基于多普勒法的SAR海表流场反演算法研究

摘要

海表流速的测量对影响全球尺度气候变化的热盐交换量起着重要的作用，而从局地尺度上讲，海流对沿岸大陆架生态系统的显著影响也不可忽略，因此加深对海流机制的认识有助于监测环境变化、维护海上安全及支持渔业发展等。卫星遥感观测技术的发展为大面积观测海流提供了一种有效的手段，在这其中，合成孔径雷达(SAR)因其全天时，全天候及高空间分辨率的特点成为观测海流的重要传感器之一。
　　多普勒法的基本原理在于从SAR回波信号中提取的多普勒频移异常值与海面的视向运动速度存在线性关系，近年来基于SAR海面回波数据多普勒效应的中小尺度海流观测技术逐渐成为微波海洋遥感观测领域的研究热点之一。本文中首先基于双尺度模型，利用连带拉格朗日波浪理论，在假设海面的斜率及速度均服从高斯分布的前提下，给出了海面运动引起的多普勒频移及频谱宽度的理论公式，模型中考虑了大尺度波浪对短波的倾斜调制及流体力学调制作用，倾斜调制会导致HH极化的多普勒频移值大于VV极化值，流体力学调制函数中的弛豫率不为零，导致顺风和逆风时的不对称性。与经验模型CDOP的对比说明，本文中二维模型在中等入射角下是合理的。
　　以ASAR的宽幅WSM数据为例，详细说明了从SAR图像中提取多普勒频移值所需要的数据处理方法及误差校正步骤，其中误差包括方位向误差和参考多普勒频移误差及残余误差三项，误差校正后陆地上多普勒频移的均方根误差相比于校正之前明显的减小。从WSM图像中反演的厄加勒斯海流的径向速度，其中心路径与高度计的地转流数据存在较好的一致性;径向速度因其较高的空间分辨率能够更好地突出海流的中小尺度特征。与GHRSST的融合温度数据的对比验证表明，径向速度呈现的海流特征与SST图像的特征相似;另外，径向速度、地转流速度与SST梯度沿某一横截面的定量对比显示，海流速度较大的区域对应的温度梯度值较大。值得一提的是在利用WSM数据观测厄加勒斯海流中的Natal Pulse时，径向速度图像相比于地转流数据能够更加详细地反映沿岸的海流特征，为进一步探究Natal Pulse的生成机制及演化过程提供了数据支持。
　　在本文中提出了基于ASAR的成像模式数据IMS的改进算法，利用符号多普勒方法估计SAR图像的多普勒质心频率，因符号多普勒法对亮暗目标的权重相同，引入的方位向误差较小可以忽略不计，这样只需要校正参考多普勒频移误差项。验证了IMS在观测长江口区域的海表流场的可行性，与潮汐表的对比证明径向速度在合理的误差范围内。因受到陆地污染加上潮汐的影响，使得高度计数据不能用于长江口，所以利用SAR图像观测长江口的海表流场就更显必要。
　　本文详细讨论了基于多普勒方法从SAR图像中反演海表流场径向速度的算法步骤，给出了厄加勒斯海流、Natal Pulse及长江口作为实验研究对象，与地转流数据、SST数据的直接对比或是与潮汐表的间接比较都佐证了该算法的可行性。同时给出基于双尺度模型的理论计算，与经验模型的CDOP的比较验证。

目录

声明

摘要

1．引言

1．1 本文的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的主要研究内容

2．SAR成像的基本理论

2．1 SAR海面成像原理

2．1．1 Bragg散射机制

2．1．2 双尺度模型

2．1．3 速度聚束效应

2．2 多普勒质心频率

2．2．1 方位向信号的多普勒历程

2．2．2 多普勒质心估计

2．3 小结

3．海面微波散射场的多普勒特征

3．1 海面模型

3．1．1 大尺度波浪的模拟

3．1．2 Elfouhaily海谱

3．1．3 联合统计分布特征

3．1．4 海面散射模型

3．2 多普勒频移和频谱宽度

3．2．1 多普勒频移

3．2．2 多普勒频谱宽度

3．3 数值结果

3．3．1 多普勒频移和频谱宽度

3．3．2 与CDOP的比较

3．4 小结

4．基于多普勒方法观测海表流场

4．1 多普勒质心异常算法

4．1．1 WSM多普勒质心估计方法

4．1．2 符号多普勒法SDE

4．1．3 多普勒质心异常算法

4．1．4 误差校正

4．2 观测厄加勒斯海流

4．2．1 厄加勒斯海流简介

4．2．2 多普勒方法观测

4．2．3 Natal Pulse

4．3 基于IMS数据观测长江口海表流场

4．3．1 长江口海表流场简介

4．3．2 IMS数据观测长江口

4．4 小结

5 总结

参考文献

致谢

个人简历

参加项目情况

发表的学术论文