基于EMD算法的海洋内波参数反演

利用合成孔径雷达(SAR)图像研究海洋内波具有其他遥感探测及实地海洋测量不可替代的优势,然而从SAR数据中提取内波参数的方法却往往由于人工选取的位置不同使得反演的内波参数产生不同的偏差,为了尽量避免人工操作带来的误差并有效反演内波参数,文中提出了一种SAR图像海洋内波波向与波长参数估计的新方法。通过人工选取内波前导线上的3个位置点,计算机自动地获取内波的位置和内波的波向,提取内波断面,在此基础上利用EMD算法反演内波波长,结合内波区域海水密度剖面数据,进一步反演内波振幅参数。通过对实测SAR图像数据进行处理的结果可知,采用该方法对内波SAR图像进行处理,能很好地定位内波位置并获得传播方向及内波波长参数,结合海水密度剖面,实现了内波振幅参数反演。人工干预选取3个位置点,自动计算内波前导线弯曲弧度并自动计算5个内波剖面,减少了由于人工干预操作不同形成的偏差。     

经验模态与小波分解在光学遥感内波参数提取中的应用

内波遥感参数提取是利用遥感影像研究海洋内波的重要手段,通过提取内波的基本参数可以对海洋内波的生成与传播机制进行进一步的研究。提出了利用经验模态分解、小波分解与高阶多项式拟合从光学影像中提取内波半波宽度的方法。经验模态分解与小波分解对内波剖面数据进行尺度分解,根据归一化方差最大来提取内波分量;多项式拟合基于内波剖面的亮暗条纹变化完全由内波调制的假设,对数据进行拟合,并根据一阶导数来提取半波宽度。用南海北部东沙岛附近2004年7月10日的中-巴资源卫星(China-Brazil Earth Resources Satellite,CBERS)影像对方法进行了验证。结果表明,3种方法能较好地提取所需参数,获取的内波半波宽度具有较好的一致性;上述方法在处理非平稳及非线性遥感数据上,具有非常明显的优势。基于一维非线性内波理论,通过提取的内波半波宽度,辅以水深和混合层深度数据,反演了内波的振幅。     

SAR图像海洋内波参数自动提取方法

海洋SAR图像由于纹理复杂,目前绝大多数的SAR图像海洋内波处理方式都是通过人工干预在SAR图像上选取一个或多个沿内波传播方向的截面,再依据截面数据的灰度分布求内波波长等参数,这种方法要求操作者有一定的专业知识,且随操作者选取截面的不同,反演得到的内波参数变化较大。依据海洋内波特点,采用二维连续小波变换对海洋SAR图像进行滑动窗扫描,自动找出含有海洋内波的图像区域,再通过椭圆域归一化Radon变换自动反演含有内波区域的内波波长、传播方向等参数。由SAR图像内波参数提取结果可知,提出的SAR图像内波参数自动提取方法,是一种全自动的SAR图像内波参数提取方法,能够较好地定位内波所在的图像区域,自动提取这些区域中的内波参数,且提取的内波传播方向可自动去除180°模糊,可解决海量SAR海洋数据内波参数自动提取的难题。     

基于SAR图像数据的内波二维断面重构研究

针对传统内波重构是基于内波源基础,理论性限制太强,不适合实际应用。本文提出1种基于SAR图像反演内波参数并结合背景场密度剖面信息,对内波二维断面进行重构。在充分考虑到SAR图像反演的内波水平数据信息(数据信息均一化),垂向振幅以及垂向模态函数三者物理意义及相互关系后对内波二维断面重构,它具有物理意义清楚、实际可操作性强的特点。     

