Ocean surface velocity measurement method for multibaseline interferometric SAR formation system

doi:10.7523/j.ucas.2024.079

Abstract

Abstract:

The distributed formation synthetic aperture radar （SAR） can achieve ocean surface velocity measurement through along-track interferometry. However， the existence of cross-track baselines introduces phase influences from flat earth effect， ocean wave height， and sea surface height into the interferometric phase， making it challenging to directly retrieve sea surface velocity accurately from the interferometric phase. This paper proposes a method for measuring ocean surface velocity using a multibaseline interferometric SAR formation system. Firstly， considering the characteristics of wave motion and noise distribution in the scene， a joint suppression method for wave height phase， large-scale wave orbital velocity phase， and noise phase based on spatial averaging is proposed， which effectively suppresses these interferometric phases. Then， to address the coupling issue between the radial velocity phase and sea surface height phase， a method for decoupling the radial velocity phase and height phase based on multibaseline is introduced. By introducing another interference pair to improve the degree of freedom in data processing， the effective separation of these two phase terms is achieved through two sets of coupled interference phases， achieving high-precision measurement of radial flow velocity. Finally， the proposed method was validated using the measured data from the Hongtu-1 satellite， and the results proved the effectiveness of the proposed method.

Key words: distributed synthetic aperture radar （SAR）, multibaseline interferometry, along-track interferometric （ATI）, ocean surface velocity measurement, phase decoupling

CLC Number:

P731.21

Yuhong XIE, Mingjie ZHENG, Jili WANG, Hongxiang LI, Kaijiang XU, Chao LUO, Jian LIU. Ocean surface velocity measurement method for multibaseline interferometric SAR formation system[J]. Journal of University of Chinese Academy of Sciences, 2026, 43(5): 623-632.

Figures/Tables 11

Fig.1 Geometric relationship diagram for ocean surface velocity measurement using hybrid-baseline SAR dual-satellite formation

Fig.2 Flowchart of the proposed algorithm

Table 1 System parameter setting

参数	参数值	参数	参数值
载频 $f c$ /GHz	9.6	平台等效地面速度 $V$ /(m/s)	7 100
轨道高度 $H$ /km	520	下视角 $θ$ /(°)	30
干涉对1交轨基线长度 $B X 1$ /m	100	干涉对2交轨基线长度 $B X 2$ /m	100
干涉对1夹角 $α 1$ /(°)	90	干涉对2夹角 $α 2$ /(°)	90
干涉对1顺轨基线长度 $B A 1$ /m	50	干涉对2顺轨基线长度 $B A 2$ /m	50
干涉对1相位误差 $Δ ϕ 1$ /(°)	2	干涉对2相位误差 $Δ ϕ 2$ /(°)	-2

Table 1 System parameter setting

参数	参数值	参数	参数值
载频 $f c$ /GHz	9.6	平台等效地面速度 $V$ /(m/s)	7 100
轨道高度 $H$ /km	520	下视角 $θ$ /(°)	30
干涉对1交轨基线长度 $B X 1$ /m	100	干涉对2交轨基线长度 $B X 2$ /m	100
干涉对1夹角 $α 1$ /(°)	90	干涉对2夹角 $α 2$ /(°)	90
干涉对1顺轨基线长度 $B A 1$ /m	50	干涉对2顺轨基线长度 $B A 2$ /m	50
干涉对1相位误差 $Δ ϕ 1$ /(°)	2	干涉对2相位误差 $Δ ϕ 2$ /(°)	-2

Fig.3 Impact of baseline configuration of the second interferometric pair on decoupling effect

Fig.4 Diagram of earth observation by Hongtu-1 constellation

Table 2 Parameters of observing scene and SAR system

参数	参数值
载频 $f c$ /GHz	9.6
轨道高度 $H$ /km	520
平台等效地面速度 $V$ /(m/s)	7 070
下视角 $θ$ /(°)	33
景中心经度/(°)	126.38
景中心纬度/(°)	-13.93
观测区域尺度/km	19×13(方位向×距离向)

Table 2 Parameters of observing scene and SAR system

参数	参数值
载频 $f c$ /GHz	9.6
轨道高度 $H$ /km	520
平台等效地面速度 $V$ /(m/s)	7 070
下视角 $θ$ /(°)	33
景中心经度/(°)	126.38
景中心纬度/(°)	-13.93
观测区域尺度/km	19×13(方位向×距离向)

