一种Kongsberg EM多波束后向散射强度波束指向性残余改正方法

Kongsberg EM多波束声呐的波束指向性与出厂标定存在偏差,导致后向散射强度呈现与扇区耦合的辐射畸变,针对这个问题提出了一种基于波束指向性模型的多扇区指向性残余改正方法。该方法首先在分析波束收发过程的基础上,构建EM声呐多扇区指向性辐射模型;然后选取特定测线,采用经验性声学模型估计后向散射强度-角度曲线,分离各扇区指向性残余信号;最后对回波强度进行指向性残余改正,得到与采集扇区无关的后向散射强度。实例计算结果表明:该方法能有效降低多扇区指向性残余对后向散射强度测量的干扰,提高EM系列多波束声呐在海底底质分析中的使用价值。

高光谱激光雷达后向散射强度的粗糙表面二向反射模型

高光谱激光雷达是同时获取光谱和空间信息的主动遥感探测方法。在激光扫描过程中,激光入射角是重要的影响因素之一。在实际应用中,目标表面粗糙度会使其入射角效应偏离朗伯模型。因此,基于Oren-Nayar模型对粗糙表面建立二向反射模型,研究了入射角效应的辐射校正方法。选取8种典型的粗糙表面作为实验对象,分析了各波段后向散射强度与入射角的关系,并量化了粗糙度对强度的影响。基于构建的模型,对该研究样本的入射角效应进行辐射校正。辐射校正后,不同入射角反射率的标准差均不大于0.06;与校正前相比,标准差平均改善率为67.86%。结果表明,所提出的方法提高了提取目标反射特性的准确性,为高光谱激光雷达更好地为开展数据分析与应用提供良好的物理基础。

水田SAR后向散射强度及干涉相干特性研究

利用2007—2011年获取的ALOS PALSAR HH极化方式的FBS及FBD共21景数据,结合实地1∶500土地利用分类图,对苏南无锡惠山试验区进行了水稻田后向散射强度的时间特性试验及干涉相干特性分析。试验结果表明:该区水稻田后向散射强度随生长周期的变化而变化,且与各生长阶段的灌溉需水规律的变化一致,需水量越大,后向散射强度值越小。干涉相干特性试验表明:同期干涉相干系数略高于非同期干涉相干系数,且在同期干涉试验中,时间基线相同的情况下,非水稻种植期的干涉相干系数达到最高,其值明显高于水稻种植期的相干系数,该试验结果对苏南地表沉降监测SAR影像干涉对的选取及地物变化检测具有重要的参考价值。

夏季加拿大海盆海冰边缘区声体积后向散射强度研究

声信号的体积后向散射强度是声传播过程中一个关键的参数。海冰边缘区的声体积后向散射强度研究对深入认识北极声场环境有着十分重要的意义。本文利用中国第六次北极科学考察获取的数据资料研究了海冰边缘区声体积后向散射强度特性。结果表明:加拿大海盆海冰边缘区是声体积后向散射强度的明显过渡区。无冰海面(海冰密集度小于15%)海洋深层水的声体积后向散射强度明显大于密集海冰区域的海水(海冰密集度大于50%)。讨论了声体积后向散射强度与海冰融化之间的关系,造成融冰区声体积后向散射强度增大的原因是水下悬浮泥沙、浮游生物等悬浮物质增加。根据海冰密集海域的海水后向散射强度弱的特点,对北极下放式声学多普勒测流仪(LADCP)观测的设置提出建议。

后向散射强度与温跃层关系研究

2003年8月12-13日,用300kHz的坐底式声学多普勒海流剖面仪(ADCP)在台湾海峡北部海区进行了观测。根据回声强度计算得到的后向散射强度具有明显的日变化,这是浮游动物的垂直迁移造成的。此外,后向散射强度还与叶绿素、浊度和温度梯度有关,其中叶绿素、浊度和温度梯度对后向散射强度的贡献分别是1.41,7.73和3.54dB。温度梯度最大值的深度与后向散射强度第一个峰值的深度一致,故根据后向散射强度能推断出温跃层的位置。

紫外后向散射探测臭氧总量的反演误差研究

通过探测紫外后向散射获取臭氧总量目前已经成为臭氧总量探测的主要方法之一.本文以模拟计算为主要方法,从模式计算误差,反演算法误差和仪器误差三方面着手,对影响臭氧总量反演精度的各个参数进行分析研究,并对由其引起的臭氧总量反演误差进行定量计算,研究结果对臭氧总量反演精度的提高和实际观测资料的处理有着重要的指导意义.