合成孔径雷达图像中海洋内波的特征检测

海洋内波在合成孔径雷达(SAR)图像中具有特定纹理分布,因此可以根据海洋内波SAR图像的纹理分布特性,进行内波海面特征检测。利用功率谱对具有不同纹理特征的SAR图像进行分析,并对特征进行分类统计得出内波的功率谱特征。在海洋内波区域,利用多孔小波变换及多尺度融合提取海洋内波特征,在此基础上对波-流散射系数进行提取。提出了"内波特征的功率谱特征-多孔小波综合检测算法",为海洋内波参数反演奠定了基础。     

基于遥感影像边界特性对南海海洋内波检测算法研究 *

海洋内波在海洋活动中扮演重要角色。海洋内波研究对我国海洋科学的理论研究、海洋资源的保护、开发和利用以及海洋军事等方面均具有重要意义。为了及时发现海洋内波的发生地点以及对海洋内波参数进行定量分析, 本研究基于合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)影像中内波明暗条纹的边界特性, 提出了一种集成的海洋内波检测算法: 主要运用列分离邻域处理和Canny算子边缘检测算法对条纹进行检测, 并利用海洋内波的轮廓长度、面积比值及传播方向三个特征对条纹进行筛选, 并将该算法应用于南海发生的多起海洋内波, 以验证算法的鲁棒性和适用性。研究结果表明, 该算法能够较好地识别出海洋内波的明暗条纹, 不仅能够除去非内波条纹的轮廓, 而且能够去除一些细小且不明显的内波条纹轮廓。利用余弦函数逐像素地对识别后的条纹进行拟合, 然后根据拟合结果找出明暗条纹所在位置以及相邻明暗条纹之间的间距, 从而判定出内波发生的位置。     

多系统GNSS浮标潮位提取精度研究

为实现多频多模GNSS浮标在远距离海洋潮汐测量中的应用,基于精密单点定位(precision pointing positioning,PPP)数据处理策略获取潮位信息,以压力验潮仪为参考,对GNSS浮标测量海面高进行经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD),滤去高频波浪和噪声,获取潮位进行精度分析。结果表明:多系统可以提高PPP解算潮位精度。GPS/GLONASS双系统和GPS/GLONASS/Bei Dou三系统PPP提取潮位与验潮仪潮位差值的最大误差均小于18cm,RMSE小于6. 5cm。因此,多系统PPP解算GNSS浮标海面高可以实现远离海岸的潮位获取与监测,能够提高海上潮位测量的效率。     

基于EMD的BP神经网络海水温度时间序列预测研究

为提高非线性和非平稳海水温度时间序列的预测能力,提出了一种基于经验模态分解(Empirical Mode Decomposition.简称EMD)的BP神经网络预测方法.该方法首先对原始序列进行经验模态分解,将其分解为多个平稳性得到很大改善的本征模态函数(Intrinsic Mode Function,简称IMF)之和,然后时每个本征模态函数进行预测,最后再根据EMD方法的完备性把预测结果相加得出原始序列的预测结果.预测试验结果表明.基于EMD的BP神经网络预测的精度比单纯用BP神经网络预测有很大提高.     

利用GF-1和MODIS准同步光学遥感图像反演内波参数的研究

高分一号(GF-1)光学遥感卫星的发射为海洋内波的研究提供了精细的观测资料,利用其图像高空间分辨率的优势,结合高时间分辨率的中分辨率成像光谱仪(MODIS)的匹配数据,能够对南中国海东沙岛附近的内波开展特征参量的反演。本文处理了GF-1和MODIS的准同步图像,选取东沙岛附近的相邻时刻的同一条内波进行分析,提取其空间位移,计算出内孤立波传播的群速度。分析GF-1和MODIS图像上同一条内波的灰度剖面,计算了明暗条纹间距,结合当地水深和温盐数据,应用非线性薛定谔方程反演内孤立波的振幅,探究大陆架附近内孤立波的振幅演变。研究结果表明:内孤立波的群速度在东沙岛附近向西传播过程中逐渐变小;在相似的温盐条件下,遥感图像中内波的明暗条纹间距和振幅呈现负相关,在深海区水深和振幅呈现正相关关系,在浅海区由于非线性作用增强会出现振幅随水深变小反而增大的现象。     

