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        基于SFS 技術(shù)的全極化SAR 圖像海浪反演機(jī)制

        2015-05-27 13:18:42趙尚卓于文金
        關(guān)鍵詞:方位角傳遞函數(shù)海浪

        謝 濤,方 賀,陳 偉,趙尚卓,于文金

        (1.南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京210044;2.武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,湖北 武漢430070)

        海浪參數(shù)反演技術(shù)是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)與海洋氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)同化的核心,也是當(dāng)今海洋遙感監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。海洋界主要通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和遙感測(cè)量獲取海浪參數(shù)。其中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量只能獲取少量點(diǎn)的海浪參數(shù),對(duì)于浩瀚的大洋,只有通過機(jī)載和衛(wèi)星遙感觀測(cè)才能滿足人類對(duì)大洋海浪的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)的需求。目前最為實(shí)用且較成熟的技術(shù)是利用合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)進(jìn)行遙感反演海浪參數(shù)[1-7]。

        SAR 圖像反演海浪參數(shù)方法可分為兩大類,一類是利用單極化SAR 圖像,結(jié)合先驗(yàn)信息或猜測(cè)譜進(jìn)行海浪譜反演和參數(shù)提?。?-12]。Max -Planck Institut für Meteorologie (MPIM)算法是早期發(fā)展的一種基于非線性積分變換的海浪譜反演方法,該方法依賴于由海浪模式模擬的結(jié)果輸入第一猜測(cè)海浪譜。后來,有人利用歐洲遙感(ERS)衛(wèi)星散射計(jì)測(cè)量風(fēng)浪譜,發(fā)展成一種半?yún)?shù)化海浪譜反演算法(SPRA),擺脫了對(duì)第一猜測(cè)譜的限制[13]。因此,在利用SAR 圖像反演海浪譜和參數(shù)提取方法研究時(shí),注重考慮避免使用第一猜測(cè)譜作為輸入。另一類是利用全極化SAR 圖像的復(fù)散射系數(shù),結(jié)合其他調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)進(jìn)行海浪譜反演與參數(shù)提取[14-15]。全極化SAR 圖像反演的優(yōu)點(diǎn)是所需外部信息相對(duì)較少,僅在提取海浪傳播方向消除180°模糊時(shí)需要外部信息。但目前利用全極化SAR 進(jìn)行海浪譜反演和參數(shù)提取的方法存在依賴于調(diào)制傳遞函數(shù)的嚴(yán)重缺陷,從而反演精度取決于調(diào)整傳遞函數(shù)描述海面SAR 成像機(jī)制的準(zhǔn)確性。筆者在既不依賴于第一猜測(cè)譜,又不使用調(diào)制傳遞函數(shù)的前提下,探索利用全極化SAR 圖像反演海浪譜的方法。

        1 基于SFS 技術(shù)的全極化SAR 圖像陸地表面斜率反演

        圖1 所示為入射電磁波照射成像表面任一像元成像幾何示意圖。像元在(x,z)平面和(y,z)平面尺寸分別為La和Lr,方位向和距離向分辨率分別為Ra和Rr,tan γ 和tan β 分別為像元在方位向和距離向的斜率,電磁波入射角為θ。

        根據(jù)圖1,可以有如下關(guān)系成立:

        圖1 入射波照射像元幾何示意圖

        其中,當(dāng)β =γ =0 時(shí),子圖像統(tǒng)計(jì)平均后向散射強(qiáng)度I0=Ir(0,0)=Cσ0RaRrsin2θ,σ0為成像區(qū)域歸一化后向散射系數(shù)。不難發(fā)現(xiàn),每個(gè)像元與平均后向散射強(qiáng)度的比值R(β,γ)僅與θ,β 和γ 相關(guān),即:

        對(duì)于SAR 圖像,每個(gè)像元的電磁波入射角是確定的,如果能確定一個(gè)僅與θ,β,γ 相關(guān)的獨(dú)立于式(4)的方程,則可解出β,γ,得到成像區(qū)域的斜率分布,從而可反演海浪譜并進(jìn)行參數(shù)提取。

        LEE 等[16]發(fā)展了陸地成像時(shí),地面斜率(tan β和tan γ)變化引起的極化方位角漂移φ 與電磁波入射角θ 的關(guān)系為:

        其中,當(dāng)φ≤π/4 時(shí),φ= φ;當(dāng)φ >π/4 時(shí),φ=φ-π/2,且有:

        式中:SHH為雷達(dá)水平發(fā)射水平接收時(shí)后向散射系數(shù);SVV為雷達(dá)垂直發(fā)射垂直接收時(shí)后向散射系數(shù);SHV為雷達(dá)水平發(fā)射垂直接收時(shí)后向散射系數(shù);SVH為雷達(dá)垂直發(fā)射水平接收時(shí)后向散射系數(shù);* 為共軛算子。根據(jù)互易關(guān)系[17],則有SHV=(SHV+SVH)/2。

        目前,式(4)~式(6)已被應(yīng)用于陸地地形的數(shù)字高程反演技術(shù),取得較理想的效果[18-19]。

        2 全極化SAR 圖像海浪反演機(jī)理

        相對(duì)陸地SAR 成像而言,海面SAR 成像機(jī)制更為復(fù)雜,要將SFS 應(yīng)用于海浪反演,應(yīng)該從SAR 成像機(jī)制入手,研究基于陰影恢復(fù)形狀技術(shù)的SAR 圖像海浪反演機(jī)理,并驗(yàn)證該方法海面地形反演的可適用性。

        在J監(jiān)測(cè)點(diǎn)使用水平儀進(jìn)行觀測(cè),選取距離基坑較遠(yuǎn)的一點(diǎn)(30 m以外)為參照點(diǎn),將參照點(diǎn)與標(biāo)點(diǎn)上標(biāo)尺的差值作為對(duì)應(yīng)的相對(duì)高程(圖2)。

        海面SAR 成像主要有3 種機(jī)制:①傾斜調(diào)制,由散射面的“傾斜”引起局部入射角變化,從而導(dǎo)致后向散射強(qiáng)度的改變;②流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制,由于長波對(duì)短波調(diào)制引起B(yǎng)ragg 波譜變化,導(dǎo)致雷達(dá)回波強(qiáng)度改變;③速度聚束調(diào)制,軌道運(yùn)動(dòng)引起的海浪SAR 圖像上的周期性圖像強(qiáng)度變化。分別采用傾斜調(diào)制傳遞函數(shù)(其中,“+”表示VV 極化,“-”表示HH 極化)、流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)Rhydro=4.5和速度聚束調(diào)制傳遞函數(shù)來描述上述3 種成像機(jī)制。其中,ka、kr分別為方位向和距離向海浪波數(shù)分量;R為SAR 平臺(tái)與散射小面的距離;V為平臺(tái)的地面軌跡速度為海浪角頻率;g為重力加速度;ψ 為方位角即海浪傳播方向與平臺(tái)運(yùn)行軌跡方向的夾角,滿足sinψ=kr/k。

        2.1 傾斜調(diào)制機(jī)制

        如果海面是靜態(tài)的,則SAR 海面成像主要由傾斜調(diào)制引起,式(4)~式(6)完全可以直接應(yīng)用于海浪譜反演。因此源于陸地地形反演應(yīng)用的SFS 技術(shù)的主要機(jī)制為傾斜調(diào)制機(jī)制,而該機(jī)制也是海面SAR 成像過程中的主要機(jī)制,其主要作用是由于散射面的傾斜致使雷達(dá)后向散射截面的變化,式(3)為該機(jī)制的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