激光散射法测定非织造布纤维取向分布和面密度的研究

非织造布的光后向散射性质主要取决于纤维的物理性质、非织造布中纤维的取向分布以及非织造布面密度。通过对平行纤维束光散射特征的研究 ,本文给出了纤维取向分布与非织造布光散射强度分布之间的关系以及非织造布面密度与光后向散射强度之间的经验关系。自行开发研制了可自动显示的计算机程序控制激光散射测定系统 ,实验表明 ,非织造布的光后向散射强度及其分布与分析值之间具有较高的一致性。据此 ,非织造布的纤维取向分布和面密度能够根据实际测定的后向激光散射强度及其分布计算出来。

TOMRADE和MODTRAN 3.7模式研究紫外后向散射探测臭氧总量问题的比较

本文利用MODTRAN 3.7和TOMRADE模式分别计算了308.0 nm、312.5 nm、317.5 nm、322.3 nm、331.2nm、360.0 nm六个紫外波段的后向散射强度并进行了比较,且利用两个模式计算得到的插值表,对EPTOMS实测资料分别进行反演,得到结论如下:1)两模式算得的后向散射强度随着太阳天顶角、卫星天顶角、地表反照率的变化特性基本一致,均能较好的反映紫外后向散射的辐射特性;2)总体而言,两模式计算的后向散射强度值相对偏差在-6%～18%之间;3)分别把MODTRAN 3.7和TOMRADE模式计算的插值表用于2003年7月30日中纬度地区EPTOMS实测资料的反演,得到的臭氧总量相对偏差在-3%～5%之间.本文对紫外波段大气辐射传输模式的研究和紫外后向散射探测臭氧总量的反演误差研究有着重要意义.

一层随机非球形粒子高阶散射矢量辐射传输迭代解的参数求逆

根据一层随机非球形粒子矢量辐射传输(VRT)方程的一阶与高阶Mueller矩阵解的差异,提出了在已知一些参数的条件下,用水平与垂直同极化和交叉极化后向散射测量反演非球形粒子复介电常数和单位面积粒子数的迭代方法,并用极化后向散射强度的模拟测量数据及机载合成孔径雷达(AirSAR)实测数据进行了反演试验,并对反演值与各参数的关系以及测量噪声对反演的影响进行了讨论.

林火干扰区全极化SAR影像的散射特性分析

目前,利用合成孔径雷达(synthetic aperture Radar,SAR)影像进行林火监测主要限于从林火前后时相的单极化通道振幅数据或者火后全极化影像振幅数据开展,而从林火对森林散射机制改变角度开展多时相全极化SAR林火监测的研究还较少。以2009年阿拉斯加地区发生的林火为例,以林火发生前后获取的Radarsat-2全极化影像为实验数据,从林火所改变的森林后向散射强度和散射机制角度,对林火发生前后各个极化通道后向散射强度、主导散射机制和去极化作用参数进行了定量分析,并对变化原因给出了解释。研究表明,对于北方森林,林火发生后林火干扰区的后向散射强度在同极化通道相比林火前增加了20%,交叉极化通道也有小幅增加,主导散射由林火前占59%的体散射变为林火后占53%的表面散射,去极化作用相比林火前减小45%。这些结论对于利用多时相全极化SAR数据开展林火燃烧面积或者燃烧强度监测具有参考价值。

