CN113589275B - 一种海面风场、海浪和海流的联合观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于遥感技术领域，具体地说，涉及一种海面风场、海浪和海流的联合观测方法，包括：步骤1)向海面发射一组差频脉冲信号，获取海浪谱不同波长分量；步骤2)向海面发射脉冲信号，得到不同方位角下的海面后向散射系数和多普勒频移；步骤3)利用步骤1)的结果，反演得到海面海浪谱信息；步骤4)利用后向散射系数反演得到海面风场信息；步骤5)根据步骤3)和步骤4)得到的结果，基于海面多普勒谱模型，估计海面风场和海浪引起的多普勒频移；步骤6)将步骤2)得到的多普勒频移减去由卫星平台运动引起的多普勒频移和步骤5)得到的海面风场和海浪引起的多普勒频移，估计由海面流场引起的多普勒频移，进而反演得到海面流场信息。

Description

一种海面风场、海浪和海流的联合观测方法

技术领域

本发明属于遥感技术领域，具体地说，涉及一种海面风场、海浪和海流的联合观测方法。

背景技术

海洋环境是一个包含了多种要素且复杂多变的整体，海流是其中一个重要的海洋动力环境参数，全球气候和区域性气候的重要调节因素。海流是海水因热辐射、蒸发、降水、冷缩等因素而形成密度不同的水团，再加上风应力、地转偏向力、引潮力等作用而形成的大规模相对稳定的非周期性海水运动流动。世界大洋表层的海流，按其成因来说大多属于风生海流。海流也是当前全球尺度海洋动力学参数中(风、浪、流、温、盐、深)唯一无法有效探测的参数。

在海洋环境中，海面风场(海风)、海浪、海面流场(海流)是描述海面动力学过程的三个基本参数，也是影响海洋-大气物质和能量交换的关键因素，三者既相互独立，也相互耦合。海面风场是海洋上层运动的主要动力来源，海面风场不仅驱动海流运动，也是形成海浪的直接动力。反过来，海流的运动以及海浪的成熟和发展也会改变海面粗糙度，进而影响海面风场。此外，海流的作用也会对海浪的演变过程以及形态产生复杂影响。

随着微波遥感器的快速发展，基于海面散射回波多普勒频移信息的海洋微波遥感技术成为全球范围、全天时、全天候海流探测的重要手段，也是当前微波海洋遥感领域的热点研究方向。回波多普勒频移质心与散射目标的雷达视向速度密切相关，这也是基于多普勒频移探测海面流场的物理基础。然而对于海面而言，由于海面自身构成及海面电磁散射的复杂性，海面回波多普勒质心不仅与海流运动有关，而且还受到满足Bragg散射波的相速度、海浪调制以及海面风场等因素的影响。

为了精确反演得到海面流场信息，卫星平台运动和海面风场、海浪引起的多普勒速度必须准确估计。随着卫星精密定轨技术的发展，卫星平台运动信息可以准确获得，进而可以准确估计由卫星运动引起的多普勒速度；而由海面风场和海浪引起多普勒速度的准确估计成为影响流场反演精度的主要因素。

在海面流场反演中，准确的海面风场和海浪引起的多普勒速度估计依赖于同程、准确的海面风场和海浪谱信息。在目前的全球海面流场的观测方法或观测计划中，通常都是基于小于20度的小入射角下的海浪和海流同步观测，但其缺少对海面风场的观测，且观测刈幅很窄，无法实现全球快速覆盖。基于该方法的海面流场反演，准确的海面风场和海浪引起的多普勒速度估计依赖于外部的风场输入，由于非同程观测的海面风场信息的外部输入，会引入风场信息误差，必然会直接影响海面流场的反演精度。

另外，现有的观测方法通常还基于海风和海流的同步观测，但是，其缺少对海浪信息的直接观测。基于该方法的海面流场的反演，海风-海浪引起的多普勒速度估计依赖于外部的海浪谱信息，并不是同程获得的海浪谱信息；不同的海浪谱模型的计算结果，会存在较大的差异，也会直接影响海面流场的反演精度。

