中法海洋卫星（CFOSAT）由中国和法国合作研制，于2018年10月在酒泉卫星发射中心成功发射。CFOSAT搭载了两台有效载荷，分别为中科院国家空间科学中心研制的散射计和法国国家空间中心研制的雷达波谱仪。CFOSAT首次实现了对海面风场和海浪谱的高精度、大尺度同步观测，对研究海洋动力过程及变化规律、海洋预报、全球气候变化研究具有重要意义。

CFOSAT散射计采用缝隙波导阵列天线实现扇形波束圆锥扫描，是国际上首个扇形波束圆锥扫描体制散射计，图1为CFOSAT散射计在轨观测示意图。CFOSAT散射计采用波导缝隙天线，其俯仰向天线波束宽，方位向天线波束窄，通过圆锥扫描实现地面目标连续观测。其观测刈幅内大部分风矢量单元的后向散射系数测量具有多入射角和多方位角的特征，有利于风场反演中的风向去模糊，多方位角组合观测数据有效提高了海面风场反演的精度^［1］。散射计的工作频率为13.256 GHz（Ku波段），轨道高度为520 Km，测绘带刈幅约1 000 Km，地球表面日覆盖率约为90%^［2］。CFOSAT散射计的海面风速测量精度优于1.5 m·s^-1，风向测量精度优于15°，空间分辨率达12.5 Km，处于世界领先水平。

数据测试系统是针对特定系统所开发的辅助性测试工具，系统性的测试工作用于评估系统的性能，为系统的优化提供重要参考。目前有针对卫星定位组件^［3］、航天工程地面系统^［4］、航空通信系统^［5］等开发的数据测试软件。研究首次应用星载微波散射计数据预处理和Level-1数据开发的辅助性测试软件，可完备高效地获得CFOSAT散射计Sigma0数据质量的测试评估结果，在全面掌握业务数据状态的同时，为CFOSAT散射计数据预处理算法优化提供重要参考。

本文介绍了CFOSAT散射计Sigma0数据测试系统的技术实现、功能设计和测试结果。在软件技术上，该软件利用MySQL数据库实现了完备的数据测试系统的组织和管理，利用VC ++和MATLAB混合编程兼顾了运行速度和数据处理的灵活性，采用并行处理技术解决循环嵌套、多维度插值等运算效率瓶颈问题。实现了完备的CFOSAT 散射计Sigma0数据的测试和分析。在功能设计上，该软件对CFOSAT散射计L1A和L1B数据分别进行测试分析。针对L1A数据，该软件可获得输入数据连续性和稳定性的变化特征；可以完成输入数据项的交叉比较和分析评价，获得输入数据项的关联特性及其变化。针对L1B数据，主要测试分析Sigma0数据。该软件可以在外部风场时空匹配的基础上，对后向散射系数精度进行分析和评估；可以实现基于特定观测区域（如亚马逊热带雨林）后向散射系数的统计分析、精度评估；可以结合L1B仿真数据对后向散射系数进行比较和分析。

CFOSAT散射计Sigma0数据测试软件系统的总体设计框架如图2所示，主要包括应用层、技术支持层、数据层和基础设施层。应用层直接面向用户，包含了系统的交互界面、用户指令的输入、处理结果显示等。应用层主要提供了两种功能：CFOSAT散射计L1A数据测试分析、Sigma0数据测试。技术支持层包含了实现整个软件开发的核心技术，该软件主要依赖的技术包括：MySQL数据库技术、Matlab和VC++混合编程技术、OpenMP并行处理技术。数据层包含了支撑整个系统运行的各类数据，包括CFOSAT散射计的数据产品、各类辅助数据和该软件生成的数据分析报告。基础设施层包括两个部分，一部分为支撑该软件运行的硬件设施，例如主机设备、存储设备和显示设备，另一部分是各类支撑软件，例如操作系统、开发平台，MySQL数据库等。

MySQL是一个关系型数据库管理系统。MySQL将数据保存在不同的表中，而非将所有数据存入一个大仓库中，因此它的查找速度快，使用的灵活性高^［6］。MySQL的体积小、速度快、成本低而且开源，所以它是当下最流行的关系型数据库管理系统之一。