Fig.5 Observation image of the Hongtu-1 in a sea area in northwest Australia

Table 3 Initial interference baseline configuration for each interference pair

干涉对	参数	参数值	干涉对	参数	参数值
A-B	交轨基线长度 $B X 1$ /m	228.39	B-C	交轨基线长度 $B X 4$ /m	630.73
	夹角 $α 1$ /(°)	28.23		夹角 $α 4$ /(°)	-121.18
	顺轨基线长度 $B A 1$ /m	-96.12		顺轨基线长度 $B A 4$ /m	-899.07
A-C	交轨基线长度 $B X 2$ /m	434.67	B-D	交轨基线长度 $B X 5$ /m	416.12
	夹角 $α 2$ /(°)	-108.35		夹角 $α 5$ /(°)	-92.19
	顺轨基线长度 $B A 2$ /m	-955.15		顺轨基线长度 $B A 5$ /m	-905.41
A-D	交轨基线长度 $B X 3$ /m	359.29	C-D	交轨基线长度 $B X 6$ /m	722.33
	夹角 $α 3$ /(°)	-58.93		夹角 $α 6$ /(°)	-31.74
	顺轨基线长度 $B A 3$ /m	-1 002.20		顺轨基线长度 $B A 6$ /m	-6.31

Table 3 Initial interference baseline configuration for each interference pair

干涉对	参数	参数值	干涉对	参数	参数值
A-B	交轨基线长度 $B X 1$ /m	228.39	B-C	交轨基线长度 $B X 4$ /m	630.73
	夹角 $α 1$ /(°)	28.23		夹角 $α 4$ /(°)	-121.18
	顺轨基线长度 $B A 1$ /m	-96.12		顺轨基线长度 $B A 4$ /m	-899.07
A-C	交轨基线长度 $B X 2$ /m	434.67	B-D	交轨基线长度 $B X 5$ /m	416.12
	夹角 $α 2$ /(°)	-108.35		夹角 $α 5$ /(°)	-92.19
	顺轨基线长度 $B A 2$ /m	-955.15		顺轨基线长度 $B A 5$ /m	-905.41
A-D	交轨基线长度 $B X 3$ /m	359.29	C-D	交轨基线长度 $B X 6$ /m	722.33
	夹角 $α 3$ /(°)	-58.93		夹角 $α 6$ /(°)	-31.74
	顺轨基线长度 $B A 3$ /m	-1 002.20		顺轨基线长度 $B A 6$ /m	-6.31

