的两个有效载荷仪器之一，其计划2018年中期发射。SWIM是一个真实孔径波散射仪，以接近星下点的入射角范围运作，专用于测量海浪的方向谱。SWIM的飞行模型目前正在组装和测试，正在评估其性能和开发其原型数据的处理算法。本文的目的是提供有关该任务的动机和科学要求的完整概述和对SWIM仪器的设计与特性的描述，以及对其在发射之前进行预期性能分析。已经开发了一种端到端仿真器来评估数据产品的质量，从而可以评估仪器的整体性能。用全轨道集中的两个子集进行的仿真表明，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，海洋表面。

Ⅰ.引言

海面风和浪是海洋气象，海洋动力学，海气交换以及海洋资源，海洋污染，全球经济和安全（航海，渔业，海上建筑，港口，旅游业）和沿海环境（沉淀，污染）的关键参数。由于这些参数主导着天气尺度的过程，强烈需要在全球范围内连续监测它们，从而不仅可以实现海洋业务化[1]，而且还可以改进建模并对耦合海洋/大气系统有更好的理解[2]。全球海洋观测系统组织的国际小组已将海况的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）之外，在全球范围内测量海浪参数的可能性非常小。

在此背景下，中法空间机构（分别为CNSA和CNES）已同意共同开发一项创新型任务，称为中法海洋卫星（CFOSAT）。 它旨在同时监测海洋表面的风和海浪以及相关的科学和应用。 CFOSAT旨在满足气象和海洋预报及其相关应用和国际研究目标（风浪相互作用，波浪与水流的相互作用，波浪对海冰的影响，气泡通量和波浪气候）的需求。 CFOSAT还将为科学界提供补充其他卫星任务反演数据的机会，用于估算地表参数（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的创新方面是提供了与海浪相关的更全面的信息（海浪的全方向谱，用于涌浪和混合条件）以及风和浪的同时同地观测。为了实现这些目标，CFOSAT的有效载荷包括两个雷达仪器：表面波调查和监测（SWIM），一个在近星下点入射范围下运作的波散射仪，用于测量表面波的方向谱，以及散射仪（SCAT），一个运作在中等入射下的风散射仪，可以测量海面风矢量。

目前，对于海洋表面波的全球观测能力非常有限。这种观测通常由高度计任务或合成孔径雷达（SAR）任务提供。但雷达高度计任务提供的唯一波参数是总SWH [3]，没有关于主要传播方向或波长的信息。虽然自20世纪90年代以来就实施了高度计产品对数值波预测模型的操作同化（见[4]），但现在认识到，由于缺乏谱信息[5]，这些数据包含的信息对波浪预测的性能影响有限。对于SAR观测，尽管可以处理SAR图像以反演波的方向谱，但是其基于对后向散射信号中的多普勒信息的分析的测量原理将反演到的信息限制为最长波（通常波长超过250米）并且波或多或少会沿与卫星地面轨道垂直的方向行进。这是由于海面散射体的随机运动引起的“方位角截止”效应[6]-[8]。因此，只有在涌浪条件下才能用SAR数据进行反演，海浪谱同化和数值波预测才会实现[8]，[9]。尽管有这些限制，与涌浪相关的波谱信息，包括其明确的传播方向[10]，在监测远离其生成区的涌浪特性时非常有用[11]，不仅可以改善模型的物理参数化[12]，还可以改善涌浪预测的性能[5]，[13]。然而，由于SAR的限制，在许多海况下只能获得很少的波谱信息，甚至不能获得波谱信息：风浪和涌浪的初始阶段，以及与风浪的交叉海域。此外，另一个挑战是提高波传播方向和定向传播的测量精度，以便提高我们对海流，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仪器设计有真实孔径方位角扫描几何结构，没有SAR成像机制的限制。因此，不仅在成熟涌浪条件下，还可以在混合海况和风浪条件下获得与海浪相关的具有高方位角分辨率的波谱信息。与卫星SAR观测相比，SWIM的缺点是只能获得几十公里（大约90公里）的空间分辨率的波谱，而用星载SAR可以获得10到20公里分辨率的波谱信息。

