艾未華 嚴(yán)衛(wèi) 趙現(xiàn)斌 劉文俊 馬爍

1)(解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院,南京 211101)

2)(南京信息工程大學(xué),江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210044)

(2012年6月26日收到;2012年11月14日收到修改稿)

1 引言

海面風(fēng)場(chǎng)是海洋上層運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?lái)源,幾乎與海洋中所有的物理過(guò)程關(guān)系密切,是研究海洋動(dòng)力過(guò)程的重要要素.合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)是一種主動(dòng)式微波成像雷達(dá),具有全天候、全天時(shí)、高空間分辨率等特點(diǎn),通過(guò)測(cè)量海面后向散射信號(hào)獲取海面圖像,可用于提取高精度的海面風(fēng)場(chǎng).相對(duì)于星載微波散射計(jì)和微波輻射計(jì)等海面風(fēng)場(chǎng)遙感觀測(cè)手段[1,2],SAR反演海面風(fēng)場(chǎng)具有高精度和高空間分辨率的特點(diǎn),尤其適用于海岸帶和島嶼區(qū)的觀測(cè).海面風(fēng)場(chǎng)遙感探測(cè)的主要平臺(tái)是衛(wèi)星,受軌道的限制,星載SAR探測(cè)不能滿足定時(shí)定點(diǎn)的需求;機(jī)載SAR機(jī)動(dòng)性好,空間分辨率高,可對(duì)區(qū)域海面風(fēng)場(chǎng)實(shí)施精細(xì)化探測(cè).利用SAR探測(cè)數(shù)據(jù)反演海面風(fēng)場(chǎng),通常需先獲取海面風(fēng)向,再將已知相對(duì)風(fēng)向、定標(biāo)的后向散射系數(shù)以及入射角作為不同波段地球物理模型函數(shù)(GMF,geophysical model function)的輸入[3,4],通過(guò)迭代計(jì)算得到海面風(fēng)速.通常利用數(shù)值預(yù)報(bào)值、散射計(jì)的海面風(fēng)向、SAR圖像的風(fēng)條紋反演風(fēng)向等作為地球物理模型函數(shù)的相對(duì)風(fēng)向輸入[5-9],通過(guò)分析解算得到SAR海面風(fēng)場(chǎng).由于數(shù)值預(yù)報(bào)值和散射計(jì)的海面風(fēng)向空間分辨率相對(duì)較低,且與機(jī)載SAR探測(cè)時(shí)間不一致,影響SAR海面風(fēng)場(chǎng)反演的精度.SAR圖像上黑白相間的風(fēng)條紋軸線方向與海面風(fēng)矢量的方向基本一致[10-12],借助二維FFT法[13,14]、局部梯度法[14,15]、小波分析法[16-20]、正則化[21,22]等方法,通過(guò)提取SAR圖像上的風(fēng)條紋信息獲取海面風(fēng)向.但據(jù)統(tǒng)計(jì),大約僅有60%左右SAR圖像可利用風(fēng)條紋等信息反演出海面風(fēng)向[23,24],該方法應(yīng)用于海面風(fēng)場(chǎng)反演時(shí),尤其是業(yè)務(wù)化應(yīng)用時(shí)存在較大的局限性.文獻(xiàn)[25]提出基于SAR圖像多普勒平移的貝葉斯海面風(fēng)場(chǎng)反演方法,但該方法也需要背景場(chǎng)先驗(yàn)信息.因此,將以上已有SAR海面風(fēng)場(chǎng)反演方法應(yīng)用于機(jī)載平臺(tái)時(shí),存在風(fēng)向信息獲取依賴于SAR圖像風(fēng)條紋或數(shù)值預(yù)報(bào)值、散射計(jì)風(fēng)向等背景場(chǎng)資料的問(wèn)題,較低的風(fēng)向精度和時(shí)空分辨率又影響機(jī)載SAR海面風(fēng)速反演精度.另外,在沒(méi)有明顯風(fēng)條紋和無(wú)法獲取SAR探測(cè)區(qū)域海面背景風(fēng)向時(shí),基于散射計(jì)地球物理模型函數(shù)的海面風(fēng)場(chǎng)反演方法則無(wú)法實(shí)施.因此,為解決以上問(wèn)題,需針對(duì)機(jī)載SAR對(duì)海探測(cè)特點(diǎn)研究一種新的海面風(fēng)場(chǎng)反演方法.