        如果海面是動(dòng)態(tài)的,則長短波之間存在水動(dòng)力學(xué)調(diào)制作用,另外海水運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致速度聚束調(diào)制SAR 成像,這兩個(gè)機(jī)制是海面成像所特有的機(jī)制。如果將SFS 技術(shù)應(yīng)用于海浪譜反演,必須考慮這兩個(gè)機(jī)制帶來的影響。即如果式(4)~式(6)隱含了某個(gè)機(jī)制或者該機(jī)制在整個(gè)SAR 成像過程中所占比例可以忽略,則可認(rèn)為該機(jī)制是基于SFS 技術(shù)的全極化SAR 海浪譜反演的主要機(jī)制之一或者說是可以被忽略的機(jī)制。

        2.2 速度聚束調(diào)制機(jī)制

        筆者研究速度聚束調(diào)制對(duì)基于SFS 技術(shù)的全極化SAR 海浪譜反演的影響。實(shí)際上式(4)~式(6)隱含了速度聚束調(diào)制機(jī)制。根據(jù)ALPERS等[20]的研究,當(dāng)散射小面方位向分辨率ρ'a(x0),及平均雷達(dá)截面σ(x0)僅為方位向坐標(biāo)x0的函數(shù)時(shí),圖像強(qiáng)度為:

        其中,C(x0)=對(duì)于靜態(tài)海面,根據(jù)實(shí)孔徑雷達(dá)極化后向散射系數(shù)可計(jì)算x0處的方位角為:

        而對(duì)于動(dòng)態(tài)海面,由SAR 極化后向散射系數(shù)可計(jì)算SAR 圖像x處的方位角為:

        將式(8)代入式(10)則有:

        即有φSAR(x)= φocean(x0)。由式(8)和式(11)可以看出,由于速度聚束調(diào)制函數(shù)系數(shù)C(x0)與雷達(dá)極化方式無關(guān),即每種極化方式的速度聚束函數(shù)系數(shù)相同,因此在利用全極化散射系數(shù)計(jì)算方位角時(shí),速度聚束調(diào)制被隱含了。

        因此,除了傾斜調(diào)制機(jī)制以外,由于采用全極化SAR 圖像,基于SFS 技術(shù)的全極化SAR 海浪譜反演機(jī)制也隱含了速度聚束機(jī)制。

        2.3 流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制

        流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制是SAR 成像的另一非線性調(diào)制機(jī)制,需要討論其對(duì)SAR 海浪反演的影響。SAR 圖像強(qiáng)度PI(k)與海浪高度譜Pξ(k)之間的線性調(diào)制函數(shù)為:

        考慮流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制機(jī)制的貢獻(xiàn),需估計(jì)流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制在所有調(diào)制傳遞函數(shù)中所占比例rhydr。由式(12)及上述各調(diào)制傳遞函數(shù)表達(dá)式可知:

        根據(jù)式(13)可以估計(jì)流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制的貢獻(xiàn),圖2 所示為流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制在所有調(diào)制傳遞函數(shù)中所占比例rhydr隨雷達(dá)入射角θ 和方位角ψ的變化,其中圖2(a)為HH 極化方式SAR 成像過程中,流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制在所有調(diào)制傳遞函數(shù)中所占比例rhydr,圖2(b)為VV 極化方式SAR 成像中流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制機(jī)制的貢獻(xiàn)。

        圖2 流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制在所有調(diào)制傳遞函數(shù)中所占比例

