干涉雷达高度计定标检验进展

周兴华杨 磊徐永生朱 琳

(1.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061;2.山东科技大学 海洋工程技术学院,山东 青岛266590;3.中国科学院 海洋研究所,山东 青岛266071;4.山东科技大学 测绘科学与技术学院,山东 青岛266590)

经历30余a的发展,卫星测高获得的海面动力学资料已成为物理海洋学、大地测量学等学科的重要基石[1-2]。至今全球已发射了数十颗不同系列高度计卫星,从早期的SEASAT[3]、Geosat[4]到现在的Jason-3[5]、Sentinel3[6]等,数据观测精度从最初的米级提高到现在的3 cm 左右[2],2011年和2017年我国分别发射的HY-2A 和HY-2B高度计卫星使我国具备了卫星海洋动力观测的业务化能力,HY-2A/B 全球测高资料在国际测高领域发挥了重要的作用[7-12]。由于不同系列卫星高度计的测量偏差各有差异,同一颗卫星高度计的测量偏差也可能随仪器老化等原因而产生漂移,这就需要开展持续性的定标检验工作[13-15]。

定标检验(Calibration Validation)是监测卫星高度计测量数据偏差和系统漂移的基本手段,是保障业务化卫星资料精度和质量长期一致性和连续性的关键[16-18]。定标检验通常是利用地面实测真值评估卫星测量的精度和质量,地面实测真值通常又包含:1)具有参考椭球基准的验潮站[19];2)GNSS浮标[20-23];3)有源定标器[24-26];4)全球验潮站网、海底压力传感器、Argo网[27-30]①LEGEAIS J F.Validation of altimeter data by comparison with in-situ T/S argo profiles,2012.等。上述地面实测数据中以统一基准的验潮站和GNSS浮标使用最为广泛,而有源定标器等方法的应用研究偏少[13]。

目前国外主要的定标场:美国NASA 运行的Harvest石油平台定标场[31-33]、法国CNES运行的Corsica定标场[6,34-38]、希腊克里特理工大学运行的Crete定标场[39-45]、澳大利亚塔斯马尼亚大学负责的Bass海峡定标场[46-48]。中国建设的卫星高度计定标站点有千里岩定标场[49-52]和珠海万山综合定标场等[13,53-55]。这些定标场最长的观测近30余a,为传统雷达高度计提供服务,对于探测卫星测高偏差,统一卫星测高数据基准发挥了重要作用[16]。

传统高度计的噪声水平被限定在100 km 以上的空间分辨率[56-57],为了以更高的分辨率观测海洋现象,美国NASA 和法国CNES于2009年正式提出SWOT 干涉雷达高度计计划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.,经过10余a的论证和发展,SWOT 计划于2022年发射[58]。该卫星将利用干涉雷达测量技术,获得120 km 宽度刈幅的海面高度信息,使高度计观测中尺度、亚中尺度海洋现象成为可能,对于进一步研究海洋和全球气候变化的互相作用具有重大意义[59]。同时该卫星还将观测高分辨率的陆地水表面高度,对研究气候变化和全球陆地水分布、储量变化的相互作用意义重大[60]。然而目前现有的定标检验技术均服务于传统星下点高度计,其点对点式的定标方法很难适用于具有百余公里宽度刈幅的干涉雷达高度计[61]。如何利用地面实测资料实现干涉雷达高度计的定标检验已经成为国内外学者所关注的重点问题之一[59,62]。因此,NASA 研制了AirSWOT 机载干涉雷达高度计系统,并进行了相关定标检验试验[63-64],开发了SWOT simulator模拟程序以及SWOT OSSE定标检验模拟系统[61,65-66]③GAULTIER L,UBELMANN C,FU L L.SWOT simulator documentation,2017.,进行SWOT 短波分量的定标检验模拟工作;我国也开展了相应的预研工作,其中“天宫”二号搭载全球首个成像雷达高度计获取了高分辨率的宽刈幅海面高度[67],我国也开展了机载干涉雷达高度计飞行试验,对卫星载荷原型进行了性能检验和评估[62,68]。

