基于雷达水位计的海浪波高信息提取算法及其精度评价

为了证明雷达水位计波高测量的有效性,基于PY30-1石油平台上的雷达水位计海面高度变化观测数据,开展了雷达水位计海浪波高信息提取算法研究。基于所发展算法提取海浪波高信息,与同一平台上的C波段测波雷达观测数据及平台附近的浮标观测数据进行了比对分析。结果表明,雷达水位计数据提取的海面波高数据与C波段测波雷达及浮标测量数据一致性较好,二者标准偏差分别为0.006和0.008 m,均方根误差(RMS)分别为0.55和0.60 m。波高小于4 m时一致性优于波高大于4 m的一致性,波高大于4 m时水位计提取的波高偏小。因此,雷达水位计可作为波高观测的重要数据源之一。

HY-2A卫星高度计有效波高信息提取业务化算法

2011年8月16日我国成功发射了第一颗自主海洋动力环境卫星HY-2A,有效波高是其搭载的雷达高度计可获取的重要海洋动力环境参数之一。本文详细介绍了应用于HY-2A雷达高度计的有效波高信息提取业务化算法,该算法通过迭代最小二乘拟合方法提取有效波高信息。同时,基于HY-2A雷达高度计业务化运行获取的有效波高数据,分别与Jason-2卫星高度计有效波高和NDBC浮标海浪波高数据进行了比对分析。比较结果表明,HY-2A雷达高度计与Jason-2有效波高的标准偏差为-0.26m,RMS为0.58m;HY-2A高度计与NDBC浮标数据间的标准偏差为-0.22m,RMS为0.37m。结果证明了目前应用于HY-2A雷达高度计业务化运行中的有效波高信息提取算法的可行性。

吕宋海峡夏季叶绿素a荧光的拖曳剖面测量

叶绿素a是海洋初级生产力估算中的一个重要基础参数。以2008年8月—9月走航式船载多参数拖曳式剖面测量系统为平台,搭载叶绿素荧光计进行剖面测量所获取的现场实测数据为依据,分析了南海吕宋海峡附近A、B、C三个海域叶绿素a的空间分布状况,并探讨了叶绿素a与其他环境参数之间的关系。结果表明：叶绿素a垂直分布在水深100 m范围内呈现单峰型和双峰型两种现象,其峰值主要出现在水深50~90 m;叶绿素a与温、盐分别呈负相关与正相关关系;溶解氧垂直分布最大值出现在叶绿素a垂直分布最大值的上方,此种分布现象与浮游植物的光合作用密切相关。整个研究海区叶绿素a存在西高东低的特征,该分布特征与研究海域受西太平洋水和流场的影响有较大关系。

用于海洋水质监测的小型叶绿素a荧光计

本文基于荧光分析法,设计了用于海洋叶绿素a探测的荧光计系统。实验结果表明,该系统测量的叶绿素a浓度与荧光光强具有良好的线性关系,并且拥有较小的检出限和较低的功耗。系统采用模块化、低功耗、小体积设计方案,以便于与其它传感器系统的集成,也有利于整个系统的维护、安装与调试,并且本系统可适用于系泊式和走航式两种测量方式。

面向海流反演的多普勒散射计天线转速优化方法

本文针对多普勒散射计天线转速过快或者过慢导致海流反演精度较低甚至无法进行海流反演的问题,提出了一种面向海流反演的天线转速优化方法。该方法以研究区域内被天线波束覆盖3次或者4次的目标海面数量为目标函数,以顺轨与交轨方向的波束足印连续性、空间分辨率要求作为约束条件,结合天线转速与天线扫描损耗的关系,建立了非线性约束下的多普勒散射计天线转速优化模型,利用优化得到的天线转速计算得到每个目标海面的观测方位向组合。利用海洋表面流实时分析数据,采用基于观测方位向优选的矢量流合成方法进行了海流反演实验。结果表明,在天线转速为20 r·min^(-1)时,不同研究区域内被雷达内、外波束足印覆盖到3次或者4次的目标海面数量占总目标海面数量的80%以上,反演得到的流速、流向标准差小于0.1 m·s^(-1)、20°,满足海洋工程应用对海流观测的精度需求。

卫星地面轨迹分段拟合确定交叉点的方法研究

用于消除交叉点测量误差的平差法、高度计海况偏差校正及大地水准面模型的建立等都以轨迹交叉点数据为基础,找到一种高效且精确确定交叉点位置的方法十分重要。以Jason-1卫星高度计为例,设计了11种弧段分段类型并据此进行拟合以确定交叉点的精确位置,从获取有效交叉点的数量和效率两方面分析,采用12段的分段拟合方法效果最优。不同倾角卫星地面轨迹会发生变化,分段节点需要根据轨迹曲线特征作适当调整。分段设计方案及最优分段选取方法对任何倾的卫星依然适用。