機(jī)載SAR相對(duì)于星載SAR具有的機(jī)動(dòng)靈活、入射角范圍較寬和可實(shí)現(xiàn)對(duì)固定區(qū)域連續(xù)觀測(cè)等特點(diǎn),由于平臺(tái)高度較低,刈幅通常僅有幾公里,在海面幾公里范圍內(nèi)的風(fēng)向和風(fēng)速也基本一致,因此可根據(jù)機(jī)載SAR探測(cè)特點(diǎn),考慮利用SAR圖像在距離向不同入射角的后向散射系數(shù),結(jié)合地球物理模型函數(shù),研究一種新的適用于C波段機(jī)載SAR的海面風(fēng)場(chǎng)反演方法,直接從雷達(dá)后向散射系數(shù)本身反演出精度較高海面風(fēng)速和風(fēng)向,解決依賴風(fēng)條紋和背景場(chǎng)風(fēng)向資料的問(wèn)題,為機(jī)載SAR海面風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的業(yè)務(wù)化提供支持.

2 C波段機(jī)載SAR海面風(fēng)場(chǎng)反演原理及方法

2.1 CMOD模式

CMOD(C-band models)系列模式是根據(jù)雷達(dá)對(duì)海探測(cè)的基本原理設(shè)計(jì),最初用于散射計(jì)的海面風(fēng)速反演,目前是C波段SAR海面風(fēng)速反演的主要模式.CMOD模式以實(shí)際測(cè)量值為基礎(chǔ)確定相關(guān)系數(shù),明確了VV極化的SAR后向散射系數(shù)與相對(duì)風(fēng)向、風(fēng)速和入射角之間的定量函數(shù)關(guān)系.CMOD5模式[26]是歐洲中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)中心(ECMWF,European Centre For Medium-Range WeatherForecasts)針對(duì)已有C波段VV極化微波散射計(jì)改進(jìn)提出的經(jīng)驗(yàn)公式,其形式如下

式中,σ0vv表示VV極化雷達(dá)后向散射系數(shù),φ表示風(fēng)向相對(duì)于雷達(dá)視向的相對(duì)風(fēng)向,A(u,θ),B(u,θ)和C(u,θ)表示由海面10 m高度處風(fēng)速、相對(duì)風(fēng)向、極化方式、雷達(dá)頻率和入射角決定的系數(shù).由于CMOD5模式已經(jīng)在星載SAR上業(yè)務(wù)化應(yīng)用,模式中風(fēng)速、風(fēng)向與雷達(dá)后向散射系數(shù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系可作為雷達(dá)后向散射系數(shù)仿真的理論依據(jù).(1)式表明,在已知雷達(dá)后向散射系數(shù)、海面風(fēng)向和相關(guān)系數(shù)的情況下,利用CMOD模型函數(shù)可以惟一地求取海面風(fēng)速,因此應(yīng)用該模型函數(shù)求取SAR海面風(fēng)速時(shí)必須已知海面風(fēng)向.由于SAR圖像的海面風(fēng)向獲取依賴于風(fēng)條紋和背景資料,存在風(fēng)向精度低、與SAR圖像時(shí)空分辨率不匹配等問(wèn)題,從而增大了CMOD模型反演海面風(fēng)速的誤差,這是目前SAR海面風(fēng)場(chǎng)反演中存在的主要問(wèn)題.

2.2 機(jī)載SAR海面風(fēng)場(chǎng)反演原理

由(1)式可知,當(dāng)?shù)厍蛭锢砟Ｐ秃瘮?shù)的輸入為后向散射系數(shù)σ0,入射角以及相關(guān)系數(shù)時(shí),其輸出存在風(fēng)速和風(fēng)向兩個(gè)變量.圖1中各曲線表示海面風(fēng)速10 m/s,相對(duì)風(fēng)向135°,入射角35°時(shí),利用CMOD5地球物理模型函數(shù)仿真得到的VV極化σ0所滿足的風(fēng)速與風(fēng)向的關(guān)系,顯然對(duì)于固定的單個(gè)σ0,海面風(fēng)速和風(fēng)向的解可能存在無(wú)數(shù)多組.