因此，现有的观测方法都无法实现全球海面风场、海浪和海流的同程、宽刈幅观测，大大降低了海面流场的反演精度。提出一种新的海面风场、海浪和海流的同程、宽刈幅观测手段具有重要意义。同程、宽刈幅观测是实现星载海风、海浪、海流全球观测和反演的关键，同时也可以有效降低雷达系统设计复杂度。

发明内容

为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种海面风场、海浪和海流的联合观测方法，该方法在30-70度的中等入射角下，可以同程测量海面风场、海浪和海流，实现宽刈幅观测，克服了现有的观测方法存在的海面流场反演精度低的问题，提高了海面流场的反演精度。

本发明提供了一种海面风场、海浪和海流的联合观测方法，该方法包括：

步骤1)海风、海浪和海流探测微波散射计在中等入射角下，向海面发射一组差频脉冲信号，接收其回波信号，通过差频干涉测量的方法，获取海浪不同波长分量；

步骤2)海风、海浪和海流探测微波散射计在中等入射角下，同时向海面发射脉冲信号，接收其返回的后向散射回波信号，利用天线的圆锥扫描，得到不同方位角下的海面后向散射系数和多普勒频移；

步骤3)利用步骤1)获取的海浪不同波长分量，反演得到海面海浪谱信息；

步骤4)根据步骤2)得到不同方位角下的海面后向散射系数，计算海面归一化后向散射系数，根据海面归一化后向散射系数与海面风场的关系，建立反演模型，反演得到海面风场信息；

步骤5)根据步骤3)得到的海面海浪谱信息和步骤4)反演得到的海面风场信息，再基于海面多普勒谱，估计海面风场和海浪引起的多普勒频移；

步骤6)根据步骤2)得到的多普勒频移减去由卫星平台运动引起的多普勒频移，以及步骤5)得到的海面风场和海浪引起的多普勒频移，估计由海面流场引起的多普勒频移，进而反演得到海面流场信息。

作为上述技术方案的改进之一，所述海风、海浪和海流探测微波散射计为真实孔径雷达，其入射角为30-70度的中等入射角。

作为上述技术方案的改进之一，所述步骤1)具体包括：

利用海风、海浪和海流探测微波散射计在中等入射角下，向海面发射第i组差频脉冲信号，接收其回波信号，第i组差频脉冲信号的发射频率为起始频率为f1，终止频率为f2，利用Δk算法，可以得到海浪谱的不同波长分量；

其中，θ为雷达的中等入射角，λ为利用第i组差频脉冲可测得的海浪谱的波长；

其中，c为光速；

利用一组差频信号，可以实现对海浪谱特定波长分量的一次观测，则采用步进差频的信号发射方式，通过散射计发射多组差频脉冲信号，则可以获取对海浪谱不同波长分量的观测。

作为上述技术方案的改进之一，所述步骤2)具体包括：

海风、海浪和海流探测微波散射计在中等入射角下，向海面发射电磁波脉冲信号，接收其返回的后向散射的回波信号，该回波信号包括幅度和相位信息，基于雷达方程：

其中，P_r是雷达接收机的回波功率；P_t是发射功率；G_t是发射天线的增益，G_r是接收天线的增益；λ是发射电磁波的波长；R是雷达与探测目标的距离；σ是当前入射角下的被照射面元的海面后向散射系数；