Fig.6 Interferometric processing of A-B and C-D pairs

Fig.7 Observation scene radial velocity and elevation inversion results

Fig.8 Analysis of inversion results

References 25

[1]	何宜军，刘保昌，张彪，等. 海面流场卫星遥感方法综述［J］. 广西科学， 2015， 22（3）： 294-300. DOI：10.13656/j.cnki.gxkx.2015.03.005 .
[2]	Goldstein R M， Zebker H A. Interferometric radar measurement of ocean surface currents［J］. Nature， 1987， 328（6132）： 707-709. DOI： 10.1038/328707a0 .
[3]	Romeiser R， Thompson D R. Numerical study on the along-track interferometric radar imaging mechanism of oceanic surface currents［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2000， 38（1）： 446-458. DOI： 10.1109/TGRS.2000.823940 .
[4]	Romeiser R， Breit H， Eineder M， et al. Current measurements by SAR along-track interferometry from a Space Shuttle［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2005， 43（10）： 2315-2324. DOI： 10.1109/TGRS.2005.856116 .
[5]	Romeiser R， Suchandt S， Runge H， et al. First analysis of TerraSAR-X along-track InSAR-derived current fields［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2010， 48（2）： 820-829. DOI： 10.1109/TGRS.2009.2030885 .
[6]	Wollstadt S， López-Dekker P， De Zan F， et al. Design principles and considerations for spaceborne ATI SAR-based observations of ocean surface velocity vectors［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2017， 55（8）： 4500-4519. DOI： 10.1109/TGRS.2017.2692880 .
[7]	闫贺，朱岱寅. 星载ATI-SAR系统洋流测速要点分析与仿真［J］. 系统仿真学报， 2018， 30（10）： 3861-3868， 3874. DOI： 10.16182/j.issn1004731x.joss.201810032 .
[8]	尹建凤，张庆君，刘杰，等. 国外编队飞行干涉SAR卫星系统发展综述［J］. 航天器工程， 2018， 27（1）： 116-122. DOI： 10.3969/j.issn.1673-8748.2018.01.016 .
[9]	Zhang T， Qian Y G， Li C M， et al. Imaging and interferometric mapping exploration for PIESAT-01： the world’s first four-satellite “Cartwheel” formation constellation［J］. Atmosphere， 2024， 15（6）： 621. DOI： 10.3390/atmos15060621 .
[10]	Massonnet D. Capabilities and limitations of the interferometric cartwheel［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2001， 39（3）： 506-520. DOI： 10.1109/36.911109 .
[11]	Torres R， Lokas S， Di Cosimo G， et al. Sentinel 1 evolution： Sentinel-1C and Sentinel-1D models［C］//2017 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium （IGARSS）. July 23-28， 2017， Fort Worth， TX， USA. IEEE， 2017： 5549-5550. DOI： 10.1109/IGARSS.2017.8128261 .
[12]	Siegmund R， Bao M Q， Lehner S， et al. First demonstration of surface currents imaged by hybrid along- and cross-track interferometric SAR［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2004， 42（3）： 511-519. DOI： 10.1109/TGRS.2003.817816 .
[13]	Suchandt S， Runge H. Ocean surface observations using the TanDEM-X satellite formation［J］. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing， 2015， 8（11）： 5096-5105. DOI： 10.1109/JSTARS.2015.2446893 .
[14]	Jing K， Xu J， Huang Z Z， et al. GMTI for squint looking XTI-SAR with rotatable forward-looking array［J］. Sensors （Basel， Switzerland）， 2016， 16（6）： 873. DOI： 10.3390/s16060873 .
[15]	杨红磊，彭军还，康志忠，等. InSAR技术原理及实践［M］. 北京：科学出版社， 2021.
[16]	Elyouncha A， Eriksson L E B， Romeiser R， et al. Measurements of sea surface currents in the Baltic Sea region using spaceborne along-track InSAR［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2019， 57（11）： 8584-8599. DOI： 10.1109/TGRS.2019.2921705 .
[17]	王欣，洪峻. 基于机载ATI-SAR相位中心误差分析的天线系统结构设计［J］. 中国科学院研究生院学报， 2013， 30（2）： 228-232， 256. DOI： 10.7523/j.issn.1002-1175.2013.02.013 .
[18]	袁新哲，王小青，赵良波，等. 顺轨干涉合成孔径雷达海表面流测量原理、方法与信号仿真［M］. 北京：海洋出版社， 2022.
[19]	陆翔，张庆君，董晓，等. 基于总变分的干涉成像高度计相位滤波方法［J］. 电子与信息学报， 2022， 44（3）： 1044-1051. DOI：10.11999/JEIT210135 .
[20]	Rizaev I G， Karakuş O， Hogan S J， et al. Modeling and SAR imaging of the sea surface： a review of the state-of-the-art with simulations［J］. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing， 2022， 187： 120-140. DOI： 10.1016/j.isprsjprs.2022.02.017 .
[21]	Shao W Z， Zhang Z， Li X F， et al. Ocean wave parameters retrieval from Sentinel-1 SAR imagery［J］. Remote Sensing， 2016， 8（9）： 707. DOI： 10.3390/rs8090707 .
[22]	Cao Y X， Fan Z， Chen Y， et al. Flat earth removal and baseline estimation based on orbit parameters using Radarsat-2 image［C］//2013 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium（IGARSS）. July 21-26， 2013， Melbourne， VIC， Australia. IEEE， 2013： 346-349. DOI： 10.1109/IGARSS.2013.6721163 .
[23]	Costantini M. A novel phase unwrapping method based on network programming［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 1998， 36（3）： 813-821. DOI： 10.1109/36.673674 .
[24]	Moller D， Frasier S J， Porter D L， et al. Radar-derived interferometric surface currents and their relationship to subsurface current structure［J］. Journal of Geophysical Research： Oceans， 1998， 103（C6）： 12839-12852. DOI： 10.1029/98jc00781 .
[25]	徐璟，何明浩，陈昌孝，等. 雷达辐射源特征参数提取算法复杂度分析［J］. 中国电子科学研究院学报， 2013， 8（1）： 43-47. DOI：10.3969/j.issn.1673-5692.2013.01.009 .