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基于信息图谱的散射计风场反演算法研究

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基于 信息 图谱 散射 计风场 反演 算法 研究
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中山大学硕士学位论文基于信息图谱的散射计风场反演算法研究姓名:戴泳斯申请学位级别:硕士专业:港口、海岸及近海工程指导教师:陈晓翔20070606中山大学硕士学位论文 基于信息图谱的散射计风场反演算法研究基于信息图谱的散射计风场反演算法研究专业名称:港口、海岸及近海工程硕士生:戴泳斯指导老师:陈晓翔教授摘要本论文主要研究星载散射计海面风场反演的算法,目的在于为风场反演的研究提供一个新的研究方向,直观,高精度地进行散射计风场反演。由于海面风场的现场观测难以满足要求,因此利用星载散射计进行风场反演来得到海面风场信息具有重要意义。散射计风场反演的核心技术包括风矢量求解和模糊去除两部分。风矢量求解是根据一定的模型函数和目标函数,从几个雷达后向散射截面积实测值及相关参数反求出对应的风矢量。后向散射截面积与风向的双调和关系,使得风矢量求解过程一般得出4~6个模糊解。模糊去除就是从几个模糊解中选出一个作为最终的风矢量解。本论文首先对散射计的发展历史、基本原理以及传统的风场反演方法进行全面介绍和深入探讨,分析传统风场反演算法的特点。通过研究风场反演所依赖的模型函数的特性,提出一种新的算法。质上就是信息图谱的问题。本文所述新方法就是从信息图谱几何形态特征角度而提出。分析其图谱的特点,寻找图谱的特征点,从而反演出风矢量。它不同于传统的依据最小概率误差的遍历搜索算法,反演时不需要依赖方差,仅从信息图谱几何形态特征就可以反演出风矢量。而模糊去除则采用目前普遍使用的圆中数滤波算法。最后,本文利用美国把所得反演结果与验结果表明,本方法达到散射计风场反会的精度要求。关键词:场反演,模型函数,信息图谱,聚合节点集中山大学硕士学位论文 基于信息图谱的散射计风场反演算法研究on t a of is it is he of is is to re.to is is to ne 一击na$as of on of we a n is he in on is to t is on it t MF)is to 2A 2B t be to ey 于信息图谱的散射计风场反演算法研究1.1研究背景第一章绪论海风是作用在海洋表层的重要动力因子,驱动着海洋从海面波到深层洋流系统的各种尺度的海洋运动,小则形成海洋波浪,大则推动洋流发展。海风通过调节海水与大气之间的热量、水汽和化学物质的交换,来调整海.气耦合作用,维持全球和区域气候模式(M H 000),该耦合作用对全球和区域气候有重要影响,甚至能引起全球环境的变化,如厄尔尼诺现象。而且,海风可以纳入到区域或全球的数值天气预报系统,提高天气预报的能力。因此,获得高精度、高时空分辩率的海风数据对于海洋动力学、气象、气候学研究和人类合理利用风能资源具有十分重要的科研价值和现实意义(.B.,2004)。我国东邻太平洋,是一个重要的海洋国家。海洋在我国社会经济建设中的战略地位极为重要,而利用空间技术监测海洋,在维护我国海洋权益、保护海洋环境、开发海洋资源、减轻海洋灾害和有效实施海洋管理等方面尤为重要和迫切。研究借鉴国外散射计反演技术,深入研究散射计技术,特别是反演算法的研究,对发展我国散射计技术有重要意义。然而,海洋的现场观测在覆盖范围与精度上都难以满足要求。这是由于用船舶与浮标测风都存在数据有限,精度不足,采样点分布和采样时间间隔难以满足要求,以及花费巨大等问题(我国目前只有6个海洋站)。