MySQL为多种语言提供了应用程序编程接口，例如C++、Python等。MySQL可以作为一个数据库嵌入到其他的软件中。而且优化后的SQL查询算法，有效提高了查询的速度。MySQL可实现多线程并行处理，提高了CPU资源的利用率。鉴于上述MySQL数据库的优点，结合CFOSAT散射计σ0数据测试评估软件的应用需求，在该软件中内嵌MySQL数据库，将数据存入MySQL数据库，实现了高效的数据存储和管理操作。

该软件将L1A数据中的外部噪声、内部噪声、定标信号和温度数据项存入MySQL数据库的L1A_data表，便于实现对输入数据的管理。根据L1A数据可计算CFOSAT星下点位置和天线的转速，将星下点经纬度和转速分别存入MySQL数据库的ST_Data表和RS_Data表。可以根据时间或者轨道号实现快速的数据检索。利用数据库可以积累长时间的数据，可以展示CFOSAT散射计连续几个月或者一年内的数据波动情况，还可做同时期或者不同时期的数据对照分析。

VC++即Microsoft Visual C++，具有集成开发环境，是面向对象的可视化集成编程系统。它具有程序框架自动生成、灵活方便的类管理、代码编写和界面设计、可开发多种程序等优点。MATLAB以其方便的编程和可视化特点，广泛用于数据分析、无线通信、深度学习、图像处理与计算机视觉、信号处理等领域。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集与一身。目前的版本支持与C、C++混合编程。

CFOSAT散射计Level-1数据产品是标准的NetCDF4.0格式， 利用Matlab可方便地读取NetCDF格式的数据。此外利用VC++实现OpenMP并行处理，可提高系统处理复杂运算的速度。CFOSAT散射计σ0数据测试评估模块内嵌MATLAB引擎，在VC工程中配置引用Matlab函数库的运行环境^［7］，利用Matlab在后台完成原始数据读取、复杂的矩阵运算和工具箱函数的调用。由于C++语言的执行效率高，Matlab在数值计算、矩阵计算和数据可视化等方面优势明显，两者混合编程可以简化VC工程的程序设计，提高程序的执行效率^［8］。

并行处理是计算机系统能同时执行两个或两个以上任务的一种计算方法。并行处理的主要目的是缩短复杂问题的解决时间。OpenMP是由OpenMP Architecture Review Board牵头提出的，是一个用于共享内存编程的标准API，也是一种为共享内存平台编写多线程应用程序的编程方法，主要用来加快循环的处理速度^［9-10］。OpenMP支持的编程语言包括C、C++和Fortran。OpenMP提供了对并行算法的高层的抽象描述，通过在源代码中加入专用的pragma来指明自己的意图，由此编译器可以自动将程序进行并行化，可在必要之处加入同步互斥以及通信。

Zheng等^［11］建立了模型来评估OpenMP的计算性能，在只有单个OpenMP并行循环时，在2核、4核和8核平台上测试OpenMP编程技术的效果，结果表明OpenMP可以起到加速作用，核数越多加速效果越明显，当并行处理的线程数等于CPU核数时加速效果最好。

CFOSAT散射计σ0数据测试评估软件中，对σ0数据的分析需要将ECMWF风场数据，在考察时间段内的每个脉冲的观测时间和经纬度上进行时空三维插值匹配，每轨数据插值计算的次数在百万量级。以第10601轨L1B数据为例，对入射角为36°对应的数据进行三维插值，在4核平台上统计采用和未采用OpenMP并行技术的处理时间，实验记录如表1所示。从表中可看出OpenMP并行处理的引入，大幅度提高了系统的运行效率。平均每秒插值26万次，满足数据测试的需求。

CFOSAT散射计L1A数据测试内容如表2所示。该软件读取单轨或者多轨L1A数据，首先进行数据的完整性分析，即分析每轨数据的有效帧数和数据项是否完整，并生成数据完整性分析报告。其次主要分析了以下6种原始数据项：脉冲AGC（Automatic Gain Control）值、回波信号、内部噪声、外部噪声、定标信号和温度，平均每轨数据的测试分析用时3.4 s。系统设计了数据结果预警功能，在数据测试分析的过程中，系统可识别出数据的异常，并记录数据的轨道号和异常值信息。此外还可根据L1A数据计算出天线转速和星下点轨迹。在分析的过程中将天线转速、星下点轨迹、内部噪声、外部噪声等数据项等存入数据库。