圖1 CMOD5模型的仿真風(fēng)速、風(fēng)向(點(diǎn)線表示0.9σ0,虛線表示1.1σ0)

在假設(shè)多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)海面風(fēng)場(chǎng)基本一致的情況下,如果能得到多組不同入射角觀測(cè)的SAR后向散射系數(shù),即可以聯(lián)立多個(gè)地球物理模型函數(shù),通過(guò)求解(2)式所示的非線性方程組同時(shí)得到海面風(fēng)速和風(fēng)向,而不依賴于背景風(fēng)向.例如,微波散射計(jì)可同時(shí)獲取同一探測(cè)區(qū)域的多個(gè)后向散射系數(shù)σ0,σ0與風(fēng)速、風(fēng)向有關(guān),通過(guò)多組不同入射角、方位角和極化方式測(cè)量得到的σ0確定海面風(fēng)速和風(fēng)向,ERS衛(wèi)星的微波散射計(jì)有三個(gè)天線,可利用測(cè)量得到的三組σ0精確反演出海面風(fēng)場(chǎng).

因此,基于此基本思想,可以考慮通過(guò)獲取機(jī)載SAR不同入射角的多組后向散射系數(shù)直接反演出海面風(fēng)速和風(fēng)向.如圖2所示,A,B,C三點(diǎn)為距離向上的三個(gè)觀測(cè)點(diǎn),顯然它們的入射角不同,由CMOD模型函數(shù)可知,相應(yīng)的后向散射系數(shù)觀測(cè)值亦各不相同.由于星載SAR運(yùn)行軌道固定,雖然可獲取A,B,C點(diǎn)測(cè)量值,但由于軌道高且刈幅寬,不同觀測(cè)點(diǎn)的海面風(fēng)向和風(fēng)速差別較大,通常難以滿足(2)式的成立條件.機(jī)載SAR飛行高度低,例如在飛行高度5000 m,入射角35°—45°時(shí),其刈幅寬度不到2 km.在此范圍內(nèi),完全可以假設(shè)A,B,C三點(diǎn)海面風(fēng)速和風(fēng)向是一致的,從而可以通過(guò)(2)式反演出海面風(fēng)速和風(fēng)向.因此,可以利用機(jī)載SAR的工作特點(diǎn),在假設(shè)SAR距離向觀測(cè)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)基本一致情況下,研究一種新的適用于C波段機(jī)載SAR的高精度海面風(fēng)場(chǎng)反演方法.

圖2 機(jī)載SAR對(duì)海觀測(cè)示意圖

2.3 機(jī)載SAR海面風(fēng)場(chǎng)反演方法

為求解(2)式的不同入射角地球物理模型函數(shù)的方程組,假設(shè)方程組中各等式的風(fēng)速和風(fēng)向相同,即在SAR觀測(cè)刈幅寬度范圍內(nèi)海面風(fēng)場(chǎng)基本一致,構(gòu)建如(3)式所示的最小代價(jià)函數(shù),通過(guò)代價(jià)函數(shù)的求解直接得到海面風(fēng)速和風(fēng)向.σ1m,σ2m和σ3m是利用CMOD5模型計(jì)算得到的后向散射系數(shù)值,σ10,σ20和σ30是機(jī)載SAR的實(shí)際觀測(cè)值.由于σ10,σ20和σ30是距離向不同入射角的值,因此其對(duì)應(yīng)的相對(duì)風(fēng)向φ1,φ2和φ3的值相同,但入射角θ1,θ2和θ3各不相同.

因此,海面風(fēng)場(chǎng)反演實(shí)際上是在已知SAR觀測(cè)值、入射角和飛行方位角的條件下,尋找合適的風(fēng)速、風(fēng)向值,使得(3)式的代價(jià)函數(shù)值最小.可通過(guò)求目標(biāo)代價(jià)函數(shù)關(guān)于風(fēng)速和風(fēng)向的梯度,令梯度值為零從而使代價(jià)函數(shù)獲得最小值,得到滿足條件的風(fēng)速和風(fēng)向,如(4)式所示.

