CN117269927B - 一种基于雷达后向散射系数的海浪谱建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于雷达后向散射系数的海浪谱建模方法,涉及海洋要素反演技术领域。本发明包括以下步骤:选择不同频段的地球物理模式函数,在预设的风速、方位角、极化方式下采用已选择的地球物理模式函数计算雷达后向散射系数;将计算得到的雷达后向散射系数与海面电磁散射理论相结合,在预设的风速、方位角、极化方式下计算海浪谱值;将每个预设风速下的海浪谱值点进行多项式拟合,建立海浪谱模型公式。本发明所构建的海浪谱模型,通过依靠海面电磁散射理论和实测数据,提高了海面雷达后向散射系数的计算精度,能够为海洋微波遥感、雷达类制导武器的研发提供重要参考依据。

Description

一种基于雷达后向散射系数的海浪谱建模方法
技术领域
本发明涉及海洋要素反演技术领域,具体涉及一种基于雷达后向散射系数的海浪谱建模方法。
背景技术
海浪是物理海洋学的一个重要研究领域,研究海浪的生成、成长、衰减、传播机制、以及揭示其内部结构和外在特征,对于国防、航运、造船、港口以及海上石油平台的建设等具有重要意义。
在对动态海面的随机特性进行统计描述的过程中,海浪谱是最重要且最基本的物理量,为了描述海浪并在此基础上研究海浪、发展海浪、应用海浪,必须已知它的谱,故“谱”构成目前海浪研究的中心问题。
对于海浪谱模型的建立,常用的有四种思路:一是频谱分析,使用傅里叶变换或小波变换等工具分析时间序列,得到频谱信息,虽然简单易懂但需要大量的实测数据,而且只提供时间-频率分辨率权衡;二是数值模拟,使用数值模型基于物理方程模拟海浪的生成、传播和演化,但复杂的数值模型需要大量计算资源和高分辨率数据,同时对初始条件和模型参数敏感,因此需要高度精确的输入数据和调校;三是理论模型,即基于波浪理论和物理方程推导海浪频谱的理论模型,但理论模型通常是简化的近似,难以捕捉复杂的真实海浪情况;四是遥感技术,利用卫星、雷达和激光测距等遥感技术,获得了大范围的海浪数据,用于研究海浪频谱模型,该种方式的优点在于既避免了传统方法通过直接测量海浪建立海浪谱模型的数据获取困难问题,又考虑了从能量平衡理论推导海浪谱模型时的理论推导困难问题。
根据上述四种海浪谱模型的建立思路,发明人认为基于遥感技术的优势,如何提供一种基于雷达后向散射系数的海浪谱建模方法,用于提高海面雷达后向散射系数的计算精度,为海洋微波遥感、雷达类制导武器的研发提供重要参考依据,是本领域的技术人员急需解决的技术问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
针对上述技术问题,本发明实施例提供了一种基于雷达后向散射系数的海浪谱建模方法,以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明提供了以下技术方案:
一种基于雷达后向散射系数的海浪谱建模方法,包括以下步骤:
选择不同频段的地球物理模式函数,在预设的风速、方位角、极化方式下采用已选择的地球物理模式函数计算雷达后向散射系数;
将计算得到的雷达后向散射系数与海面电磁散射理论相结合,在预设的风速、方位角、极化方式下计算海浪谱值;
将每个预设风速下的海浪谱值点进行多项式拟合,建立海浪谱模型公式。
优选的,采用已选择的地球物理模式函数计算雷达后向散射系数的表达式为:;其中,为雷达后向散射系数;GMF为地球 物理模式函数;是在中性稳定的大气条件下海面上10m高度的风速;为入射角;为雷 达波数在海面投影与风向的夹角;为极化方式;为雷达电磁波波数。
地球物理模型函数(Geophysical Model Function,GMF)是基于星载、岸载、机载遥感数据发展的一种函数,用于描述归一化雷达后向散射截面(Normalized Radar CrossSection,NRCS)与地球物理参数以及雷达观测方式之间的关系;
雷达后向散射系数是雷达后向散射截面的一种归一化表示形式;不同频段分别选择出所使用的地球物理模式函数,并计算出不同入射组合下对应的唯一归一化雷达后向散射系数;