读取L1A数据后，用户在图3所示的对话框进行参数配置，可设置起始帧数、结束帧数、每日选取的文件数和平均采样点数。用户可选择AGC校正、星下点轨迹计算、天线转速计算和MySQL数据库存储等选项。此外，该页面还可实时显示数据处理的进度。在L1A数据测试中，软件可生成分析报告，用户可阅览生成的报告。在数据库检索页面，用户可根据日期或者轨道号检索数据进行长时程或者交叉对比分析。

针对CFOSAT散射计L1B数据，首先对输入数据项完整性进行测试，即分析每轨数据的有效帧数和数据项是否完整，并生成报告。其次重点做以下测试和分析：①后向散射系数Sigma0与GMF（Geophysical Model Function）模型对比结果；②CFOSAT散射计测量的Sigma0与仿真数据的后向散射系数的对比，③亚马逊热带雨林区域的Sigma0精度评估。

GMF模型描述了海面雷达后向散射系数与海面风速、风向、雷达观测参数和环境参数等之间的定量函数关系^［12］。后向散射系数σ0与GMF模型对比的数据处理流程如图4所示。首先读取CFOSAT散射计数据，根据要考察的入射角或者方位角、海陆标志筛选出符合条件的数据（观测时间、经度、纬度和σ0）。利用ECMWF数据，在考察时间段内对每个脉冲的观测时间和经纬度上进行时空三维插值匹配，可得到插值后的风速和方位角。最后根据考察的风速值和方位角，筛选出符合条件的σ0。利用GMF模型仿真得到的后向散射系数为σm0，最后将σm0和σ0对比分析。

实现时空三维插值匹配，首先需要读取ECMWF数据中的经度、纬度、海面10 m处的U风分量和V风分量、海冰和总水汽的参数，以及这些数据对应的时间信息。然后读取CFOSAT散射计L1B数据中的经度、纬度和时间信息，利用三线性插值^［13］求出CFOSAT散射计数据在时空上对应的海面10 m处的U风分量和V风分量、海冰和总水汽的参数。根据插值得到的海面10 m处的U风分量和V风分量可求出插值后的风速和方位角。由于每轨数据的时空三维插值匹配次数在百万量级，采用OpenMP并行处理技术可大幅提高数据的处理速度。

端到端的L1B级数据仿真可以用来分析评估CFOSAT散射计L1B数据的精度，为L1B数据处理和业务软件在算法优化提供支持。图5是L1B数据仿真系统的框架图。首先由ECMWF外部风场和GMF模型获得σGMF0，然后加入模型误Kpm、传递误差Kpc和定标误差Kpr。由于地球表面目标的后向散射系数存在时空差异，而地球物理模型方程（GMF）描述的后向散射系数忽略了这些时空上的变化和其他次要因素，这部分误差称为模型误差Kpm^［14］。定标误差Kpr由雷达方程中的斜距、天线增益、系统损耗和用来计算能量的积分面积等因素的不确定性引起。传递误差Kpc的归一化标准差是信噪比和独立观测样本数的函数。将模型误差Kpm、传递误差Kpc和定标误差Kpr加入到σGMF0，如公式（1）所示：

其中：g1、g2和g3分别是均值为0，标准差为1的高斯随机数。得到仿真的后向散射系数σc0 ^［15］后，最后与CFOSAT散射计测得的σ0数据进行对比分析。

亚马逊热带雨林是全球最大、最稳定和最均匀的分布目标，亚马逊雨林具有对雷达响应的各向同性和时空上的稳定性^［16］。由于亚马逊雨林的体散射特性，它的后向散射系数几乎不随入射角变化。通过计算亚马逊热带雨林区域σ0的标准差，来评价CFOSAT散射计L1B数据处理算法的性能。

利用该软件分析2020年9月1日~10日（每天取4轨）的数据进行分析，部分结果如下图所示。图6和图7分别为为AGC和天线转速随时间的变化。其中天线转速的单位为rad·min-1。表3记录是系统记录的外部噪声异常值（DN值大于20）信息。

根据CFOSAT散射计系统设计，正常情况下AGC的值为奇数，从图6中可看出，水平极化的AGC取值为偶数，此为异常值。经分析，引起AGC异常的原因为单粒子效应，即高能粒子穿过微电子器件的灵敏区时

