塘沽海区海底地形的SAR影像仿真与反演研究

利用袁业立、金梅兵(1997)提出的海底地形SAR影像仿真与反演模型，对渤海塘沽海区的一张Radarsat SAR影像进行了仿真和水深反演研究。研究结果表明：仿真影像与真实SAR影像基本吻合，反演水深与实际水深也有较好的一致性；进一步证实了袁业立(1997)SAR成像机理的正确性和在中国近海利用SAR影像进行浅海水深探测的可行性。     

基于影像纹理特征和外部风向的星载 SAR 海面风场反演研究

在合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)海面风场反演中,基于风条纹影像纹理特征的海面风向反演方法精度高,但是依赖于图像风条纹的存在,而外部风向信息与SAR资料时空分辨率不易匹配、精度较低,从而影响大面积、高分辨率海面风场反演的精度。针对此问题,提出一种将SAR图像风条纹线性纹理特征与外部风向信息相结合的星载SAR海面风向获取方法,在SAR影像线性纹理特征明显的区域采用二维连续小波变换得到高精度的海面风向,其余区域采用与之时空相匹配的数值预报模式风向填充;并利用地球物理模型函数进一步得到海面风速,进而实现高精度、大范围海面风场的反演。为验证本文方法的有效性,利用ENVISAT/ASAR数据进行风场反演试验,并将反演结果与浮标实测数据进行比对。结果表明:在线性纹理特征明显的区域,小波方法的反演精度优于快速傅里叶变换(FFT)法和数值预报模式风向;外部风向精度略低,但与SAR观测资料时空匹配性较好,弥补了风条纹风向的不足。二者的结合为星载SAR海面风场反演的业务化应用提供了支持。     

水下运动物体及海底地形的SAR探测的初步研究 (二)海底地形的SAR仿真影像分析

海底地形所引起的流场变化会调制海水表面的小尺度波动,从而可以被合成孔径雷达（ＳＡＲ）所探测。本文利用谱方法计算了一假想海底地形对均匀背景流场的影响。在袁业立有关海波高频谱形式及ＳＡＲ影像原理的理论分析基础上［１,２］,本文进一步计算了海底地形ＳＡＲ影像的Ｇ值分布图,并讨论了地形的高度、背景流方向、背景流流速对海底地形ＳＡＲ影像的影响。     

基于SAR图像雨团足印的海面风向提取方法

利用地球物理模式函数进行SAR海面风速反演时,需以风向作为地球物理模式函数的输入。本文应用了一种利用SAR图像上雨团足印顺风一侧比逆风一侧明亮的图像特征的海面风向提取方法,以进行海面风速反演。4景RADARSAT-2卫星SAR示例数据风向提取结果相对于ASCAT散射计的风向均方根误差满足不大于16°。分别以本文方法提取的风向和ASCAT散射计风向作为输入,利用地球物理模式函数CMOD5进行海面风速的SAR反演,两者的风速反演结果基本一致,其均方根误差差值不超过0.3 m/s。本文利用SAR图像雨团足印信息的风向提取方法准确可靠,可应用于SAR海面风速反演。     

用合成孔径雷达图像反演浅海水下地形的一种方法

海流与海底地形的相互作用导致了海表面的粗糙起伏,从而引起对海面观测的雷达散射截面的变化。在浅海海流速度垂直分布廓线为均匀的假定下,由流体连续性方程和驰豫时间近似下流体力学弱相互作用的理论,已证明雷达散射截面的空间变化正比于海流方向上海流速度变化的梯度。研究了合成孔径雷达(SAR)对海面的观测图像在无槽道信息和海流方向预知条件下,提出用散射系数的二维相关函数确定海流方向。在海流速度和方向已知条件下,推导了由雷达散射截面的空间变化迭推反演浅海水下地形的公式,并研究了航天飞机SIR-CSAR在我香港特区海域的二维图像反演浅海水下地形的应用。     