1 SWOT定标检验技术

图1 SWOT 干涉卫星高度计工作原理以及误差波数谱需求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 主要载荷包括Ka波段的雷达干涉计(KaRIN),它可以通过干涉测量方式获取海洋和陆地水的二维高度信息,此外还有一个传统的剖面高度计载荷用于星下点测量,在这种测量模式下,SWOT 可以覆盖宽20～120 km、平行于基线方向的范围,其网格像素大小在10～70 m 范围,在垂直于基线方向可以获得高达2.5 m 的理论分辨率④DANIEL E F.SWOT project mission performance and error budget revision A:JPL D-79084,2017.(图1)。在7.5 km×7.5 km的范围内,通过滤波可以使SWOT噪声水平降低到2cm2/(cycle·km-1),而Jason系列的噪声水平约为100 cm2/(cycle·km-1)[69],因此SWOT 对海洋信号的分辨能力与传统高度计比较提高一个数量级,其对海洋信号的目标分辨率高达15 km[65]。针对SWOT二维海面高度特征以及全新的科学目标,其定标检验也有别于传统高度计,例如传统高度计的定标检验目的主要为获取测高偏差,并以均值和均方根误差的形式进行评估,而SWOT 的定标检验开创性地将高度计误差分解为波数谱的形式[69],并设定2个目标:大地测量检验和海洋学定标检验。其中大地测量检验主要评估SSH(Sea Surface Height)是否满足SWOT 波数谱的科学需求,主要可用的设备包括GNSS和LiDAR;海洋学检验主要是评估SWOT 满足既定科学目标的能力,如亚中尺度海洋信号的探测等,可用的现场测量设备有温盐潜标、Glider、海洋上层剖面仪等⑤⑥FU L L.Ocean in-situ Cal Val,2018.。此外SWOT 还观测陆地水域,因此其定标检验也在河流湖泊开展,目前国外已经利用机载干涉雷达高度计和GNSS浮毯、无人船、LiDAR 等开展了河流观测和定标检验⑦⑧FROIDEVAL L,LAIGNEL B,PICOT N.Cal Val LiDAR,2018.。

1.1 海洋长波信号定标

结合SWOT 的科学目标,其海洋领域的定标检验需在15～1000 km 波长范围内开展,其中短波部分(15～120 km)需使用现场观测资料进行定标检验,而长波部分(120～1000 km)则使用SWOT 携带的Jason型传统高度计[59,70]。研究表明,Jason级的传统高度计在大于100 km 波长范围海洋信号强于噪声,在SWOT 刈幅宽度120 km 处的信噪比为5,具备在长波部分评估SWOT 的条件[59],但Jason系列高度计无法识别小于70 km 波长的海洋信号[71](图2)。Wang等详细研究了SWOT 传统高度计评估干涉雷达高度计长波信号的能力,考虑了SWOT 误差与沿轨距离的相关性,选择刈幅的内边缘(距离星下点最近)和中间线(仪器噪声最小)分别与传统高度计比较波数谱,通过模拟实验证明传统高度计可评估最短为120 km 波长的SWOT 数据[70],因此仅波长小于120 km 的海洋信号需要通过现场观测进行检验。

图2 Jason-2和Jason-1串联任务观测的波数谱以及SWOT 传统高度计对干涉高度计长波信号的定标波长概率分布函数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 海洋短波信号检验

