一种海浪斜率分布的微波散射遥感方法技术

本发明专利技术公开了一种海浪斜率分布的微波散射遥感方法，包括以下步骤：(1)利用一个小入射角360°旋转的波谱仪发射电磁波对海洋表面进行探测，获取随入射角θ和方位角φ变化的后向散射系数σ0(θ,φ)(2)海浪斜率用四阶Gram-Charlier级数表达，根据该海浪斜率利用准镜像散射原理计算出模拟值(θ,φ)(3)利用(1)中的实测数据σ0(θ,φ)和(2)中的模拟值(θ,φ)在入射角θ和方位角φ上进行二维拟合，可以得出Gram-Charlier中的7个参数，将参数带入四阶Gram-Charlier级数中就能完整地刻画某一测量点海浪斜率分布。本发明专利技术第一次使用微波散射的方法，反演出某一测量点的准高斯的海浪斜率概率密度分布。这一发明专利技术，对研究海浪的生成、成长、消衰以及传播机制，海气界面的湍流交换过程，定量提取海面粗糙度等具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微波遥感
，更具体地，涉及一种海浪斜率分布的微波散射遥感方法。
技术介绍
海浪斜率是海浪的重要物理参数。海气界面的许多物理过程都与海浪斜率密切相关，如海浪场的内动能，包括海浪破碎和非线性能量传输，是含能波浪和高频波浪波陡的强相关函数。海浪斜率引起的拖滞影响海面气动粗糙度和表面层的湍流交换特性。获取海浪斜率，对于研究海浪的生成、成长、消衰以及传播机制，海气界面的湍流交换过程，定量提取海面粗糙度等具有重要意义。海面上包含多种尺度的海浪，由于海浪的随机性，海浪斜率分布通常用概率密度函数(probability density function，pdf)来表示。目前对海浪斜率概率密度函数的研究，主要是基于高斯模型下的，并未考虑流体力学和波与波之间相关性的影响。实际的光学测量结果表明，海浪斜率pdf是准高斯分布的，可用至四阶的Gram-Charlier级数表达：p(zu,zc)=12πσsuσscexp(-zu22σsu2-zc22σsc2)×[1+c212(Γc2-1)Γu+c036(Γu2-3)Γu+c224×(Γu2-1)(Γc2-1)+c4024(Γc4-6Γc2+3)+c0424(Γu4-6Γu2+3)]]]>该级数表达式中包含7个参数，这7个参数分别是逆风向和侧风向斜率方差σsu和σsc(对应二阶统计特性)，两个偏度系数c21，c30(对应三阶统计特性)，三个峰度系数c22，c40，c04(对应四阶统计特性)。这7个参数值与海面的风速、风向浪向夹角、有效波高、峰值波长、波陡等风浪参数有关。要完整刻画海浪斜率分布需要这7个参数，因此海浪斜率遥感的目的就是要确定这7个参数。海浪斜率pdf信息同化到海浪模式中，可提高海洋气象学中的海浪预报(包括大海况)精度；同时大量斜率分布信息可用于海洋动力建模和预测，利用长时间序列的斜率分布信息可以用于分析气候变化以满足全球海洋环境预报、灾害性海况预警等海洋科学研究和应用的需求；也可为波-波相互作用，波浪与风场的相互作用，波浪与大气的相互作用，波浪在海岸带的演变，电磁信号和海面的相互作用等与海表波浪相关的物理过程提供研究数据。同时，海浪斜率pdf还在海面微波散射辐射中起着重要的作用。如在小角度入射时，雷达高度计、波谱仪的后向散射系数都与海浪斜率pdf直接相关；而在中等角度入射时，海浪斜率pdf则通过倾斜调制和水动力调制影响散射计、合成孔径雷达的后向散射系数和辐射计的亮温。因此，获取更准确的海浪斜率pdf就能降低多种海况参数的测量误差，提高测量精度。例如：电磁偏差是目前卫星雷达高度计测高的主要误差源，但若能获取海浪斜率方差，则电磁偏差误差可降低约50％；而高度计风速测量原理就是利用海浪斜率方差与风速的经验关系。