SAR影像仿真与水下地形反演的阻尼牛顿—行作用法

研究了浅海SAR影像仿真与水下地形反演的数值方法。将仿真与反演问题模型处理为相互独立的依赖于时间的非线性偏微分方程动力系统。使反演问题模型仅依赖于SAR影像灰度值，计算可一次性完成，计算过程中无须与正问题进行数据交互，在此基础上，提出了仿真与反演的一种新的一致性优化算法：阻尼牛顿-行作用法．数值实验结果表明，算法对SAR影像仿真问题具有高效、可靠、计算稳定的特征；对水下地形反演问题也有较强的数值稳定性和较高的计算精度。本文3个算例反演出的地形与实际地形之间的相关系数都优于0．72029．     

浅海水下地形的SAR遥感仿真研究

结合连续性方程和布拉格后向散射模型,在准一维简化浅海水下地形情况下,建立了浅海水下地形SAR海面相对后向散射强度仿真模型,将浅海水下地形区域的SAR海面后向散射强度的相对变化与大尺度背景流场、海面风场和雷达系统参数等联系起来.海上实验和研究结果表明,浅海水下地形的SAR成像主要由通过受水下地形影响的海表层流场对海表面风引起的微尺度波的水动力调制而获取浅海水下地形信息,其中潮流与水下地形的相互作用过程改变海表层流场,变化的海表层流与海表面微尺度波之间的相互作用改变海表面波的空间分布,雷达波与海表面波之间的相互作用决定雷达海面后向散射强度.因此SAR图像中浅海水下地形或水深信息量的多少不仅与海表层流场和海面风速有关,而且与雷达工作波段、雷达波束入射角和极化方式也密切相关.认为由水下地形变化引起的缓慢变化的表层流场中海表面定常微尺度波谱能量密度的变化满足波作用量谱平衡方程;而在波数空间中,海表面微尺度波谱的成长过程也可以用波数谱平衡方程描述,在此基础上,得出了海表面波高频谱(毛细-重力波)形式的解析表达式.众所周知,浅海水下地形信息是由于水下地形影响下SAR海面后向散射强度与背景海面后向散射强度的相对差异而在SAR图像上的呈现,从而在建立浅海水下地形SAR海面相对后向散射强度仿真模型的基础上,仿真计算了浅海水下地形SAR海面相对后向散射强度相对于海表层流场、海面风场等海况参数和SAR工作波段、SAR波束入射角、极化方式等雷达系统参数的数值仿真结果,分析得到了有关浅海水下地形SAR海面相对后向散射强度的特征和SAR浅海水下地形遥感的最佳海况参数与最佳雷达系统参数,为研究和开展SAR浅海水下地形遥感研究提供了有价值的参考.     

浅论海面地形特征的形成机制

本文从地热学、海洋学、气象学、物理海洋学和海底构造学角度,探讨了海面地形特征的形成机制。研究表明,形成海面地形起伏差异的主要因素有以下三个:一是有特殊的热量来源,二是有保持热量不流失的外部条件——特有的地貌特征和海底地形,三是有特殊的海流影响。     

水下地形SAR成像与潮流场的相关性分析示例

潮流是水下地形SAR成像的决定性因素之一,潮流的周期性变化使水下地形SAR成像与潮流场有密切的关系,同一水下地形不同时刻SAR影像不同。以台湾浅滩为例,基于5景不同时相的ERS-2 SAR影像和台湾浅滩实测水深数据,开展了水下地形SAR成像与潮流场的相关性分析。为了排除SAR影像自身成像质量对研究的影响,首先对5景SAR影像的成像质量进行评价,然后通过潮汐潮流数值计算确定SAR成像时刻的潮流场以及基于QuikScat散射计数据确定SAR成像时刻的海面风向。在上述基础上开展了SAR影像后向散射系数与实测水深的相关性分析,总结出水下地形SAR成像与潮流场的关系,结果表明,潮流场与水下地形SAR成像密切相关,当潮流流向与水下地形梯度方向一致或接近时,水下地形SAR成像效果最佳;对于同一水下地形,流向相反的两种潮流对应的SAR影像后向散射系数恰好相反,即SAR影像中的明暗条纹不同。相对于潮流流向的顺流与逆流风向的不同对水下地形SAR成像无影响。     