SWOT 设计的主要科学目标之一为通过海面地形观测海洋亚中尺度现象,因此SWOT 短波部分的定标检验非常重要[61,66]。由于SWOT 携带的传统高度计可在长波部分对SSH 进行评估,故地面观测主要用于SWOT 短波部分(15～120 km)的定标检验。为了开展短波信号的定标检验,SWOT 设计了总计90d、重访周期1 d的快速Cal/Val飞行轨道,和传统高度计比较,该设计可大大提高时间分辨率,提高地面固定定标场的定标检验效率[69]。短波信号的定标检验同样采用波数谱的形式,可利用的定标检验数据包括机载LiDAR、机载干涉高度计和海上实测资料等。目前除了机载数据,尚无海面现场观测资料可以提供15～120 km 波长的可靠波数谱,通过现场观测资料评估SWOT 短波信号是一项具有挑战性的工作[69]。Wang等研究了利用固定站位Glider、温盐锚系定标检验SWOT 短波信号的可行性,为使现场观测资料能满足15 km波长的信号解析能力,站位空间间隔至少为7.5 km,为满足150 km 的最大波长信号解析能力,需沿着SWOT 轨迹布设20个观测站位[61]。Wang等结合传统高度计解析长波信号的能力修改了短波信号的上限波长为120 km[70],因此现场站位数可降低为16个。此外,NASA 关于GNSS浮标用于SWOT 短波定标检验的可行性正在评估之中[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.。然而成像雷达高度计获得的直接海面高度信息为相对于参考椭球的SSH,如与Glider/温盐锚系结果比较,需要转化成动力高度SLA,因此定标结果中将包含大地水准面误差。目前大地水准面在短波分量的误差尚难以确定[72-73],所以在实际的海洋定标过程中可能产生由大地水准面误差引起的潜在问题。

图3 SWOT 和现场设备模拟的波数谱误差[61]Fig.3 Simulated wavenumber spectra of SWOT and field facilities[61]

因机载干涉雷达高度计存在显著的wave-bunching效应,机载LiDAR 将替代AirSWOT 进行SWOT短波信号的定标检验[74]。美国Scripps海洋研究所开发了一套MASS(Modular Aerial Sensing System)系统,主要携带机载地形测量LiDAR、视频、红外高光谱成像仪等设备,可以直接观测SSH、海浪谱和海流等参数[74]。因为海洋表面真实值难以确定,所以MASS选择不变的地面目标且与海洋波动类似的沙丘进行了系统噪声检验,结果如图4所示,MASS的噪声水平在传统高度计之下,符合SWOT 需求。然而MASS尚未在海洋领域获得可靠的结论,主要原因是缺少海上实测资料支持15～120 km 的准确波数谱观测,相关研究仍在进行之中。

图4 MASS在沙漠中观测的高度波数谱和SWOT 目标误差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河流定标检验

SWOT 陆地水观测的科学目标为直接观测地表水面高度,并进一步获得水储量、流量、洪水动力等参数,陆地水观测的误差分配(error budget)包含高度误差、坡度误差和水分类误差,SWOT设计的陆地水表面高度测量目标为1 km2面积平均后的误差不大于10 cm,坡度测量目标为10 km 长度误差不大于1 cm/km,对面积大于250 m2的水体或者宽度大于100 m 的河流识别误差小于15%。和传统高度计比较SWOT 可以观测不低于70 m 分辨率的二维陆地水文信息,通过观测水面坡度可估计得到水流速度、流量等信息,对于研究水文动力学意义重大[75-78]。

图5 AirSWOT 河流测量实验区域及WSE观测的定标检验结果[63]Fig.5 Location of the Tanana River study by AirSWOT,and the Cal/Val results from the WSE measurement[63]

为验证SWOT 所设定的科学目标能否实现,美国科学家利用AirSWOT 干涉雷达高度计进行了大量的河流观测定标检验试验[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 河流定标检验地点之一是美国阿拉斯加州的Tanana河,通过机载干涉雷达高度计得到了河流的水面高度(Water Surface Elevation,WSE)和水面坡度两个参数,地面验证数据采用船载测绘型GPS和河底压力计。该试验结果表明,AirSWOT观测到的WSE误差均方根为9.0 cm(1 km 平均),坡度均方根误差为1.0 cm/km(10 km 长度),符合SWOT 科学目标的精度需求,因此未来可使用AirSWOT 开展SWOT 陆地水域的现场定标检验工作[63]。此外,AirSWOT 在美国俄勒冈州的Willamette河也开展了定标检验试验,其WSE误差均方根为11.6 cm,坡度误差均方根为3.2 cm/km[64],与文献[63]有所不同,高出SWOT 的目标误差值,这也表明SWOT 的地面定标检验仍旧存在挑战和不确定性。