在實(shí)際風(fēng)場(chǎng)反演中,目標(biāo)代價(jià)函數(shù)(4)式一般存在2或4個(gè)局部最小值.每個(gè)局部最小值對(duì)應(yīng)風(fēng)速和風(fēng)向?yàn)橐粋€(gè)模糊解,因此要得到惟一的真實(shí)解,需進(jìn)行風(fēng)向去模糊處理.實(shí)際上對(duì)于(3)式和(4)式的非線性方程組的求解復(fù)雜度較高,通常采用數(shù)值方法求解.傳統(tǒng)的數(shù)值方法理論上要求求解過(guò)程必須在整個(gè)風(fēng)速、風(fēng)向二維空間內(nèi)按一定的搜索間隔逐點(diǎn)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值并進(jìn)行比較,尋找局部極小值點(diǎn).此過(guò)程目標(biāo)代價(jià)函數(shù)的計(jì)算較為復(fù)雜,致使整個(gè)反演過(guò)程運(yùn)算量大.本文在梯度表示(3)式和(4)式基礎(chǔ)上,運(yùn)用雙精度搜索法進(jìn)行最優(yōu)化求解,求取目標(biāo)代價(jià)函數(shù)極小值,從而得到海面風(fēng)速和風(fēng)向模糊解,分為粗搜索和精搜索兩個(gè)主要步驟.粗搜索在風(fēng)矢量二維空間中以較大的步長(zhǎng)搜索到目標(biāo)函數(shù)的幾個(gè)局部極小值,實(shí)現(xiàn)模糊解的粗略定位,并按目標(biāo)函數(shù)值由小到大截取前若干個(gè)模糊值.在每個(gè)模糊解的附近區(qū)域,以較小的步長(zhǎng)精搜索到目標(biāo)函數(shù)的極小值點(diǎn),實(shí)現(xiàn)模糊解的精確定位.對(duì)精搜索得到的幾個(gè)模糊解按目標(biāo)函數(shù)值從小到大進(jìn)行排列,截取前幾個(gè)模糊解,作為風(fēng)矢量的最終模糊解.

2.4 風(fēng)向模糊去除

SAR反演海面風(fēng)向的模糊問(wèn)題是利用CMOD地球物理函數(shù)模型求解風(fēng)速、風(fēng)向時(shí)存在的固有問(wèn)題.目前,去除風(fēng)向模糊主要利用數(shù)值預(yù)報(bào)值、海上浮標(biāo)或落山風(fēng)等特殊海洋現(xiàn)象去除[10].多極化技術(shù)是雷達(dá)成像技術(shù)的重大進(jìn)步,也是當(dāng)前海洋SAR發(fā)展的方向,可用于海面風(fēng)場(chǎng)反演方法的改進(jìn)[27,28].多極化SAR通過(guò)測(cè)量目標(biāo)每一個(gè)分辨單元內(nèi)的散射回波,獲得與目標(biāo)散射相關(guān)的極化散射矩陣,其極化信息可用于去除海面風(fēng)向模糊[29].多極化SAR包含VV,HH,VH和HV四個(gè)通道的極化數(shù)據(jù),用散射矩陣可表示為：

定義極化相關(guān)系數(shù)：

利用極化相關(guān)系數(shù)ρVVVH與相對(duì)風(fēng)向φ之間的關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)海面風(fēng)向模糊的去除.若ρVVVH的實(shí)部小于 0,虛部大于 0,則 180°＜φ＜270°;若ρVVVH的實(shí)部大于0,虛部大于 0,則270°＜φ＜360°;若ρVVVH的實(shí)部小于0,虛部小于0,則0°＜φ＜90°;若ρVVVH的實(shí)部大于0,虛部小于0,則90°＜φ＜180°.

3 仿真研究及誤差分析

3.1 反演流程

由以上分析可知,采用本文提出的機(jī)載SAR海面風(fēng)場(chǎng)反演方法,利用σ0vv直接獲得高精度和高空間分辨率的海面風(fēng)速和風(fēng)向,反演流程如圖3所示.對(duì)觀測(cè)的機(jī)載SAR圖像進(jìn)行輻射定標(biāo),將不同入射角的后向散射系數(shù)σ01,σ02和σ03代入(3)式或(4)式,利用搜索算法進(jìn)行最優(yōu)化求解,求取目標(biāo)代價(jià)函數(shù)極小值,從而得到海面風(fēng)場(chǎng)模糊解,并借助輔助數(shù)據(jù)或極化信息等方式去除風(fēng)向模糊,從而確定真實(shí)的海面風(fēng)速和風(fēng)向.本文利用仿真機(jī)載SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)反演,通過(guò)引入隨機(jī)噪聲,分析反演精度及SAR定標(biāo)誤差對(duì)反演結(jié)果的影響;同時(shí),對(duì)實(shí)測(cè)C波段機(jī)載SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行海面風(fēng)場(chǎng)反演,并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果與NCEP再分析資料、測(cè)量船實(shí)測(cè)的海面風(fēng)速與風(fēng)向比對(duì),驗(yàn)證方法的有效性.

