HY-2卫星微波散射计海面风场地球物理模式函数研究

地球物理模式函数GMF (Geophysical Model Function)在星载微波散射计海面风场反演中具有关键作用。本文以C波段MetOp/ASCAT散射计风场数据为参考数据,通过改进现有Ku波段NSCAT-4 GMF中后向散射系数对海面风速和风向的依赖关系,以及增加海表温度(SST)因子项,构建了适用于HY-2卫星微波散射计海面风场反演的NSCAT-5.HY-2 GMF。研究结果表明,相比NSCAT-4 GMF,采用NSCAT-5.HY-2 GMF反演得到的HY-2散射计海面风速与ASCAT散射计风速的一致性提高了约11%,特别是风速反演误差不再依赖于SST变化、不再呈现显著经向分布特点。本论文研究结果对进一步提升国内外其他Ku波段星载微波散射计数据的海面风场遥感应用具有重要参考价值。     

SAR海洋内波表层流反演方法探讨

基于海洋内波SAR成像机理与M4S海面微波散射成像模型,提出SAR海洋内波表层流反演新方法。首先从SAR图像上获得内波剖面的海面后向散射强度,利用AH理论的线性近似关系得到猜测表层流,通过海面微波散射成像模型仿真海洋内波的SAR海面后向散射强度,利用二分法不断地修改风速和流速梯度等参数,使仿真信号最大程度的逼近实际SAR图像上的海面后向散射强度,输出最终海表层流。以中国南海海区3景海洋内波SAR图像为例,对该方法进行了探讨。结果表明,仿真的海洋内波SAR海面后向散射强度剖面和实际SAR图像上的信号剖面吻合,两者的相关系数达90%以上,说明该反演方法是收敛与可行的。     

降雨对Ku波段旋转扇形波束散射计影响

星载散射计测量的归一化后向散射截面是有关海面毛细重力波的大小和方向的函数:散射计的回波强度与海面毛细重力波的振幅成正比;风向对后向散射系数具有调制作用。因此,可以利用散射计的数据,根据地球物理模型反演出具有高精确度、无雨和中低风速条件下的海面风场矢量。然而高达10%的散射计测量数据会受到降雨影响(Nie,etal.,2008),尤其工作在Ku波段的散射计。降雨对海面散射幅度的影响主要包括:(1)降雨对雷达波的衰减和散射;(2)降雨改变海洋水面形态和海面粗糙度。     

ERS散射计全球海面风场数据处理与ElNino海面风场异常观测

星载散射测量技术是获取全球海面风场的有效手段。该文研究了欧洲遥感卫星（ＥＲＳ） 散射计全球海面风场数据的处理分析技术。对１９９７ 年３ 月、６ 月和１２ 月的全球海面风场数据进行平均处理,并同时与１９９６ 年６ 月和１９９５ 年１０ 月的观测数据进行对比,利用遥感技术发现了赤道太平洋西部的风场异常,从遥感资料上分析了１９９７ 年Ｅｌ Ｎｉｎｏ 现象的海面风场（ 风速与风向） 异常变化特征。研究结果显示了星载微波散射计在全球变化监测中的重要作用。     

水稻微波后向散射系数的模拟分析

海洋雷达后向散射回波主要来自短重力波的Ｂｒａｇｇ 散射,这种散射与海面风场信息、边界层涡旋等密切相关。因此,可以从雷达散射截面反演风场信息。对１９９４ 年４ 月航天飞机成像雷达（ＳＩＲＣ／ＸＳＡＲ）获取的南中国海合成孔径雷达（ＳＡＲ） 图像进行了分析研究。利用ＳＩＲＣ 数据,从ＳＡＲ 图像谱提取了风向;根据ＣＭＯＤ４ 模型,从Ｃ波段雷达后向散射系数反演风速;利用双尺度散射模型对反演的风速进行了对比分析。结果表明,从ＳＩＲＣ雷达数据可以反演海面风矢量,星载ＳＡＲ是提取海面风场信息的有效技术手段之一。     

陆基散射计的水稻空间聚集特性分析

地物的空间分布状态会影响微波后向散射特性,针对因生长特性而无明显行列向的水稻,该文利用L、C双频段全极化后向散射计对水稻整个生长季进行后向散射系数测量,提出了聚集度指数表征这类植被不同时相的空间特性。通过分析不同空间聚集度的水稻散射特性,研究了水稻后向散射系数在高低频的时空响应。实验结果表明,拔苗期至分蘖前期,下垫面土壤散射为主要散射分量时,C波段后向散射响应随着水稻聚集度变化而规律变化,从分蘖后期开始,随着生物量变大植被体散射增加,L波段后向散射相较C波段对空间聚集度响应更为明显。     