北半球夏季中高纬海洋声散射层分布研究

利用第八次北极调查走航ADCP后向散射强度数据,结合太阳高度、海冰密集度和实测水体环境参数数据,统计分析了中高纬海洋声散射层的时空变化特征。结果表明,纬度越高,声散射层在海表滞留时间越短,即使在极昼期间及全海冰覆盖海域,虽然其迁移幅度和后向散射强度减弱,但仍受太阳高度变化影响,且二者具有较强的时序相关性;在北极中央海域,不仅声散射层迁移活动较弱,且出现无明显散射层的情况,可能是因为该海域浮游动物和鱼类聚集度相对较低且迁移活动微弱,超出了本文所用ADCP的探测精度范围;从鄂霍次克海至白令海西南海域,往返ADCP数据均显示有两个后向散射强度上高下低,但垂直迁移时间同步的声散射层,且二者间距随纬度增加而逐渐减小并合为一体,这可能是由不同生活习性的海洋生物造成的。

高光谱激光雷达植被叶片方向反射特性及对叶绿素反演的影响

不同于传统被动光学传感器,高光谱激光雷达发射主动式全波段高斯脉冲激光,和植被叶片表面相互作用后,不同波段后向散射强度返回至接收器并被记录下来。以往的高光谱激光雷达植被叶片反射特性研究只聚焦于零度角入射的情况,对多入射角方向反射光谱特性以及方向反射特性对叶片叶绿素含量估算带来的误差尚未进行过深入研究。利用实验室研发的32波段高光谱激光雷达获取了不同入射角下的植被叶片反射光谱,对高信噪比波段下植被叶片的复杂方向反射特性进行了深入分析,随后选择光谱指数研究了高光谱激光雷达测量条件下植被方向反射特性对叶绿素含量反演的影响。结果表明,(1)高光谱激光雷达植被叶片回波强度随入射角增大逐渐降低,但二向反射率因子并不逐渐减小,在可见光和近红外波段,二向反射率因子随入射角增大分别呈现出两种不同形状特征,可见光波段反射率因子最大值出现在0°~10°,近红外波段最大值出现在60°,反射率因子最小值均出现在45°处,最大和最小反射率因子间可差0.1左右,可见光和近红外波段10°~60°内二向反射率因子均呈现先减小后增大的趋势;(2)通过对不同入射角下光谱指数与叶绿素含量的回归分析发现,方向反射特性对反演精度有非常大的影响,R^(2)和RMSE并不随着入射角增大统一呈现同步增大或同步减小的趋势,具体地,R^(2)随入射角的变化趋势是先减小,再增大,再减小,50°左右时最小,增大发生在60°, RMSE则反之。对于不同光谱指数,R^(2)随入射角增大变化可达4倍,波动范围为0.14~0.63, RMSE最大变化为1.5倍左右,在0.5~0.8 mg·g^(-1)内波动。R^(2)和RMSE的重大变化揭示了高光谱激光雷达植被叶片方向反射特性对叶绿素含量反演的重要影响。

含水含盐土壤的微波介电特性分析研究

用微波网络分析仪测量了实验室制备的各种不同含水量,含盐量的土壤样品的复介电常数,研究了介电常数的实部和虚部与频率、盐度、含水量的关系。研究表明:频率、盐度对土壤介电常数实部的影响很小;对于某一特定土壤,其介电常数的实部由土壤的含水量决定;在较低频率范围内（f<2GHz）,虚部随着频率的增大而迅速下降,高频部分则趋向于一定值,波长较长的波段,如P波段或L波段对土壤含盐程度具有更高的敏感性,含盐量对虚部在较低频范围（f<5GHz）影响很大。同时,采集了内蒙古吉兰泰盐湖区的土壤样品,并测量了其复介电常数,与同步过顶的RADARSAT图像进行了相关分析。分析结果表明雷达图像记录的后向散射强度与含盐土壤复介电常数实部的相关系数为0.23,与虚部的相关系数为0.66,即雷达图像观测的含盐含水士壤的后向散射强度与土壤的含盐量相关性较高。这为利用微波遥感进行土壤盐碱化程度监测,提供了可能和实验依据。

