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VMD对SAR海洋内波参数的自动反演

经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)是反演海洋内波参数的有效方法之一,但由于EMD存在模态混叠等问题,对海洋内波进行参数反演时会产生一定误差。相比较于EMD,变分模态分解(variational mode decomposition,简称VMD)能够有效地抑制模态混叠现象。为了更好地对海洋内波进行参数反演,提出了一种基于VMD对合成孔径雷达(synthetic aperture radar,简称SAR)遥感图像中的内波参数进行自动反演的方法。该方法先对SAR图像进行Canny处理,获取图像中的内波条纹信息,再根据内波传播方向自动选取灰度剖面;然后利用集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,简称EEMD)信号特征自适应分解模态函数的特点,再将分解得到的有效模态数作为VMD中参数K的参考值;最后利用VMD分解后的数据进行内波参数反演。试验结果表明:通过对Canny预处理后的条纹信息进行灰度剖面自动选取,解决了人为选取剖面所可能导致的误差;通过对剖面信号进行VMD处理不仅解决了EMD模态混叠的问题,成功地反演出内波的前导波振幅,而且所反演的结果与EEMD反演参数以及实测资料数据吻合得很好。     

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。     

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.     

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。     

基于实测资料的内波振幅修正参数

针对海洋内波参数反演的技术难点,本文从原始内波动力学方程组出发,提出了一套更容易实现的内波波长反演方法,通过加入与波长、水深相关的振幅修正系数,得到了改进的内波振幅反演方法,并与实测资料进行了对比验证。结果证明,加入参数修正后的内波振幅精度得到了较大提高。     

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。     

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。     

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。     

浅海内波及声场起伏数值研究

为探讨声学方法监测(反演)海洋内波的可行性,分析ASIAEX2001亚洲海海洋声学实验定点温度链实验数据,结果表明：实验期间存在M2内潮波、周期10～30min非线性内波现象,并观测到双温跃层同相传播“双非线性内波”。分别对垂直和平行于内波传播方向传播声场进行了数值计算分析。垂直于内波传播方向的声传播计算结果表明：简正波波数时间演化函数的频谱与内波引起的声速剖面变化频谱基本一致;简正波系数(模值)时间演化函数的频谱与内波引起的声源位置处的声速演化函数的频谱基本一致;高阶简正波波数差随时间的变化要比低阶简正波波数差小约1个量级。平行于内波传播方向的声传播计算结果表明：内潮波主要导致相邻简正波间耦合;非线性内波包能够导致跨号甚至垮多号简正波间耦合。讨论了2种海洋内波声学监测方法。     

Gerris在海洋大振幅内孤立波数值模拟中的应用

本文运用基于自适应网格的流体动力学开源软件Gerris,来建立基于Boussinesq近似下的二维不可压缩Euler方程组的数值模型,以模拟不同层化条件下稳定状态的完全非线性大振幅内孤立波。文中比较了完全非线性的用Gerris实现的Euler模型与弱非线性的KdV理论模型在刻画大振幅内孤立波结构及特征参数上的差异,说明在模拟大振幅内孤立波时,高阶非线性不应忽略。Euler模型模拟结果表明,完全非线性大振幅内孤立波的等密度面半宽度随深度变化,这使得基于KdV方程解析解、利用卫星SAR(Synthetic Aperture Radar)图像提取内孤立波极值间距来反演内波振幅的可行性存疑,需要重新评估。此外,本文用两组实测数据验证了用Gerris实现的Euler模型模拟大振幅内波的有效性。     

南海北部非线性内波的特征研究及生成模拟

海洋内波由于其对海洋资源、海洋军事和工程的重要性而成为海洋学中的前沿课题。文中基于SAR遥感数据,结合KDV方程和Bragg散射机制反演内波波速、半振幅宽度、深度和振幅等动力学参数。对南海北部的非线性内波进行案例研究,由吕宋海峡传来的内波遇到东沙岛发生破裂,一部分继续向西传播,另一部分向西北沿等深线垂直方向传播。波向作为一个重要指标可以有效反映内波传播变化特征,文中以方向谱模型计算同一潮周期内内波传播的方向变化,并验证了180°方向模糊问题是可以解决的。同时内波传播将次表层海水和叶绿素从下层抬升,叶绿素浓度最高值达到0.35 mg/m~3,随着内波传播在0.08~0.35 mg/m~3范围内波动并逐渐趋于背景浓度值。研究使用海底地形与潮流数值合成的OTIS(Oregon State University Tidal Inversion Software)模型对南海北部大陆架区域的内波进行生成模拟,结果表明:当暖水流经吕宋海峡进入南海北部,body forcing1.5 m~2/s~2的海域能够激发内波的生成,其中兰屿岛和恒春半岛等海底山脊起到了关键作用。     

海洋密度剖面模型及其适用性研究

海洋密度分层剖面是影响海洋内波生成和演化的关键环境要素,建立密度剖面的参数化模型以描述海洋的密度分布剖面,可以更方便地研究海洋动力环境.在利用当前常用的双曲正切密度剖面模型研究中国南海内波演化时,发现该模型对仅有单一凹向的真实海水密度剖面的模拟效果不佳.以常用的双曲正切密度剖面模型为基础,通过引入一个修正系数,提出了一...     