2 中国干涉雷达高度计定标检验技术

目前我国多家机构也计划研制干涉雷达高度计,其中“观澜”卫星是一颗由青岛海洋科学与技术试点国家实验室牵头研发的干涉雷达高度计卫星,除干涉雷达高度计外,“观澜”还计划搭载激光雷达进行海洋的剖面观测,“观澜”干涉雷达高度计的主要科学目标与SWOT 类似,也是海洋中尺度和亚中尺度海洋信号的观测[79]。但“观澜”干涉雷达高度计设计参数与SWOT 略有不同,其设计的刈幅宽度为166.4 km,观测信息的像素大小为5 km,设定的目标是识别10 km 尺度的亚中尺度海洋信息。为了验证“观澜”干涉雷达高度计的概念设计,目前已开展机载海洋观测进行定标试验[62]。

2.1 机载系统定标检验

机载干涉雷达高度计系统(Airborne Interferometric Radar Altimeter System,AIRAS)设计波段为Ka波段,刈幅覆盖范围为1 km(3000 m 高度,1°～15°入射角),预期测量精度为3.4 cm。2019年3月自然资源部第一海洋研究所等在青岛小麦岛海域进行了机载观测和现场定标检验试验,现场观测设备为2套同类型的GNSS测高浮标,同时搜集了小麦岛海洋观测站采集的验潮、气象、波浪等资料,通过GNSS静态测量和水准测量,统一了小麦岛验潮站和机载资料的参考基准面。如何利用有限的GNSS浮标对机载干涉雷达高度计的二维海面高度数据进行评估是一项前人所未涉及的研究,由于GNSS仅提供固定点位的SSH 时间序列(1 Hz),而机载干涉雷达高度计则测量二维SSH(原始分辨率0.3 m),因此无法使用直接比较的办法进行误差分析。对此,提出一种适用于GNSS浮标评估二维海面高度的方法,对于时空域中波浪引起的海平面高程(Wind-induced Sea Surface Elevation,WSSE)的均匀场,假定以下3个陈述正确[62]:

1)如果被测WSSE的时间序列足够长,则在域内任何位置测得的WSSE的方差都相同;

2)如果被测WSSE的面积足够大,则域内随时测量的WSSE的方差相同;

3)如果条件1)和2)为真,则波浪引起的WSSE在空间和时间上是均匀的场,并且1)和2)的方差相等。

进而通过功率密度谱分析可以得到空间域的波数谱和时间域的频率谱,通过积分可以获得海洋波动信号方差,GNSS浮标和机载数据的在时空域的积分方差差异可视为二者的总体差异。然而时空域的波数谱采用了不同的数学单位,因此无法直接分析误差在单独的空间域或者时间域的分布特征。为此,Yang等[62]提出一种时空谱统一方法,通过频散关系和方差守恒关系可以得到:

式中:f为频率;k为波数;S和Q分别为时间域和空间域的能量密度函数。

通过上述转换关系可统一GNSS浮标一维时间频率谱和机载干涉雷达高度计二维空间波数谱,使之在同样的坐标单位下进行比较。结果表明,机载干涉雷达高度计和GNSS浮标的方差差异小于8 cm2,对应约2.8 cm 的标准偏差,二者波数谱的相关性大于0.9,表明二者在频率域的方差分布具有很高的一致性。

图6 机机载干涉雷达高度计和GNSS浮标统一后风浪引起的海面高度波数谱比较[64]Fig.6 Unified VPSin frequency domain of Wind-induced Sea Surface Elevation measured by AIRAS and GNSS buoys[64]

2.2 卫星定标检验计划

我国“观澜”干涉雷达高度计设计的定标方案同SWOT 相似,同样采用波数谱的方式进行误差评估。目前我国在西太平洋、印度洋、南海等海域布设了温盐潜标,这些已有的设施可为我国相关卫星的定标检验提供潜在的数据支持,卫星发射后的定标检验计划还包括布设GNSS 浮标阵列、PIES(Pressure-sensorequipped Inverted Echo Sounders)阵列,以及在南海石油平台安装GNSS、验潮仪定标设备等[79]。

图7 “观澜”任务的定标示意图[79]Fig.7 A schematic illustration of calibration/validation facility for the′Guanlan′mission[79]