而且,全球性的研究需要在一定高度上(比如的中尺度风场,所以需要经过一定的运算对采样点的数据进行融合统一。由于各个采样点的精度不一致,这也造成了融合的难度。现在的天气数值预报、海洋预报等业务工作之所以精度低,原因之~是缺乏全球准确的风场数据。因此,利用星载散射计进行测风,以其无可比拟的优越性,为海洋与气象等领域的研究提供高精度、高效的全球海面风场信息方面发挥越来越重要的作用(J.E.995)。中山大学硕士学位论文 基于信息图谱的散射计风场反演算法研究1.2国内外研究现状近几十年来,散射计遥感发展迅速,已成为微波遥感的重要分支,它发展大力推动了散射计风场资料在天气分析、预报、海气相互作用和数值预报等领域中的应用(R.002;000),尤其是在数值预报模型中,散射计风场资料的同化应用使其分析与预报能力大大增强。另外随着散射计分辨率的提高,散射计资料对于大尺度的冰和陆地研究也是非常有用的资料(.,1997:.,2000; 000:.,2003;999)。在全天时、全天候、快速为海洋与气象等研究领域提供高精度、高分辨率全球海面风场信息方面,散射计也发挥着越来越重要的作用(M H 000;J.E.995)。卫星散射计测风的优点就是能快速获取全球海风数据。微波遥感器能穿过云层,不受光、云、雷、雨等天气条件的限制,精确获取全球海面的多个后向散射截面积盯o,而盯。与风速风向有关,所以通过几个不同入射角、方位角和极化方式测得的仃。就可以反推出海面的风速风向,实现全天候对地观测。散射计已成为当今测量全球海面风场的主流技术。从1978年第一颗专门用于海洋遥感的卫星内外学者不断提出用于散射计海面风场遥感的模型函数(982;,1982: J,1984; J,1986; V,1996: 996; J,1999;ec L,1999; H et 001),其相应的反演方法主要有:、00d 、、、、等(988)。模型函数的非线性决定了风场反演方法的复杂性(982;996)。这些模型函数和反演方法基本上能够在一定精度要求范围内较好地解决海面风场反演问题,都曾经或正在被散射计地面数据处理系统所采用。另外,十几年来,国内一些学者结合我国应用的具体情况,对外海风场建模、反演和模糊去除等问题也进行了有益的尝试和探索,并取得一定的成果(洪鹰等,1995:林明森等,1997;林明2中山大学硕士学位论文 基于信息图谱的散射计风场反演算法研究森等,2000;李燕初等,1999;陈晓翔,2003:解学通,2005)。目前使用的模糊解求解方法基本上都是依据最小概率误差的遍历搜索算法,对能否采用其他方法(如信息图谱的形态特征方法)改进沿岸海域的风场反演精度,无论是概念上,还是技术应用上,都未见报道。1.3本文主要研究内容表着当前散射计最高技术,其获取的海风数据广泛地用于气象气候、海洋动力学和全球环境交化等领域的研究与业务工作中。本文基于信息图谱几何形态特征出发,提出了一种新的海面风场反演方法.它不同于传统的依据最小概率误差的遍历搜索算法,反演时不需要方差,仅从信息图谱几何形态特征就可以反演风矢量。希望对散射计风场反演技术的发展有一定的借鉴意义。3中山大学硕士学位论文 基于信息|茎|谱的散射计风场反演算法研究第二章测风散射计的发展2.1 国外散射计的发展历史在海洋卫星发射以前,美国已对海面风速与海面微波散射特性之间的关系作了充分的研究,这样才能判读星载或机载上所得到的遥感数据(沙兴伟等,1981)。在20世纪60年代,美国海军利用机载多波段雷达对海洋做了实验,发现一些杂乱云团与海洋状态,特别是海面的风速紧密帽关,并建立了海面雷达后向散射截面积O。与风速的经验依赖关系(et 1971;972)。1973年美国的成功实验使人们坚信散射计无论在原理上,还是在技术上都是可行的,这为散射计的实用化铺下了道路。随着空间技术的发展,利用星载散射计数据进行海面风场信息反演已经是一门相对成熟的技术。