一种基于合成孔径雷达海表流速反演方法

摘要

本发明提供的一种基于合成孔径雷达海表流速反演方法，包括获取原始星载SAR图像，SWAN模式模拟二维海浪谱数据，以及Hycom模式提供的再分析流场数据；利用SAR图像参数与SWAN模拟的二维海浪谱，通过计算SAR遥感图像的方位角向截断波长；利用Hycom的再分析海表流速数据，探究SAR遥感图像的方位角向截断波长与海表流速之间的关系；根据探究结果构造反演算法，反演海表流速。本发明提供的方法根据探究得到的SAR遥感图像的方位角向截断波长与海表流速之间的关系构建海表流速的反演算法，解决了SAR遥感图像的ATI海表流速反演数据量不足和DCA海表流速反演空间分辨率较低的问题，且不受其他的海洋现象的干扰。

说明书

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达技术和物理海洋学领域，具体是涉及一种合成孔径雷达遥感图像的海表流场流速反演算法的开发。

背景技术

全球海洋面积占地球表面积的71％，是全球气候变化的重要组成部分。海流是海水的重要运动形式之一，反映的是海水在准定常状态下各种尺度的输运状态。海流可以将海洋中的物质，如水体及包含其中的营养盐和泥沙等，从一个区域输送到另一个区域，也可以将海水中热能从一个海域输送到另一个海域，直接影响那里的天气和气候，并进一步引起海洋生态系统、海岸和海底地形的变化等。另外，海上交通运输线路的优化，海上搜救、溢油和其他污染物扩散等，也常常利用海洋表层海流的运动规律进行计算和研究。因此，开展海流观测、了解海洋流场的特征和变化规律，对于海洋交通运输、海上生产、渔业、港口建设、海洋减灾和防灾以及相关海洋科学研究等都具有非常重要的意义。

随着空间科学技术的发展，特别是海洋遥感技术，使得人们研究海洋和认识海洋的手段有了突飞猛进的发展。传统的海洋表层流场测量技术如浮标漂移轨迹法，海流观测仪器，通过其他水文资料等间接方法已经无法满足某些高分辨率海表流场的数据需求。而且限于海上环境条件，仪器维护成本高。在海洋遥感技术中，合成孔径雷达(英文全称：Synthetic Aperture Radar,英文缩写：SAR)具有一定的优势。SAR是一种主动式微波成像雷达，通过发射一定频率的微波并测量其后向散射信号的幅值以及位相信息，可以得到海表后向散射强度的图像，这种图像拥有很高的分辨率，能达到几米的量级，而且SAR对海表粗糙度的变化十分敏感，可海表细微空间变化特征提供较多的海洋动力信息，例如海表风场、海表波浪、内波、海流、海冰、海面船只的尾流以及海表浮油等。同时，SAR作为一种微波成像雷达，可以在任何时间任何天气情况对海表进行观测。因此SAR是一种全天时、全天候和高分辨率观测海洋的成像雷达。

现有技术中，SAR主要通过两种方式:星载ATI模式和多普勒频移(DCA)来估计海洋表层流场。传统意义上的ATI技术的实施需要利用2个单独的天线接收SAR回波信号(如：美国奋进号航天飞机执行的航天雷达地形测绘任务(SRTM)，专利CN201910238653.6一种星载双天线斜视顺轨干涉SAR洋流速度测量方法、CN201910951323.1混合基线双天线斜视干涉SAR洋流测量性能确定方法及系统、CN201810707683.2一种用于顺轨干涉SAR海流反演的方位模糊抑制方法等都采用了双天线回波设计)，但是对采用先进的基于相控阵技术的TerraSAR-X天线而言，还可以更丰富的实验成像模式实施ATI技术。对场景内目标成像时，TSX天线可物理分割成2个独立的部分接收反射信号，从而实现双接收天线模式(DRA)成像。ATI技术的实施需要通过双接收天线或天线阵列来实现，现有能实施ATI技术的星载SAR平台仅有德国的TSX和TDX卫星，使得基于ATI技术进行海流速度估计的有效数据量非常有限。在SAR成像系统中，由于雷达对于目标的相对运动，使得接收到的回波信号频率相对发射信号频率产生的变化，就是多普勒频移效应。运用这种效应，很多学者提出了对海洋表层流速估计的方法。而DCA方法仅需要单天线即可实现，据已有成果，包括ERS-1/2,ASAR,Radarsat-1/2，TSX和TDX在内的SAR卫星均可以基于DCA方法进行海洋表层流场估计。但是DCA方法需要通过空间平均来保证流场估计精度，空间分辨率较低。

