星载合成孔径雷达图像反演海面风场方法综述

合成孔径雷达作为微波雷达,具有全天候、全天时、高分辨率对海面成像的能力,能实现多波段、多极化、多视角的观测海面,可以提供大范围、高精度的实时动态海面信息,对其进行深入研究有着重要的意义。基于合成孔径雷达图像,分别以风向和风速反演为主线,对国内外海面风场反演的工作进行了详细的总结。     

X波段雷达在海面动力环境监测中的应用研究

论述了X波段雷达在海面动力环境监测中的应用.利用X波段雷达提供的有效数据对海面动力环境的诸要素进行测量,如海浪的波高、波向、波长与波周期,海流场的流速和流向以及海面周围的风场等.     

基于相参X-波段海洋雷达的海表轮廓测量研究

X-波段海洋雷达测量所得海面散射单元的多普勒信息与散射单元的雷达视向速度密切相关。首先,基于符号多普勒估计方法,对X-波段雷达海面回波的多普勒频移信息进行了估计;在此基础上,应用各分辨单元回波的多普勒频移信息,建立了海浪表面轮廓的反演算法。该算法中,同时考虑了雷达入射角、方位角和雷达空间分辨率等因素对反演结果的影响。通过将反演结果与浮标测量数据相比较,发现雷达空间分辨率起到了类似低通滤波的作用,该作用对短重力波谱影响显著。同时,还应用加拿大麦克马斯特大学的IPIX雷达数据对海表轮廓进行了反演,并将反演所得有效波高、海浪周期与现场测量数据进行了比较,反演结果与现场测量结果吻合较好。     

X波段雷达图像反演风场光流方法的改进

风是一种重要的海洋环境动力学要素,海洋风场信息可以从X波段雷达海杂波图像中提取。本文从高阶次波的频散关系、贝叶斯方法和求解光流方程的全局平滑约束技术等方面对现有的X波段雷达反演风场的光流方法进行了改进,并利用实测数据对反演结果进行了验证。结果表明,改进方法反演的风向和风速较之原方法的反演结果都有了显著改善,与实测结果符合更好。此外,改进方法的反演结果能够很好地反映近岸风向和风速的整体变化趋势。     

神经网络反演散射计风场算法的研究

建立了一个神经网络反演卫星散射计海面风场的B-P算法,给出了一个神经网络反演风场的模型,并利用该反演算法和模型对实际卫星散射计数据进行了海面风场反演试验,对风向的多解性利用圆中数滤波方法进行排除.对神经网络训练和检验数据集分别采用ERS-1/2散射计数据和欧洲中期天气预报(ECMWF)提供的风场作为配准点数据.把反演的风速和风向与CMCD4和ECMWF的风场作了比较,它们吻合得比较好;研究表明神经网络反演海面风场是可行和高效的.     

基于SAR多普勒质心频移的海面流场迭代反演算法

为了克服SAR多普勒质心频移法反演海面流场时风场贡献去除困难的难题,本文提出了基于M4S模型的弦截下山法,利用其迭代计算局部区域的海面流场;然后估算整幅SAR图像中风场对多普勒速度的风贡献因子7;最后去除风场对多普勒速度的贡献.将该算法用于Radarsat-2数据反演海面径向流速,并利用匹配的实测数据验证反演精度.研究...     

星载微波散射计两种体制的比较

星载微波散射计可以提供全球、全天候、高精度、高分辨率和短周期的海面风场数据。根据雷达天线足印的形状,雷达散射计主要包括扇形波束体制与笔形波束体制两种形式。概述了两种体制微波散射计在设计结构及后期数据处理算法中的优缺点,并对两种不同体制散射计的系统仿真数据进行比较。分析结果表明:对于小型卫星平台,Ku波段的旋转扫描扇形波束散射计比笔形波束圆锥扫描散射计具有更优的风场反演性能。     

我国首台天基微波散射计测量海面风场的应用研究

介绍了微波散射计测量海面风场的原理和反演算法,并将此算法应用于我国首台天基微波散射计.获得了我国自主资料的第一幅海面风场图.     