3.2 數(shù)據(jù)仿真及反演誤差分析

SAR對(duì)海探測(cè)的后向散射系數(shù)主要是由海表面厘米尺度的表面波與電磁波發(fā)生布拉格共振引起,入射角的范圍通常為20°—70°,由于機(jī)載SAR觀測(cè)高度較低,為得到較大刈幅,通常采用較大范圍入射角.為從理論上分析本文方法的有效性以及風(fēng)速、風(fēng)向反演結(jié)果對(duì)后向散射系數(shù)誤差的敏感性,以海面風(fēng)速、風(fēng)向和不同入射角為輸入,利用CMOD5地球物理模型仿真得到多個(gè)入射角的機(jī)載SAR后向散射系數(shù)σv0v,并引入隨機(jī)噪聲σn0oise,利用含噪聲的后向散射系數(shù)進(jìn)行海面風(fēng)場(chǎng)反演,統(tǒng)計(jì)分析海面風(fēng)速和風(fēng)向的反演誤差,其中σv0v=σm0+σn0oise,σm0表示CMOD5計(jì)算得到的后向散射系數(shù)值.

圖3 機(jī)載SAR海面風(fēng)場(chǎng)反演流程圖

以風(fēng)速 10 m/s、風(fēng)向 78°,入射角 35°,40°和45°為例,利用CMOD5仿真雷達(dá)后向散射系數(shù),采用本文提出的方法反演海面風(fēng)速和風(fēng)向,其中三個(gè)入射角的觀測(cè)值噪聲電平σnoise均為0或1.0dB,反演結(jié)果如表1所示.在σnoise=0 dB時(shí),即觀測(cè)值無(wú)噪聲污染,依據(jù)代價(jià)函數(shù)值的大小,去除風(fēng)向模糊后,風(fēng)速、風(fēng)向的反演值分別為9.99 m/s和77.89°,與實(shí)際值非常接近;在σnoise=1.0 dB時(shí),噪聲的存在使得海面風(fēng)速和風(fēng)向反演的值出現(xiàn)偏差,即風(fēng)速10.29 m/s和風(fēng)向65.91°為反演值.

噪聲的存在直接影響SAR海面風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果,為分析機(jī)載SAR噪聲電平值對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果的影響,假設(shè)σ0noise在[0,3.0]dB范圍取值,SAR數(shù)據(jù)的仿真條件取風(fēng)速10 m/s,風(fēng)向78°,入射角35°,40°和45°,利用本文方法計(jì)算不同噪聲電平的海面風(fēng)速、風(fēng)向反演精度,結(jié)果如圖4所示.從圖4可看出,隨著SAR后向散射系數(shù)定標(biāo)誤差的增大,海面風(fēng)速、風(fēng)向的反演誤差均明顯增大,反演誤差與噪聲電平基本呈正比關(guān)系.風(fēng)速、風(fēng)向反演的基礎(chǔ)是地球物理模型,而模型函數(shù)中海面風(fēng)速和風(fēng)向均是雷達(dá)后向散射系數(shù)的變量.因此,機(jī)載SAR數(shù)據(jù)的定標(biāo)精度是影響海面風(fēng)速、風(fēng)向反演精度的關(guān)鍵因素.