        數(shù)值結(jié)果表明,除了海浪沿與距離向夾角很小范圍內(nèi)的方位角情形(ψ=90°左右)外,流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制對(duì)海面SAR 成像的影響可以忽略。如圖2(a)所示,HH極化收發(fā)方式SAR海面成像時(shí),所有入射角范圍內(nèi),當(dāng)方位角ψ≤44°時(shí),流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制在所有調(diào)制傳遞函數(shù)中所占比例rhydr≤1/1 000;當(dāng)44°<ψ≤67°時(shí),rhydr≤1/100;當(dāng)67°<ψ≤81°時(shí),rhydr≤1/20;當(dāng)81°<ψ≤84°時(shí),rhydr≤1/10;當(dāng)ψ >84°時(shí),rhydr>1/10。即考慮所有入射角適用情形,當(dāng)方位角ψ≤84°時(shí),不考慮流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制影響時(shí),所采用SFS 技術(shù)的全極化SAR 海浪譜反演方法的誤差很小。VV 極化收發(fā)方式SAR 海面成像如圖2 (b)所示,存在類似情形,即當(dāng)方位角ψ≤34°時(shí),流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制在所有調(diào)制傳遞函數(shù)中所占比例rhydr≤1/1 000;當(dāng)34°<ψ≤65°時(shí),rhydr≤1/100;當(dāng)65°<ψ≤80°時(shí),rhydy≤1/20;當(dāng)80°<ψ≤84°時(shí),rhydr≤1/10,當(dāng)ψ >84°時(shí),rhydr>1/10。比較HH 極化和VV 極化兩種情形,流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制對(duì)海面SAR 成像的影響可以忽略的臨界值為方位角ψ =84°。也就是說當(dāng)方位角84° <ψ≤90°時(shí),SFS 技術(shù)的全極化SAR海浪譜反演方法誤差較大。因此,可以總結(jié)出SFS 技術(shù)的全極化SAR 海浪譜反演方法適用范圍為ψ≤84°(當(dāng)rhydr≤1/10 時(shí),流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制對(duì)海面SAR 成像的影響可以忽略)。

        另外,筆者還計(jì)算了圖2 中流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制在所有調(diào)制傳遞函數(shù)中所占比例的平均值其中,圖2(a)所示HH 極化方式SAR 成像的0.017 3,而圖2(b)VV 極化方式SAR 成像的0.030 4。因此平均而言,在利用SFS 技術(shù)進(jìn)行全極化SAR 圖像海浪譜反演時(shí),式(4)計(jì)算Ir(β,γ)/I0時(shí),采用HH 極化圖像強(qiáng)度要比采用VV 極化圖像強(qiáng)度所得結(jié)果精度高得多,特別是在方位角ψ值較大時(shí),相對(duì)于VV 極化SAR 圖像而言,采用HH 極化SAR 圖像優(yōu)勢(shì)更為明顯。

        針對(duì)上述3 種海面SAR 成像機(jī)制,分析和證明了利用SFS 技術(shù)進(jìn)行全極化SAR 圖像海浪譜反演和參數(shù)提取的可行性和適用范圍。從機(jī)理上來說,該方法的主要誤差來源于忽略流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制對(duì)海面SAR 成像的影響,通過理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),在絕大多數(shù)情形,該誤差很小,可以忽略。

        3 結(jié)論

        基于發(fā)展新的海浪譜反演方法的目的,筆者試圖將SFS 技術(shù)應(yīng)用于發(fā)展SAR 圖像海浪譜反演技術(shù),提出了利用SFS 技術(shù)和全極化SAR 圖像進(jìn)行海浪譜反演的新方法,并從SAR 成像的傾斜機(jī)制、速度聚束機(jī)制和流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制3 個(gè)方面對(duì)所提出的新方法反演海浪譜的可行性進(jìn)行論證,發(fā)現(xiàn)除了SFS 包含傾斜調(diào)制機(jī)制外,利用全極化SAR 圖像計(jì)算方位角漂移時(shí),實(shí)際上隱含了速度聚束調(diào)制,這是因?yàn)槊糠N極化方式都包含了相同的調(diào)制傳遞函數(shù)系數(shù),計(jì)算公式中分子分母的調(diào)制傳遞函數(shù)系數(shù)可以約分掉。另外,流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制機(jī)制是筆者提出新方法所不能包含的一種機(jī)制,但通過理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),除了方位角處于90°附近很窄的范圍內(nèi)的情形,流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制機(jī)制的影響可以忽略。

        [1]劉麗娜,陳曦,趙現(xiàn)斌,等.機(jī)載SAR 探測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)、海浪和海洋內(nèi)波方面的分析與研究[J]. 氣象水文海洋儀器,2012,2(2):6 -10.

