中国科学院海洋所提出新型ATI-SAR架构实现单方位波束高分辨率二维矢量海流观测！

近日，中国科学院海洋研究所海洋观测装备研发与应用研究组在顺轨干涉合成孔径雷达（ATI-SAR）二维矢量海流遥感观测方面取得进展，使单一物理方位波束ATI-SAR具备海表二维矢量流获取能力。相关成果在线发表于国际学术期刊IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing。

海流是认识海洋动力过程、提高海洋预报能力并支撑多类海洋应用的关键要素。然而，海流信号通常淹没于复杂的海面散射背景中，现有卫星遥感技术难以同时兼顾高空间分辨率与二维矢量信息获取，全球大范围、周期性、高分辨率海表二维矢量流业务化观测能力尚未建立。针对这一瓶颈，徐永生研究员提出了一种新型ATI-SAR海流观测体制及配套反演方法（Sq-MA-ATI），为未来高分辨率、大范围海洋表层流遥感观测提供了新的技术路径。

从测速信息的获取机理看，现有微波遥感测流方法可分为频谱估计型和干涉相位型两类。前者通过分析雷达回波多普勒频谱的偏移和变化估算海流速度，包括多普勒中心方法及其二维扩展；后者以ATI-SAR为代表，利用沿轨通道间的干涉相位差感知海面运动，在较小空间尺度上仍可保持较高的测速灵敏度，更适合精细海表流场观测。然而，常规单视向ATI-SAR只能获得海面运动在雷达视线方向上的速度投影，无法由单一观测方向同时确定沿轨和横轨流速。传统ATI-SAR二维矢量测流方案通常设置前、后斜视物理波束，以获得两个方向的速度投影，但这不仅增加了载荷及处理系统的复杂度，不同波束之间的观测时间差还会引入非同时观测和非共模误差。Sq-MA-ATI首先通过适度物理斜视增强对沿轨流速的敏感性，再将同一物理方位波束对应的合成孔径划分为多个子孔径，从同一组回波中形成多个等效观测视向，最后采用冗余最小二乘方法联合反演海表二维矢量流，利用多视向冗余约束降低随机测量误差对反演结果的影响，并提高矢量解的稳定性。该方法无需增设前、后多个物理方位波束，在兼顾空间分辨率与二维矢量信息获取的同时，保持了载荷工程实现的简洁性。

为验证该方法的实际可行性，中国科学院海洋研究所与中国航天科工集团二院二十三所依托联合基金项目，在琼州海峡开展海上机载试验，利用自主研制的机载Ka波段顺轨干涉测流载荷和流—浪一体化GNSS波浪浮标，获取雷达遥感与海面现场同步观测数据并进行对比验证。结果表明，反演海流与GNSS浮标观测总体一致，流向差异控制在10°以内，初步验证了单一物理方位波束条件下获取海表二维矢量流信息的可行性。

图1 Sq-MA-ATI二维矢量海流观测原理及机载试验区域

左：单一斜视物理方位波束内多个子孔径等效视向的观测几何；右：琼州海峡及雷州半岛西部近岸试验区与GNSS浮标位置

观测分辨率界定了人类能够辨识物理世界细节的尺度，也在很大程度上影响着科学认知的深度。对于海洋科学而言，持续提升观测分辨率，是揭示更精细海洋动力结构与过程的前提。干涉遥感通过设置空间或时间基线，将常规手段难以直接分辨的微小海面高度或速度变化，转化为相干回波之间可测量的相位差，从而在较小空间尺度上保持对细微信号的较高敏感性，为探究精细海洋动力过程提供了重要观测手段。2022年底发射的宽刈幅干涉测高卫星SWOT，首次在全球尺度上揭示了传统星下点高度计难以分辨的海洋中小尺度结构。尽管其两侧刈幅之间仍存在较宽的中央观测退化区，随机噪声抑制与残余系统误差校正也有待进一步完善，但SWOT的成功在轨运行验证了宽刈幅干涉测高在海面高度精细观测方面的显著优势，并为进一步发展以观测几何优化和多基线协同观测为特征的新一代海洋干涉测高体制，提升有效空间分辨率与刈幅宽度、增强近全刈幅连续观测能力，提供了重要的技术参照和工程经验。

作为海洋干涉遥感的另一重要方向，ATI-SAR二维矢量海流观测仍面临海浪多普勒偏差校正、多视向信息分离与反演稳定性、精密定标以及星载工程实现等挑战。此次提出的Sq-MA-ATI方法及琼州海峡机载试验，为单一物理方位波束获取二维矢量海流信息提供了初步验证。未来，随着观测几何、反演算法、误差校正和系统定标方法不断完善，该技术有望由方法验证逐步走向稳定星载观测，为实现高分辨率、大范围二维海表流直接观测，以及揭示中尺度—亚中尺度能量传递、海洋热量与碳输运和提高海洋预报能力提供新的观测支撑。

本文第一作者为博士研究生郭平，通讯作者为徐永生研究员，合作作者包括博士研究生杨磊、曹赛超，以及中国航天科工集团二院二十三所孙晗伟研究员、孔维亚。本研究获国家自然科学基金联合基金等项目资助。

论文信息：

P. Guo, Y. Xu*, H. Sun, W. Kong, L. Yang, and S. Cao, “Sea-surface current vector retrieval using squinted multiaperture ATI-SAR (Sq-MA-ATI),” IEEE J. Sel. Topics Appl. Earth Observ. Remote Sens., vol. 19, pp. 24244–24254, 2026, doi: 10.1109/JSTARS.2026.3710355.

• 信息来源：中国科学院海洋所。

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