利用ADCP和LISST—100仪观测悬浮物浓度的研究

利用黄河口海床基声学多普勒流速剖面仪(ADCP)的周日观测资料对悬浮物浓度进行了反演,反演过程中综合考虑了球面扩散、声学近场的非球面扩散、海水和悬浮颗粒的吸收衰减以及其他因素对回声信号的影响,结果表明在粒径保持相对稳定的情况下,利用ADCP仪回声强度反演悬浮物浓度具有较高的精度。结合现场激光粒度仪(LISST-100)测得的粒径分布信息在反演过程中考虑了粒径修正,重点讨论了观测区域粒径变化对结果的影响,结果表明粒径的剧烈变化会降低体积后向散射强度与悬浮物浓度之间的相关性。大颗粒物质的存在使计算得到的悬浮物浓度偏高,粒径修正虽然在一定程度上消除了这种影响,但线性拟合的相关性并未提高。

云顶以下臭氧对TOMS反演臭氧总量的影响及反演方法的理论研究

目前紫外后向散射反演臭氧总量的所有算法,都将云考虑成不透明的Lambertian反射体,并假定云顶有效反照率不随波长的变化而变化.然而本文通过模拟计算发现,由于云散射、瑞利散射、臭氧吸收三种作用的综合结果,云顶的有效反照率是与波长相关的,即使光学厚度比较大的云,辐射也可由云顶继续向下传输,因而会受到云顶以下臭氧吸收的影响.用V7方法进行反演,模拟计算结果表明:云的出现使得云顶以下,特别是云内光程增强,导致紫外波段的臭氧吸收衰减增大,所以反演出的臭氧总量值比真实值偏大,本文称这种现象为“云吸收效应”,并讨论了该效应的影响因子.最后,在辐射传输模拟的基础上建立一套反演算法,大大减弱了“云吸收效应”的影响.

基于声学方法的南黄海浮游动物垂直迁移季节变化研究

为研究南黄海浮游动物垂直迁移的季节变化,分析了2006年至2007年4个季节布放潜标中声学测流仪的观测数据。结果是:声学测流仪测量的后向散射强度呈现显著的日变化特征,这是由浮游动物垂直迁移造成的;在4个季节中都出现这一凌晨向下、黄昏向上的垂直迁移,但是垂直迁移发生的时间有季节变化。利用南黄海辐射通量的直接观测数据,讨论了垂直迁移发生时间与光照的关系,结果表明垂直迁移的季节变化主要受光照的影响。这对于研究浮游动物垂直迁移机制有一定意义。

浅海水下地形的SAR遥感仿真研究

结合连续性方程和布拉格后向散射模型,在准一维简化浅海水下地形情况下,建立了浅海水下地形SAR海面相对后向散射强度仿真模型,将浅海水下地形区域的SAR海面后向散射强度的相对变化与大尺度背景流场、海面风场和雷达系统参数等联系起来。海上实验和研究结果表明,浅海水下地形的SAR成像主要由通过受水下地形影响的海表层流场对海表面风引起的微尺度波的水动力调制而获取浅海水下地形信息,其中潮流与水下地形的相互作用过程改变海表层流场,变化的海表层流与海表面微尺度波之间的相互作用改变海表面波的空间分布,雷达波与海表面波之间的相互作用决定雷达海面后向散射强度。因此SAR图像中浅海水下地形或水深信息量的多少不仅与海表层流场和海面风速有关,而且与雷达工作波段、雷达波束入射角和极化方式也密切相关。认为由水下地形变化引起的缓慢变化的表层流场中海表面定常微尺度波谱能量密度的变化满足波作用量谱平衡方程;而在波数空间中,海表面微尺度波谱的成长过程也可以用波数谱平衡方程描述,在此基础上,得出了海表面波高频谱(毛细-重力波)形式的解析表达式。众所周知,浅海水下地形信息是由于水下地形影响下SAR海面后向散射强度与背景海面后向散射强度的相对差异而在SAR图像上的呈现,从而在建立浅海水下地形SAR海面相对后向散射强度仿真模型的基础上,仿真计算了浅海水下地形SAR海面相对后向散射强度相对于海表层流场、海面风场等海况参数和SAR工作波段、SAR波束入射角、极化方式等雷达系统参数的数值仿真结果,分析得到了有关浅海水下地形SAR海面相对后向散射强度的特征和SAR浅海水下地形遥感的最佳海况参数与最佳雷达系统参数,为研究和开展SAR浅海水下地形遥感研究提供了有价值的参考。