山东半岛周边近岸海域波浪能开发潜力研究

利用近20年的ERA-Interim再分析海浪场数据,对山东半岛周边近岸海域波浪能开发潜力进行评估,重点研究优势区域重点单站和波浪能装置有关的指标。结果表明:山东半岛周边近岸海域波浪能资源开发潜力较高的优势区域位于威海东北部近岸海域、荣成东部和东南部近岸海域。优势区域重点单站波浪能的集中度较好,各季节主波功率密度的方向集中在北向上;对总能量有突出贡献的波高和波周期范围大致相同,为Hs:0~3.5 m,Te:0~8 s。Wave Star是目前最适合于重点单站波浪能开发的装置,但其能量利用率仅约为6.2%,并非最理想的选择,还需研发效率更高的波浪能装置。

极化SAR在海洋探测中的应用与探讨

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是重要的对地观测传感器,在陆地和海洋中都有广泛的应用。极化合成孔径雷达通过不同的收发通道组合,能够获取丰富的目标散射信息,可以提升目标检测、分类识别、定量反演的能力。该文以海冰、舰船、溢油、海浪、内波、风场、海底地形等海上目标和海洋动力环境要素为例,分析了极化SAR在海洋监测中的重要作用,探讨了极化SAR未来的发展方向,给出了进一步开展极化SAR海洋应用的建议。

两种ASCAT散射计风产品的比较及评估

基于浮标和步进频率微波辐射计(SFMR,Stepped-Frequency Microwave Radiometer)数据对NASA JPL(Jet Propulsion Laboratory)和RSS(Remote Sensing Systems)公司分别发布的已广泛应用于全球海面风场观测的ASCAT(Advanced SCATterometer)散射计风产品进行了比较和分析。结果表明,两者风速在中低风速(<15 m/s)时基本一致;高风速(>15 m/s)时RSS风速整体高于JPL风速。通过浮标数据对比,风速<15 m/s时两者风速精度一致;风速>15 m/s时两者风速RMS相当,但JPL和RSS风速分别低估和高估。利用SFMR数据检验表明RSS风速与SFMR风速一致性更好。两者风向精度在低风速(<5 m/s)时较低,但随风速增加而提高并趋于稳定。该研究结果对相关科研人员的ASCAT散射计风产品选择具有重要的指导意义。

HY-2卫星雷达高度计时标偏差估算

卫星雷达高度计是海洋遥感监测的重要传感器之一,测高系统和定轨系统是高度计重要的组成部分。若两系统使用不同的系统时钟,则获得的轨道高度和卫星测距值之间可能会存在一个时标偏差,该时标偏差会降低卫星雷达高度计的海面高度测量精度。针对HY-2卫星雷达高度计的时标偏差问题,本文分析了时标偏差对测高精度的影响,介绍了一种使用自交叉点数据估算时标偏差值的方法,并基于HY-2卫星雷达高度计第21个周期数据开展了时标偏差修正实验。时标偏差修正后HY-2自交叉点的海面高度差值(也称"不符值")分布收敛程度有了明显的提高,其RMS均方根值从24.7cm减小到了7.0cm,HY-2与Jason-2互交叉点的不符值的RMS也从16.6cm减小到了7.3cm。这表明本文介绍的时标偏差修正方法可有效地提高HY-2卫星雷达高度计的测高精度。

基于雷达高度计增益自动控制数据的风速反演算法研究

基于Jason-1卫星雷达高度计与NDBC(National Data Buoy Center)浮标的时空匹配数据集,利用BP(Back Propagation)神经网络方法建立了基于后向散射系数σ0与有效波高(SignificantWave Height,SWH,)的双参数(σ0-Hsw)风速反演模型,并探讨利用AGC(Automatic Gain Con-trol)来代替σ0对风速反演的可行性进行研究。结果表明,所建立的σ0-SWH风速反演均方根优于0.3m/s(风速范围为0.5～20m/s);AGC-SWH模型反演精度偏低(1.3m/s),但在星星交叉定标的基础上,模型精度提高了0.9m/s。这个研究工作尤其是交叉定标基础上的AGC-SWH模型反演流程对"HY-2"海面风速反演有一定的借鉴意义。

海洋二号卫星雷达高度计测高误差校正算法及验证

影响星载卫星雷达高度计测高精度的因素很多,其中大气干对流层延迟、大气湿对流层延迟、大气逆压延迟、电离层延迟以及海况偏差直接影响海表面高度计算精度。本研究开展了海洋二号卫星雷达高度计上述误差修正算法研究,并利用国外较为成熟的Jason-1/2和Topex/Poseidon(T/P)卫星雷达高度计数据产品对海洋二号卫星雷达高度计使用的误差校正算法进行验证。结果表明,海洋二号卫星雷达高度计数据处理时使用的误差校正算法均可满足精度要求。