将公式(25)改写为：

根据公式(26)，计算当前入射角下的被照射面元的海面后向散射系数；

对散射计的连续两次的回波信号(S₁、S₂)求复相关，可得到连续两次回波信号的复相关系数γ：

进而可以得到雷达连续两次观测的干涉相位

根据干涉相位与多普勒频移的关系，计算当前方位角下的多普勒频移f_d：

其中，τ为两次回波信号的时间差；

利用天线的圆锥扫描，得到不同方位角下的海面后向散射系数和多普勒频移。

作为上述技术方案的改进之一，所述步骤4)具体包括：

步骤4-1)根据步骤2)得到不同方位角下的海面后向散射系数σ，计算每个风矢量单元的归一化后向散射系数σ₀：

其中，A是照射面积；

结合公式(26)和公式(30)，获得海面后向散射系数σ与归一化后向散射系数σ₀的关系：

从而得到每个风矢量单元的归一化后向散射系数；

步骤4-2)根据风矢量与步骤4-1)得到的归一化后向散射系数之间的关系，基于地球物理模式函数，反演每个风矢量单元的风速和风向；

步骤4-3)对步骤4-2)得到的每个风矢量单元的风速和风向进行质量控制和模糊解去除处理，最终反演得到风速和风向信息，并将其作为海面风场信息。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明的方法能够连续地同时得到全球海面风场、海浪和海流信息，具有较宽的观测刈幅，可以实现快速的全球覆盖；

2、本发明的方法利用同程观测的海面风场和海浪信息能够准确估计海面风场和海浪引起的多普勒频移，克服了现有观测手段的缺陷，能反演得到高精度、宽刈幅的海面流场信息。

附图说明

图1是本发明的一种海面风场、海浪和海流的联合观测方法的流程图；

图2是图1的本发明的一种海面风场、海浪和海流的联合观测方法的步骤1)的回波信号的复相关功率谱的曲线示意图；

图3是图1的本发明的一种海面风场、海浪和海流的联合观测方法的步骤1)的散射计发射差频步进脉冲信号的示意图；

图4是图1的本发明的一种海面风场、海浪和海流的联合观测方法的步骤3)海面风场反演的流程图；

图5是图1的本发明的一种海面风场、海浪和海流的联合观测方法的海面流场反演的流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

图1是对中等入射角下同程海面风场、海浪、海流联合观测原理的描述，基于这样一种中等入射角海面风场、海浪和海流的联合观测方法的描述，涉及获得海面风场、海浪和海流的信息的具体过程，如图1所示，该方法包括：

步骤1)海风、海浪和海流探测微波散射计在中等入射角下，向海面发射一组差频脉冲信号，接收其回波信号，通过差频干涉测量的方法，获取海浪谱不同波长分量；

具体地，所述步骤1)具体包括：

如图2和3所示，海风、海浪和海流探测微波散射计在中等入射角下，向海面发射一组差频脉冲信号，接收其回波信号，利用delta-k(Δk)算法，可以得到海浪谱的不同波长分量；

delta-k(Δk)算法原理解释：以发射频率为f₁，f₂的第i组差频脉冲信号为例，进行如下说明：

第i组差频脉冲信号的起始频率和终止频率分别为f₁，f₂，对应的回波信号在时域分别为E₁(t)、E₂(t)，可以表示为，

其中，ρ(x，y)是具有窄带特性的粗糙面元的随机复反射率；B(x，y-vt)为双程天线足印函数，可以表示为位置x，y的函数，x为交轨向的位置，y为顺轨向的位置，

其中，a_x为交轨方向的天线足印的宽度；a_y为顺轨方向的天线足印的宽度。

R(x，y，vt)为在位置x，y和时间t时雷达到散射面元的距离函数，v为波速，可以表示为，

其中，θ为雷达散射计的中等入射角，H为雷达高度，

公式(1)和(2)中，k₁、k₂为起始频率为f₁、终止频率为f₂的信号的电磁波数，电磁波数与频率有如下关系，其中，ω₁为角频率，c为光速，

求回波E₁(t)、E₂(t)的互相关函数P(t)，有，

其中，*表示复共轭，变量x′和y′是的积分变量，主要是为了区别于E₁(t)的积分变量x和y。α_H和α_x为，

将公式(7)中的指数项合并，有，

其中，p_1x，p_1y、p_2x、p_2y可表示为如下，

令K₁＝2k₁ sin θ，K₂＝2k₂ sin θ，则有

K＝K₂-K₁＝2Δk sin θ (15)

结合公式(11)-(15)，公式(7)可以改写为，

求公式(16)P(t)的傅里叶变换，有，

求P(f)的功率谱G_T(f，Δk)：

其中，符号<>表示求集平均，功率谱G_T(f，Δk)可表示为G₀(f)和G_Δ(f，Δk)的和。G₀(f)可以表示为，

其中，σ₀₁是平均后向散射功率，A₁和M可以表示为，

公式(18)的第一项G₀(f)表示总后向散射信号的均方多普勒谱的形状，当后向散射信号中无满足Bragg散射条件的频率，那么G₀(f)就是复相关功率谱P(f)。当有满足Bragg散射条件的频率，公式(18)的第二项G_Δ(f，Δk)可表示为，