进一步的,在中等角度(约30°~70°)情况下,海面电磁散射以Bragg(布拉格散射, Bragg scattering)共振散射为主,根据电磁波散射理论,由Bragg共振散射产生的归一化 雷达后向散射系数的计算公式为:; 其中,为入射角,为极化参数,垂直极化的极化参数计算公式为:;水平极化的极化参数计算公式为:;其中,为海水的复相对介电常数;是与雷达电磁波产生Bragg共振的海面重力毛细波的波数;其中, 为雷达电磁波波数;为雷达波数在海面投影与风向的夹角;联立以下公式:;可以得到基于雷达后向散射 系数和海面电磁散射理论计算预设风速、风向角、极化方式下的海浪谱值的公式为:。优选的,所述将每个预设风速下的海浪谱值点 进行多项式拟合,建立海浪谱模型的步骤包括:
利用polyfit函数(多项式拟合函数,polynomial fitting)对每一风速下的海浪 谱值点进行多项式拟合,得到各预设风速下海浪谱关于波数的多项式函数,其表达式为:;其中,为各预设风速下的海浪谱值;为波数;系数与风速有关,将拟合 为关于的多项式函数,其表达式为:;其中,的取值为 1,2,...,n;将拟合得到的所有系数a组成系数查找表;得到海浪谱模型公式,海浪谱模型公 式的表达式为:;其中,为海浪谱值;a的取值通过查阅上述生成的系数查找表获取。
本发明实施例提供的一种基于雷达后向散射系数的海浪谱建模方法,具有以下有益效果:本发明所构建的海浪谱模型,通过依靠海面电磁散射理论和实测数据,提高了海面雷达后向散射系数的计算精度,能够为海洋微波遥感、雷达类制导武器的研发提供重要参考依据。
附图说明
图1为本发明中基于多频段多角度雷达后向散射系数的海浪谱建模方法流程示意图;
图2为不同频段地球物理模式函数在预设的风速、方位角、极化方式下计算的雷达后向散射系数示意图;
图3为雷达后向散射系数结合海面电磁散射理论在预设的风速、方位角、极化方式下计算的海浪谱值示意图;
图4为多项式拟合后的新海浪谱模型示意图;
图5为Bragg散射模型结合新海浪谱模型计算的雷达后向散射系数与地球物理模式函数计算的雷达后向散射系数的对比示意图;新海浪谱模型为本发明搭建的海浪谱模型;
图6为Bragg散射模型结合Elfouhaily谱模型计算的雷达后向散射系数与地球物理模式函数计算的雷达后向散射系数的对比示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下,所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于雷达后向散射系数的海浪谱建模方法,能够提高海面雷达后向散射系数的计算精度。
为使本发明的上述目的、特性和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示,根据本发明实施例所述的基于多频段多角度雷达后向散射系数的海浪谱建模方法,包括以下步骤:
S1选择不同频段的地球物理模式函数,在预设的风速、方位角、极化方式下采用已选择的地球物理模式函数计算雷达后向散射系数,以C频段后向散射系数为基准,将不同频段的后向散射系数进行一致性订正;
S2将计算得到的雷达后向散射系数与海面电磁散射理论相结合,在预设的风速、方位角、极化方式下计算海浪谱值;
S3将每个预设风速下的海浪谱值点进行多项式拟合,建立海浪谱模型公式。
以上所述S1中地球物理模型函数是基于星载、岸载、机载遥感数据发展的一种函 数,用于描述归一化雷达后向散射截面与地球物理参数以及雷达观测方式之间的关系;雷 达后向散射系数是雷达后向散射截面的一种归一化表示形式。通常,GMF可以用数 学公式来表示为:;不同频段分别选择出所使用的 地球物理模式函数,本实施例中 L、C、X、Ku波段分别选择的是LGMF2009、CMOD7、XMOD2、 NSCAT4DS,对应频率依次为1.27GHz、5.225GHz、9.65GHz、13.995GHz,风速范围3~10m/s,方 位角为0°,极化方式为VV极化,相应计算出的不同入射组合下对应的唯一归一化雷达后 向散射系数如图2所示。