表1 仿真SAR數(shù)據(jù)的海面風(fēng)速、風(fēng)向反演結(jié)果(風(fēng)速10 m/s、風(fēng)向78°)

為衡量機(jī)載SAR輻射定標(biāo)精度確定時(shí)海面風(fēng)場(chǎng)反演效果,仿真研究各種風(fēng)速、風(fēng)向條件下機(jī)載SAR海面風(fēng)場(chǎng)反演誤差.假設(shè)機(jī)載SAR定標(biāo)精度為1.0 dB,入射角取值為35°,40°和45°,風(fēng)速范圍0—25 m/s,風(fēng)向范圍0—359°.機(jī)載SAR觀測(cè)的噪聲電平為一個(gè)隨機(jī)值,為分析論文提出的反演方法在實(shí)際業(yè)務(wù)中的適用性,隨機(jī)模擬值并統(tǒng)計(jì)分析對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向反演精度的影響,其中取[0,1.0]dB范圍的隨機(jī)數(shù),反演結(jié)果如圖5和圖6所示.

圖5為海面風(fēng)向反演的誤差散點(diǎn)圖(圖5(a))和在不同風(fēng)速、風(fēng)向條件下的風(fēng)向誤差絕對(duì)值的分布圖(圖5(b)).由風(fēng)向誤差散點(diǎn)圖可知,在風(fēng)向?yàn)?—359°范圍內(nèi),海面風(fēng)向的反演誤差基本在一定范圍內(nèi),平均誤差為10.24°,均方根誤差為10.76°.由圖5(b)可看出,在不同海面風(fēng)速、風(fēng)向條件下,海面風(fēng)向反演的誤差絕對(duì)值在海面風(fēng)向180°附近呈對(duì)稱分布,這是由地球物理模型函數(shù)中相對(duì)風(fēng)向的余弦函數(shù)所致,且風(fēng)向誤差與風(fēng)速的大小無(wú)明顯相關(guān)性.

圖4 定標(biāo)誤差在[0—3.0]dB時(shí)海面風(fēng)場(chǎng)反演誤差 (a)風(fēng)速誤差;(b)風(fēng)向誤差

圖5 海面風(fēng)向反演誤差 (a)誤差散點(diǎn);(b)誤差絕對(duì)值分布

圖6(a),(b)分別為海面風(fēng)速反演的誤差散點(diǎn)圖和不同風(fēng)速、風(fēng)向條件下的風(fēng)速誤差絕對(duì)值的分布圖,其中海面風(fēng)速反演平均誤差為0.85 m/s,均方根誤差為1.54 m/s.圖6(a)中海面風(fēng)速的反演誤差在總體趨勢(shì)上隨著風(fēng)速的增大而增大,尤其當(dāng)海面風(fēng)速大于18 m/s時(shí)誤差明顯增大;海面風(fēng)速小于18 m/s的平均誤差為0.63 m/s,均方根誤差為0.79 m/s;而當(dāng)海面風(fēng)速在18—25 m/s范圍時(shí),海面風(fēng)速的平均誤差為1.42 m/s,均方根誤差達(dá)到了2.98 m/s,并且出現(xiàn)很多誤差較大的點(diǎn),誤差最大值達(dá)到15.68 m/s.由圖6(b)可知,海面風(fēng)速誤差絕對(duì)值較大的地方出現(xiàn)在風(fēng)速大于18 m/s,風(fēng)向在180°和360°附近.因此,本文提出的海面風(fēng)場(chǎng)反演方法比較適用于中低風(fēng)速的海況,對(duì)于高風(fēng)速情況可能會(huì)產(chǎn)生較大的反演誤差.這是由于隨著海面風(fēng)速的增大,后向散射系數(shù)的值將增大,在相同定標(biāo)精度情況下則可能產(chǎn)生更大風(fēng)速反演誤差.該結(jié)論與文獻(xiàn)[30,31]中關(guān)于SAR輻射定標(biāo)精度對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)反演誤差的研究結(jié)論一致.

圖6 海面風(fēng)速反演誤差 (a)誤差散點(diǎn);(b)誤差絕對(duì)值分布

由以上仿真分析可知,本文提出的C波段機(jī)載SAR海面風(fēng)場(chǎng)反演新方法利用機(jī)載SAR圖像距離向的多個(gè)入射角的后向散射系數(shù),結(jié)合地球物理模型函數(shù),可不依賴背景場(chǎng)資料,在中低風(fēng)速條件下反演出高精度的海面風(fēng)速和風(fēng)向,且定標(biāo)精度是影響海面風(fēng)速、風(fēng)向反演效果的關(guān)鍵因素.

