基于准线性近似方法的SAR图像海浪参数反演研究

本文根据相干斑噪声的时间快变特征和非海浪纹理现象的时间缓变特征，基于交叉谱提出了一种对相干斑噪声和大尺度非海浪纹理的抑制的方法，进而结合SAR图像谱和海浪谱之间的准线性映射关系，基于SAR数据对海浪参数进行了反演。在反演过程中，首先仿真分析了不同海况下准线性近似法的海浪反演能力，结果表明：风浪引起的方位向截断效应会显著影响反演精度，因此该方法在低风速时的涌浪反演精度更高。通过将基于Sentinel-1卫星2020年的波模式SAR数据的反演结果与欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的再分析数据进行对比，发现高海况海浪有效波高反演结果明显偏低，而且该反演误差与风速、方位向截断波长之间存在显著相关性。为了提高有效波高的反演精度，本文进一步给出了海浪有效波高反演误差与风速、方位向截断波长之间的经验校正函数模型，结果显示，通过该模型修正后的海浪有效波高反演结果与ECMWF数据和浮标测量数据具有良好一致性。     

X-波段雷达近海海浪频谱反演的神经网络模型

X-波段雷达作为国内海浪观测的一种新工具,在海浪频谱获取和有效波高反演方面仍存在较多问题.本文利用非线性回归方法,将现场实测浮标数据频谱和雷达一维图像谱分别与标准频谱模型进行拟合,发现浮标频谱和一维图像谱具有标准频谱的特征,能够较准确地获取相应的谱参数.提出了建立由雷达一维图像谱参数反演海浪频谱参数的神经网络模型,同时在模型中加入影像序列信噪比,进而反演有效波高,并将反演结果与现场实测数据和传统算法(建立影像序列信噪比与有效波高之间的线性回归方程)进行了对比,结果表明,获取谱参数的误差和反演有效波高的平均误差在20％以内,而传统算法计算有效波高平均误差在20％以上.     

降雨条件下的导航X波段雷达海浪参数反演算法研究

X波段的电磁波受降雨影响容易产生衰减,这导致导航X波段雷达在降雨时无法用于海浪观测。本文提出了一种新的降低降雨影响的算法来反演海浪参数。首先,对X波段雷达图像做主成分分析,获得波浪变化的主成分,利用一维傅里叶变换得到波数谱,对其滤波减小降雨对雷达图像的影响;然后,选取JONSWAP(Joint North Sea Wave Project)谱作为理论谱,建立以观测谱与理论谱的最小化差异为目标函数的模型,求解该模型估算海浪的有效波高。与浮标测量的有效波高相比,该方法反演的有效波高的均方根误差是0.23 m,证明了该方法的可行性。     

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。     

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。     

星载合成孔径雷达海浪图像谱仿真研究

利用Hasselm ann 的完全非线性积分方法对文氏海浪谱的星载合成孔径雷达(SAR)图像谱进行了仿真研究。结果表明: (1) 在星载SAR海浪成像过程中, 速度聚束调制远比水动力调制、倾斜调制和距离向聚束调制重要;(2) 图像谱有180°的方向模糊和方位向的高波数截断,距离向传播海浪的图像谱存在双峰现象; (3) 不同极化方式和雷达视向的选取对图像谱无明显影响, 因而对于海浪的星载SAR遥感而言, 可以采用单一极化和单一视向。对于不同成长状态的风浪而言, 以上结果保持不变。     

机载波谱仪斑点噪声去除方法对比分析

针对斑点噪声降低机载波谱仪海浪谱反演精度问题,基于STORM机载波谱仪VALPARESO试验数据,分别使用数学法、阈值法、交叉谱法和小波分析法四种斑点噪声去除方法对其进行去噪处理,得到了去噪前后调制密度谱、海浪谱和噪声谱,并将反演所得海浪谱有效波高与同步观测的浮标结果进行了对比,最后对四种方法的去噪效果以及噪声谱特性进行了分析与评价。结果表明:四种去噪方法均可以有效去除斑点噪声,按照反演精度排序依次为交叉谱法、阈值法、小波分析法和数学法,其中交叉谱方法去噪效果最理想,RMSE仅为0.008,有效波高绝对误差为0.25m,相对误差为7%。     

HH 极化 Ter r aSAR-X 图像提取海浪要素的方法研究

把 SAR 海面风场反演的地球物理模型与海浪的参数化初猜谱反演模式结合起来,用于提取 Ter r aSAR-X 图像的海浪 要素信息。首先采用风场反演的经验模型得到 Ter r aSAR-X 图像的海面风场,然后将风场信息作为初始条件应用于参数化初 猜测谱模式中,从而得到海浪谱以及相关的海浪要素信息。反演结果与对应的浮标站点数据进行对比,对比结果显示：风速 的绝对误差在 1. 1 m/ s以内,风向的绝对误差在 5毅以内,有效波高的绝对误差在 0. 93 m 以内,平均周期的绝对误差在 2. 43 s 以内。因此,可以得出结论：本文使用的方法能有效的从 Ter r aSAR-X 图像中提取海浪要素的信息。     

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。     

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SVM回归模型的SAR图像有效波高估测

A new method for estimating significant wave height(SWH) from advanced synthetic aperture radar(ASAR) wave mode data based on a support vector machine(SVM) regression model is presented. The model is established based on a nonlinear relationship between σ0, the variance of the normalized SAR image, SAR image spectrum spectral decomposition parameters and ocean wave SWH. The feature parameters of the SAR images are the input parameters of the SVM regression model, and the SWH provided by the European Centre for Medium-range Weather Forecasts(ECMWF) is the output parameter. On the basis of ASAR matching data set, a particle swarm optimization(PSO) algorithm is used to optimize the input kernel parameters of the SVM regression model and to establish the SVM model. The SWH estimation results yielded by this model are compared with the ECMWF reanalysis data and the buoy data. The RMSE values of the SWH are 0.34 and 0.48 m, and the correlation coefficient is 0.94 and 0.81, respectively. The results show that the SVM regression model is an effective method for estimating the SWH from the SAR data. The advantage of this model is that SAR data may serve as an independent data source for retrieving the SWH, which can avoid the complicated solution process associated with wave spectra.     