基于光流法的X波段雷达浪向反演研究

浪向代表着海浪传播方向,它是海上交通安全以及海岸资源管理的重要海洋环境参数之一。本文针对X波段测波雷达对海杂波的连续成像,提出了一种基于光流法的海浪传播方向反演新方法。该方法利用X波段测波雷达接收的海面回波图像序列直接进行光流运动估计,将得到的每个像素点的运动矢量进行加权平均,最后得到实际的海浪传播方向。与传统基于频域的X波段测波雷达浪向反演方法相比,本文提出的方法直接从时域来进行回波信号处理,无需提前得到调制传递函数以及精确的海流,减少了由于海流估算的不准确以及调制传递函数选取的误差而给雷达浪向反演带来的影响。同时,该方法简单高效,占用资源少,将其应用至仿真雷达回波以及现场实测数据来进行浪向反演,反演得到的浪向与仿真设定浪向值以及浮标实时观测浪向结果都有很好的吻合度,变化趋势也完全一致,进而验证了该方法的有效性以及准确性。     

基于影像纹理特征和外部风向的星载 SAR 海面风场反演研究

在合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)海面风场反演中,基于风条纹影像纹理特征的海面风向反演方法精度高,但是依赖于图像风条纹的存在,而外部风向信息与SAR资料时空分辨率不易匹配、精度较低,从而影响大面积、高分辨率海面风场反演的精度。针对此问题,提出一种将SAR图像风条纹线性纹理特征与外部风向信息相结合的星载SAR海面风向获取方法,在SAR影像线性纹理特征明显的区域采用二维连续小波变换得到高精度的海面风向,其余区域采用与之时空相匹配的数值预报模式风向填充;并利用地球物理模型函数进一步得到海面风速,进而实现高精度、大范围海面风场的反演。为验证本文方法的有效性,利用ENVISAT/ASAR数据进行风场反演试验,并将反演结果与浮标实测数据进行比对。结果表明:在线性纹理特征明显的区域,小波方法的反演精度优于快速傅里叶变换(FFT)法和数值预报模式风向;外部风向精度略低,但与SAR观测资料时空匹配性较好,弥补了风条纹风向的不足。二者的结合为星载SAR海面风场反演的业务化应用提供了支持。     

一种温度相关的HY-2A散射计地球物理模型函数

利用散射计测量海面后向散射系数, 并通过地球物理模型函数(geophysical model function, GMF)反演得到海面风场。目前散射计风场反演所采用的GMF一般只考虑雷达极化方式、雷达入射角、风速和相对风向对海面后向散射系数的影响, 而相关研究表明海表温度(sea surface temperature, SST)对Ku波段散射计风场反演具有不可忽略的影响。文章利用海洋二号A卫星散射计(Haiyang-2A Scatterometer, HY2A-SCAT)后向散射系数观测值、欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF )再分析风矢量和SST数据, 采用人工神经网络方法, 建立起一种SST相关的GMF (TNGMF)。对TNGMF进行分析后发现, 海面后向散射系数随着SST的增加而增加, 并且其增加幅度与雷达极化方式、风速有关。为了对比, 文章使用相同数据集和相同方法建立了不包含SST的GMF (NGMF), 将美国国家航天航空局散射计-2 (National Aeronautics and Space Administration Scatterometer-2, NSCAT2) GMF、TNGMF和NGMF分别用于HY2A-SCAT风场反演实验。试验结果表明, 采用NSCAT2 GMF、NGMF反演得到的风速在低温时系统性偏小, 在高温时系统性偏大; 而TNGMF可较好地纠正SST对风速偏差均值的影响, 从而提高反演风场质量。     

GNSS-R观测下的海面飓风风速反演

利用全球导航卫星系统在地球表面的反射信号（GNSS-R）进行海面风速反演已经被广泛研究并作为一种重要的遥感手段。目前,该L波段微波信号的相关功率已可以在多普勒频率和时延码片空间进行多普勒时延图像的成像。由于该图像的图像特征与海面粗糙度有较高的相关性,因此能够用来进行海面风场反演。然而,对于该遥感手段而言,其双基雷达前向散射截面（BRCS）理论上与海面粗糙度有更高的相关性,如同目前合成孔径雷达使用后向雷达散射截面而非相关功率。所以,本文通过改进已有的GNSS-R的双基雷达散射截面方程,代替相关功率在多普勒时延空间进行成像,得出了与海面粗糙度相关的双基雷达散射截面图像（BRCS map）。基于该图像,本文提出了三种与其形状特征相关的观测量,通过2005年Dennis飓风GNSS-R机载数据生成的16000多幅图像进行地球物理模式函数建模并与经典的一维时延波形匹配方法得出结果进行对比分析,得出更为精确的风速反演结果。     