水下运动物体及海底地形的SAR探测的初步研究：（一）水下运动物体的SAR仿？？

当物体在水中运动时,它所引起的流场变化会调制海水表面的小尺度波动,从而可以被合成孔径雷达（ＳＡＲ）所探测,本文建立了一个三维半隐式半格式,对水下运动物体的绕流问题进行了数值计算,在袁业立有关海波高谱形式以ＳＡＲ影像原理的理论分析基础上,本文进一步计算了水下运动物体ＳＡＲ影像的Ｇ值分布图,并讨论了物体深度,海水水深,海表面主波方向对水下运动物体ＳＡＲ影像的影响。     

An inverse method for underwater bottom topography by using SAR imagery

I~IOXThe image technology of the synthetic aperture radar (SAR) is one of most important advances in spaceberne microwave remote sensing (Larson et al., 1976). It has extensive application in the ocean remote sensing, such as inversion of the sea subdue winds and currentS, reconstruction of underwater hatom topography and so on. Owing tO the high conductivity of sea water, an electromagnetic wave actually cannot penetrate into the sea water, with extremely smallPenetration depth (abbot 1 c…     

利用机载GNSS反射信号反演海面风速的研究

全球卫星导航定位系统的反射信号(GNSS-R)遥感技术作为一种新型的、低成本的、高机动性的海面微波遥感测风技术,与其他测风手段优势互补,可以增加测风手段的多样性,弥补局部测风手段不足的状况。研究了接收机在机载高度时,GPS反射信号功率理论模型四部分函数的性质,在此基础之上,数值模拟了机载高度下理论相关功率波形,基于海面风速对波形峰值与后沿的影响,提出了一种能够兼顾所有理论波形信息的二维插值风速反演方法。利用该方法,结合实测机载数据对海面风速进行反演,反演的风速均值与附近测站风速均值相差为1.4 m/s,与浮标数据相一致。     

星载SAR对雨团催生海面风场的观测研究

雨团或对流雨是热带与亚热带地区的主要降雨形式,较易被高分辨率星载合成孔径雷达（SAR）探测到。SAR图像上的雨团足印是由大气中雨滴的散射与吸收、下沉气流等共同导致形成的。本文以RADARSAT-2卫星100 m分辨率的SAR图像上雨团引起的海面风场及其结构反演与解译作为实例进行分析。使用CMOD4地球物理模式函数,分别以NCEP再分析数据、欧洲MetOp-A卫星先进散射计（ASCAT）和中国HY-2卫星微波散射计的风向为外部风向,进行了SAR图像的海面风场反演。反演的海面风速相对于NCEP、ASCAT和HY-2的均方根误差（RMSE）分别为1.48 m/s,1.64 m/s和2.14 m/s。SAR图像上一侧明亮另一侧昏暗的圆形信号图斑被解译为雨团携带的下沉气流对海面风场（海面粗糙度）的改变所致。平行于海面背景风场其通过雨团圆形足印中心的剖面上的风速变化可拟合为正弦或余弦曲线,其拟合线性相关系数均不低于0.80。背景风场的风速大小、雨团引起的风速大小以及雨团足印的直径可利用拟合曲线获得,雨团足印的直径大小一般为数千米或数十千米,本文的8例个例解译与分析均验证了该结论。     