基于理论的气旋条件下双极化C波段合成孔径雷达波参数检测

Theoretical-based ocean wave retrieval algorithms are applied by inverting a synthetic aperture radar(SAR)intensity spectrum into a wave spectrum, that has been developed based on a SAR wave mapping mechanism. In our previous studies, it was shown that the wave retrieval algorithm, named the parameterized first-guess spectrum method(PFSM), works for C-band and X-band SAR at low to moderate sea states. In this work, we investigate the performance of the PFSM algorithm when it is applied for dual-polarization c-band sentinel-1(S-1) SAR acquired in extra wide-swath(EW) and interferometric wide-swath(IW) mode under cyclonic conditions.Strong winds are retrieved from six vertical-horizontal(VH) polarization S-1 SAR images using the c-band crosspolarization coupled-parameters ocean(C-3 PO) model and then wave parameters are obtained from the image at the vertical-vertical(VV) polarization channel. significant wave height(SWH) and mean wave period(MWP) are compared with simulations from the WAVEWATCH-III(WW3) model. The validation shows a 0.69 m root mean square error(RMSE) of SWH with a –0.01 m bias and a 0.62 s RMSE of MWP with a –0.17 s bias. Although the PFSM algorithm relies on a good quality SAR spectrum, this study confirms the applicability for wave retrieval from an S-1 SAR image. Moreover, it is found that the retrieved results have less accuracy on the right sector of cyclone eyes where swell directly affects strong wind-sea, while the PFSM algorithm works well on the left and rear sectors of cyclone eyes where the interaction of wind-sea and swell is relatively poor.     

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。     

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。     

使用参数化初猜测谱算法提取VV极化Sentinel-1 SAR图像的海浪要素并与ECMWF再分析数据以及浮标数据进行验证对比

The purpose is to study the accuracy of ocean wave parameters retrieved from C-band VV-polarization Sentinel-1Synthetic Aperture Radar(SAR) images, including both significant wave height(SWH) and mean wave period(MWP), which are both calculated from a SAR-derived wave spectrum. The wind direction from in situ buoys is used and then the wind speed is retrieved by using a new C-band geophysical model function(GMF) model,denoted as C-SARMOD. Continuously, an algorithm parameterized first-guess spectra method(PFSM) is employed to retrieve the SWH and the MWP by using the SAR-derived wind speed. Forty–five VV-polarization Sentinel-1 SAR images are collected, which cover the in situ buoys around US coastal waters. A total of 52 subscenes are selected from those images. The retrieval results are compared with the measurements from in situ buoys. The comparison performs good for a wind retrieval, showing a 1.6 m/s standard deviation(STD) of the wind speed, while a 0.54 m STD of the SWH and a 2.14 s STD of the MWP are exhibited with an acceptable error.Additional 50 images taken in China's seas were also implemented by using the algorithm PFSM, showing a 0.67 m STD of the SWH and a 2.21 s STD of the MWP compared with European Centre for Medium-range Weather Forecasts(ECMWF) reanalysis grids wave data. The results indicate that the algorithm PFSM works for the wave retrieval from VV-polarization Sentinel-1 SAR image through SAR-derived wind speed by using the new GMF C-SARMOD.     

Ocean wave parameters retrieved directly from compact polarimetric SAR data

We aim to directly invert wave parameters by using the data of a compact polarimetric synthetic aperture radar(CP SAR) and validate the effectiveness of ocean wave parameter retrieval from the circular transmit/linear receive mode and π/4 compact polarimetric mode. Relevant data from the RADARSAT-2 fully polarimetric SAR on the C-band were used to obtain the compact polarimetric SAR images, and a polarimetric SAR wave retrieval algorithm was used to verify the sea surface wave measurements. Usin...     

利用一种改进的算法对中国高分三号同极化SAR图像反演的有效波高的验证

Chinese Gaofen-3(GF-3) is the first civilian satellite to carry C-band(5.3 GHz) synthetic aperture radar(SAR).During the period of August 2016 to December 2017, 1 523 GF-3 SAR images acquired in quad-polarization(vertical-vertical(VV), horizontal-horizontal(HH), vertical-horizontal(VH), and horizontal-vertical(HV)) mode were recorded, mostly around China's seas. In our previous study, the root mean square error(RMSE) of significant wave height(SWH) was found to be around 0.58 m when compared with retrieval results from a few GF-3 SAR images in co-polarization(VV and HH) with moored measurements by using an empirical algorithm CSAR_WAVE. We collected a number of sub-scenes from these 1 523 images in the co-polarization channel,which were collocated with wind and SWH data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF) reanalysis field at a 0.125° grid. Through the collected dataset, an improved empirical wave retrieval algorithm for GF-3 SAR in co-polarization was tuned, herein denoted as CSAR_WAVE2. An additional 92 GF-3 SAR images were implemented in order to validate CSAR_WAVE2 against SWH from altimeter Jason-2, showing an about 0.52 m RMSE of SWH for co-polarization GF-3 SAR. Therefore, we conclude that the proposed empirical algorithm has a good performance for wave retrieval from GF-3 SAR images in co-polarization.