基于SAR图像速度聚束调制的海浪反演研究

本文首先对合成孔径雷达（SAR）海浪成像中的3种调制（倾斜调制、流体力学调制与速度聚束调制）的影响进行了对比分析,结果显示:速度聚束调制对SAR图像的影响最为显著。另外,由于SAR图像中固有相干斑噪声的存在,较低波数范围的噪声难以滤除或抑制,利用经典MPI方法反演海浪谱会造成低波数范围谱值偏大。基于此,本文借鉴经典MPI海浪谱反演算法,建立了基于速度聚束调制的海浪方位向斜率谱和有效波高的反演算法。通过将经典MPI方法、同极化调制法及本文算法等3种海浪反演方法所得有效波高与浮标数据进行比较,结果显示:本文方法反演得到的海浪有效波高与浮标数据获得的有效波高之间的均方误差为0.79 m,为3种方法中最小。     

高分三号卫星对海浪的首次定量遥感

高分三号(GF-3)是我国首颗C频段多极化高分辨率微波遥感卫星,于2016年8月10日在太原卫星发射中心成功发射。GF-3 SAR卫星入射角范围约为20°—50°,具备单极化、双极化和全极化等多极化工作能力,还是世界上成像模式最多的SAR卫星,具有12种成像模式。不仅涵盖了传统的条带、扫描成像模式,而且可在聚束、条带、扫描、波浪、全球观测、高低入射角等多种成像模式下实现自由切换,既可以探地,又可以观海,达到"一星多用"的效果。近日,国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室利用首批GF-3合成孔径雷达(SAR)遥感数据(图1)对夏威夷西北部附近太平洋海域的海浪进行了首次定量分析和反演研究(图2)。图1为GF-3 SAR的灰度图像,成像时间为2016年9月2日8:30(GMT),卫星此时飞行速度约为7.6km,极化方式为VV极化,飞行方向为降轨,空间分辨率为8m×8m,中心入射角为28.32°。由图1可以看出,SAR图像上存在明显的黑白相间的海浪条纹,说明海浪在图像上能够顺利成像。通过提取灰度图像上的调制信息,并作傅里叶变换分析,可得到包含海浪信息的图像谱。进一步,基于经典的Hasselmann SAR海浪成像模型的准线性形式,同时估计倾斜调制、水动力调制和聚束调制等三种海浪调制函数(MTF),可以利用图像谱反演得到海浪谱,此时的海浪谱主要为较长波长的涌浪信息,至于较短波长的海浪信息提取,由于受到方位向截断效应的影响,则需要引入初猜谱加以补偿实现。图2为图1反演的海面涌浪参数。从图2可以看出,该海域海浪由西北向东南传播(即由外海向近岸传播),平均波长约200m,有效波高从2.5m到4.0m不等,能够反映浪场的分布差异。由于没有同步的现场观测资料和其他卫星遥感资料,本文将这些结果与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA-Interim再分析数据进行了比对。初步反演与比对结果表明,两者有较好的一致性,但本文的反演结果反映了更多的细节,显示GF-3 SAR有能力对海面涌浪信息进行高分辨率的观测;同时,再次表明ERA-Interim再分析数据低估了有效波高,因此GF-3卫星的发射将有利于提高全球海浪的遥感观测水平。     

对ENVISAT ASAR level2算法固有误差的分析

欧洲空间局的ENVISAT ASAR level 2算法是从合成孔径雷达(SAR)单视复图像反演涌浪方向谱的算法.该算法假设双峰海浪谱的SAR图像交叉谱是涌浪的图像交叉谱和风浪的图像交叉谱之和.实际上双峰海浪谱的SAR图像交叉谱中还有一个混合项,正是该混合项导致ENVI-SAT ASAR level 2算法有固有误差.利用遥感仿真的方法分析了不同海况条件下该算法的这一固有误差,结果表明,只有在有效波高较小、或风浪的成分较少、或双峰海浪的传播方向较靠近SAR距离向、或波长较长时固有误差才较小,ENVISAT ASAR level 2算法对海浪谱的反演才较为适用.     