其中，为反射光谱，ω为长波角频率，v为波速，/>

由公式(22)可知，G_Δ(f，Δk)的频谱类似为一个窄带滤波器的输出频谱，当中心频率为2Δk sin θ取得峰值，如图3所示，即，

结合长波角频率ω与频率f的关系ω＝2πf，波长λ与频率f的关系所以G_Δ(f，Δk)取得峰值时对应的海浪的波长λ为，

其中，θ为雷达的中等入射角。

根据上述测量原理，可知在中等入射角下，利用一组差频脉冲信号，可以实现对海浪谱特定波长分量的一次测量，采用步进差频的发射信号方式，通过雷达发射多组差频脉冲信号，如图3所示，就可以获得海浪谱不同波长分量；

步骤2)海风、海浪和海流探测微波散射计在中等入射角下，向海面发射电磁波脉冲信号，接收其返回的后向散射回波信号，利用天线的圆锥扫描，可以得到不同方位角下的海面后向散射系数和多普勒频移；

具体地，散射计在中等入射角下，向海面发射电磁波脉冲信号，接收其返回的后向散射的回波信号，该回波信号包括幅度和相位信息，基于雷达方程：

其中，P_r是雷达接收机的回波功率；P_t是发射功率；G_t是发射天线的增益，G_r是接收天线的增益；λ是发射电磁波的波长；R是雷达与探测目标的距离；σ是当前入射角下的被探测面元的雷达后向散射系数；

将公式(25)改写为：

根据公式(26)，可以计算当前入射角下的被探测面元的海面后向散射系数；

对雷达连续两次的回波信号(S₁、S₂)求复相关，可得到连续两次回波信号的复相关系数γ：

进而可以得到雷达连续两次观测的干涉相位

根据干涉相位与多普勒频移的关系，计算当前方位角下的多普勒频移f_d：

其中，τ为两次回波信号的时间差；

利用天线的圆锥扫描，可以得到不同方位角下的海面后向散射系数和多普勒频移。

步骤3)利用步骤1)获取的海浪不同波长分量，反演得到海面海浪谱信息；

步骤4)根据步骤2)得到不同方位角下的海面后向散射系数，计算海面归一化后向散射系数，根据海面归一化后向散射系数与海面风场的关系，反演得到海面风场信息；

具体地，如图4所示，所述步骤4)具体包括：

步骤4-1)根据步骤2)得到不同方位角下的海面后向散射系数σ，计算每个风矢量单元的归一化后向散射系数σ₀：

其中，A是雷达照射面积，结合公式(26)和公式(30)，获得海面后向散射系数σ与归一化后向散射系数σ₀的关系：

从而得到每个风矢量单元的归一化后向散射系数；

步骤4-2)根据风矢量与步骤4-1)得到的归一化后向散射系数之间的关系，基于地球物理模式函数，反演每个风矢量单元的风速和风向；

步骤4-3)对步骤4-2)得到的每个风矢量单元的风速和风向进行质量控制和模糊解去除处理，最终反演得到风速和风向信息，并将其作为海面风场信息。

步骤5)根据步骤3)反演得到的海浪谱信息和步骤4)反演得到的海面风场信息，再基于海面多普勒谱，估计海面风场和海浪引起的多普勒频移；

步骤6)如图5所示，将步骤2)得到的多普勒频移信息减去卫星平台运动引起的多普勒频移，以及再减去步骤5)得到的海面风场和海浪引起的多普勒频移，估计由海面流场引起的多普勒频移，进而反演得到海面流场信息。

其中，图5是对海面流场反演流程的描述，要准确反演海面流场，需要将同程准确的海面风场和海浪信息作为先验信息。

其中，海风、海浪和海流探测微波散射计的入射角为30-70度的中等入射角，结合观测几何，可以实现海面风场、海浪和海面流场的同程、宽刈幅观测。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种海面风场、海浪和海流的联合观测方法，该方法包括：