发明内容

针对现有技术中SAR遥感图像的ATI海表流速反演数据量不足和DCA海表流速反演空间分辨率较低的技术问题，根据研究发现，从SAR遥感图像中反演海表流速具有以下优势：SAR遥感图像的方位角向截断波长与海表面流速具有较强的线性关系，而且不受其他的海洋现象的干扰。本发明根据从SAR图像上提取的参数(入射角和方位角)以及SWAN模式模拟的二维海浪谱，通过前人的公式得到SAR图像上所对应的方位角向截断波长(cut-offwavelength along the azimuth direction)。并探讨了SAR遥感图像上的方位角向截断波长与海洋表层流场流速之间的关系并构建了一种基于合成孔径雷达海表流速反演方法。

本发明提供的一种基于合成孔径雷达海表流速反演方法，所述方法包括如下步骤：

101：获取原始星载SAR图像，SWAN模式模拟二维海浪谱数据，以及Hycom模式提供的再分析流场数据。

102：利用SAR图像参数与SWAN模拟的二维海浪谱，通过公式计算SAR遥感图像的方位角向截断波长。

103：利用Hycom的再分析海表流速数据，探究SAR遥感图像的方位角向截断波长与海表流速之间的关系。

104：根据103探究结果构造反演算法，反演海表流速。

具体地，步骤101收集了Sentinel-1 GRD SM模式SAR遥感图像，同时收集了Hycom模式提供的再分析流场数据，将Hycom模式提供的再分析流场数据与对应的遥感图像进行匹配时，二者之间的时间差距不超过1个半小时，这组数据用来SAR遥感图像的方位角向截断波长与海表流速之间的关系。

进一步的，收集的2幅Sentinel-1 GRD SM模式SAR遥感图像中每幅图像单个像素元宽度达到10米，在收集的SAR遥感图像中极少存在由其他海洋现象如上升流、降雨或浮油等因素引起的图像变形；所述Hycom模式提供的再分析流场数据时间间隔为3小时，分辨0.083°。

另外，本发明步骤101还运用第三代海浪模型SWAN，模拟了2幅Sentinel-1 GRD SM模式SAR遥感图像所在时间上的二维海浪谱，SWAN模式的设置输出时间间隔为1小时，空间分辨率为0.05°，与SAR遥感图像的时间误差不超过半个小时。

具体地，步骤102将待反演SAR遥感图像经过辐射定标后，划分为多个子图像，与HYcom再分析流场数据进行协同定位，得约若干个统计样本，通过SAR图像得到统计样本点上所具有的入射角以及方位角，再根据样本点与SWAN海浪模型模拟结果相匹配得到样本所对应的二维海浪谱；得到上述数据集以后，通过下面的公式(1)，计算得到u

其中α表示入射角，β表示方位角,u,v,和w表示东西方向，南北方向和垂直方向的波浪传播速度，u

以下列公式(2-5)计算公式(1)中的，

其中E(f,θ)代表二维海浪谱，f代表海浪频率和θ代表波传播方向；

再根据下列公式(6)，计算出SAR图像的方位角向截断波长：

其中R/V代表SAR与地面之间的距离与SAR平台速度之比。

具体地，步骤103将Sentinel-1 SAR遥感图像的方位角向截断波长与HYCOM的再分析海表流速数据匹配画图；经过统计分析，得到Sentinel-1 SAR遥感图像的方位角向截断波长与海表面流速关系图，并绘制一条关系曲线。

更进一步的，本发明在对样本进行统计时，将海表流速从0m/s到0.45m/s以0.025m/s流速为间隔的流场数据与Sentinel-1 SAR遥感图像的方位角向截断波长与HYCOM的再分析海表流速数据进行匹配画图，充分分析方位角向截断波长与海表流速之间的关系，绘制关系曲线。

具体地，本发明步骤104根据探究得到的方位角向截断波长与HYCOM再分析流场流速之间的关系，按照以下几个步骤构建基于合成孔径雷达海表流速反演方法：

(1)运用公式(1-6)，将Sentinel-1 SAR中的方位角向截断波长计算出来；

(2)将HYCOM再分析流场数据集与第(1)步协同定为分类；

(3)为简化计算过程，更好的描述方位角向截断波长与海表面流速的线性关系，做如下的拟合公式假设；

U

其中A和B，表示通过方位角向截断波长与海表面流速相互拟合后的常数，λ

本发明的有益效果:

本发明提供的一种基于合成孔径雷达海表流速反演方法，利用星载SAR获取遥感图像，对该遥感图像进行辐射定标，获取其方位角以及入射角；并通过SWAN海浪模型模拟对应SAR遥感图像的二维海浪谱；通过Stopa提出的方位角向截断波长公式导出SAR图像对应的方位角向截断波长。利用混合坐标海洋模型(英文全称：HYbrid Coordinate OceanModel,英文缩写：HYCOM)提供的再分析流场数据探究SAR遥感图像的方位角向截断波长与海表流速之间的关系；根据探究得到的SAR遥感图像的方位角向截断波长与海表流速之间的关系构建海表流速的反演算法，这种方法解决了SAR遥感图像的ATI海表流速反演数据量不足和DCA海表流速反演空间分辨率较低的问题，而且不受其他的海洋现象的干扰。