基于同步风场的机载SAR海浪参数反演方法

针对机载合成孔径雷达(SAR)对海探测特点,采用多入射角法从SAR数据本身得到与海浪参数反演区域时空匹配的同步海面风速和风向,并结合线性变换关系,计算得到海浪初猜谱对应的仿真SAR图像谱,将仿真SAR图像谱和观测SAR图像谱输入代价函数中进行迭代运算,通过非线性方程的解算得到最适海浪谱;采用交叉谱法去除海浪传播180°方向模糊,最终得到海浪参数。论文提出的基于同步风场的机载SAR海浪参数反演方法,充分利用了机载SAR海洋环境探测的优势,解决了传统SAR海浪参数反演中初猜谱构造依赖外部风场的问题,机载同步飞行试验的海浪参数反演结果与浮标观测值的有效波高、波向的均方根误差分别为0.23 m和13.23°,验证了该方法的有效性,可为机载SAR海浪参数反演业务化提供支持。     

海面风浪SAR成像仿真研究

对于SAR风浪图像而言,速度聚束调制常导致图像中散射面元沿方位向产生位置交叠,从而引起强烈非线性特征,难于仿真;另外,SAR图像强度是由雷达飞行过程中多次观测所得的散射回波相干叠加获得,然而,传统SAR海浪图像仿真方法中并未考虑该相干叠加过程。为了解决第一个问题,文中首先应用线性滤波法对海浪运动引起的速度聚束效应进行仿真,统计方位向各像素位置处发生交叠的散射面元数目,并将各散射面元回波进行非相干叠加。针对第二个问题,本文则根据海面微波散射场时间序列的相位差近似满足高斯分布这一事实,将雷达沿方位向飞行过程中不同时刻所得的散射场引入满足高斯分布的随机相位,进而再将方位向不同时刻散射场进行相干叠加。最后通过将仿真所得SAR图像的强度分布与经验分布函数进行比较,初步检验了本文仿真方法的可行性,同时还分别分析了风速、风向、速度聚束调制等因素对仿真SAR图像的影响。     

星载高级合成孔径雷达波模式算法及其反演数据精度验证

搭载在欧洲环境卫星(ENVISAT)上的高级合成孔径雷达(Advanced Synthetic Aperture Radar,ASAR)二级波模式数据提供了诸多海浪信息包括有效波高、波向、波长和二维海浪谱等,在海浪预报模式中具有重要作用。本文拟利用浮标观测数据对ASAR波模式算法及其反演数据精度进行对比验证。由于SAR卫星在海面的特殊成像机制,不同海况下会有不同的测量结果,通过与美国国家浮标中心(NDBC)的浮标数据对比,显示ASAR有效波高在高海况下低估和在低海况下高估的现象,在中等海况下的测量结果较优。通过研究ASAR数据集中对应的海浪谱,按照能量与方向分布可分为四种类型:单一方向海浪谱(Ⅰ类谱),180°方向模糊海浪谱(Ⅱ类谱),海浪两个方向且能量分布杂乱(Ⅲ类谱),多个传播方向且谱型杂乱海浪谱(Ⅳ类谱)。探究在不同类型下的海浪参数的精度,结果表明在单一波向正常海浪谱情况下,有效波高、波向与浮标数据一致性较好,存在180°方向模糊的对称海浪谱仅有效波高精度较高,谱型杂乱的海浪谱海浪有效波高和波向反演结果均较差。     

基于全极化UAVSAR图像的海浪斜率反演方法研究

利用L波段Uninhabited Aerial Vehicle Synthetic Aperture Radar(UAVSAR)全极化数据,对成像海域海浪斜率的反演进行了研究。其中,沿SAR图像方位向海浪斜率是通过Krogager分解右旋和左旋圆极化相位差方程所提取的极化方向角,并利用该极化方向角的偏移量进行求解。而在求解海浪沿距离向的斜率的过程中,本文则选取了平均散射角(α角)、一致性参数、极化相干矩阵对角元素T22/T11、同极化比四种极化特征参数,并基于Bragg共振散射模型,对这四种极化特征参数的近似表达式进行了理论推导,通过分析发现这四种极化参数都是入射角的单调函数,从而使得利用这四种极化参数拟合求解距离向海浪斜率成为可能。本文中选取37景UAVSAR海浪图像,采用极化方向角及其他四种极化参数分别对海浪方位向和距离向斜率进行了拟合反演,并通过反演所得海浪斜率谱进一步计算出感兴趣海域海浪的波长、周期、传播方向、斜率均方根、有效波高等参数,将所得结果与National Data Buoy Center(NDBC)提供的浮标数据进行了对比。通过对反演结果进行统计分析发现:T22/T11、一致性参数的所得结果较好,同极化比次之,α角稍差;另外,从计算的复杂程度来说,T22/T11、一致性参数、同极化比较之α角简单,不需要复杂的极化分解。     

轨道运动对BiSAR海浪成像的影响

速度聚束调制是研究BiSAR海浪成像机理的一个重要方面,而海浪的轨道运动是速度聚束调制产生的根源。在平飞非等速情况下,本文以单色波为例,建立了含有轨道速度和加速度扰动的海面回波模型,推导了BiSAR海浪图像强度的表达式。当收发平台取适当的参数时,数值计算表明BiSAR是可以对一定条件下的海浪成像,并比较了单站SAR和双站SAR海浪图像的异同点。     

