一种基于最优插值模型的合成孔径雷达海面风场反演方法技术

本发明专利技术属于海洋微波遥感技术领域，具体涉及一种基于最优插值模型的合成孔径雷达海面风场反演方法。本发明专利技术应用最优插值理论，其中最优插值模型为公式为：x

【技术实现步骤摘要】
一种基于最优插值模型的合成孔径雷达海面风场反演方法


[0001]本专利技术属于海洋微波遥感
，具体涉及一种基于最优插值模型的合成孔径雷达海面风场反演方法。

技术介绍

[0002]海面风是研究海面物理量的关键参数，在天气预报、风资源评估、海浪数值模拟、溢油监测等多个领域起着十分重要的作用；利用浮标、船舶、海上平台等现场直接探测方式可以获取高精度的海面风场，但有限的数量使得其空间、时间分辨率较低，不能满足日渐增长的对高分辨率海面风场数据应用的需求。
[0003]近几十年来，随着卫星遥感的发展，利用卫星传感器探测数据反演获得海面风场的技术逐步成熟和完善；在各种卫星中，微波散射仪在提供全球海面风场方面发挥着至关重要的作用，然而，微波散射仪只能获得粗分辨率(12.5～50km)的海面风场，适用于开阔洋面，这在一定程度上限制了对近岸海域海洋大气边界层及海洋过程的研究；而星载合成孔径雷达可以缓解这一难题，它具有全天候昼夜观测的能力，能够提供比散射仪高出近两个数量级(亚公里)的海面风场，对近海岸风场的反演具有独特的优势。
[0004]对于15
°
～70
°
之间的入射角，卫星传感器接收的来自海面的雷达反向散射主要是由小尺度海面粗糙引起的，而海面粗糙会受到海面风场的强烈影响，这样就使得从合成孔径雷达图像中提取海面风成为了可能。1979年，Weissman等人分析指出合成孔径雷达强度图像与海面风场存在相关性，图像中风条纹的方向与风向基本一致,强度大小与风速相关；基于这一发现，形成了基于风条纹反演海面风场的经典模式，该模式将风向和风速分开进行反演，其中风向反演主要包括傅里叶变换、小波变换、梯度分析(Sobel算子、数值微分)等方法；风速反演则是在获得风向的基础上，通过地球物理模型计算获得。但由于风条纹产生需要特定的气象条件，相关研究表明仅有35％～48％的强度图像中存在风条纹，同时，风向无法获取或者误差较大会直接影响风速的获取及精度，30
°
的风向误差可导致高达40％的风速误差，这使得该方法在应用中具有一定局限性。
[0005]2002年，Portabella等人提出一种基于贝叶斯理论的风场反演方法，该方法结合雷达测量的后向散射截面、地球物理模型、数值预报模式输出的先验风场及相关数据的不确定性，构建了一个变分模型，通过求取代价函数极小值来确定最优风矢量。该方法有效性分别在ERS-2、ENVISAT、RADARSAT-1以及我国的GF-3合成孔径雷达反演海面风场应用中得到了证明；该方法不需要考虑风条纹信息，可以同时输出风向风速，与风条纹反演算法形成优势互补。但由于该变分方程为非线性方程，不能直接获得方程的解析解，只能通过迭代或者枚举法求得最优解，解不稳定，且计算时间较长。

