基于ASAR的时变海表面流场反演研究

摘要

海流是海洋学中十分重要的研究对象，研究海流的特征及其变化规律并获取准确的海表流场信息对数值海洋预报、海洋生态保护、海上船只航行、海上军事行动、海洋渔业生产乃至全球气候变化研究等均具有极其重要的意义。目前，传统的常规海流观测手段存在着较多的问题，不能满足日益增长的海流信息需求，而采用遥感反演，特别是微波遥感反演海流的方法正展现出诱人的前景。针对微波遥感反演海流方法尚存在以经验模型为主和反演方法不确定性较大等问题，本论文以多普勒中心的理论模型为切入点，采用星载合成孔径雷达分发的元数据，提出微波反演海流的新方法，为研究海流特征及其变化规律提供了有力的支撑。 回顾和总结目前已在文献中出现的卫星遥感反演海面流场的方法，主要有四种：基于时序图像不变特征方法（MCC法、CR法等）、雷达高度计地转流反演法、SAR多普勒中心频率法和SAR顺轨干涉测量法（ATI）。四类方法的反演精度不同，各有适用的范围，但就近海海域业务化海流反演的角度来说，基于SAR测量的海流反演方法要优于其他方法，主要体现在SAR本身具有较高的精度和良好的分辨率。本文研究了基于SAR测量原理的低分辨率海流反演方法，内容主要是将SAR目标侦测中的多普勒中心估计技术应用于海流的反演。雷达多普勒中心估计技术主要研究如何精确估计原始雷达回波 数据多普勒谱的中心频率。该技术目前主要应用于雷达成像领域和陆地目标追踪、识别等领域，在海洋方面的研究和应用相对较少。本文研究从卫星元数据获取多普勒频移参数，并从中校正由卫星姿态引起的多普勒频移误差和剔除海浪的影响。卫星数据的元数据包含了从卫星上测量得到并做过多普勒中心估计的多普勒频移，称为测量多普勒频率。该测量多普勒频率中包含了卫星运行姿态导致的频移偏差，称为预测多普勒频率，需要从回波数据中估计该误差项，并在方位向和距离向上予以消除。除此之外，卫星发射的微波信号在海面以布拉格散射为主，需要去除海面布拉格波对多普勒频移的影响。本文将反演获得的海表流速与HYCOM模拟结果及文献资料结果进行对比，证实反演结果的精度较好。 在以上海流反演的基础上，将本文设计的海流反演方法与其他基于SAR测量的海流反演方法进行了对比分析，这些方法主要包括：基于Radarsat SAR数据的经验鲁棒模型，基于ASAR数据的误差拟合模型，顺轨干涉测量（ATI）海流反演方法和基于多普勒雷达成像模型（DopRIM）的海流反演方法。通过对比分析，进一步明确了本文方法的优点，为业务化的海流反演提供了良好的借鉴。 除此之外，本文还深入分析和探讨了海表面风场与反演海流的关系，主要进行了海表风场的反演，并从中发现了风对海流分布及流场结构形成所造成的影响。海表面风场的获取方式，除了可以利用已有的风场产品外，还可以从微波后向散射系数（NRCS）图像反演得到。反演的主要方法是建立风场与后向散射系数之间的地球物理模型函数（GMF），通过该模式函数及海表面后向散射系数图像，计算获得风场。本文利用ASAR数据计算得到的NRCS图像，通过图像分割和二维快速傅立叶变换，获得海面子图像的二维傅立叶谱。根据风向与谱峰方向垂直，获取风向方向，将风向及后向散射系数代入CMOD5模式函数求得风速大小。这样求得的风场，风向具有180度模糊的问题存在，本文结合QuickSCAT风场统计资料予以消除。在反演得到海表面风场的基础上，本文分析了风场对海表面流场形成及分布所造成的影响，进一步明确了风场不仅可以帮助确定海流反演中的海浪成分，还会对海表流场的结构产生明显影响，这对提高海流反演的精度具有重要的意义。 下一步的研究工作主要是在现有研究基础上进一步提高海流反演的分辨率。高分辨率海流反演是一个很复杂的问题，本文只完成了低分辨率海流反演的研究工作，为高分辨率的海流反演提供了一定的借鉴，后续的工作还需要继续展开。

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第一章 绪论

1.1 选题的背景及意义

1.2 国内外研究综述

1.3 论文的创新与思路结构

第二章 数据及背景知识简介

2.1 基本概念及SAR成像过程

2.1.1 基本概念

2.1.2 SAR成像过程

2.2 ASAR数据简介

2.3 时变海面建模基本理论

2.3.1常见海谱简介

2.3.2海面生成方法

2.3.3海面SAR电磁建模

2.4 本章小结

第三章 海流反演方法及结果分析

3.1 时变海面的海流反演方法

3.1.1 距离向fDc模型

3.1.2 方位向fDc模型

3.1.3 卫星运动影响因素的消除

3.1.4 海表面状况因素分析

3.1.6 小结

3.2 误差分析及结果讨论

3.2.1反演过程中误差分析及讨论

3.2.2反演结果分析

3.2.3反演结果的精度评价

3.3 结论

第四章 海流反演方法讨论

4.1海流反演方法对比分析

4.1.1 与基于Radarsat SAR数据的经验鲁棒模型的对比分析

4.1.2 与基于ASAR数据的误差拟合模型对比分析

4.1.3 与顺轨干涉测量（ATI）反演海流方法对比分析

4.1.4 基于多普勒雷达成像模型的海流反演方法简介

4.2海表面风场的影响探讨

4.2.1风场反演及误差分析

4.2.2风场反演结果及讨论

4.2.3 风场对海流反演的影响分析

4.2.4 小结

第五章 结论及展望

参考文献

致谢