Dominant climate factors influencing the Arctic runoff and association between the Arctic runoff and sea ice

介绍了星载雷达波谱仪的观测原理及误差分析模型,并在Hauser等提出的SWIM(sea wave investigation and monitoring by satellite)的基础上分析了波谱仪反演海浪谱的波长分辨率和角度分辨率。为了减小反演调制谱的波动,在数据处理过程中时域和波数域相邻单元的平均个数分别为10和8个。系统在不同的模式下工作,为了获取20°的角度分辨率,对调制谱平均次数分别取3次(模式1)、7次(模式2)、10次(模式3)。使用解析法和仿真法分析了SWIM工作在模式2时海浪谱观测的能量误差,两种方法的结果一致。对于给定的海浪条件,能量误差小于20%。     

星载雷达波谱仪反演海浪谱的精度研究

介绍了星载雷达波谱仪的观测原理及误差分析模型,并在Hauser等提出的SWI M(sea wave investigation and monitoring by satellite)的基础上分析了波谱仪反演海浪谱的波长分辨率和角度分辨率。为了减小反演调制谱的波动,在数据处理过程中时域和波数域相邻单元的平均个数分别为10和8个。系统在不同的模式下工作,为了获取20°的角度分辨率,对调制谱平均次数分别取3次(模式1)、7次(模式2)、10次(模式3)。使用解析法和仿真法分析了SWI M工作在模式2时海浪谱观测的能量误差,两种方法的结果一致。对于给定的海浪条件,能量误差小于20%。     

Outer wave number spectrum and statistical distribution of apparent wave number vector

Based on the ray theory and Longuet-Higgins’s linear model of sea waves, the joint distribution of wave envelope and apparent wave number vector is established. From the joint distribution, we define a new concept, namely the outer wave number spectrum, to describe the outer characteristics of ocean waves. The analytical form of the outer wave number spectrum, the probability distributions of the apparent wave number vector and its components are then derived. The outer wave number spectrum is compared with the inner wave number spectrum for the average status of wind-wave development corresponding to a peakness factor P = 3. Discussions on the similarity and difference between the outer wave number spectrum and inner one are also presented in the paper.     

旋转层化二维海洋波动连续谱的波包特征分析

对旋转层化二维海洋波动中重力惯性波和涡旋波连续谱波包的结构以及演变特征作了计算和分析,并得到以下结论:这两类波动的结构与演变各不相同。连续谱波包的演变不但依赖基本场的分布,而且还依赖初始扰动的结构。根据初始场的不同,扰动可衰减,也可先增长、再衰减,有时增长还很大,但其最终是衰减的。连续谱波包的结构随时间变化,然而构成该波包的连续谱其结构则不随时间变化,这是两者的最大差异。连续谱波包的上述演变特性表明,在有限时段扰动的演变中连续谱是不能被忽略的,在海洋波动演变中连续谱和离散谱的作用均须予以考虑和重视。     

波浪反射系数谱的特征分析

应用斜向不规则波反射系数的改进两点法(MTPM),用模型试验研究了混凝土护面堤和块石护面堤波浪反射系数的频率谱和方向谱,结果表明,分析的反射系数随入射波频率的增加、结构坡度的减小和入射角的加大而减小.给出了波浪反射系数频率谱及其随Iribarren数变化的规律,提出了反射系数三维谱的经验公式,由此可定量地描述斜向不规则波的反射系数随无量纲特征参数Iribarren数和入射波角度的变化规律.     

X波段雷达近岸影像波谱分析

X波段岸基雷达作为一种新颖的海况遥感观测方式,可直接观测到实时的海况信息。通过对雷达影像的分析,能够获得海面上的波浪场。由于波浪在近岸的折射、浅化变形等原因,观测到的雷达影像场为近岸非均匀波浪场,在一定程度上限制了传统影像分析方法——傅里叶变换的应用。针对波浪的近岸非均匀性,将二维小波变换应用于雷达影像分析,子影像中6个空间点的波数谱显示:影像中的波浪非均匀性显著,主能量的波数呈现明显的增加趋势。二维小波变换应用到X波段雷达近岸影像处理中,可较好体现近岸波浪的非均匀性。     

机载波谱仪海浪谱反演方法及其验证

为了验证波谱仪反演二维海浪谱的功能,根据海浪波谱仪的信号形成机制,总结了机载波谱仪反演海浪的流程。利用机载波谱仪回波数据,通过自相关和互相关两种功率谱估计方法,反演了二维海浪谱。最后通过与浮标测量的二维海浪谱进行对比,验证了该机载波谱仪探测二维海浪谱的有效性。结果表明,无论采用自相关函数还是互相关函数进行功率谱估计,得到的主波波长和有效波高与实际二维海浪谱基本一致。互相关函数法得到的交叉谱能去除180°模糊现象,其在计算有效波高时相对于自相关函数会稍微偏小。在计算斜率方差时可以采用5°~12°入射角范围的后向散射系数进行公式拟合,因此定标与否并不影响最后的二维海浪谱结果,未来星载波谱仪只有靠多波束联合才能实现。     