虽然现在在全球范围内对海面风场可以进行很好的监测，但使用具有散射仪，SAR或微波辐射计有效载荷的卫星缺乏对风和波的同时同地的观测。 CFOSAT任务，其两个有效载荷包括波散射仪SWIM和散射仪SCAT将创造新的机会，特别是研究指定区域内的风和波浪的相互作用，或者是改进跟踪大风暴辐射出的波。此外，凭借其多个入射角的配置，SWIM将提供有关短波和长波情况下的海面粗糙度的新信息。

CFOSAT任务运作在海拔519公里的极地轨道。以13天的周期确保在该时间尺度上的方向波谱的全局覆盖（条带特征在第IV部分中描述）。 就SCAT仪器而言，由于使用了更宽的刈幅，全球范围覆盖将在短短三天内实现。该系统将通过两个极地站（法国组成）和三个中纬度站（中国组成）不间断收集和下载数据。极地站（加拿大的Inuvik和瑞典的基律纳）将为该系统提供近实时的传输和处理能力（即在采集后3小时内），以便通过大气或海上作业预报中心实现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提供了对具有两个有效载荷的卫星的艺术视图，这两个有效载荷都是围绕垂直轴扫描的Ku波段仪器（分别在13.6和13.2GHz下工作）。它们的简介如下。

1. 波谱仪SWIM以近星下点的入射角运行，其中六个波束覆盖[0°-10°]入射范围，并在方位角上以锥形进行360°扫描。
2. 风散射仪SCAT使用扇形波束锥形扫描天线以中到大入射角（距星下点26°-46°）范围运行[14]。

本文重点介绍SWIM仪器。其测量理念和科学要求的细节分别在第II节和第III节中提供。在第IV节中，介绍了仪器的主要特性和性能。在第V节中，解释了基于地面的数据处理，示出了模拟方向波谱的一些示例，并且基于观察模拟讨论了检索到的参数的性能。第VI节给出了总结。

II.测量原理

设计SWIM以测量2-D波谱，即波高或波斜率密度谱作为2-D波数矢量k的函数。我们首先回想一下，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Z（u）是表面高程的2-D自相关函数，u是2-D水平向量。

在下文中使用极坐标，将2-D波高谱被标记为E（k，phi;），其中k是波数矢量的模数，并且phi;是波传播的方向。 波斜率谱F（k，phi;）与波高谱相关

F(k，phi;)=E(k，phi;). (2)

波高谱的总能量由SWH Hs表征，写为

=4 (3)

SWIM的理念基于扫描波束真实孔径雷达。它是在20世纪80年代由Jackson等人提出的[15]-[17]，在海浪方向谱的反演方面，无论是机载还是星载配置，都是为了避免SAR成像的局限性。该理念已在各种机载系统上实施和验证，例如由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机载雷达专门用于准备CFOSAT任务[20]，其配置尽可能类似于SWIM（Ku波段，相似的发射范围）。结果表明，这个理念足够成熟，可以转换到卫星上。虽然十五年前就建立了星载仪器的初步设计[21]，但SWIM将是第一个基于这一原理的星载仪器。

用真实孔径方位扫描雷达测量方向海浪波谱的物理原理在[16]-[18]中给出，并在下面回顾，重点放在作为数据处理算法基础的分析方程上。这些原理是通用的，不依赖于平台的类型（飞机或卫星）。 但是，地球物理产品和仪器设计的规范（见第III和IV节）适用于我们选择的带有SWIM仪器的卫星配置。

测量原理依赖于一个事实：在近星下点入射（与星下点差大约8°-10°）的条件下，标准化的雷达散射截面对海面的局部斜率敏感，这与长波的倾斜有关，但是对风产生的小规模粗糙效应不敏感，并且对短波和长波之间的相互作用产生的流体动力学调制也不敏感。

对于天线的每个方位角方向phi;，平均海面上的位置可以由其局部水平坐标x和y定义，其中x是沿天线指向方向的距离，y是沿方位角方向的距离。 基本后向散射截面sigma;由给出，其中A是雷达距离门内包含的面积。 表面长波（长于分辨率单元）的存在产生sigma;的倾斜调制

(4)

