星载雷达微波遥感海浪方向谱仿真与反演研究

摘要

SAR和波谱仪是现在唯一两种可实现海浪方向谱测量的星载遥感器。两者均为微波主动式雷达,SAR为合成孔径雷达,波谱仪为真实孔径雷达。SAR海浪方向谱反演研究较早,已实现业务化的应用。但由于成像过程的复杂性以及固有的限制,人们一直在寻找一种新的星载遥感器,以便能更简单、更精确的实现海浪方向谱的测量。波谱仪也就是在此背景下诞生的,且近年已有发射计划。本文分别围绕SAR和波谱仪海浪谱反演算法的开发与改进,开展了相关的研究工作。主要的创新和贡献归纳如下：
　　 ⑴基于常规SAR图像海浪谱反演算法的分析,提出了分步参数化方法实现SAR图像的海浪谱反演。将SAR图像的海浪谱反演过程分为两个阶段,第一反演阶段不加初猜谱,首先反演出SAR图像本身包含的信息,即方位向截断波数内的海浪信息。第二反演阶段,利用CMOD-IFR2风场反演算法反演出SAR数据携带的风速信息,以判断出当时的海浪主要成分,如以涌浪为主,反演结束;如以风浪为主,则利用第一反演阶段的反演结果,从主波波长、主波波向、成长状态和风速等角度,参数化构造风浪初猜谱,然后代入迭代过程反演出最终的海浪谱。关于该方法的反演效果通过仿真方式和SAR图像反演得到验证。
　　 ⑵利用仿真技术验证了波谱仪的海浪方向谱测量能力。整个仿真过程分为正演和反演两部分,正演过程描述如何从输入的海浪谱得到波谱仪的回波信号,而反演过程则描述如何从回波信号提取出海浪方向谱。仿真过程中加入了斑点噪声和热噪声,并考虑了多种海况条件,如不同的海浪类型、风速、有效波高、成长状态等。仿真中输入谱与反演谱的比较结果,作为波谱仪海浪谱测量性能优劣的评判标准。仿真结果表明,波谱仪有能力完成多海况下的海浪谱观测任务。
　　 ⑶提出了波谱仪海浪谱反演过程中关键参数的估计方法。波谱仪是通过调制谱和波陡谱的线性关系反演出海浪方向谱的,本文首次提出求导法和积分法用于估计两者的线性比例系数。在机载波谱仪STORM试验数据的反演过程中,一方面利用积分法估计出线性比例系数,同时提出利用基本无长波信号的信号谱分量作为各种噪声谱的总和,成功地估计出信号谱中的噪声谱,反演结果与浮标数据相比,基本一致。
　　 ⑷结合SAR和波谱仪各自反演特点,探讨了联合反演的方法。SAR和波谱仪的海浪谱反演技术有着各自的优势和局限性,两者可以取长补短。在SAR图像反演的过程中,波谱仪通过海浪谱的线性测量特点,可以为其提供相对海浪谱作为初猜谱,而在波谱仪反演的过程中,SAR图像可以通过分步参数法的第一反演阶段,为其提供截断波数内的海浪谱有效波高数据,从而可以根据有效波高转换法估计出反演过程中的线性比例系数。