X波段雷达图像提取海洋表面风场

船用X波段导航雷达海杂波图像中包含有丰富的海浪、海面流和风场等环境信息。阵风的运动在滤波后的雷达图像序列中是可见的,根据分析阵风的运动,用基于运动估计技术的光流方法从阵风的运动中测定风矢量。文章主要分析了小麦岛海域岸基试验的海杂波数据,将用雷达图像序列提取的风矢量和现场风速仪、风向标测得的风矢量做了比较,证明了光流运动估计技术提取高分率风场的可行性。     

基于混合密度网络的NSCAT散射计海面风场反演

以NSCAT散射计数据为例,介绍了一种神经网络反演海面风场的方法.风速的反演是基于多层感知器网络;多解风向的反演是基于多层感知器网络和混合密度模型组合而成的混合密度网络,其中的核函数采用高斯函数的形式.通过与欧洲中期天气预报模式风场和现场浮标数据对比,证明了该神经网络反演海面风场的有效性.     

X波段导航雷达浪高实时测量研究

针对舰船对浪高实时测量的需要,提出了基于X波段导航雷达浪高实时测量的方案。介绍X波段导航雷达浪高测量原理,建立基于X波段导航雷达浪高实时测量的数学模型。通过某海域实测采集的雷达图像,经过数学模型反演得出浪高实时数据,并与采用浮标传感器实时测量的浪高数据进行对比,发现X波段导航雷达与浮标传感器测得的浪高数据有近一致的线性关系,标准差也较小。从一定程度上为舰船浪高测量提供一种可行性方法。     

多普勒雷达风场反演研究及应用

利用VAP方法,利用舟山新一代天气雷达基数据资料,对2008年7月2日和2009年6月20日二次过程进行风场反演,结合新一代天气雷达反射率因子资料,从风场动力结构剖析强对流天气入海后变化的主要原因,掌握强对流天气入海后的发展加强和减弱消散的趋势性变化,提高强对流天气预报准确率.进一步的利用浙江省自动测风站网资料和反演风场资料进行对比分析,结果表明:反演风场的风向基本和事实相符;风速和实测资料的风速存在差异,并指出了产生误差的主要原因.     

基于X波段海洋雷达的风浪联合反演方法研究

提出了一种新的利用X波段海洋雷达联合反演海面风速与海浪谱的方法,该方法不需要额外的信息输入来反演海浪谱。通过利用风速与雷达后向散射强度的经验关系获得海表风速,然后将反演的风速输入风浪谱,通过求解该模拟风浪谱与雷达观测图像谱的约束函数的最小值来确定海浪谱。利用实验数据对反演方法进行了验证,风速、有效波高、主波周期以及主波波向反演的均方根误差分别为1.9 m/s,0.4 m,1.2 s和9.6°,证明了该方法的可行性。     

基于最大似然估计的雷达高度计海面参数联合反演

对合成孔径雷达高度计的参数反演问题进行了研究。根据合成孔径雷达高度计的海面回波模型,推导了利用最大似然估计反演海面参数的算法流程,并确定了联合反演时海面参数的估计顺序,然后在给定的仿真参数下对海面参数的反演流程进行了仿真。仿真得到的参数估计值满足指标要求,显示了算法的良好性能。分析结果对雷达高度计的系统设计和挂飞试验都有一定的参考意义。     

利用X波段雷达图像估计有效波高

海浪有效波高与雷达的海杂波强度有关,但是无法直接由雷达图像得到.借鉴运用SAR图像计算有效波高的方法,即假设有效波高与雷达回波强度信噪比的平方根成线性关系,可以由X波段雷达图像计算得到海浪的有效波高.将在小麦岛和南海分别进行的岸基试验和船基试验获得的浮标资料和雷达资料结合起来分析,结果表明用X波段航海雷达测量有效波高的最大误差不超过9%.     

环境参数对L波段盐度计观测亮温的影响研究

星载海洋盐度计依据海表面盐度在微波波段的辐射特性,通过构建海面微波辐射探测器,利用海面辐射亮温、海表面粗糙度以及海面温度等信息反演得到海表面盐度,是实现全球海洋盐度观测的有效手段。构建合理的星载L波段盐度计辐射传输正演模型是准确定量反演海表盐度的基础,卫星盐度计观测亮温不仅与卫星固有参数有关,还与海洋、大气及空间因素密切相关。为了研究外界环境因素(海表盐度、温度、海面风场、海面气压、海表气温、大气水汽含量、降雨以及法拉第旋转角等)对盐度计观测亮温的影响,文中基于L波段盐度计辐射传输正演模型以及MPM93大气毫米波传播模型,通过敏感性分析,研究星载盐度计在不同环境条件下的参数敏感性,为减小外界因素对海表盐度反演精度的不利影响提供理论依据。