会使航天电子系统中的集成电路损坏或存储信息发生变化，造成器件状态发生异常。从图7可看出，天线的转速为3.4 rad·min-1，表明天线旋转机构长时间运行性能稳定。

利用MySQL数据库来管理数据，长时程的数据显示可分析数据的变化趋势。从MySQL中检索2019年、2020年和2021年8月1日~5日的数据，读取内部噪声和定标信号等，做同时期的数据对照。图8和图9是2019~2021年8月1日~5日定标信号和内部噪声随时间分布图。从图中可看出，2019年内部噪声和定标信号的数据比较稳定，波动较小，而同时期2020年和2021年的数据不稳定，波动比较剧烈。这表明随着散射计在轨工作时间的延长，接收信号的稳定性发生了变化。

CFOSAT散射计实测σ0方位调制与GMF模型的比较和评估。时空三维插值匹配后，得到插值后的风速和方位角。以第10601轨L1B数据为例，筛选出风速在10 m/s的数据，图10为入射角为36°时对应的σ0随方位角的变化示意图。从图10可看出，CFOSAT散射计测得的σ0与GMF模型是一致的，且垂直极化与GMF模型的匹配度较高，水平极化的σ0分布较离散。σ0与GMF模型对比之前已经进行了NWP海洋定标^［17］。

CFOSAT散射计实测σ0与仿真的σc0的比较。以第10601轨L1B数据为例，根据图5的仿真流程仿真得到σc0，σ0与σc0的比较如图11所示。从图中可看出，实测σ0与仿真σc0分布一致，且垂直极化与仿真结果更契合。这同时也验证了CFOSAT散射计数据预处理算法的正确性。

亚马逊雨林区域σ0精度评估。读取多轨L1B数据，根据亚马逊雨林的经纬度范围（40°~80° W，7° N~18° S）筛选出此区域对应的σ0，将垂直极化和水平极化、升轨和降轨的σ0数据分开统计。将入射角在30°~50°范围内，间隔5°划分为4个区间，计算每个入射角区间上的σ0标准差。选取2019年8月、2020年2月和9月的数据，统计分析结果（25 km×25 km网格）如表4所示。从表4分析可得，波束近端和远端的标准差大于波束的中间部分，波束中间部分标准差小于0.5 dB。这表明，CFOSAT散射计后向散射系数σ0的精度基本满足设计指标和应用要求^［18］。

本文介绍了CFOSAT散射计Sigma0数据测试软件的系统设计、功能实现和测试结果。该软件基于MySQL数据库技术，利用OpenMP并行处理技术提高处理速度，采用Matlab和VC++混合编程开发，充分发挥了Matlab在数据读取、矩阵运算和图形显示的优势。对L1A数据的测试分析，可获得输入数据连续性和稳定性的变化特征，MySQL数据库的引入可以完成L1A数据的存储和检索，有利于获得数据长时程的变化规律。对Sigma0数据的测试分析表明了CFOSAT散射计数据预处理算法的正确性，同时也表明CFOSAT散射计性能稳定，观测精度较高。该软件实现了散射计Level-1数据的测试、分析、存储和可视化，有利于掌握CFOSAT散射计业务数据的状态，为CFOSAT散射计数据预处理算法优化提供质量检测和重要参考。

CFOSAT散射计Sigma0数据测试系统系统设计了完整的多用户多文档的图形界面，便于数据测试、图形显示和结果存储。

完备的交互界面和图形显示增加了人机之间的交互性。该软件在顶层设计上坚持开放性设计原则，软件系统在功能模块配置、文档驱动方式、数据存储格式、文件命名等方面坚持可扩展性、开放性设计，便于扩展应用于其他散射计的数据预处理辅助测试工作。此外系统在设计上考虑了内存管理、异常值处理和负载限定等问题，使得整个系统具有较高的健壮性和可靠性。

基于CFOSAT散射计Sigma0数据测试系统对大量数据的分析测试结果，后续可以分析散射计信号的稳定性，建立散射计信号稳定性的预测模型。此外需要进一步完善该系统的功能，使得该系统具有良好的复用性，可以应用于CFOSAT后续卫星或其他星载散射计L1A数据的测试分析中。