因此准确获取海浪斜率pdf影响这风速的反演精度。尤其需要注意的是，一种新型微波遥感器——波谱仪遥感海浪方向谱时，海浪斜率pdf会直接影响海浪谱反演过程中的重要参数(比例因子)，因此能否准确获取斜率信息对波谱仪海浪谱反演精度至关重要。准确获取海浪斜率信息还能使人们遥感得到一些目前未知的海洋参数。这些海洋参数虽然重要，然而由于缺少合适的遥感手段，人们一直难以获取它们，而海浪斜率为求这些海洋参数提供了新的途径，如用斜率三阶统计特性——偏度信息反演波浪破碎率，用斜率四阶统计特性——峰度信息量化由海气界面温差导致的大气不稳定性，这些都对海洋科学的发展具有重要价值。因此，我们需要获取更为准确的海浪斜率pdf。获取海浪斜率的方法主要有三类方法：测高法、光学技术和微波雷达系统。测高法利用安置在同一水平面的三个激光高度计同时测量海面的高度，并计算斜率和统计分析出斜率pdf。在机载系统上，这种测高法只能测量米级以上尺度海浪的斜率，而且难以推广到星载系统上，不能实现大范围观测。光学技术方法基于光波的镜像散射原理，测量的是海面所有尺度海浪的总斜率。光学照相法从海面在太阳光的照片中反演海浪斜率信息；星载光学多角度辐射计POLDER利用多角度的可见光反射率数据和同步测量的风速反演海浪斜率。然而这两种光学方法只能得到海浪斜率参数与风速的变化关系，不能遥感某个时空测量点的斜率；而且反演处理过程复杂；同时光学方法也要求非常高的大气条件。微波雷达系统可以克服测高法和光学技术的缺陷，具有长时间、大范围、且不受天气限制的技术优势。又因为可置于星载、机载和船载平台，因此受到格外重视。小入射角真实孔径雷达利用微波的准镜像散射原理，能够测量海面上波长大于3—6倍雷达波长的海浪斜率。目前已经使用的有Ku波段星载降雨雷达PR数据用来提取海浪斜率信息，但PR缺乏同一观测点方位向变化的散射系数信息，因此不能遥感某个时空测量点的斜率。波谱仪是一种小入射角360°旋转扫描雷达，这种新型微波遥感器特殊的工作方式使其能够获得某一地点距离向和方位向变化的二维散射系数，因此最适合作为一种斜率遥感方式，遥感特定时空测量点的斜率。目前，利用波谱仪反演海浪斜率的研究，仅有波谱仪原理的提出者Jackson教授和波谱仪技术发展的代表人Hauser教授，通过波谱仪机载实验散射系数数据σ0(θ)与入射角的一维拟合，反演出海浪斜率方差和一个峰度系数，而海浪斜率pdf的其他四个参数还未从波谱仪中探测到。他们利用波谱仪遥感海浪斜率的基本原理是沿用准镜像散射原理。准镜像散射条件要求探测波的波长小于海浪的波长。这个条件在光学测量中总能够成立，因为光波远小于所有尺度的海浪波长。而在用微波探测海浪时，这个条件仅对中高风速条件成立。对于低风速时，即使是在小入射角下，如10°左右，Bragg散射已在总的散射中占较高贡献，不能满足散射条件。目前波谱仪海浪斜率探测中存在的主要问题是，不能探测海浪斜率pdf中的2个偏度系数和2个峰度系数。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术充分利用波谱仪所获取的距离向和方位向上高分辨率的海面后向散射系数，发展获取海浪斜率pdf中7个参数的二维反演方法。