1978年6月,美国射了是第一颗用来验证微波传感器遥感地球海洋的有用性的卫星。该卫星除了装载雷达高度计、多频率辐射成像计、合成孔径雷达,还有全球第一个星载散射计‘(0031 1985;K.985)。4.6采用四根双极化扇形波束天线,四个主动波束分别沿±450和±135。的方位角指向卫星轨迹,使地面形成一个然这在短短的三个月时间里,这颗卫星返回了大量的独一无二的地球海洋数据,为散射计模型函数的建立和修正提供了丰富而宝贵的数据来源,使得90%的实验目标可以得到评定,并最终促成了…B 2004),成为海洋微波遥感特别是海面风场微波遥感进入新的发展阶段的里程碑。随后,欧空局、俄国、日本、法国、加拿大、韩国和印度等相继发射了一系列海洋卫星。欧空局于1991年发射了卫星,主要目的是开展卫星测量海洋动力基本要素,为用户进行业务服务及为世界大洋合作研究项目提供业务服务参数(包括海面风场、大地水准面、海洋重力场、极地海冰的面积、边乔线、海4中山大学硕士学位论文 基于信息图谱的散射计风场反演算法研究况、风速、海面温度和水气等)。该卫星是继一集散射计、高度计、辐射计和合成孔径侧视雷达等多种功能于一体的空间平台,其中主动微波遥感器管幅宽度较窄以及在低风速段与小入射角时风矢量反演精度较低,为上,搭载了喷气实验室.Y.1'鼢i,2000;m 003;,1994;005).是工作在4有三根天线收集数据,前后两天线之间的夹角仍为900,前中两天线夹角为150,轨道周期为101.92分钟,每天可获得19万个海面风场数据,约为当时所保留的船舶测风速数据的100倍,其获取的数据广泛地用于各种时空尺度范围内海洋和大气的响应以及海气相互作用机制的研究中。为了接替补由于后于2002年12月,日本国家航天发展局(射的001)。02一次实现了圆锥型扫描方式,是双铅笔状波束的散射计。扫描式铅笔状波束散射计的设计思想最早由985)。扇形波束散射计用几个固定不动的扇形波束天线以相对于卫星飞行方向不变的方向获取地面同一单元的多个后向散射测量值;而两个发射一接收辐射器分别以40。和460的侧视角向地面发射微波脉冲,在地面形成一系列椭圆形螺旋状分布的波束照射单元,如图2—5所示。这样,每个波束对于整个地面轨道上的每个单元至少观测两次,在地面轨道中部的单元则可得到两个波束的四次不同观测,从而能够解决星下点附近风向空白问题。现在两个全球提供海面风场数据。中山大学硕十学位论文 基于信息目谱的散射计风场反演算法研究2.2我国的海洋卫星发展与世界先进水平相比,总体上我国差距较大,主要表现在我国海洋卫星工程起步晚、海洋卫星应用系统基本建成但业务化应用还需完善等方面。我国在前几年也开始抓紧海洋空间测量的研究与实践。在2001年建成了海洋卫星地面应用系统建设工程和国家卫星海洋应用中心。2002年5月15日,我国第一颗海洋探测卫星“海洋一号”A(A)与“风云一号”射这颗卫星为海洋生物资源合理开发利用、沿岸海洋工程、河口港湾治理、海洋环境监测、环境保护和执法管理等提供科学依据和基础数据。2002年12月,我国成功发射了“神舟4号”飞船,“神舟4号”主载荷一多模态微波遥感系统,首次采用多模态机制,首次实现笔形波束散射计海洋风场测量新机理。在轨期间系统工作正常,获取了大量有效数据,实现了我国航天微波遥感零的突破,大大推动了我国微波遥感卫星的发展。表明我国有能力自主设计散射计并与其它微波遥感器集成在一起。至2015年,我国将在“海洋一号”卫星的基础上发展系列海洋卫星,加快建立海洋卫星体系。我国将要发展3个系列的海洋卫星:以可见光、红外波段遥感探测海洋水色和水温为主的“海洋一号”系列卫星;以微波遥感探测可全天候获取海面风场、海面高度和海表面温度场等为主的“海洋二号”系列卫星,以及同时配备光学遥感器和微波遥感器的可对海洋环境进行综合监测的“海洋三号”系列卫星。