3 其他方法

除现场观测和机载激光测量方法,SWOT 二维海面高度的误差评估还可以采用交叉谱分析方法[80]。由于SWOT 的观测数据误差源多样(如地球物理误差、仪器误差等),并且测量误差和距离向的长度相关,如何定量分离各项误差成为一项挑战性的研究。Ubelmann等研究表明利用交叉谱分析可以探测雷达距离向的绝大多数误差并给出能量密度谱,对于天线滚动误差、相位误差、基线膨胀误差具有非常高的精度[80]。由于SWOT 的误差评估采用的波数谱的策略,因此交叉谱误差分析的方法对于SWOT 的定标检验具有一定的适用性。此外,该方法还可用于SWOT 数据去噪及计算误差协方差等方面,对于SWOT 网格数据产品的制作有一定价值。交叉定标也是SWOT 干涉雷达高度计数据定标检验的方法之一[81-82],Dibarboure等研究表明利用经验交叉定标方法可以探测并显著降低SWOT 天线的姿态误差,例如由天线基线长度误差和翻滚误差带来的最大可为70 cm 的误差通过交叉定标可降低为2 cm[82]。

4 挑战和展望

SWOT 及其同类型干涉雷达高度计的科学目标之一是通过二维海面高度的观测来解析海洋中尺度和亚中尺度信号,因此设定的目标分辨率为10～15 km,较传统高度计高出一个数量级。干涉雷达高度计通过InSAR 技术进行海面高观测,与传统高度计测量方式不同,其测量方式和科学目标使得定标检验具有一定的挑战性,且尚无成熟经验可以借鉴。其主要挑战可简述为以下几方面:1)卫星干涉雷达高度计观测亚中尺度海洋信号本身即一项具有挑战性的工作,实现此目标应首先将干涉雷达高度计仪器噪声水平控制在约2 cm2/(cycle·km),较现在传统雷达高度计的噪声水平需提高2个数量级,因此对仪器硬件噪声控制以及数据滤波算法都提出了很高要求,特别是在利用机载干涉雷达高度计标定卫星数据时,机载资料的噪声水平不应高于卫星的噪声水平,同理对浮标、PIES等现场设备也存在噪声水平的控制问题;2)干涉雷达高度计定标的主要目标之一是获得噪声误差谱,分析其在不同尺度(特别是亚中尺度)的误差水平,平均海平面模型(MSS)或者大地水准面模型(Geoid)是海洋动力信号提取的重要参考基准,MSS包含了大地水准面高度和稳态海面地形(Mean Dynamic Topography,MDT)高度,MSS是海面高度异常(SLA)的参考基准,大地水准面是绝对动力高度(Absolute Dynamic Topography,ADT)的参考基准[83],目前常用的MSS模型为多年测高平均模型(如DTU MSS 2018),大地水准面模型为理论模型EGM2008等,其中多年测高数据平均得到的MSS模型忽略了可能存在的亚中尺度的季节性变化,其引入的误差可能对分离较弱的亚中尺度海洋信号带来干扰,进而影响误差谱分析,因此解决MSS基准模型在亚中尺度波段的精度评估和优化格外重要[72]。

本文对SWOT 发展至今10余年内的国外定标检验工作和研究成果进行了总结分析,并对我国相关的同类型干涉雷达高度计的机载定标检验工作做了阐述。由于SWOT 和我国的同类卫星都尚未发射,目前绝大部分工作都是基于理论模拟数据开展,在真实海洋中的相关机载定标检验工作依旧缺乏。目前美国NASA/JPL证实AirSWOT 尚不具备海洋亚中尺度信号的定标检验能力,而转为采用机载激光测高系统MASS,这也给我国的相关机载试验带来启示,需尽早开展机载干涉雷达高度计的海洋观测性能分析,并对海洋干涉雷达高度计数据处理算法进行优化设计,论证是否可以满足相关要求。SWOT 和我国同类卫星的科学目标之一还包括陆地水域测高,因此陆地水域的定标检验也是重要工作之一。陆地河、湖、湿地等资源是宝贵的自然资源,通过新型干涉雷达高度计观测其水位、储量和流量意义重大,我国在开展海洋领域定标检验研究同时,建议同步考虑陆地水域的测高定标研究工作。

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