X波段海洋雷达海表信息反演方法研究

摘要

X波段海洋雷达具有对海面进行高时空分辨率成像的特点。通过有效的反演方法，可以得到高时空分辨率的海表物理参数信息，如有效波高、海浪传播方向、海浪周期、海表风速等，而高时空分辨率的海浪和风场数据能够为海洋工程、海洋渔业、海洋运输等提供有效的保障。本文研究了利用X波段海洋雷达图像序列反演海浪谱、海表风速以及风速海浪协同反演的方法。
　　首先，X波段海洋雷达的成像受不同调制机制的影响，传统线性调制传递函数是基于开阔大洋石油平台上的X波段雷达海浪观测建立的，因而不一定适合近岸浅水区域的波浪信息提取。另外，由于雷达后向散射强度强烈依赖于雷达方位向和距离向，雷达图像不同区域的波浪反演所需要的调制传递函数系数也是不同的。本文通过比较从X波段海洋雷达图像序列中反演获得的海浪波数谱与现场浮标测量的海浪波数谱，提出了随雷达距离向和雷达方位向与海浪传播夹角变化的动态调制传递函数系数。根据所提出的动态调制传递函数系数，利用X波段海洋雷达图像序列反演了雷达图像全区域海浪的峰值周期和平均周期，与浮标的观测值之间的均方根误差分别为0.95秒和0.48秒，偏差分别为0.52秒和0.26秒。
　　其次，海表风速与雷达后向散射强度之间存在着非线性映射关系，本文通过对比现场试验获取的风速资料和雷达观测资料提出了新的双曲正切函数经验物理模型。经过X波段雷达反演的风速与自动气象站观测风速比较，对X波段雷达海面风速反演方法进行了验证，风速反演的均方根误差达到1.9m/s，平均相对误差为-0.06。相较于现有对数函数关系模型，有效提高了风速反演的精度，均方根误差降低1m/s。
　　最后，将风速反演的结果利用到海浪反演中，提出了风速海浪协同反演方法。通过构造参数化海浪谱模型，该模型中只有峰值波数kp和主波波向θp为未知量，输入风速信息，再求解含有该参数化风浪谱与雷达观测图像谱的约束函数的最小值来确定最优风浪参数，然后得到最终的风浪谱，并进一步计算有效波高、主波周期、主波波向等参数。该方法不需要额外的信息输入来反演海浪谱，也不需要调制传递函数的参与，有效避免了调制传递函数的影响。比较实验数据和雷达反演数据，有效波高、主波周期及主波波向的均方根误差分别为0.4m、1.2s、9.6°，平均相对误差分别为0.1、-0.1、0.05。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 海浪信息反演现状

1．2．2 海表风速反演现状

1．2．3 海表层流的反演

1．2．4 海浪监测系统研究

1．3 X波段海洋雷达的成像原理

1．3．1 Bragg散射

1．3．2 雷达成像的调制机制

1．4 本文的研究内容及创新点

第二章 X波段海洋雷达的调制传递函数

2．1 调制传递函数的定义

2．2 数据处理方法

2．3 数据介绍

2．4 调制传递函数系数的分布特征

2．5 结果验证

2．6 小结

第三章 X波段海洋雷达风速反演方法

3．1 风速反演方法

3．2 数据介绍

3．3 方法验证及分析

3．4 小结

第四章 风速海浪协同反演方法

4．1 海浪谱的数值仿真

4．2 海浪谱的反演

4．3 方法验证及分析

4．4 小结

第五章 结论与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

作者简介

致谢