为此,不但需要发展微波传感器和光学传感器、卫星平台、运载工具以及卫星精密测轨与定位技术等;还要发展海洋卫星地面应用系统,包括海洋卫星数据地面接收、处理、产品存档与分发、定标与检验、运行控制、通信和应用等分系统。这些海洋卫星和地面应用系统与海监飞机、船舶、浮标和岸站等一起共同构成海洋立体监测网,将有效地实施对我国管辖海域的实时和动态的监测。研究借鉴国外散射计反演技术,对发展我国散射计技术有重要意义。6中山大学硕士学位论文 基于信息图谱的散射计风场反演算法研究第三章 散射计工作的基本原理散射计是一种特殊的主动微波传感器,主要是用来获取海面雷达截面积等多个测量数据。通过向地表发射一定波长的微波,将那些在同一地面单元具有不同几何观测参数的测量数据结合起来,经过一定处理而获得该单元海面风速和风向。散射计对海面风矢量的测量是一种间接关系。海面微波散射主要有两种机制:当入射角小于20。时,微波回向散射主要是镜面反射;当入射角大于20。时,微波回向散射主要是布拉格散射(冯倩,2004)。由于散射计的入射角一般大于20。,如54。,所以散射计工作时,海面微波散射以布拉格散射为主。在入射波长为微波的条件下,能引起布拉格散射的只能是叠加于海浪上的厘米波或毛细波,而且布拉格散射与厘米波波峰与雷达视线之间的夹角有很大的相关性。风从大气向海面传递动量时,会使海面变得租糙,形成小尺度的厘米波,厘米波数量与海面上的磨擦风速成正比相关,而厘米波波峰方向对风向敏感(冯倩,2004),所以能通过对微米波的观测来反推出海面的风矢量与风向。散射计就是测量海面的后向散射能量大小,并估算标准化的海面雷达截面积盯。。雷达方程是描述雷达特征、表面散射特征和发射与接受能量之间的关系。单站雷达与点目标之间的雷达方程为: 只=错@-,其中,只和只分别为发射和后向散射能量大小;别为天线的发射和接收增益:五为雷达波长;为雷达系统的全部能量损失;伊。为标准。化的雷达截面积。雷达散射截面积表示地表散射能量与入射能量的比率,是衡量在一定的入射雷达条件下地表的散射能力,它只跟地表本身的性质有关,如与地7中山大学硕士学位论文 基丁:信息图谱的散射计风场反演算法研究表粗糙度、介电常数和含水量等因子相关。对于海面来说,粗糙度与风速风向相关,散射计这射计接收到的能量测量是从尺寸大小为几十公里的地面分辨单元获得的,因此每个单元可以看作是由大量的微小散射体构成。所以,适用的散射计雷达方程应该是在整个地面照射单元(地面分辨单元)上对(3.1)式的积分形式:只=筹胪。业笺铲地方 @z,其中分必须是在整个地面照射单元上对发射和接收天线模式的积分。直接从散射计接收到的总能量P,包括来自海面的后向散射能量海面厘米波无关的海一气系统的自然辐射)的贡献值P。两部分。这样要估算口。必须经过两步运算:(1)由接收到的总能量只和噪声能量只(包括仪器噪声和自然辐射)推算海面后向散射能量R;(2)由散射计雷达方程反解盯o。由雷达方程反解出来的盯。是受大气衰减后的口o。尽管3.402长较长,大气对其电磁波传输被认为是接近透明的.但还是有少量的辐射能量被大气中的02分子和水蒸汽所吸收,同时被以云和雨的形式存在的液态水吸收和散射。因此要利用海面后向散射能量盯。准确地反演海面风场,必须进行大气校正。从散射计数据反演海面风矢量基于这样一个假设:当几何观测参数(入射角、方位角)不变的情况下,后向散射能量盯。的变化是海面几何形态(粗糙度)变化的结果。因此,在盯。测量数据用于推算风矢量之前,确定并校正被大气效应衰减,与海面风无关的仃。部分估计值是至关重要的。利用多通道微波辐射计测得的亮度温度同步数据可以对各种天气条件下的盯。大气衰减效应进行校正。校正后的仃。值就可以利用模型函数进行风场反演了。中山大学硕士学位论文 基于信息图谱的散射计风场反演算法研究3.2 作在3.402它采用一种圆锥型扫描方式,双铅笔状波束设计,是飞行于太空的第一个扫描式铅笔状波束的散射计,也是真正意义上的用于测量海面风矢量的散射计。