4 實(shí)例研究及驗(yàn)證分析

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為進(jìn)一步驗(yàn)證論文提出方法的有效性,利用機(jī)載SAR實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演試驗(yàn),本文采用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是機(jī)載C波段SAR探測(cè)數(shù)據(jù),探測(cè)時(shí)間為北京時(shí)間2009年3月9日10時(shí),調(diào)查船實(shí)測(cè)風(fēng)速8.3 m/s,風(fēng)向26°(海面10 m高度處),位于北緯19°,東經(jīng)111°附近.NCEP再分析資料的空間分辨率經(jīng)緯度網(wǎng)格距為1°×1°,每隔6 h發(fā)布一次.機(jī)載SAR探測(cè)時(shí)間為北京時(shí)間10時(shí),與之間相關(guān)的NCEP資料時(shí)間應(yīng)為世界時(shí)00時(shí)和06時(shí),如圖7所示.

圖7 NCEP資料風(fēng)場(chǎng)圖 (a)00時(shí);(b)06時(shí)

由圖7可知,海面上大片區(qū)域的風(fēng)向基本是一致的,為東南風(fēng)向;由于受到建筑物等影響,海島內(nèi)風(fēng)向發(fā)生改變,風(fēng)速減小.NCEP再分析資料提供的海面風(fēng)場(chǎng)時(shí)間和空間分辨率較低,無(wú)法直接得到機(jī)載SAR探測(cè)區(qū)域的風(fēng)向信息,但可分析出總的海面風(fēng)場(chǎng)趨勢(shì),也用于去除風(fēng)向的180°模糊.因此,我們?nèi)∨cSAR探測(cè)區(qū)域空間距離最為接近的網(wǎng)格點(diǎn),即北緯19°,東經(jīng)111°點(diǎn)上的海面風(fēng)向進(jìn)行比對(duì),該點(diǎn)的00時(shí)風(fēng)速7.56 m/s,風(fēng)向24.19°,06時(shí)風(fēng)速 7.0 m/s,風(fēng)向 25.46°.

4.2 結(jié)果及分析

對(duì)定標(biāo)后的C波段VV極化機(jī)載SAR圖像在北緯19°,東經(jīng)111°附近的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行海面風(fēng)場(chǎng)反演試驗(yàn),并將反演結(jié)果與調(diào)查船實(shí)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向以及NCEP資料進(jìn)行比對(duì).圖8為2009年3月9日兩幅機(jī)載SAR圖像的距離向后向散射系數(shù)在方位向的平均值與不同入射角仿真的后向散射系數(shù)比對(duì)圖,實(shí)線表示SAR圖像后向散射系數(shù)由遠(yuǎn)觀測(cè)點(diǎn)到近觀測(cè)點(diǎn)的變化,即入射角是由大到小變化,虛線表示利用CMOD5仿真的雷達(dá)后向散射系數(shù)值,仿真所用風(fēng)向與風(fēng)速均為浮標(biāo)值,入射角與機(jī)載SAR探測(cè)入射角一致.由該圖可知,機(jī)載SAR后向散射系數(shù)值隨著入射角的增大在減小,其變化趨勢(shì)與仿真的后向散射系數(shù)基本一致,但也存在一定的偏差.圖8(b)中SAR觀測(cè)值曲線偏離仿真值曲線的程度大于圖8(a),其反演的海面風(fēng)速、風(fēng)向的誤差也較大,如表2所示.機(jī)載SAR距離向的后向散射系數(shù)在不同入射角情況下相差較大,但近觀測(cè)點(diǎn)與遠(yuǎn)觀測(cè)點(diǎn)的距離不到2 km,因此可認(rèn)為該區(qū)域海面風(fēng)速、風(fēng)向基本一致,即可通過(guò)多個(gè)地球物理模型函數(shù)聯(lián)立求解出海面風(fēng)場(chǎng),這也是本文所提出的機(jī)載SAR海面風(fēng)場(chǎng)反演方法的物理基礎(chǔ).