应用走航式ADCP测量分析与验证金塘水道的高悬沙浓度

在金塘水道西口门2006年冬季和2007年夏季大、小潮期间应用美国RDI公司生产的300kHz声学多普勒流速剖面仪（ADCP）进行25h的走航式断面观测，同步采集水样过滤获得悬沙浓度。实测断面流速、流向表明：落潮时流向为东南向，涨潮时分两股，靠近北仑为西南向，靠近金塘岛为西北向；夏季大潮最大流速为260cm／s，大于冬季大潮；观测期间断面悬沙浓度为0．4～1．5g／L，冬季大于夏季约0．3～0．5g／L；ADCP后向散射强度冬季大于夏季约5dB。应用实测CTD数据进行声吸收系数校正，通过计算，断面后向散射强度分布趋势基本不变。后向散射强度与悬沙浓度成正比，与水深成正比，垂向分布与潮时有关，冬季小潮水深增大时，后向散射强度反而减小。回归ADCP后向散射强度与水样悬沙浓度之间半经验半理论统计关系，发现冬季不成线性关系，夏季成线性关系，且相关性较好，相关系数为0．7，说明夏季较高浓度下后向散射强度可以表示悬沙浓度的大小。夏季大、小潮期间高分辨率的悬沙浓度断面数据分析表明，反演后的悬沙浓度值与流速成正比；近岸悬沙浓度大于断面中部；涨急和落急时同一水深高低含沙量值错落分布，涨憩和落憩则分层明显；大潮悬沙浓度大于小潮流约0．05g／L。断面两端点反演后的悬沙浓度与实测值比较，呈现半日潮含沙量双峰特征，夏季大潮反演后的悬沙浓度与实测值分布一致，实测值大干0．9g／L时，两者量值相差大，小潮则拟合很好。因此，应用走航式ADCP测量高悬沙浓度是可行的，它可大大提高测量效率，为获取现场悬沙浓度提供了一种新方法。

琼东南盆地陵水17-2深水气田开发区表层沉积物类型及工程地质特性

陵水17-2气田位于中国南海琼东南盆地,是中国海油自营勘探发现的第一个深水高产气田,探明储量规模超千亿立方米。在水深200~1 600 m区域,采用工程调查船与自主式水下潜器调查结合的方式,进行地球物理资料采集、海底表层取样及钻探取样,并对多波束测深、后向散射强度、侧扫声呐、浅地层剖面、室内测试分析等数据进行综合分析,研究了海底表层沉积物类型、分布规律及工程地质特性。按照海底地形地貌特征,陵水17-2深水气田开发区可划分为陆架区、缓坡区和滑塌区;陆架区表层沉积物以黏土和粉质黏土为主,不同站位物理力学性质差异较大,局部夹砂层;缓坡区和滑塌区具有高含水率、低密度、高孔隙比、高液限、高可塑性、低强度等典型深水沉积特点。区域内海底泥面至泥面之下0.3 m,土质不排水抗剪强度为0~4 kPa,非常有利于海底电缆、海底管道、脐带缆的铺设。缓坡区浅层土质条件非常适合吸力式、防沉板及抓力锚施工,滑塌区浅层土质条件适合防沉板、抓力锚及打入桩基础施工。研究成果将对琼东南盆地深水油气田开发工程的设计和安装施工具有指导意义。

基于Kongsberg EM多波束的Snippet数据处理方法

多波束声呐记录的海底后向散射片段(Snippet)数据处理成角度响应曲线和地理编码(Mosaic)图像可以帮助识别海底底质类型和反映地貌形态,这一过程包括辐射校正、角度响应改正(AVG)和几何地理编码,但不同的多波束系统硬件在辐射校正和角度响应改正方法上存在差异且传统处理方法忽略了声呐系统本身的指向性模型随时间变化的事实。以声呐方程为基础,针对Kongsberg EM多波束系统提出了一套完整的Snippet数据处理流程,并分析了各步骤中存在的可变性,给出了每一步的处理建议,最后将此方法应用于EM2040浅水多波束实测数据,并验证了该方法的有效性和实用性。