本文就是基于33.402达发射功率 110.59239向)侧视角 400.460地面入射角 470.550极化方式 水平极化(内侧波束),垂直极化(外侧波束)扫描速率 16—2018描方式 圆锥形扫描方式波束照射面积 30×35414侧波束),1800形波束散射计是用几个固定不动的扇形波束天线以相对于卫星飞行方向不变的方向获取地面同一单元的多个后向散射测量值;而两个发射.接收辐射器分别以400和460的侧视角向地面发射微波脉冲,在地面形成一系列椭圆形螺旋状分布的波束照射单元,如图3.1.这样,每个波束对于整个地面轨道上的每个单元至少观测两次,在地面轨道中部的单元则可得到两个波束的四次不同观测,如图3.2,从而能够解决星下点附近9中山大学硕士学位论文 基于信息图谱的散射计风场反演算法研究风向空白问题。图3元),每个单元可以看作是由大量的微小散射体构成。—2)的形式。散射计接收到的总能量包括有我们进行风场反演所需的海面反向散射能量,以及大气衰减和仪器干扰等噪声能量。推算噪声误差,除了要计算仪器造成的误差,还要计算微波在大气传输过程中的衰减。对于前者,根据仪器本身的设计特点和仪器运行时的参数,比较容易推导出其造成的误差,对于后者,由于大气影响较复杂,其机理也不是很明朗,所以其误差的推算有很大的难度。了:信息图谱的散射计风场反演算法研究散射计在大气校正时都由于缺乏同步数据而只能极为粗糙地进行校正(996)。其校正效果较差。而能与过测得的几个辐射温度进行分析与处理,就可以计算出大气对以在进行风场反演前,一个很重要的步骤就是利用用而能得到较为纯净的地表雷达后向散射截面积,极大地提高下一步散射计风场反演的精度。同等级的数据包含的具体内容与反演参数不同。研究反演技术必须选择合适的等级数据。其中55以及入射角、方位角、标准差等一系列相关数据集合,是2维直方图雨量标识(删标准化的目标函数雨量标识(数值天气预报风场数据(相关数据集合;5。5。的经纬度间隔网格化后的数据产品。海面风场反演的主要任务就是利用.3海面风场反演的地球物理模型函数散射计可以多角度地精确获取海面雷达后向散射截面积(而达入射方位角与实际风向)近似成以测得的几个风速风向值可以通过一定的反演算法反推出(陈克海等,2006).利用散射计在不同的参数条件下(入射角和极化方式)测得的海面后径雷达散射截面积盯·进行风场反演,必须知道海面雷达后向散射截面积(盯。)和风速、相对方位角(风向与雷达观测方向之间的夹角)、入射角以及极化方式等几个变量之间的关系。模型函数的目的就是准确描述以与海面环境参数和仪器参数的中山大学硕七学位论文 基于信息图谱的散射计风场反演算法研究关系。模型函数对于散射计的设计及反演算法具有关键的作用,它的精度可大大地影响到风场反演的精度以及散射计设计的可行性等重要问题。从第一颗专门用于海洋遥感的卫星们不断提出用于散射计海面风场遥感的模型函数和反演方法,模型函数的非线性决定了风场反演方法的复杂性。然而有大量的洋雷达后向散射对表面风速非常敏感。在对雷达观测方向)的敏感性以后,用获得的空载雷达测量数据建立起来的。最重要的这些测量数据是用北海(975 大西洋(获得的。在这些任务中,飞机沿圆形路线飞行以获得全部扫描方位角的过对现它是雷达入射角、相对方位角和19.5管存在着范围限制、采样数量不足等缺点,在这些飞行任务中所获取的时还获得了海面风的测量数据。当时这些是建立般地球物理模型函数可表示为如下形式:(w,Z;…;占,P,f) (3(3.3)式中,*和射计波束入射方位角与实际风向的夹角);“…”表示影响仃。的其它次要的非海风环境因子,如大气稳定性、海浪长波状态、海温、海水介电常数等;口、散射计参数,分别表示相关的波束入射角、极化方式(垂直或水平)和雷达波频率。