HH极化TerraSAr-X图像提取海浪要素方法的研究

摘要

海浪研究的主要问题是对海浪谱的研究，海浪谱描述了海浪的内部结构，海浪的所有信息都可以通过海浪方向谱获得。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)具有较高的分辨率，可以连续获得海浪方向谱信息。TerraSAR-X是全球第一颗全极化具有高分辨率的X波段合成孔径雷达，所以开展TerraSAR-X图像数据的应用研究具有十分广阔的发展前景。　　近年来，SAR已经发展出了单一提取海面风或提取海浪要素的方法，但是实际上两者的反演方法密不可分，现有的单一反演海面风场和提取海浪要素的方法，不仅需要重复地输入外部海面风场的信息浪费较长的运算时间，外部海面风场的信息与SAR在空间上的不匹配性也可能会影响反演结果的准确性。　　本文首先介绍了近年来两种不同波段（X-band/C-band）SAR图像海面风场反演和海浪要素提取的研究近况，之后详细介绍了X波段的地球物理模式函数（Geophysical Model Functions，GMF）XMOD1模式和XMOD2模式的风场反演方法。由于XMOD模式是针对垂直(vertical-vertical，VV)极化SAR图像海面风场反演发展而来的地球物理模型，所以当反演水平（horizontal-horizontal，HH）极化SAR图像的海面风场时，需要联合极化率模型(Polarization Ration，PR)与地球物理函数模式一起使用。本文对X-band SAR三种极化率模型的实用性进行探讨。把三种极化率模型（Thompson-XP、Elfouhaily-XP、X-PR）应用于36幅HH极化TerraSAR-X图像，与XMOD1和XMOD2进行联合反演。总体看来，运用XMOD2模式和X-PR模型反演对比结果较其他摸式反演对比结果后的偏差和均方根误差更小。　　目前SAR图像反演海浪谱的模式主要有MPI模式和SPRA半参数反演模式两种方法。以这两种方法为基础，引出本文所使用的海浪谱反演方法:参数化初猜谱模式。将反演获得的风场信息作为初始条件应用于参数化初猜谱模式中，从而得到海浪谱以及相关的海浪要素信息。反演结果与第三代海浪模式WaveWatchⅢ运算结果和NDBC浮标站点数据进行了对比分析，对比结果显示，风场信息和海浪要素的绝对误差都在可接受范围内，验证了本文使用的反演算法能有效的从TerraSAR-X图像中提取海浪要素的信息。不过误差产生的原因还需要进一步的分析验证。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本文的研究背景和意义

1．2 SAR卫星的发展历程及研究进展

1．2．1 TerraSAR-X介绍

1．2．2 SAR提取海面风场

1．2．3 SAR提取海浪信息

1．3 本文的研究内容和章节安排

第二章 SAR的探测原理和海面成像机制

2．1 相关的基本概念

2．1．1 Bragg散射

2．1．2 海面粗糙度

2．1．3 后向散射截面

2．1．4 辐射定标

2．2 雷达孔径合成原理

2．2．1 SAR成像几何关系

2．2．2 SAR孔径合成原理

2．3 SAR海浪成像机制

2．3．1 倾斜调制

2．3．2 流体力学调制

2．3．3 速度聚束调制

2．4 小结

第三章 TerraSAR-X提取海面风

3．1 风向确定的方法

3．2 风速反演的方法

3．3 X波段SAR反演海面风场

3．3．1 VV极化海面风场的反演算法

3．3．2 HH极化海面风场的反演算法

3．4 HH极化TerraSAR-X图像提取海面风几种算法的比较

3．5 小结

第四章 TerraSAR-X提取海浪要素

4．1 MPI反演模式

4．1．1 MPI的理论

4．1．2 MPI的不足

4．2 半参数反演方法(SPRA)

4．2．1 SPRA的理论

4．2．2 SPRA的优势和不足

4．3 参数化初猜谱模式

4．3．1 风涌浪共存时SAR海浪成像关系

4．3．2 风浪涌浪的判别标准

4．3．3 参数化初猜谱模式具体反演步骤

4．3．4 三种反演模式方法的比较

4．4 获得和分离SAR图像谱

4．5 HH极化TerraSAR-X图像提取海浪要素具体步骤

4．6 反演实例1

4．6．1 数据说明

4．6．2 风场反演

4．6．3 海浪要素提取

4．7 反演实例2

4．7．1 数据说明

4．7．2 风场反演

4．7．3 海浪要素提取

4．8 小结

结论

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文及研究成果