以上所述S2中,在中等角度(约30°~70°)情况下,海面电磁散射以Bragg共振散射 为主,根据电磁波散射理论,由Bragg共振散射产生的归一化雷达后向散射系数的 计算公式为:;其中,为入射角,为极化 参数,垂直极化的极化参数计算公式为:;水平 极化的极化参数计算公式为:;其中,为海水的复相 对介电常数,为在极坐标下描述重力毛细波的以波数作为自变量的曲率谱, 即海浪谱,是与雷达电磁波产生Bragg共振的海面重力毛细波的波数,其 中,为雷达电磁波波数,为雷达波数在海面投影与风向的夹角;联立以下公式:;可以得到基于雷达后向散射系 数和海面电磁散射理论计算特定风速、风向角、极化方式下的海浪谱值的公式为:;利用上式计算的不同频段雷达后向散射系数结合 海面电磁散射理论计算的特定风速、方位角、极化方式下的海浪谱值示意图如图3所示,各 频段8条曲线对应的风速范围为3~10m/s,风速间隔是1m/s。以上所述S3中,每一预设风速 下,利用polyfit函数对海浪谱值点进行多项式拟合,得到各个风速下海浪谱关于波数的多 项式函数,其表达式为:;其中,为各预设风速下的海浪谱值;为波数;系数与风速有关,将拟 合为关于的多项式函数,其表达式为:;其中, 的取值为1,2,...,n;将拟合得到的所有系数a组成系数查找表;得到海浪谱模型公式,海浪 谱模型公式的表达式为:;其中,为海浪谱值;a的取值通过查阅上述生成的系数查找表获取,新的海浪谱 模型示意图如图4所示, 8条曲线对应的风速范围为3~10m/s,风速间隔是1m/s。
为了检验本发明提出的基于多频段多角度雷达后向散射系数的海浪谱建模方法的有效性,将新的海浪谱模型代入Bragg共振散射理论的计算公式中,所得雷达后向散射系数计算结果与GMF值对比示意图如图5(a)、(b)、(c)、(d)所示;Elfouhaily谱(简称为E谱)为前人提出的经典海浪谱模型,将其同时代入Bragg共振散射理论的计算公式中,所得雷达后向散射系数计算结果与GMF值对比示意图如图6(a)、(b)、(c)、(d)所示。
表1 各频段下,新海浪谱模型的Bragg解与GMF解的差值
表2 各频段下,Elfouhaily谱模型的Bragg解与GMF解的差值
表1及表2中分别为对新海浪谱模型及Elfouhaily谱模型在各频段特定风速下计算的雷达后向散射系数与GMF雷达后向散射系数的差值作入射角平均的结果。由表1可知:在各个频段,新海浪谱模型结合Bragg散射理论计算的雷达后向散射系数结果与GMF的雷达后向散射系数结果的整体误差为±1dB,高风速的效果优于低风速,6~10m/s风速范围的整体误差为±0.5dB;由表2可知:在各个频段,Elfouhaily谱模型结合Bragg散射理论计算的雷达后向散射系数结果与GMF的雷达后向散射系数结果的整体误差约为±2dB,高风速的效果优于低风速,3m/s风速时误差很大;E谱模型整体的后向散射系数计算精度低于新海浪谱模型。因此,新海浪谱模型依靠海面电磁散射理论和实测数据,提高了海面雷达散射系数的计算精度。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种基于雷达后向散射系数的海浪谱建模方法,其特征在于,包括以下步骤:
选择不同频段的地球物理模式函数,在预设的风速、方位角、极化方式下采用已选择的地球物理模式函数计算雷达后向散射系数;
将计算得到的雷达后向散射系数与海面电磁散射理论相结合,在预设的风速、方位角、极化方式下计算海浪谱值;
将每个预设风速下的海浪谱值点进行多项式拟合,建立海浪谱模型公式;
雷达后向散射系数结合海面电磁散射理论计算海浪谱值的表达式为:
其中,为地球物理模式函数结合海面电磁散射理论计算得到的海浪谱值;gpq为极化参数;kw=2kr sinθ,kw是与雷达电磁波产生Bragg共振的海面重力毛细波的波数;/>为雷达后向散射系数;θ为入射角;kr为雷达电磁波波数;
所述将每个预设风速下的海浪谱值点进行多项式拟合,建立海浪谱模型的步骤包括:
利用polyfit函数对每一风速下的海浪谱值点进行多项式拟合,得到各预设风速下的海浪谱值关于波数的多项式函数,其表达式为:
其中,为各预设风速下的海浪谱值;k为波数;系数A与风速U10有关,将A拟合为关于U10的多项式函数,其表达式为:
其中,i的取值为1,2,…,n;将拟合得到的所有系数a组成系数查找表;
得到海浪谱模型公式,海浪谱模型公式的表达式为:
其中,为海浪谱值;a的取值从系数查找表获取。
2.根据权利要求1所述的一种基于雷达后向散射系数的海浪谱建模方法,其特征在于,采用已选择的地球物理模式函数计算雷达后向散射系数的表达式为:
其中,为雷达后向散射系数;GMF为地球物理模式函数;U10是在中性稳定的大气条件下海面上10m高度的风速;θ为入射角;/>为雷达波数在海面投影与风向的夹角;pq为极化方式;kr为雷达电磁波波数。
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