圖8 機(jī)載SAR探測(cè)數(shù)據(jù)與不同入射角仿真數(shù)據(jù) (a)數(shù)據(jù)030901;(b)數(shù)據(jù)030911

表2 機(jī)載SAR數(shù)據(jù)海面風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果(2009-03-09)

表2為利用本文方法反演的機(jī)載SAR海面風(fēng)速、風(fēng)向結(jié)果,以及調(diào)查船觀測(cè)值和NCEP數(shù)據(jù),其中NCEP資料取北緯19°,東經(jīng)111°點(diǎn)風(fēng)速、風(fēng)向.海面風(fēng)速反演結(jié)果與調(diào)查船觀測(cè)值的平均誤差為0.79 m/s,均方根誤差為0.92 m/s;海面風(fēng)向反演結(jié)果與調(diào)查船觀測(cè)值的平均誤差為7.46°,均方根誤差為8.61°.由于NCEP數(shù)據(jù)和調(diào)查船實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在空間和時(shí)間有較大差別,因而出現(xiàn)海面風(fēng)速和風(fēng)向的不一致.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的反演結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的海面風(fēng)場(chǎng)反演方法的有效性,與模擬仿真結(jié)論一致,適用于C波段機(jī)載SAR海面風(fēng)場(chǎng)的反演.

5 結(jié)論

傳統(tǒng)的星載SAR海面風(fēng)場(chǎng)反演需已知海面風(fēng)向作為地球物理模型函數(shù)的輸入,依賴數(shù)值模式值、浮標(biāo)和散射計(jì)等背景場(chǎng)風(fēng)向以及風(fēng)條紋,在應(yīng)用于高分辨率的機(jī)載SAR圖像時(shí)存在時(shí)空分辨率不匹配的問(wèn)題,從而嚴(yán)重影響了機(jī)載SAR海面風(fēng)場(chǎng)的反演結(jié)果.本文提出C波段機(jī)載SAR海面風(fēng)場(chǎng)反演新方法,針對(duì)機(jī)載SAR對(duì)海探測(cè)特點(diǎn),利用SAR圖像距離向多個(gè)入射角的后向散射系數(shù),通過(guò)聯(lián)立多個(gè)地球物理模型函數(shù),構(gòu)建最小代價(jià)函數(shù),直接反演出海面風(fēng)速和風(fēng)向,解決了傳統(tǒng)星載SAR海面風(fēng)場(chǎng)反演方法應(yīng)用于機(jī)載平臺(tái)時(shí)存在的問(wèn)題,提高了海面風(fēng)速、風(fēng)向的空間分辨率及反演精度.仿真研究表明,該方法適用于中低風(fēng)速條件的機(jī)載SAR海面風(fēng)場(chǎng)反演,當(dāng)海面風(fēng)速大于18 m/s時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生較大的反演誤差.仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的反演結(jié)果均驗(yàn)證了該方法的有效性,經(jīng)過(guò)適應(yīng)性改進(jìn)后可直接應(yīng)用于機(jī)載SAR海面風(fēng)場(chǎng)探測(cè)業(yè)務(wù)中.但定標(biāo)精度是影響風(fēng)場(chǎng)反演效果的關(guān)鍵因素,因此,要提高海面風(fēng)速、風(fēng)向的反演精度需通過(guò)內(nèi)定標(biāo)和外定標(biāo)等方式提高機(jī)載SAR數(shù)據(jù)的定標(biāo)精度.星載SAR的刈幅通常有幾百公里,在采用本文所提方法時(shí),即使選擇較小的入射角間隔,不同觀測(cè)點(diǎn)的距離亦有幾十公里.因此,該方法在應(yīng)用于星載SAR時(shí)應(yīng)選擇海面風(fēng)場(chǎng)在空間變化較為緩慢的海況,對(duì)于近岸的海面風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)則可能會(huì)出現(xiàn)較大反演誤差;而機(jī)載SAR的分辨率高,刈幅窄,尤其適用于海岸帶和島嶼區(qū)的海面風(fēng)場(chǎng)反演.

下一步,我們將獲取更多SAR數(shù)據(jù),通過(guò)反演試驗(yàn)充分驗(yàn)證本文提出方法的有效性;利用機(jī)載SAR平臺(tái)的機(jī)動(dòng)靈活特性,將研究不同觀測(cè)視角下的海面風(fēng)場(chǎng)反演方法,并進(jìn)一步開(kāi)展高風(fēng)速條件下的海面風(fēng)場(chǎng)反演誤差校正研究.

感謝中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所提供的機(jī)載SAR試驗(yàn)數(shù)據(jù)、調(diào)查船觀測(cè)結(jié)果及機(jī)載SAR數(shù)據(jù)定標(biāo)方面給予的支持.

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