基于HY-2卫星高度计机载校飞数据的有效波高信息提取及初步分析

利用HY-2卫星雷达高度计校飞数据,开展了有效波高信息提取及精度比对研究。首先对其进行波形筛选、1s平均和去噪,然后基于Hayne海面回波模型进行波形拟合,提取出波高均方根并得到有效波高,并与浮标和同轨迹的Jason-1卫星高度计有效波高进行了比较。结果表明,本次校飞其高度计测波精度存在系统偏差,初步分析可能是其数据未经仪器校正等原因导致。

HY-2A卫星高度计不同重跟踪方案对反演海浪有效波高的影响

本文基于Amarouche的二阶理论回波模型,导出了带有偏度系数的二阶理论回波模型;针对HY-2A卫星高度计波形特点,引入了奇异值分解滤波,并根据最大似然估计算法反演参数的不同得到6种重跟踪方案;利用其中的五参数方案处理该波形数据,获得海面散射点高度概率密度函数中偏度的合理取值为0.15;将结果分别与浮标、Jason-1和HY-2AIDR有效波高对比,分析6种方案反演有效波高的准确度,确定了MLE4_SVD(波形重跟踪之前进行滤波)对HY-2A高度计重跟踪更适合反演有效波高。

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。

机载波谱仪海浪谱反演方法及其验证

为了验证波谱仪反演二维海浪谱的功能,根据海浪波谱仪的信号形成机制,总结了机载波谱仪反演海浪的流程。利用机载波谱仪回波数据,通过自相关和互相关两种功率谱估计方法,反演了二维海浪谱。最后通过与浮标测量的二维海浪谱进行对比,验证了该机载波谱仪探测二维海浪谱的有效性。结果表明,无论采用自相关函数还是互相关函数进行功率谱估计,得到的主波波长和有效波高与实际二维海浪谱基本一致。互相关函数法得到的交叉谱能去除180°模糊现象,其在计算有效波高时相对于自相关函数会稍微偏小。在计算斜率方差时可以采用5°~12°入射角范围的后向散射系数进行公式拟合,因此定标与否并不影响最后的二维海浪谱结果,未来星载波谱仪只有靠多波束联合才能实现。

中法海洋卫星散射计近海岸海面风场反演研究

中法海洋卫星散射计(CSCAT)使用扇形波束旋转扫描体制,能够以多角度测量同一海面的雷达后向散射系数,并具有空间分辨率较高的特点。这为近海岸海面风场反演提供了新的机遇。本文介绍了CSCAT近海岸海面风场处理的主要流程和关键技术。特别地,在风场反演之前,利用一种矩形窗算术平均的方法将L1B级的高分辨率条带数据组合平均到相应的风矢量单元中,从而实现近海岸风场反演的快速预处理。通过对比CSCAT、欧洲先进散射计(ASCAT)以及美国QuikSCAT的近海岸风场,发现CSCAT风场的质量在离岸40 km以外区域具有良好的一致性,而在离岸40 km以内显著恶化。分析表明,CSCAT近海岸区域风场统计特征恶化的原因可能是由潜在的海冰污染引起的。总体而言,CSCAT的近海岸风场与模式背景风场和浮标风场都具有良好的一致性。

一种改进的基于逆Omega-K算法的海面场景SAR原始数据仿真方法

合成孔径雷达(SAR)海面场景原始数据仿真是研究海洋动力参数(表面波浪、风矢量和洋流)的有效工具。目前海面场景原始数据仿真方法已经基于逆Omega-K算法实现了海洋运动参数的空间变化。但是目前仅仅讨论了正侧视情况下的海面场景仿真,应用范围有限,同时没有考虑Stokes漂流以及Bragg相速度的影响,而这两者都是存在于真实海面的。通常情况下为了反演得到海面流场的二维速度矢量,雷达需要从两个不同的方位方向观察海面的同一个区域,因此这就需要考虑大斜视的雷达波束,同时Stokes漂流和Bragg相速度是SAR海表面流场观测不容忽视的两种运动。本文在不改变原有正侧视逆Omega-K算法的情况下,通过增加重新计算零方位时刻的斜视波束中心位置坐标,并据此确定SAR原始数据在多普勒域的位置来将其扩展到大斜侧视逆Omega-K算法,并通过时域Stokes漂流公式到频域内离散化Stokes漂流公式的推导来加入Stokes漂流,以及根据Bragg散射机制加入了Bragg相速度。仿真结果表明,经过聚焦成像后的SAR图像很好的体现了真实海面波浪场的形状,同时能够很好地反演出设定的雷达径向流场速度,且流速精度误差控制在6%以内。最后也证明了Bragg相速度以及Stokes漂流对于海面流场的影响不可忽视。

基于近30a多源卫星高度计数据的东中国海潮汐信息提取

我国HY-2B卫星已成功运行3 a多,本文首次将HY-2B测高数据用于计算潮汐。将HY-2B与相同时间段的Jason-3在东中国海分别进行潮汐信息提取,验证了其结果的一致性。建立了基于10颗国内外卫星高度计(TOPEX/Poseidon、Jason-1、Jason-2、Jason-3、ENVISAT、ERS-1、ERS-2、Sentinel-3A、Sentinel-3B、HY-2B)数据的时间序列,得到东中国海近30 a时间序列的较高空间分辨率网格化海面高度。利用该数据提取了东中国海12个分潮(O1、K1、Q1、P1、M2、S2、N2、K2、SA、SSa、Mm、Mf)的潮汐调和常数,并将4个主要分潮M2、S2、K1、O1的调和常数与验潮站进行对比,均方根误差分别为6.74 cm、3.98 cm、2.37 cm、1.81 cm,总体均方根误差为8.32 cm;同时,采用除HY-2B之外的剩余9颗国外卫星高度计数据和TPXO9潮汐模型结果分别与验潮站对比,结果显示,加入HY-2B后的10颗卫星高度计反演潮汐结果准确度最高,与不使用HY-2B卫星数据相比,全日潮有较大改善,K1和O1向量均方根误差分别降低19.93%和17.35%,4个主要分潮总体均方根误差降低3.5%。此外,通过与FVCOM模式结果对比分析,4个主要分潮的调和常数与模式结果的总体均方根误差为8.86 cm。另一方面,空间分辨率也有所提高,达到了0.1°×0.1°。最后,给出了4个主要分潮同潮图。在潮差较大的朝鲜半岛西侧,加入HY-2B后的同潮图可显示出2.1 m的M2等振幅线与0.75 m的S2等振幅线,与该海域实际观测结果一致,说明HY-2B在近海潮汐信息提取中有相当重要的作用。

HY-2卫星微波散射计海面风场地球物理模式函数研究

地球物理模式函数GMF (Geophysical Model Function)在星载微波散射计海面风场反演中具有关键作用。本文以C波段MetOp/ASCAT散射计风场数据为参考数据,通过改进现有Ku波段NSCAT-4 GMF中后向散射系数对海面风速和风向的依赖关系,以及增加海表温度(SST)因子项,构建了适用于HY-2卫星微波散射计海面风场反演的NSCAT-5.HY-2 GMF。研究结果表明,相比NSCAT-4 GMF,采用NSCAT-5.HY-2 GMF反演得到的HY-2散射计海面风速与ASCAT散射计风速的一致性提高了约11%,特别是风速反演误差不再依赖于SST变化、不再呈现显著经向分布特点。本论文研究结果对进一步提升国内外其他Ku波段星载微波散射计数据的海面风场遥感应用具有重要参考价值。