3维场景植被冠层多波段模拟研究进展

植被冠层辐射散射信号中蕴含了丰富的植被信息,通过构建植被冠层辐射散射模型,可以实现植被结构等生物物理参数的遥感定量反演。迄今为止,可见光/近红外、热红外、微波波段均已发展了大量的模型,这些模型在参数反演方面各具优势,但不同波段的模型又有其自身的局限性。跨波段的联合模拟可以实现模型间的优势互补,进而提高地表参数的反演精度,近年来已有学者专注于可见光/近红外与热红外模型,热红外与微波模型,主被动微波模型,以及可见光/近红外与微波模型的联合模拟和协同反演,但多是两两联合,且主要是基于经验模型或解析模型。基于3维场景的植被冠层辐射散射特性模拟模型可以细致刻画不同组分的结构和空间分布特征,对于由植被结构引起的多次散射和组分比例变化的考虑具有优势。本文主要介绍了3维模拟模型在可见光/近红外、热红外和微波波段,以及跨波段联合模拟方面的研究进展,从模型机理、场景统一、以及组分理化参数的统一的角度,探讨了构建多波段3维模拟系统的可行性,展望了多波段3维模拟模型的发展趋势。     

内波海面海浪等效谱与SAR内波图像模型的关系

内波海面的电磁计算模型一般把流体力学-电磁波模型简单处理并与SAR图像模式相结合，根据电磁散射模型的计算要求，提出了一个等效的海浪谱模式，并用在电磁散射的计算，最后，用SIR-C/X-SAR在中国南海海面的内波表面图像进行了对比，对L-和X-波段具有很好的计算结果。     

航天飞机成像雷达海面风矢量观测研究——以1994年4月南中国海试验区为例

海洋雷达后向散射回波主要来自短重力波的Ｂｒａｇｇ散射,这种散射与海面风场信息、边界层涡旋等密切相关。因此,可以从雷达散射截面反演风场信息。对１９９４年４月航天飞机成像雷达（ＳＩＲ－Ｃ／Ｘ－ＳＡＲ）获取的南中国海合成孔径雷达（ＳＡＲ）图像进行了分析研究。利用ＳＩＲ－Ｃ数据,从ＳＡＲ图像谱提取了风向;根据ＣＭＯＤ４模型,从Ｃ波段雷达后向散射系数反演风速;利用双尺度散射模型对反演的风速进行了对比分析。结     

双频共面合成孔径雷达海面风场反演

根据L/C双频共面SAR能够获取同一海域双波段电磁波后向散射系数,得到更多海洋目标特征信息的电磁散射特点,结合地球物理模型函数研究了一种新的SAR海面风场反演方法。利用L/C双频共面SAR的L和C两个波段的地球物理模型函数和后向散射系数等信息,通过地球物理模型函数联立以及构建和求解最小代价函数,直接从SAR数据本身获取海面风场信息,并借助辅助数据去除了风向的180°模糊,从而实现海面风场反演。仿真分析和海上机载同步飞行试验的研究结果表明,该方法可直接利用SAR数据本身获取精度较高的海面风速、风向;绝对辐射定标精度是决定海面风场反演精度的关键因素,海面风场反演误差随定标精度提高而减小;随着海面风速的增大,风速反演误差逐渐增大。论文提出的双频共面SAR海面风场反演方法解决了传统单波段单极化SAR海面风场反演存在的固有问题,机载同步飞行试验的海面风速和风向反演结果与调查船观测值的均方根误差分别为0.93 m/s和19.39°,可为星载SAR海面风场反演业务化和载荷研制提供支持。     

反射率因子和径向速度共同约束反演多普勒雷达风场

多普勒雷达可以提供降水回波区的风场信息。为了充分运用雷达资料分析中小尺度天气过程,本文假设反射率因子在短时间内的运动满足拉格朗日守恒,提出了采用连续两次的反射率因子回波和径向速度数据共同约束的方法来反演风场,在反演过程中避免了对径向速度的分布进行假设。针对连续两个时次之间反射率回波运动中产生的不同程度的误差做了模拟风场试验,结果表明,当回波运动随机误差不超过40%时,反演结果较为可靠。另外,本文还利用此风场反演方法进行两次中尺度天气过程的实例分析。结果表明,该方法反演的风场与实际风场结构相符,具有一定的应用价值。     

基于粗糙海面高度频谱函数的雷达后向散射系数计算

海面雷达后向散射系数是主动微波遥感定量化研究海洋的基础，基于各种海浪谱模式的后向散射系数计算可比性差，鉴于风成粗糙海面的波面斜率呈非Guassian分布的特点，本文给出了依据自由海面的二维高度谱计算海面的雷达后向散射系，并与实际SIR－C／X－SAR数据进行对比。     

一种修正的星载散射计反演海面风场的场方式反演算法

由于卫星散射计探视雷达回波的各向异性的双调和性质,同时由于散向散射物理模型函数的非线性及信号中存在噪声,使得常规点方式风场反演哕向有多至４个解的多解存在。给出了一种改进的场方式钣演方法,利用该人卫星散射计测量的后向散射强度的数据中唯一反演出大尺度海洋风场。通过数值模拟和实际算例计算表明反演过程在风向、风速上都与真解是吻合的。从结果可以看到,所采用的改进的场方式反演方法对模拟数据或真实散射计探测海面     