北极海域海面风场和海浪遥感观测能力分析

卫星遥感是开展北极海域海面风场和海浪分布特征与变化规律研究的重要手段。本文基于在轨多源卫星遥感数据,从遥感观测空间覆盖、时间覆盖和多源卫星遥感数据融合等方面开展北极海域海面风场与海浪遥感观测能力分析,研究主要结果为:基于ASCAT和HY-2A散射计可实现北极海域海面风场遥感观测,通过多星联合观测可获取北极海域时空分辨率优于12 h和0.1°的海面风场遥感融合数据;基于HY-2A、CryoSat-2、SARAL和Sentinel-3高度计可实现北极海域海浪遥感观测,同样通过多星联合观测可获取北极海域时空分辨率优于1 d和0.25°的海浪有效波高遥感融合数据;基于2016年北极海面风场和海浪遥感融合数据,分析得出北极海域海面风场和海浪在2月处于极大值,然后逐渐减小,7月最小,随后开始逐渐增大。本研究表明,基于多源散射计和高度计遥感观测可实现北极海域海面风场和海浪的高时空分辨率遥感业务化监测。     

基于C-2PO模型和CMOD5.N地球物理模式函数的SAR风速反演性能评估

本文选取142幅RADARSAT-2全极化合成孔径雷达（SAR）影像,在没有入射角输入的情况下,首先利用C-2PO模型进行海面风速反演。随后,将同一时空下的ASCAT散射计风向作为初始风向,提取相应雷达入射角,利用地球物理模式函数（GMF） CMOD5.N对142幅SAR影像进行风速计算。反演结果与美国国家资料浮标中心海洋浮标风速数据对比,结果显示:CMOD5.N GMF和C-2PO模型均可反演出较高精确度的海面风速,其均方根误差分别为1.68 m/s和1.74 m/s。此外,研究发现,在低风速段,CMOD5.N GMF的风速反演精度要明显优于C-2PO模型。针对这一现象,本文以SAR系统成像机理为基础,以低风速SAR图像为具体案例,给出了3种造成这一现象的原因。     

Application of a coupled discontinuous–continuous Galerkin finite element shallow water model to coastal ocean dynamics

A coupled discontinuous–continuous Galerkin (DG–CG) shallow water model is compared to a continuous Galerkin generalized wave-continuity equation (GWCE) based model for the coastal ocean, whereby local mass imbalance typical of GWCE-based solutions is eliminated using the coupled DG–CG approach. Two mass imbalance indicators for the GWCE-based model are presented and analyzed. The indicators motivate discussion on the suitability of using a GWCE-based model versus the locally conservative coupled DG–CG model. Both realistic and idealized test problems for tide, wind, and wave-driven circulation form the basis of the study. For the problems studied, coupled DG–CG solutions retain the robustness of well-documented solutions from GWCE-based models and also capture the dynamics driven by small-scale, highly advective processes which are problematic for GWCE-based models. Issues associated with the coupled DG–CG model are explored, including increased cost due to increased degrees of freedom, the necessary application of slope limiters, as well as the actual coupling process.     

Comparison of sea surface wind field measured by HY-2A scatterometer and WindSat in global oceans

In this study, we present a comprehensive comparison of the sea surface wind ?eld measured by scatterometer(Ku-band scatterometer) aboard the Chinese HY-2 A satellite and the full-polarimetric radiometer WindSat aboard the Coriolis satellite. The two datasets cover a four-year period from October2011 to September 2015 in the global oceans. For the sea surface wind speed, the statistical comparison indicates good agreement between the HY-2 A scatterometer and WindSat with a bias of nearly 0 m/s and a root mean square error(RMSE) of 1.13 m/s. For the sea surface wind direction, a bias of 1.41° and an RMSE of 20.39° were achieved after excluding the data collocated with opposing directions. Furthermore,discrepancies in sea surface wind speed measured by the two sensors in the global oceans were investigated.It is found that the larger dif ferences mainly appear in the westerlies in the both hemispheres. Both the bias and RMSE show latitude dependence, i.e., they have signi?cant latitudinal ?uctuations.