附图说明

图1为本发明基于合成孔径雷达海表流速反演方法的流程图

图2为HYCOM模式提供的再分析海表面流场数据，其中箭头代表方向，颜色代表大小。

图3为根据SWAN模式二维海浪谱，入射角以及方位角和公式推导出的两幅S-1SAR的方位角向截断波长图像。

图4为海表流速为0m/s到0.45m/s以0.025m/s流速为间隔的流场数据与Sentinel-1 SAR遥感图像的方位角向截断波长关系图。

具体实施方式

下面结合附图1-4和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，但本发明的方法不限于下述实施例。

本发明提供了一种基于合成孔径雷达海表流速反演方法，图1是本发明一种基于合成孔径雷达海表流速反演方法的流程图，本发明是基于Sentinel-1 SAR的方位角向截断波长反演海表流速算法的开发，参见图1，该方法包括：

101：获取原始星载SAR图像，SWAN模式模拟二维海浪谱数据，以及Hycom模式提供的再分析流场数据。

具体地，共收集了2幅Sentinel-1 GRD SM模式SAR遥感图像，每幅图像单个像素元宽度达到10米，在收集的SAR遥感图像中极少存在由其他海洋现象如上升流、降雨或浮油等因素引起的图像变形。同时收集了时间间隔为3小时，分辨0.083°即大约8.33km的Hycom模式提供的再分析流场数据(如图2所示)。将Hycom模式提供的再分析流场数据与对应的遥感图像进行匹配时，二者之间的时间差距不超过1个半小时，这组数据用来SAR遥感图像的方位角向截断波长与海表流速之间的关系。此外，我们运用第三代海浪模型SWAN，模拟了2幅Sentinel-1 GRD SM模式SAR遥感图像所在时间上的二维海浪谱。SWAN模式的设置输出时间间隔为1小时，空间分辨率为0.05°。与SAR遥感图像的时间误差不超过半个小时。

102：利用SAR图像参数与SWAN模拟的二维海浪谱，通过公式计算SAR遥感图像的方位角向截断波长。

具体地，将待反演SAR遥感图像经过辐射定标后，划分为多个子图像，与HYcom再分析流场数据进行协同定位，得约13000个统计样本，已足以开发合成孔径雷达海表流速反演方法。得到这些样本点后，通过SAR图像得到统计样本点上所具有的入射角以及方位角。在根据样本点与SWAN海浪模型模拟结果相匹配得到样本所对应的二维海浪谱。得到上述数据集以后，通过下面的公式(1)，计算得到u

其中α表示入射角,β表示方位角,u,v,和w表示东西方向，南北方向和垂直方向的波浪传播速度，u

以下列公式(2-5)计算公式(1)中的，

其中E(f,θ)代表二维海浪谱，f代表海浪频率和θ代表波传播方向。在根据下列公式(6)，计算出SAR图像的方位角向截断波长.

其中R/V代表SAR与地面之间的距离与SAR平台速度之比。图3中显示了通过上述公式所计算出的Sentinel-1 SAR图像方位角向截断波长的值。从图3中可以看出方位角向截断波长的范围在0～300m之间，在图3(b)中可以明确的发现，截断波长从近海到远海有慢慢变小的趋势。

103：利用Hycom的再分析海表流速数据，探究SAR遥感图像的方位角向截断波长与海表流速之间的关系。

具体地，将Sentinel-1 SAR遥感图像的方位角向截断波长与HYCOM的再分析海表流速数据匹配画图。在对样本进行统计时，将海表流速从0m/s到0.45m/s以0.025m/s流速为间隔的流场数据与Sentinel-1 SAR遥感图像的方位角向截断波长进行画图，充分分析方位角向截断波长与海表流速之间的关系。经过统计分析，得到图4，其展示了Sentinel-1 SAR遥感图像的方位角向截断波长与海表面流速关系图，并绘制了一条关系曲线，发现两者之间存在有一个线性的关系。

从图4中可以发现，随着流速的增大，方位角向截断波长也会增大，通过数据的分析，可以发现通过方位角向截断波长直接的得到海表流速的数据。

104：根据探究结果构造反演算法。

具体地，根据探究得到的方位角向截断波长与HYCOM再分析流场流速之间的关系，按照以下几个步骤构建基于合成孔径雷达海表流速反演方法：

(1)运用公式(1-6)，将Sentinel-1 SAR中的方位角向截断波长计算出来；

(2)将HYCOM再分析流场数据集与第(1)步协同定为分类；

(3)为简化计算过程，更好的描述方位角向截断波长与海表面流速的线性关系，做如下的拟合公式假设；

U

其中A和B，表示通过方位角向截断波长与海表面流速相互拟合后的常数，λ

如上所述，即可较好地实现本发明，上述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明确定的保护范围内。