内波场中水平桩柱波阻的实验研究

分析水平阻力与内波波要素的关系,采用实验室实验的方法,研究了水平桩柱与内波的相互作用,焦点是研究内波波要素与波阻之间的关系。实验中的密度分层采用典型跃层型剖面,而内波是由自行研制的造波机生成。实验结果表明,当内波的频率不变时,水平桩柱所受到的阻力随着内波的振幅增加而增加,它的量值与分层有关。对于强跃层的密度分布,当桩柱处在跃层中时,受到的水平波阻较小,而在跃层之外则受到较大的水平波阻。     

海洋内波发展演变数值试验

利用二维非静力数值模式,对海洋跃层中剪切背景流下内波做了线性和非线性模式的数值试验,结果表明:在本文所取的初始场和环境参数下,海洋内波密度扰动大值中心始终出现在密度跃层附近,被跃层所俘获,这与实际观测相一致;线性情况下,流函数扰动中心与密度扰动中心有很好地配合,密度扰动正、负中心附近分别存在流函数扰动的正、负单圈环流中心,且单圈环流垂直贯穿整个水体。线性模式中内波扰动强度在调整适应期后一直呈指数增长发展,剪切背景流是不稳定的;而非线性情况则呈准线性增长发展,以后增长停止而进入稳定期,且后者的增长也比前者要慢;非线性效应抑制了内波增长而使之趋于稳定,具有维稳作用。随着积分时间增加,线性模型中内波波包波形基本不变。波包的负、正振幅大体相同,整个波包宽度也基本不变,仅振幅有所增长;内波波包传播速度与其振幅无关,且传播速度基本不变。非线性情况下内波波包的形状则发生改变,其负、正振幅之比越来越大,波峰前的陡降也越来越强;并且内波传播速度与其振幅和波形有关,通常非线性效应越强,内波传播越慢。从本文中海洋内波的波长、周期和传播速度来看,该内波属于高频内波(短周期内波),性质为内重力惯性波。     

多波段海洋内波SAR图像特征分析

利用 SIR-C/X-SAR 南海海域多波段数据,分析了海洋内波 SAR 图像特征与雷达波段的关系.对上升型和下降型的海洋内波 SAR 图像,内波图像特征在 X 波段最为明显,C 波段次之,L 波段最弱.利用布拉格共振散射理论分析了内波图像特征在不同波段存在差异的原因.基于 M4S 海面微波成像仿真软件,模拟分析了不同波段的海洋内波 SAR 图像特征,模拟分析结果与数据分析结果吻合较好.     

基于X波段海洋雷达的南海西北部内波参数特征研究

中国南海是内波频发海域,卫星遥感在内波参数特征的统计分析中得到了广泛应用,但是卫星轨道的重复访问时间长,不能连续观测内波参数的变化特征。X波段海洋雷达具有高时间和空间分辨率,可以长期连续观测内波的变化,本文提出了利用X波段海洋雷达图像提取内波参数的方法,并利用连续观测的数据研究了各参数的分布特征。首先,对雷达图像进行预处理,包括平均处理及斜坡校正两步;利用二维快速傅里叶变换确定内波的传播方向,进而根据该方向上的径向廓线确定内波的相速度大小、波长及周期。最后,利用在南海石油平台上观测的X波段雷达图像对内波各参数进行提取和统计分析,结果表明,研究区域内波的传播方向多为西北向及西向传播,相速度多为0.6～0.8 m/s,波长一般为400～600 m,周期大部分不超过1000 s。     

我国内波研究取得新进展

海洋内波是在海洋内部密度不均匀水层间发生的一种波动。内波像海面波浪一样常在。只要海水密度稳定分层。再有扰动源存在,内波就会产生。内波与表面波浪虽都是液体波动,但有根本不同。空气与水的密度差有好几百倍,表面波受重力影响大,因此不易形成大浪,振幅10米以上的大浪极少见。但海洋内部海水密度     

基于遥感图像的南海北部内孤立波及相互作用研究

本文通过对卫星遥感图像中的内孤立波及相互作用现象进行统计分析,讨论了南海北部内孤立波及相互作用现象的时空分布特征,验证了利用卫星遥感图像反演内孤立波振幅和传播速度以及研究内波相互作用现象的可行性。统计结果表明,南海北部的内孤立波主要集中在东沙群岛以及海南岛南部,内波相互作用主要集中在东沙岛西北部以及海南岛南部。本文对此给出解释:内波传播至东沙岛附近发生绕射,绕射的内波分裂成两列后以不同的传播方向继续向西传播,相遇并发生相互作用;内波在海南岛浅滩处发生反射,与后续传来的内波发生相互作用。同时,本文利用Korteweg-de Vries (KdV)方程和Benjamin-One(BO)方程,结合观测数据,对内波振幅和传播速度进行了反演实验。反演所得的内波振幅和传播速度与南海北部实际内波振幅和传播速度相近。     

第一猜测谱运行范围对MPI方法SAR海浪方向谱反演结果的影响

欧空局相继发射的多颗海洋卫星专门设计了波模式SAR数据,提供了27a全球二维海浪的连续观测。批量数据的精确反演对于海浪研究、海浪预报、海洋产业和军事活动至关重要。本文使用ORSI/OUC研发的基于MPI方法的卫星SAR海浪方向谱反演程序,研究了第一猜测谱运行范围对反演结果的影响。对西北太平洋17 000幅波模式SAR数据进行批量处理,发现反演程序中MPI非线性反演方法第一猜测谱的运行范围对反演结果的能量密度、波长、传播方向和谱形结构有程度不同的影响,文中给出一个实例。进而选择10°S~70°N,90°E~170°W运行范围,利用NOAA/NDBC浮标数据,对17 000个反演的海浪方向谱数据进行同步印证,相对误差为4.5%,均方根误差为0.52m,偏差为0.01m。