步骤1)海风、海浪和海流探测微波散射计在中等入射角下，向海面发射一组差频脉冲信号，接收其回波信号，通过差频干涉测量的方法，获取海浪不同波长分量；

步骤2)海风、海浪和海流探测微波散射计在中等入射角下，同时向海面发射脉冲信号，接收其返回的后向散射回波信号，利用天线的圆锥扫描，得到不同方位角下的海面后向散射系数和多普勒频移；

步骤3)利用步骤1)获取的海浪不同波长分量，反演得到海面海浪谱信息；

步骤4)根据步骤2)得到不同方位角下的海面后向散射系数，计算海面归一化后向散射系数，根据海面归一化后向散射系数与海面风场的关系，建立反演模型，反演得到海面风场信息；

步骤5)根据步骤3)得到的海面海浪谱信息和步骤4)反演得到的海面风场信息，再基于海面多普勒谱，估计海面风场和海浪引起的多普勒频移；

步骤6)根据步骤2)得到的多普勒频移减去由卫星平台运动引起的多普勒频移，以及步骤5)得到的海面风场和海浪引起的多普勒频移，估计由海面流场引起的多普勒频移，进而反演得到海面流场信息；

所述步骤1)具体包括：

利用海风、海浪和海流探测微波散射计在中等入射角下，向海面发射第i组差频脉冲信号，接收其回波信号，第i组差频脉冲信号的发射频率为起始频率为f₁，终止频率为f₂，利用Δk算法，可以得到海浪谱的不同波长分量；

其中，θ为雷达的中等入射角，λ为利用第i组差频脉冲可测得的海浪谱的波长；

其中，c为光速；

利用一组差频信号，可以实现对海浪谱特定波长分量的一次观测，则采用步进差频的信号发射方式，通过散射计发射多组差频脉冲信号，则可以实现对海浪谱不同波长分量的观测；

所述步骤2)具体包括：

海风、海浪和海流探测微波散射计在中等入射角下，向海面发射电磁波脉冲信号，接收其返回的后向散射的回波信号，该回波信号包括幅度和相位信息，基于雷达方程：

其中，P_r是雷达接收机的回波功率；P_t是发射功率；G_t是发射天线的增益，G_r是接收天线的增益；λ是发射电磁波的波长；R是雷达与探测目标的距离；σ是当前入射角下的被照射面元的海面后向散射系数；

将公式(25)改写为：

根据公式(26)，计算当前入射角下的被照射面元的海面后向散射系数；

对散射计的连续两次的回波信号(S₁、S₂)求复相关，可得到连续两次回波信号的复相关系数γ：

进而可以得到雷达连续两次观测的干涉相位

根据干涉相位与多普勒频移的关系，计算当前方位角下的多普勒频移f_d：

其中，τ为两次回波信号的时间差；

利用天线的圆锥扫描，得到不同方位角下的海面后向散射系数和多普勒频移。

2.根据权利要求1所述的海面风场、海浪和海流的联合观测方法，其特征在于，所述海风、海浪和海流探测微波散射计为真实孔径雷达，其入射角为30-70度的中等入射角。

3.根据权利要求1所述的海面风场、海浪和海流的联合观测方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：

步骤4-1)根据步骤2)得到不同方位角下的海面后向散射系数σ，计算每个风矢量单元的归一化后向散射系数σ₀：

σ＝∫σ₀dA≈σ₀A (30)

其中，A是照射面积；

结合公式(26)和公式(30)，获得海面后向散射系数σ与归一化后向散射系数σ₀的关系：

从而得到每个风矢量单元的归一化后向散射系数；

步骤4-2)根据风矢量与步骤4-1)得到的归一化后向散射系数之间的关系，基于地球物理模式函数，反演每个风矢量单元的风速和风向；

步骤4-3)对步骤4-2)得到的每个风矢量单元的风速和风向进行质量控制和模糊解去除处理，最终反演得到风速和风向信息，并将其作为海面风场信息。