联合多卫星测高数据确定中国近海及其邻域垂线偏差

联合T/P数据、T/P新轨道数据、Jason-1数据、Jason-1新轨道数据、Jason-2数据、Geosat/GM数据、Geosat/ERM数据、Envisat RA-2数据、ERS-1/ERM和ERS-2/ERM数据,基于EGM2008重力场模型,用相邻测高点大地水准面高度的一次差分求沿轨垂线偏差,然后基于最小二乘原理,采用求最小范数逆的方法,直接解算中国近海及其邻域(0°～42°N,102°～138°E)2′×2′分辨率网格点垂线偏差子午分量和卯酉分量。计算结果与EGM2008模型垂线偏差相比,子午分量的RMS为0.91″,卯酉分量的RMS为0.27″。

基于极化SAR数据的海浪信息反演

基于C波段极化AIRSAR数据,采用性能较好、计算简便的圆极化法提取极化方位角,利用极化SAR数据的反演算法反演海浪参数。将反演的海浪参数与NDBC浮标测得数据进行比对,结果显示两者反演海浪参数较为一致,精度符合海浪观测要求。同时,对海岸岬角在海浪传播过程中的折射作用进行了分析,发现海浪由开放水域向近岸浅水域传播过程中受到海岸岬角折射影响较大,结果符合近岸海浪传播特征。

基于拖曳系统的等温层自适应追踪研究

针对船载多参数拖曳式剖面测量系统,进行了自适应追踪等温层研究.根据拖缆和拖曳体的理论模型,利用海上拖曳试验数据优化3个重要水动力参数,构建了该拖曳系统的半分析(半解析)运动模型.依据感知-决策-执行-反馈的回路控制思路,在实测数据插值的温度场中,模拟拖曳系统运行,利用感知的温度与等温层的温度偏差,自适应给出拖曳体的期望深度;根据拖曳系统的半分析运动模型,利用PI控制算法对该期望深度进行响应,实现追踪等温层.以26.5℃等温层为例,给出了追踪数值算例.

小入射角下海浪后向散射系数不对称性和各向异性分析验证

基于北京遥测技术研究所机载波谱仪实测数据以及ECMWF提供的风场数据,分析了不同风速条件下小入射角海浪平均后向散射系数不对称性与各向异性随入射角的变化特性,并对导致这一现象的原因进行了初步分析。结果表明:小入射角下,海浪平均后向散射系数随入射角增大呈现递减趋势并在18°时达到某一稳定值,之后基本维持不变;海浪后向散射系数不对称性与各向异性均随入射角增大呈现递增趋势,同样在18°增大至某一稳定值,之后基本维持不变;低风速条件下,海浪不对称性和各向异性与风速有关,且风速越大不对称性与各向异性越明显。

基于Jason-2为真值的HY-2高度计海况偏差估计参数模型改进及应用研究

本文基于HY-2高度计与Jason-2高度计时空匹配数据集,将匹配点Jason-2的海况偏差视为真值、HY-2的有效波高和风速为变量,利用最小二乘法建立海况偏差估计六参数模型。将所建模型应用于HY-2第70、71cycle数据,结果表明:改进后的海况偏差估计参数模型优于传统海况偏差估计参数模型,能够有效提高HY-2的海况偏差估计精度。

基于NCEP数据进行高度计湿对流层校正的探讨

为达到高度计几厘米测高精度,湿对流层校正范围为3~45 cm,精确计算湿对流层校正是至关重要的。本文利用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)数据,采用模型法计算高度计湿对流层校正。计算结果与无线电探空仪计算结果比较,偏差为0.01 cm,均方根为2 cm;与Jason-1模型法湿对流层校正产品比较,偏差为0.2 cm,均方根为1.4 cm。因此,利用NCEP数据计算高度计湿对流层校正精度较高,能够满足高度计大气湿对流层校正精度要求。为高度计大气湿对流层校正的计算提供1种新方法。

机载波谱仪斑点噪声去除方法对比分析

针对斑点噪声降低机载波谱仪海浪谱反演精度问题,基于STORM机载波谱仪VALPARESO试验数据,分别使用数学法、阈值法、交叉谱法和小波分析法四种斑点噪声去除方法对其进行去噪处理,得到了去噪前后调制密度谱、海浪谱和噪声谱,并将反演所得海浪谱有效波高与同步观测的浮标结果进行了对比,最后对四种方法的去噪效果以及噪声谱特性进行了分析与评价。结果表明:四种去噪方法均可以有效去除斑点噪声,按照反演精度排序依次为交叉谱法、阈值法、小波分析法和数学法,其中交叉谱方法去噪效果最理想,RMSE仅为0.008,有效波高绝对误差为0.25m,相对误差为7%。

基于船舶走航拖曳观测的卫星遥感产品检验

利用船载多参数拖曳式剖面测量系统走航观测获取的台湾岛东南海域叶绿素a浓度连续剖面数据,开展了卫星遥感产品精度检验研究。研究表明,由MERIS反演的叶绿素a浓度产品的平均相对误差优于30%,拖曳剖面观测可为卫星遥感产品检验提供高质量的现场观测数据,而且与船舶、浮标及其他固定平台等传统定点观测方式相比具有明显的效率优势。