CO2倍增下遥感-光合作物产量响应模型的研究与应用

由于卫星散射计探视雷达回波的各向异性的双调和性质,同时由于散射物理模型函数的非线性及信号中存在噪声,使得常规点方式风场反演中风向有多至4 个解的多解存在。给出了一种改进的场方式反演方法,利用该方法从卫星散射计测量的后向散射强度的数据中唯一反演出大尺度海洋风场。通过数值模拟和实际算例计算表明反演结果在风向、风速上都与真解是吻合的。从结果可以看到,所采用的改进的场方式反演方法对模拟数据或真实散射计探测海面风场的反演是成功的。     

基于高光谱曲线峰度、偏度的植被叶绿素含量反演模型研究

本文分析了高光谱反射率及红边位置与叶片绿度的相关性,建立了基于敏感波段和红边位置的叶绿素估算模型。通过对不同叶绿素含量高光谱曲线特征的分析,提出了基于高光谱曲线峰度和偏度的叶绿素估算新思路,并分别建立基于原始光谱560-760nm波段和一阶导数光谱660-760nm波段对应峰度、偏度的叶绿素反演模型。结果表明,法国梧桐、无花果和白毛杨基于敏感波段的叶绿素含量反演模型的拟合度,与传统估算模型相比,本文提出的新估算模型可以明显提高高光谱反演叶绿素含量的能力。     

GNSS-R航空遥感海面风场仿真技术

研究了机载GNSS-R遥感海面风场的仿真原理和技术,以KA-GO相关功率模型为基础,分析海浪谱,海面坡度和风速风向的关系,并针对不同风速、风向、接收机高度和飞行速度海面散射信号相关功率开展了数值仿真分析研究,并建立了仿真软件。仿真研究结果表明,以上因素对海面反射信号的相关功率波形的峰值和后沿斜率均有影响。本文的仿真结论为GNSS-R海面风场反演打下了理论基础,建立的仿真软件为GNSS-R海面风场反演提供研究平台。     

Atmospheric turbulence theory applied to GPS carrier-phase data

Turbulent irregularities in the lower atmosphere cause physical correlations between Global Positioning System (GPS) carrier-phase measurements. Based on turbulence theory, a variance–covariance model is developed in this paper that reflects these correlations. The main result shows that the obtained fully-populated variance–covariance matrices depend not only on the satellite-station geometry, but also on the prevailing atmospheric conditions, which are parameterised by, e.g., the von Karman spectrum of refractivity fluctuations and the wind velocity vector. It is shown that the amount of the correlation between two GPS carrier-phase observations is inversely related to the separation distance of the corresponding ray paths through the turbulent atmosphere. Furthermore, the wind velocity and direction play a key role in the correlation.     

改进AMSR-E雪水当量算法研究

为了发展雪水当量物理反演算法,本文对不同散射阶模型——零阶、一阶、多次散射模型进行敏感性试验与分析,结果表明我们必须在前向理论模型和反演模型中考虑多次散射作用。本文采用的多次散射积雪辐射理论模型——双矩阵法（Matrix Doubling）求解辐射传输方程,用致密介质理论模型（DMRT）模拟积雪发射和消光特性,用AIEM模型模拟地表辐射及作为辐射传输方程的边界条件。由于该多次散射积雪辐射理论模型的复杂性,拟发展出简单且高精度的积雪辐射参数化模型,以发展雪水当量物理反演算法。因此,在包括多次散射的积雪理论模型基础上,本文通过建立针对AMSR-E传感器参数设置的积雪辐射模拟数据库,该数据库包含了各种可能的自然积雪和地表特性参数。从而在模拟数据库基础上,本文发展了针对AMSR-E的积雪参数化模型。     

神舟四号飞船微波辐射计定标和检验（Ⅱ）——微波辐射计地物参数反演及其检验

针对神舟四号飞船微波辐射计(RAD)特殊入射角、频率的特点,开发了海面和大气参数的反演算法。然后用这个算法模拟RAD不同通道的亮温。最后用发射后重新定标的亮温结合国外大洋浮标、小岛上的气象探空数据以及其他星载微波辐射计产品,对RAD反演算法进行改进,最后给出海面温度、风速和大气水汽含量的反演的结果,并且对这些结果进行了检验。     

利用卫星红外高光谱资料反演大气甲烷浓度垂直廓线

基于欧洲中尺度天气预报中心(ECMWF)大气廓线库和RTTOV9.3辐射传输正向模式,探讨了大气CH₄混合比浓度垂直廓线和柱总量的经验正交函数(EOF)反演方法,并利用地基傅里叶热红外光谱仪(FTS)观测数据和红外EOSAQUA卫星的大气红外传感器(AIRS)实际观测资料进行反演实验和验证。并且与地基傅里叶热红外光谱仪(FTS)观测结果相比,300hPa以下EOF模型反演的CH₄混合比均方根相对误差小于AIRS的CH₄产品,CH₄柱总量的相对误差也小于AIRS产品。与AIRS的CH₄产品相比,EOF模型反演的CH₄混合比廓线相关系数为0.97,均方根相对误差小于2.5%。验证结果表明EOF模型可以为物理反演提供很好的初始值,由于其稳定且运算更快捷,在业务化运行方面具有很大应用前景。