如果不存在大规模波，则是平均表面雷达截面。 该横截面仅取决于小尺度粗糙度，对该入射角范围的影响相对较小。

如[16]所示，归一化雷达截面沿波传播方向的分数变化为

(5)

其中是波传播方向上表面的局部斜率。

使用真实孔径雷达，雷达所见横截面的分数调制m（r，phi;）是在波束上横向平均

(6)

其中是天线波束宽度模式，sigma;是后向散射系数，r是径向距离，theta;是入射角，phi;是方位角方向。

极对称斜率谱与调制的谱密度有关

(7)

其中为

(8)

在上面的表达式中，波浪符号表示的变量是在足迹的中心处获得的;是与波束足迹的方位角宽度相关的长度

(9)

其中R是径向距离，是3dB方位角波束宽度。注意，当假设天线增益模式接近高斯，并且 远大于要检测的波长时，（8）有效。在星载配置的情况下，必然满足后一假设。 这里，函数被称为调制传递函数（MTF）。

等式（8）表明，参数与作为入射角函数的的平均趋势有关。假设后向散射是准镜面散射[22]，这种对入射角的依赖性与海面的均方斜率（mss）成反比。海面mss由最短波主导，因此它主要对风速敏感，在风速（或mss）增加时减小。该理论还推测，在低中风速（0-10米/秒）时，对风速的敏感性最大。热带降雨测量任务/降水雷达（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SWH变化，但与对风速的敏感度相比，这只是二阶效应[23]。

在信号波动中没有散斑和热噪声效应的情况下，由于波引起的信号调制的谱密度可以从测量中导出

(10)

其中是针对每个雷达方位角方向确定的，作为信号调制表面上的投影，括号表示整体平均值。

实际上，热噪声和散斑噪声是会影响信号波动的。由于很强信噪比（SNR），通常可以忽略热噪声对信号波动的影响。通过使用比较宽的传输带宽，并通过平均空间中的独立样本（在连续的范围区域上）和时间（时间积分），可以最小化斑点噪声的影响。然而，必须在积分的空间和时域之间以及波谱的波数截止和方位角分辨率的规范之间进行权衡。因此，与长波产生的调制相比，由散斑引起的信号波动不能完全忽略不计，例如在频谱域中，信号调制与表面波斜率调制之间的关系（忽略热噪声的影响）是

(11)

其中是由散斑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)

通过高斯函数近似来假设脉冲形状，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

考虑到对现有星载仪器的突破需求，开发改进数值波模型的必要性以及除了提供有关现场观测所能提供的信息以外还能提供新信息的可能性，建立了对SWIM/CFOSAT任务的科学要求。SWIM的主要规范是为大于约70米的所有波长生成海浪的方向波谱，以便为科学界提供除了在涌浪条件下的相关数据，还能提供风浪和混合海况条件下的相关数据。波长和方向上的分辨率被定为达到（对于波长）或优于（对于方向）波浪浮标测量的分辨率，并且与数字全局波模型中的等效频率和方向分辨率兼容。但是请注意，虽然它对应于标准波模型的波方向分辨率，但是现在从未通过现场测量实现所提出的15°的方向分辨率。波能（或SWH）的精度需要与标准波浪浮标提供的精度相当。对于方向谱所需的空间采样，当使用锥形扫描时，无法达到星载SAR通常使用的5-10km分辨率。由于这些原因，空间分辨率设置为接近全局波模型（大约50-100km）的空间分辨率要求。这样可以将有用的信息用于波模型验证或将数据同化到波浪预测模型中。至于星下点产品，要求类似于目前的卫星高度计任务。

根据这些科学要求，仪器和数据处理旨在提供以下产品和准确度：

1. 星下点测量的风和波参数：
2. SWH误差小于10%或不超过50 cm；
3. 风速精度约为plusmn;2 m/s或10％;
4. 星下点测量的方向波谱；
5. 计算2-D波谱的范围为70km 90km；
6. 探测波长的范围是70m-500m；
7. 对于波谱的最多三个分区，主波长精度为10％;
8. 对于波谱的最多三个分区，主导方向的精度为15°;
9. 对于波谱的最多三个分区，SWH精度优于10％。<!--

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