基于EMD和短时拷贝相关分析方法的物体溅落声检测研究

采用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,简称EMD)和短时拷贝相关分析的方法,将经过EMD处理得到的溅落声信号作为拷贝信号,利用拷贝信号与海上实测信号的波形相关性实现溅落声检测研究。通过对海试实测的辐射噪声数据进行分析,表明利用EMD和短时相关分析方法可以在较低信噪比下检测出溅落声信号的存在,从而提高了信号检测的准确性。     

ASAR波模式数据反演参数误差与海浪条纹清晰度的相关性分析

欧洲环境卫星-高级合成孔径雷达(EnvironmentalSatellite-AdvancedSyntheticAperture Radar,Envisat-ASAR)波模式数据提供了全球风、浪要素信息,在海浪模式预报与同化方面有重要作用。该数据合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar,SAR)图像普遍存在海浪条纹清晰度不同的现象,但是否影响数据精度尚无定论。本文通过比较2010年NODC (the National Oceanographic Date Center)浮标观测数据和波模式数据,发现经过官方修正后的海浪参数反而具有更大误差。进而通过对比不同条纹清晰度的SAR图像反演参数误差,揭示了ASAR产品海浪参数与浮标测量值之间的误差与海浪条纹清晰度的关系。结果表明:海浪条纹清晰的SAR图像的主波波长和主波周期的反演误差更小,而条纹不清晰SAR图像的有效波高和风速的反演误差更小。通过分析海浪参数对海浪条纹清晰度的敏感性,证实了有效波高和方位向截断波长对SAR图像条纹清晰度的响应最好,波陡次之,与卫星飞行方位角和入射角无关。因此,在反演和修正SAR波模式数据时,考虑图像的条纹清晰度,将会有效提高反演数据的精度。该研究可为高分三号等卫星的波模式数据波浪要素反演精度的提升提供有价值的参考。     

南海北部内孤立波SAR遥感反演的初步研究

应用海洋内孤立波2层流体模型的SAR遥感反演技术,对南海北部内孤立波SAR遥感反演进行了初步研究.对于不存在由同一波源生成的2个内孤立波波包的SAR遥感图像资料,可以利用Levitus等的月平均温盐资料确定跃层深度和约化重力加速度,进而确定内波波速并进行内波振幅的反演.这样能够充分利用宝贵的SAR图像资源.     

Single point mooring system modal parameter identification based on empirical mode decomposition and time-varying autoregressive model

A method based on empirical mode decomposition (EMD) and time-varying autoregressive (TVAR) model is proposed here to identify the modal parameters of time-varying systems, such as the Floating Production Storage and Offloading (FPSO) single point mooring system. For the EMD–TVAR method, the original signal is decomposed into a finite number of ‘intrinsic mode functions’ (IMFs) by the EMD. Each IMF can be represented as a TVAR model. Then, the time-varying modal parameters i.e., instantaneous frequency (IF) and modal dumping, can be obtained by the basis functions expansion method. The proposed EMD–TVAR method has good results in two experiments compared with the Huang–Hilbert transformation and Short Time Fourier Transform method, and it has been used to analysis the modal parameters of FPSO single point mooring system successfully. The system's time-varying characteristic and its frequency distribution can be known from the modal analysis results.     

Oceanic pycnocline depth retrieval from SAR imagery in the existence of solitary internal waves

Oceanic pycnocline depth is usually inferred from in situ measurements. It is attempted to estimate the depth remotely. As solitary internal waves occur on oceanic pycnocline and propagate along it, it is possible to retrieve the depth indirectly in virtue of the solitary internal waves. A numerical model is presented for retrieving the pycnocline depth from synthetic aperture radar （SAR） images where the solitary internal waves are visible and when ocean waters are fully stratified. This numerical model is constructed by combining the solitary internal wave model and a two-layer ocean model. It is also assumed that the observed groups of solitary internal wave packets on the SAR imagery are generated by local semidiurnal tides. A case study in the East China Sea shows a good agreement with in situ CTD （conductivity-temperature-depth） data.     