技术实现思路

[0006]针对基于贝叶斯理论的变分模型反演算法存在的不足，本专利技术提供一种基于最优插值模型的合成孔径雷达海面风场反演方法。该方法考虑了地球物理模型、背景风场、雷达
后向散射截面及其误差分布情况，通过线性化代价函数，求取最小分析误差，可直接求得分析风场解析解。为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种基于最优插值模型的合成孔径雷达海面风场反演方法，其中最优插值模型为公式为：
[0008]x
a
＝x
b
+BH
T
(HBH
T
+ε
o2
)-1
[y-H(x
b
)]ꢀꢀ①
[0009]公式
①
为所述数据处理方法中最优插值模型的最终表述；
[0010]所述数据处理方法包括：
[0011]步骤一：提取定标后的合成孔径雷达探测数据及其他辅助信息，包括合成孔径雷达后向散射截面(转换为dB单位值)及对应的探测时间、经纬度、雷达入射角、雷达方位角；
[0012]步骤二：针对给定时间、经纬度的合成孔径雷达数据，选择与合成孔径雷达图像时空相匹配的数值预报风场数据，将其作为背景风场；
[0013]步骤三：选择CMOD5地球物理模型作为正演算子：
[0014][0015]其中σ
°
是合成孔径雷达后向散射截面，V是海面10米风速，θ是雷达相对于海面的入射角，φ是风向相对于雷达天线方位角的角度。B0描绘了风速和入射角的关系，B1是顺风
-ꢀ
逆风幅度，B2是逆风-横向风幅度。α是常数，CMOD5取α＝1.6。
[0016]针对每一组合成孔径雷达探测数据及其匹配的背景风场，利用合成孔径雷达后向散射截面、雷达入射角、雷达方位角、背景风场以及CMOD5模型，代入公式计算出H：
[0017][0018]步骤四：在最优插值模型中，观测误差ε
o
取0.1y、背景误差协方差结合背景风场、步骤三中计算获得的H以及合成孔径雷达后向散射截面，代入公式
①
中，即可计算获得海面风场x
a
。
[0019]本专利技术的有益效果：
[0020]本专利技术应用最优插值理论，结合地球物理模型、背景风场、雷达后向散射截面及其误差分布情况，构造出单次合成孔径雷达探测下的风场反演最优插值模型。分别进行了仿真试验和实例试验，结果表明，通过最优插值模型反演获得的风场，其均方根误差低于背景风场；与CMOD模式直接反演法进行比对，最优插值模型反演精度相对较高；相较基于贝叶斯理论的变分模型风场反演算法，计算速度快，反演精度相当，同时从模型构造来看，最优插值模型不用假设背景风场和观测误差服从高斯正态分布，约束条件相对简单；本专利技术提出的基于最优插值模型的合成孔径雷达海面风场反演方法，可有效降低背景风场误差，提高风场反演精度，且具有解析解，计算速度快，为合成孔径雷达海面风场反演提供了一种新的方法。
附图说明
[0021]本专利技术可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；
[0022]图1为最优插值模型反演海面风场结果与浮标风速比对图；
[0023]图2为最优插值模型反演海面风场结果与浮标风向比对图；
[0024]图3为变分模型反演海面风场结果与浮标风速比对图；
[0025]图4为变分模型反演海面风场结果与浮标风向比对图；
[0026]图5为背景风场与浮标风速比对图；
[0027]图6为背景风场与浮标风向比对图；
[0028]图7为CMOD4模型直接反演风速结果与浮标风速比对图；
[0029]图8为CMOD5模型直接反演风速结果与浮标风速比对图。
具体实施方式
[0030]为了使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术，下面结合附图和实施例对本专利技术技术方案进一步说明。
[0031]本实例中，一种基于最优插值模型的合成孔径雷达海面风场反演方法，其中最优插值模型为公式为：
[0032]x
a
＝x
b
+BH
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于最优插值模型的合成孔径雷达海面风场反演方法，其中最优插值模型公式为：x
a
＝x
b
+BH
T
(HBH
T
+ε
o2
)-1
[y-H(x
b
)]
ꢀꢀ①
公式
①
为所述数据处理方法中最优插值模型的最终表述；其特征在于：所述数据处理方法包括：步骤一：提取定标后的合成孔径雷达探测数据及其他辅助信息，包括合成孔径雷达后向散射截面(转换为dB单位值)及对应的探测时间、经纬度、雷达入射角、雷达方位角；步骤二：针对给定时间、经纬度的合成孔径雷达数据，选择与合成孔径雷达图像时空相匹配的数值预报风场数据，将其作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，姜祝辉，石汉青，项杰，常舒捷，廖麒翔，买彦博，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：