星載雷達(dá)微波遙感海浪方向譜仿真與反演研究.pdf

1、SAR和波譜儀是現(xiàn)在唯一兩種可實(shí)現(xiàn)海浪方向譜測量的星載遙感器。兩者均為微波主動式雷達(dá),SAR為合成孔徑雷達(dá),波譜儀為真實(shí)孔徑雷達(dá)。SAR海浪方向譜反演研究較早,已實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化的應(yīng)用。但由于成像過程的復(fù)雜性以及固有的限制,人們一直在尋找一種新的星載遙感器,以便能更簡單、更精確的實(shí)現(xiàn)海浪方向譜的測量。波譜儀也就是在此背景下誕生的,且近年已有發(fā)射計劃。本文分別圍繞SAR和波譜儀海浪譜反演算法的開發(fā)與改進(jìn),開展了相關(guān)的研究工作。主要的創(chuàng)新和貢獻(xiàn)歸

2、納如下：
　　 ⑴基于常規(guī)SAR圖像海浪譜反演算法的分析,提出了分步參數(shù)化方法實(shí)現(xiàn)SAR圖像的海浪譜反演。將SAR圖像的海浪譜反演過程分為兩個階段,第一反演階段不加初猜譜,首先反演出SAR圖像本身包含的信息,即方位向截斷波數(shù)內(nèi)的海浪信息。第二反演階段,利用CMOD-IFR2風(fēng)場反演算法反演出SAR數(shù)據(jù)攜帶的風(fēng)速信息,以判斷出當(dāng)時的海浪主要成分,如以涌浪為主,反演結(jié)束;如以風(fēng)浪為主,則利用第一反演階段的反演結(jié)果,從主波波長、主波波

3、向、成長狀態(tài)和風(fēng)速等角度,參數(shù)化構(gòu)造風(fēng)浪初猜譜,然后代入迭代過程反演出最終的海浪譜。關(guān)于該方法的反演效果通過仿真方式和SAR圖像反演得到驗(yàn)證。
　　 ⑵利用仿真技術(shù)驗(yàn)證了波譜儀的海浪方向譜測量能力。整個仿真過程分為正演和反演兩部分,正演過程描述如何從輸入的海浪譜得到波譜儀的回波信號,而反演過程則描述如何從回波信號提取出海浪方向譜。仿真過程中加入了斑點(diǎn)噪聲和熱噪聲,并考慮了多種海況條件,如不同的海浪類型、風(fēng)速、有效波高、成長狀態(tài)等

4、。仿真中輸入譜與反演譜的比較結(jié)果,作為波譜儀海浪譜測量性能優(yōu)劣的評判標(biāo)準(zhǔn)。仿真結(jié)果表明,波譜儀有能力完成多海況下的海浪譜觀測任務(wù)。
　　 ⑶提出了波譜儀海浪譜反演過程中關(guān)鍵參數(shù)的估計方法。波譜儀是通過調(diào)制譜和波陡譜的線性關(guān)系反演出海浪方向譜的,本文首次提出求導(dǎo)法和積分法用于估計兩者的線性比例系數(shù)。在機(jī)載波譜儀STORM試驗(yàn)數(shù)據(jù)的反演過程中,一方面利用積分法估計出線性比例系數(shù),同時提出利用基本無長波信號的信號譜分量作為各種噪聲譜的

5、總和,成功地估計出信號譜中的噪聲譜,反演結(jié)果與浮標(biāo)數(shù)據(jù)相比,基本一致。
　　 ⑷結(jié)合SAR和波譜儀各自反演特點(diǎn),探討了聯(lián)合反演的方法。SAR和波譜儀的海浪譜反演技術(shù)有著各自的優(yōu)勢和局限性,兩者可以取長補(bǔ)短。在SAR圖像反演的過程中,波譜儀通過海浪譜的線性測量特點(diǎn),可以為其提供相對海浪譜作為初猜譜,而在波譜儀反演的過程中,SAR圖像可以通過分步參數(shù)法的第一反演階段,為其提供截斷波數(shù)內(nèi)的海浪譜有效波高數(shù)據(jù),從而可以根據(jù)有效波高轉(zhuǎn)換法