An Equivalent Transform Method for Evaluating the Effect of Water-Column Mismatch on Geoacoustic Inversion

An "equivalent transform method" for quantitatively evaluating the effect of water-column mismatch on geoacoustic inversions is presented. This method is based on the concept of error transferral from one medium to another and is derived from linear perturbative inverse theory. To illustrate the method, geoacoustic inversions using adiabatic mode data, including wave numbers, group velocities, and travel times, are considered. In the test cases, both linear and nonlinear internal waves are considered as the causes of the water-column mismatch, and the inversion errors due to the water-column mismatch in each case are discussed. In the case of linear internal waves, range-averaged inversion errors are largely eliminated at the full cycle distance of the internal wave; however, in the case of nonlinear internal waves, the range-averaged inversion errors are accumulated but scaled down with increasing range. Furthermore, the inversion errors produced by water-column mismatch will be large if the modes used for inversion are sensitive to the mismatch; for instance, using higher order modes might lead to increased error even though it would normally improve inversion results. Using lower frequency signal, which penetrates deeper into the bottom, extends the effective depth of the inversion solutions, but this also allows the water-column mismatch to transfer error into the deeper bottom     

地转及均匀背景流场对混合层深度SAR遥感反演的影响

以考虑了地转和均匀背景流场影响的两层流体界面内波频散关系模型为基础,得到新的利用SAR遥感图像计算混合层深度的方法。利用该方法对一幅南海北部SAR内波图像进行了实例研究,并且和时空同步的CTD资料进行了对比。结果表明,加入地转和均匀背景流场影响的模型更为合理,为更准确地反演混合层深度奠定了基础。     

内波远距离传播演化的实验研究

为了研究内波远距离传播过程中的演化规律,本文采用图像测速法(PIV)分别对内波近场和远场的速度场进行测量。实验中同时采用两台CCD相机对实验区域进行拍摄,根据实验结果对内波能量和垂向模态结构进行计算分析。实验结果表明,在近场区域生成的内波主要表现为内波射线结构。内波射线在经过海表面反射后,其能量在空间上出现非对称结构,能量在加强区域较减弱区增加约15%。在远场,内波射线结构不再清晰,内波主要表现为低模态内波结构。内波射线在反射时能量衰减显著,损失约为50%;低模态内波可以离开内波生成源地远距离传播,传播过程中能量损失较小,在远场传播过程中(第一模态内波半波长的距离)能量损失约20%。低模态内波的传播相速度介于垂向第一模态和第二模态相速度之间。     

Performance and limitations of the Hilbert–Huang transformation (HHT) with an application to irregular water waves

This paper relates to the newly developed Hilbert–Huang transformation (HHT). An overview of this time-frequency analysis technique and its applications are given. Key elements of the numerical procedure and principles of the Hilbert transformation (HT) are established. A simple parameter study with trigonometric functions to get an idea about the numerical performance of the empirical mode decomposition (EMD) is performed. The main results of estimating relative standardized errors made between analytically exact defined sine waves and disintegrated intrinsic functions as well as their specific influence on each other are determined. Practical applications are carried out next to evaluate computed nonlinear irregular water waves based on Stokes perturbation expansion approach and measurements on fully nonlinear irregular water waves recorded in a laboratory wave flume. Correspondence between simulated and recorded wave trains is given for narrow-banded fundamental components. Deviations are unveiled when carrier and riding waves get broad banded. Time-dependent spectral representation shows signs of an interesting phenomenon as instantaneous frequencies and amplitudes exhibit strong correlations with water surface elevations of both numerical and measured data series.