Satellite-based RAR performance simulation for measuring directional ocean wave spectrum based on SAR inversion spectrum

Some missions have been carried out to measure wave directional spectrum by synthetic aperture radar (SAR) and airborne real aperture radar (RAR) at a low incidence. Both them have their own advantages and limitations. Scientists hope that SAR and satellite-based RAR can complement each other for the research on wave properties in the future. For this study, the authors aim to simulate the satellite-based RAR system to validate performance for measuring the directional wave spectrum. The principal measurements are introduced and the simulation methods based on the one developed by Hauser are adopted and slightly modified. To enhance the authenticity of input spectrum and the wave spectrum measuring consistency for SAR and satellite-based RAR, the wave height spectrum inversed from Envisat ASAR data by cross spectrum technology is used as the input spectrum of the simulation system. In the process of simulation, the sea surface, backscattering signal, modulation spectrum and the estimated wave height spectrum are simulated in each look direction. Directional wave spectrum are measured based on the simulated observations from 0° to 360°. From the estimated wave spectrum, it has an 180° ambiguity like SAR, but it has no special high wave number cut off in all the direction. Finally, the estimated spectrum is compared with the input one in terms of the dominant wave wavelength, direction and SWH and the results are promising. The simulation shows that satellite-based RAR should be capable of measuring the directional wave properties. Moreover, it indicates satellite-based RAR basically can measure waves that SAR can measure.     

基于波谱密度特性的海浪仿真研究

基于密闭液体的体积变化导致压力变化的特性,研制出了一种高响应、高精度的海浪仿真器,能够模拟海浪对任意水深处的影响作用。在保持微小频率段内总能量相等的条件下,通过规则波的合成,获得了描述已知波谱密度的海浪,并由海浪仿真器模拟出了任意水深处所受到的海浪作用,频谱分析表明模拟海浪具有与真实海浪相一致的波谱密度特性。     

碟形浮标观测方向波谱误差分析及修正

改进了方向波谱的分析方法及噪声谱经验公式，使本法随测波环境及仪器特性自动修正经验参值，更易于实际应用。基于Maximum heave/pitch quad-spectrum method，由时域及频率域上的浮标动力反应数值计算，推求反应增益因子及相位延迟项，并进一步将其导入方向波谱计算，使其能修正资料浮标对波浪之轴不对称动态反应所造成的相位延迟不一致及主波向误差。经数值仿真验证，该方法的确能消减因资料浮标对波浪之轴不对称动态反应所造成的相位延迟及对主波向估算所造成之影响。应用花莲现场观测资料验证改良之主波向估算方法，得出是否考虑波浪运动与浮标运动间之振幅响应因子及相位延迟因子，所得之主波向的差异介于0－12℃之间。     

Three-dimensional dynamic sea surface modeling based on ocean wave spectrum

In conventional marine seismic exploration data processing, the sea surface is usually treated as a horizontal free boundary. However, the sea surface is affected by wind and waves and there often exists dynamic small-range fluctuations. These dynamic fluctuations will change the energy propagation path and affect the final imaging results. In theoretical research, different sea surface conditions need to be described, so it is necessary to study the modeling method of dynamic undulating sea surface. Starting from the commonly used sea surface mathematical simulation methods, this paper mainly studies the realization process of simple harmonic wave and Gerstner wave sea surface simulation methods based on ocean wave spectrum, and compares their advantages and disadvantages. Aiming at the shortcomings of the simple harmonic method and Gerstner method in calculational speed and sea surface simulation effect, a method based on wave equation and using dynamic boundary conditions for sea surface simulation is proposed. The calculational speed of this method is much faster than the commonly used simple harmonic method and Gerstner wave method. In addition, this paper also compares the new method with the more commonly used higher-order spectral methods to show the characteristics of the improved wave equation method.     

锁相波浪场入、反射波方向谱及反射系数估算

通过数模波浪和物模实验，比较分析了估算多向不规则入射波与反射波相互叠加的锁相波浪场方向分布和反射系数方向分布的改进的贝叶斯估计法MBDM和扩展的最大似然法MMLM的性能。数模试验检验了不同波浪条件、不同波浪测量系统和结构物的不同反射特性等情况下的估算结果，同时还比较了两种分析方法的计算速度和稳定性，结果显示，对于波浪的方向分布估计，MBDM优于MMLM，对于反射系数的方向分布估计以及计算速度和稳定性，MMLM优于MBDM。