【导读】SWOT任务中，KaRIn干涉雷达仪器通过其创新的宽幅测量技术和精密的姿态控制，极大提升了全球海洋和水文观测的精度。最新的研究表明，KaRIn在任务初期的性能表现远超预期，其随机噪声抑制能力优于设计要求。这一成果不仅为科学家们提供了更精细的海洋和水文观测数据，还为未来全球水资源管理和气候变化研究提供了坚实基础。
全球的水体动态，如海洋中的潮汐、涡流、以及河流湖泊的变化，对于气候变化研究和水资源管理至关重要。为了更好地监测这些变化，NASA与法国航天局（CNES）联合发射了Surface Water and Ocean Topography (SWOT) 卫星任务。该任务的核心仪器——Ka-band Radar Interferometer (KaRIn)，是世界上首个采用宽幅干涉雷达技术的在轨设备，能够以高分辨率观测全球的水文和海洋过程。
KaRIn干涉雷达通过两根相距10米的天线阵列，实现了1.8米的距离分辨率和3.8米的方位角分辨率。这种超高的分辨率对于监测宽度仅100米的河流和湖泊，以及解析海洋涡流和潮汐至关重要。与传统的单条轨迹雷达相比，KaRIn具有120公里宽幅的观测能力，使其能够在较短时间内覆盖全球水体区域。
这一先进技术使得KaRIn在全球海洋动力学和水文过程的研究中扮演了重要角色。例如，通过KaRIn，科学家能够更精确地监测到海洋中小至1公里尺度的涡流和波浪。随着任务的展开，KaRIn的全球数据覆盖将为未来的海洋和气候研究奠定基础。
在任务的初期阶段，KaRIn的随机噪声抑制表现优于设计要求。研究表明，即使在风速8.9 m/s、显著波高（SWH）为2米的条件下，KaRIn的随机误差仍然远低于1厘米的标准。这种表现为未来应对复杂环境和恶劣海况奠定了基础。
例如，论文中提到，KaRIn的噪声抑制能力在实际观测中降低了四个数量级，使得误差远低于噪声底线，确保了高精度的测量数据。这种超预期的表现意味着KaRIn具备了更强的抗干扰能力，能够在复杂的水文和海洋环境下维持高精度的测量。
KaRIn在轨运行时，面临的主要技术挑战之一是如何控制系统误差，特别是姿态控制误差、时间误差和基线伸缩误差。
姿态控制误差：由于航天器的运动，KaRIn需要通过高精度的姿态控制系统来实时校正滚动角误差。上图显示，通过姿态重建，KaRIn的滚动误差得到了有效的抑制，误差被降低了四个数量级，大大超过了系统设计的要求。
基线伸缩误差：由于热膨胀和机械应力的影响，KaRIn的两根天线之间的基线长度可能会发生变化，影响观测数据的精度。通过实时的热控和基线校正，研究表明，这类误差得到了有效的补偿，使得系统在恶劣环境下仍能维持高精度的干涉测量。
海洋中的波浪效应，特别是非线性波浪效应，对KaRIn的测量精度提出了挑战。在显著波高（SWH）为5米的情况下，波浪的非线性效应可能会显著影响高度测量精度。论文通过实验展示了如何通过数据校正区分去相关随机误差和非线性波浪效应。
例如，研究发现，即使在6米SWH条件下，KaRIn的随机误差仍然远低于噪声底线，这证明了其在应对复杂海况时的出色表现。通过这种数据校正和模型分析，KaRIn在极端海洋条件下依然能够提供高质量的数据。
KaRIn的技术突破与未来前景
作为SWOT任务的核心仪器，KaRIn通过其宽幅干涉雷达技术，实现了全球水体动态变化的高精度测量。其随机噪声抑制能力、姿态控制精度，以及对非线性波浪效应的应对能力，均超出了初始设计要求，为全球水文和海洋科学研究提供了极大的帮助。
随着任务的推进，KaRIn将继续为科学家提供全球范围内高分辨率的水文数据，帮助我们更好地理解海洋和淡水系统在气候变化中的作用，并为全球水资源的管理提供科学依据。
参考文献：E. Peral et al., “KaRIn, the Ka-Band Radar Interferometer of the SWOT Mission: Design and in-Flight Performance,” IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 62, pp. 1–27, 2024, doi: 10.1109/TGRS.2024.3405343[https://doi.org/10.1109/TGRS.2024.3405343].