        [2]范林剛,陳澤宗,金燕,等.微波多普勒雷達(dá)海浪參數(shù)提取算法[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,40(10):21 -24.

        [3]劉文俊,孔毅,趙現(xiàn)斌,等. 基于交叉譜法的C 波段機(jī)載SAR 海浪反演[J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,15(4):380 -385.

        [4]肖鵬,種勁松.基于擬線性變換的海浪方向譜反演方法研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2011,17(11):3899-3902.

        [5]史偉哲. 星載SAR 海洋場(chǎng)景仿真與反演方法綜述[J].航天器工程,2011,20(1):50 -56.

        [6]ROMEISER R,GRABER H C.A new approach of ocean wave parameter estimates from C-band scan SAR images[J]. IEEE Transactions on Geoseience and Remote Sensing,2015,53(3):1320-1344.

        [7]CHEN Z B,HE Y J.A new algorithm to retrieve wave parameters from marine X-band radar image sequences[J].IEEE Transactions on Geoseience and Remote Sensing,2014,52(7):4083-4091.

        [8]LAI D Y,DELISI D P. Spatial distribution of surface wave field in coastal regions using spaceborne synthetic aperture radar images[J].International Journal of Remote Sensing,2010(31):4915 -4931.

        [9]HASSELMANN K,HASSELMANN S.On the nonlinear mapping of an ocean wave spectrum into a synthetic aperture radar image spectrum and its inversion[J].Journal of Geophysical Research,1991(96):713-729.

        [10]HASSELMANN S,BRUNING C,HASSELMANN K,et al.An improved algorithm for the retrieval of ocean wave spectra from synthetic aperture radar image spectrum[J].Journal of Geophysical Research,1996(101):615 -629.

        [11]SCHULZ S J,LEHNER S,HOJA D. A parametric scheme for the retrieval of two - dimensional ocean wave spectra from synthetic aperture radar look cross spectra[J]. Journal of Geophysical Research,2005(110):5004 -5017.

        [12]LEHNER S,PLESKACHEVSKY A,BRUCK M.High- resolution satellite measurements of coastal wind field and sea state[J]. International Journal of Remote Sensing,2012,33(23):7337 -7360.

        [13]MASTENBROEK C,DEVALK C F.A semiparametric algorithm to retrieve ocean wave spectra from synthetic aperture radar[J]. Journal of Geophysical Research,2000(105):3497 -3516.

        [14]ZHANG B,PERRIE W,HE Y.Validation of RADARSAT-2 fully poarimetric SAR measurements of ocean surface waves[J].Journal of Geophysical Research,2010(115):6031 -6043.

        [15]HE Y,SHEN H,PERRIE W. Remote sensing of ocean waves by polarimetric SAR[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2006(23):1768-1773.

        [16]LEE J S,JASEN R W,SCHULER D L. Polarimetric analysis and modeling of multi frequency SAR signatures from Gulf Stream fronts[J]. IEEE Journal of Ocean Engineering,1998,23(4):322 -333.

        [17]SEVGI L.Reciprocity:some remarks from a field point of view[J]. Antennas and Propagation Magazine,IEEE,2010,52(2):205 -210.

        [18]CHEN X,WANG C,ZHANG H.DEM generation combining SAR polarimetry and shape -from -shading techniques [J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2009,6(1):28 -32.

        [19]CHEN Z,QIN Q,LIN L,et al. DEM densification using perspective shape from shading through multispectral imagery[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2013,10(1):145 -149.

        [20]ALPERS W R,ROSS D B,RUFENACH C L.On the detectability of ocean surface waves by real and synthetic aperture radar[J]. Journal of Geophysical Research,1981(86):6481 -6490.

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