本专利技术提供了一种海浪斜率分布微波散射遥感方法，该方法是一种效率更高、误差更小、可以反演某一时空点斜率的二维反演方法，其目的在于解决目前一维斜率反演方法不能得到斜率偏度信息，现有二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海浪斜率分布的微波散射遥感方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)获取用于拟合的实测数据σ0(θ,φ)：此处对波谱仪探测海面的微波数据进行处理，得到用于进行二维拟合的实测数据σ0(θ,φ)，本步骤包括以下子步骤：(1‑1)通过波谱仪获取所探测海面的微波数据参数，包括波谱仪所接收的后向散射系数的数据σr0(θ,φ)、入射角θ、方位角φ，对信号进行预处理；(1‑2)对步骤(1‑1)中获取的微波数据参数进行整理，对波谱仪接收的信号按照入射角进行排列，选取符合准镜像散射原理的入射角范围的数据；对上述数据进行进一步整理，将同一方位角的数据进行相应的排序，得到可用于拟合的实测数据σ0(θ,φ)；(2)将海浪斜率表示为四阶的Gram‑Charlier级数，利用准镜像散射原理得到模拟值本步骤包括以下子步骤：(2‑1)首先进行线性反演，假设海面为高斯分布，海浪斜率pdf可简化成二阶的Gram‑Charlier级数：p(zu,zc)=12πσuσcexp(-zu22σu2-zc22σc2)---(2.1.1)]]>zu、zc分别为逆风向和侧风向的海浪斜率，σu和σc是未知的逆风向、侧风向的斜率方差，是线性反演的目标参数；zu=-zxcos(φ-φ0)-zysin(φ-φ0)zc=-zycos(φ-φ0)+zxsin(φ-φ0)---(2.1.2)]]>其中，zx表示海面在距离向上的斜率，zx＝tanθ，zy表示海面在方位向上的斜率，zy＝0；θ代表入射角，φ代表方位角，φ0代表风向角，由(2.1.1)和(2.1.2)得到海浪斜率关于入射角θ和方位角φ的函数关系：pGaussian(θ,φ)=12πσuσcexp[-tan2θ2(cos2(φ-φ0)σu2+sin2(φ-φ0)σc2)]---(2.1.3)]]>此时利用准镜像散射原理其中ρ为菲涅尔系数，得到相应的计算的与(1‑3)中的实测值σ0(θ,φ)进行拟合，得到逆风向和侧风向的斜率方差σu0和σc0；(2‑2)在(1‑1)所得数据中选取符合风速经验公式的入射角在0°—18°范围内的利用Freilich的风速经验公式：U＝(gv‑0.016)/0.0016对风速进行反演，其中gv为总的斜率方差；(2‑3)海浪斜率分布可用四阶的Gram‑Charlier级数表示：p(zu,zc)=12πσuσcexp(-zu22σu2-zc22σc2)×[1+c212(Γc2-1)Γu+c036(Γu2-3)Γu+c224×(Γu2-1)(Γc2-1)+c4024(Γc4-6Γc2+3)+c0424(Γu4-6Γu2+3)]---(2.3.1)]]>其中，zu表示海面在逆风向上的斜率，zc表示海面在侧风向上的斜率：zu=-zxcos(φ-φ0)-zysin(φ-φ0)zc=-zycos(φ-φ0)+zxsin(φ-φ0)---(2.3.2)]]>Tu,c=zu,cσu,c---(2.3.3)]]>其中，zx表示海面在距离向上的斜率，zx＝tanθ，zy表示海面在方位向上的斜率，zy＝0，θ代表入射角，φ代表方位角，φ0代表风向角，σu和σc是未知的逆风向、侧风向的斜率方差；根据(2.3.1)(2.3.2)和(2.3.3)得到准高斯的海浪斜率关于入射角θ和方位角φ的函数：p(θ,φ)=12πσuσcexp[-tan2θ2(cos2(φ-φ0)σu2+sin2(φ-φ0)σc2)]×[1-c122(tan2θsin2(φ-φ0)σc2-1)tanθcos(φ-φ0)σu-c306(tan3θcos3(φ-φ0)σu-3tanθcos(φ-φ0)σu)+c224(tan2θcos2(φ-φ0)σu2-1)(tan2θsin2(φ-φ0)σc2-1)+c...