对雷达观测方向)的敏感性以后,以航空测量数据作为基础建立起种经验关系具体由下式给出:12中山大学硕士学位论文 基于信息图谌的散射计风场反演算法研究Jk%l (3中/秒)。关系以G.个极化方式都对应一张射角从00到700,间隔为20,而相对方向从隔为10。.这种查找表最初是由航空测量值计算给出的,并且经历了多次修正提炼( 982)。最后的版本称为查找表由 996)。并且,984年,J.,1984;977):盯o=4+A1 as (3.5)其中』映了了风速主要作用;4为基本项,用来反映顺风向和逆风向后向散射的差异;呜为双调和函数项,用来反映逆风观测和垂直于风向观测时后向散射的差异。= 2(口I+口l o (3.7)(2 (3.8)系数以表格的形式给出。在原来是模型入射角只有46。(H.为了得到统一散射计模型以便于研究,对54。入射角部分替换为并成的模型称为新模型数据没有固定的表达形式,为有利于提高运行速度且与有利于模型与算法分开,首次采用表格的形式。该表格有入射角、速度和相对方风向这三维来表示。在图3.3中,入射角从40。到中山人学硕问隔为l。,且从40。到50。为水平极化方式,从51。到60。为垂直极化方式;速度从lm/s,问隔为lm/s:而相对风向从0。到180。,间隔为2。。另外,在相同风速风向条件下,46。波束(H.得的值相对较小。图以雷达后向散射系数和相对方位角为坐标的模型表,单位为自然单位,不同的风速由不同的曲线来表示,0。到360。的风速关于180。对称。盯。随海面风速呈非线性递增的关系。图3—3(数据来源:美国克海,陈晓翔)3.4传统的风矢量求解方法地球物理算法就是利用模型函数,用大气衰减校正后的雷达后向散射测量以来推算海面一定高度处的风速和风向。由不能完全与实际情况符合。这样,风矢量求解算法也并非建立在物理基础上的,而是建立在统计意义上。该算法的正常运行,首先需要知道散射截面积与风矢量之间的概率分布密度函数,但反演数据集合中的数据是有误差的,而且所需概率分布密度函数并不能很好的了解,这也造成了实际上风矢量求解的不确定性和复杂性。算法的正常运行,首先需要知道散射截14中山大学硕士学位论文 基于信息图谱的散射计风场反演算法研究面积与风矢量之间的概率分布密度函数,但是反演数据集合中的数据是有误差的,而且所需概率分布密度函数并不能很好的了解,这就造成了实际上风矢量求解的不确定性和复杂性。目前为止,没有一种绝对正确的方法可以对之进行精确地求解,而只能借助统计学的方法来进行风矢量求解。卫星散射计发射之前,就有三个候选算法形成了。自从卫星发射以来,这些算法在一系列的数据分析过程中通过与独立测量数据进行比较,已经变得成熟。.现大似然法)和.C.982)。而最大似然算法对风场反演来说有其更深刻的理论根据,所以目前被用于处理面,为了更好的了解传统散射计风场反演技术及其方法的特点,将重点介绍几种影响较大的算法,其中大似然风矢量求解算法是.4.1 风场反演方法,它实际上是一种对数空间下的加权最小二乘法(L C.982:陈晓翔等,2003).根据得雷达后向散射截面积O.对风向z、入射角护和极化方式占之『自】的关系,它将归一化的雷达截面积∥作为观测参数和风矢量的函数以常用对数形式给出;F(e,Z,岛矿)2占)+Ⅳ徊,办e)(3.9)z=≯3.10)式中以根据参数查表获得( 996)。尹为波束入射方位角,口为实际风向,这两者的夹角就是相对风向,在实际计算中,还需要把它校正到0至180。.由加权最小二乘原理可定义散射计风矢量求解的目标函数。涮2善【19矿一,(只,z,毛,∥’】2 7砰(3中一,只,谚,量值,入射角,天线方位角和极中山大学硕十学位论文 荩于信息图谱的散射计风场反演算法研究化
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