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《中国科学院研究生院(海洋研究所)》 2007年
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合成孔径雷达提取海面风、浪信息研究

宋贵霆  
【摘要】: 传统海洋测量方法例如岸基观测站、船只和浮标等方式只能对海面进行单点观测,存在很多不足之处,例如:观测点少,只能获得有限的点的资料,无法得到大范围的海面信息;费用较高,无法大范围的密集观测;并且,传统方法受天气影响较大,无法长时间的连续观测。星载合成孔径雷达能全天候、全天时、高分辨率对海面成像,能实现多波段、多极化、多视角得观测海面,提供大范围、高精度的实时动态海面信息。同时,这种全天候、全天时和高分辨率观测海洋的优势是可见光和红外传感器所没有的。总之研究如何从SAR影像中有效地获取海面信息具有重要的科学和实用意义。 自从1978年Seasat卫星发射以来,SAR图像就被广泛的应用于海洋要素的反演,如海面风场、波高、平均周期。其中对海面风场的反演研究的最多,一般的方法是首先对SAR图像进行快速傅立叶变换得到SAR图像谱,通过图像谱的峰值信息能够得到具有180°模糊的风向,利用SAR图像的条纹或者浮标等外部信息来消除180°模糊从而确定风向,然后把得到的风向和SAR图像的正交后向散射截面数值(NRCS)带入经验函数CMOD4或者CMOD5等反演函数通过迭代计算得到风速。这种方法得到的海面风场需要外部信息的辅助,不利于大范围业务化的反演海面风场。因此本文试图直接通过SAR图像来反演海面风场而不利用其他外部信息的帮助。2002年3月1日发射的ENVISAT卫星所获得的ASAR图像具有不同于ERS系列的SAR图像的新特点:(1)不同入射角的情况下获得ASAR图片,(2)可以同步的获得双极化甚至多极化数据,(3)可以获得更宽的带幅的图像。双极化数据可以同时地提供同极化和交错极化的影像,两种极化的数据能够增加分辨目标的能力和提供目标更多的信息,这方面的优势也使得利用双极化的数据来消除SAR图像反演风场中的180o模糊问题提供了可能。本文推导了利用双极化的ASAR图像反演海面风场的新函数,该函数是在同极化和交错极化函数的基础上推导出来的,有效的消除了只用一副ASAR图片反演风场所固有的180o模糊现象。风速和风向的反演结果与Quikscat数据之间的均方根误差分别为0.53 m/s和2.21o。该方法与传统方法的比较可以看出新方法与浮标数据以及Quikscat数据符合的更好。 利用SAR图像来反演海浪的波高也是一个研究的比较多的领域。比较传统的方法是由SAR图像得到的海浪谱计算出波高,目前国际上比较流行的SAR图像反演海浪谱的模式有两种:一种是Hasselmann(1991)提出的在Max-Planck Institute(MPI)发展起来的方法,Hasselmann(1996)进行了改进和完善。另一种是Mastenbroek和de Valk(2000)提出的半参数化反演方法。这两种方法的最主要的缺点就是需要引进外部信息(WAM模式结果或者散射计的风的信息)来消除图像所固有的180°方向模糊问题。而本文应用的经验函数方法(CWAVE)不需要引进任何外部信息而直接得到海浪的重要参数-有效波高(Hs),输入该经验函数的参数主要有:波模式图像的雷达截面、图像方差以及由SAR谱得到的20个参数。这些参数的选择是通过逐步回归方法进行筛选的。CWAVE经验函数的系数是通过6000幅全球分布的ERS-2波模式的图像谱拟合同时同地点的WAM模式结果得到的。利用CWAVE经验函数反演了1998年9月到2000年11月两年多的全球接近一百万的ERS-2 SAR图像的有效波高,利用NOAA浮标数据对反演结果进行了验证,他们之间的相关系数为0.83,均方根误差为0.61m,偏差为0.02 m;反演结果也与欧洲中长期预报中心(ECMWF)的ERA-40有效波高资料和高度计资料进行了比较,结果表明该方法是通过SAR图像反演Hs的一种有效方法。 SAR的反演结果也应用于有效波高的非线性统计分布的研究。结合动力学和随机统计学原理推导了海面高度、波高和有效波高的非线性统计分布,同时利用了NOAA浮标数据、华师大的波高数据以及SAR的有效波高数据分别对推导出的非线性统计分布函数进行了检验。 SAR的结果也用来反演新的风浪成长关系: H = 0.00854T~(1.564),与已有的风浪成长关系的比较表明该成长关系与已有的结果比较一致。
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