【技术特征摘要】
1.一种海浪斜率分布的微波散射遥感方法，其特征在于，包括以下步
骤：
(1)获取用于拟合的实测数据σ0(θ,φ)：此处对波谱仪探测海面的微波
数据进行处理，得到用于进行二维拟合的实测数据σ0(θ,φ)，本步骤包括以
下子步骤：
(1-1)通过波谱仪获取所探测海面的微波数据参数，包括波谱仪所接
收的后向散射系数的数据σr0(θ,φ)、入射角θ、方位角φ，对信号进行预处理；
(1-2)对步骤(1-1)中获取的微波数据参数进行整理，对波谱仪接收
的信号按照入射角进行排列，选取符合准镜像散射原理的入射角范围的数
据；对上述数据进行进一步整理，将同一方位角的数据进行相应的排序，
得到可用于拟合的实测数据σ0(θ,φ)；
(2)将海浪斜率表示为四阶的Gram-Charlier级数，利用准镜像散射原
理得到模拟值本步骤包括以下子步骤：
(2-1)首先进行线性反演，假设海面为高斯分布，海浪斜率pdf可简
化成二阶的Gram-Charlier级数：
p(zu,zc)=12πσuσcexp(-zu22σu2-zc22σc2)---(2.1.1)]]>zu、zc分别为逆风向和侧风向的海浪斜率，σu和σc是未知的逆风向、
侧风向的斜率方差，是线性反演的目标参数；
zu=-zxcos(φ-φ0)-zysin(φ-φ0)zc=-zycos(φ-φ0)+zxsin(φ-φ0)---(2.1.2)]]>其中，zx表示海面在距离向上的斜率，zx＝tanθ，zy表示海面在方位
向上的斜率，zy＝0；θ代表入射角，φ代表方位角，φ0代表风向角，由(2.1.1)
和(2.1.2)得到海浪斜率关于入射角θ和方位角φ的函数关系：
pGaussian(θ,φ)=12πσuσcexp[-tan2θ2(cos2(φ-φ0)σu2+sin2(φ-φ0)σc2)]---(2.1.3)]]>此时利用准镜像散射原理其中ρ为菲涅尔系数，得
到相应的计算的与(1-3)中的实测值σ0(θ,φ)进行拟合，得到
逆风向和侧风向的斜率方差σu0和σc0；
(2-2)在(1-1)所得数据中选取符合风速经验公式的入射角在0°—
18°范围内的利用Freilich的风速经验公式：
U＝(gv-0.016)/0.0016
对风速进行反演，其中gv为总的斜率方差；
(2-3)海浪斜率分布可用四阶的Gram-Charlier级数表示：
p(zu,zc)=12πσuσcexp(-zu22σu2-zc22σc2)×[1+c212(Γc2-1)Γu+c036(Γu2-3)Γu+c224×(Γu2-1)(Γc2-1)+c4024(Γc4-6Γc2+3)+c0424(Γu4-6Γu2+3)]---(2.3.1)]]>其中，zu表示海面在逆风向上的斜率，zc表示海面在侧风向上的斜率：
zu=-zxcos(φ-φ0)-zysin(φ-φ0)zc=-zycos(φ-φ0)+zxsin(φ-φ0)---(2.3.2)]]>Tu,c=zu,cσu,c---(2.3.3)]]>其中，zx表示海面在距离向上的斜率，zx＝tanθ，zy表示海面在方位
向上的斜率，zy＝0，θ代表入射角，φ代表方位角，φ0代表风向角，σu和σc是未知的逆风向、侧风向的斜率方差；
根据(2.3.1)(2.3.2)和(2.3.3)得到准高斯的海浪斜率关于入射
角θ和方位角φ的函数：
p(θ,φ)=...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈萍，王俪烨，尹巧华，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42