一種海浪斜率分布的微波散射遙感方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微波遙感技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種海浪斜率分布的微波散射遙 感方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 海浪斜率是海浪的重要物理參數(shù)。海氣界面的許多物理過程都與海浪斜率密切相 關(guān)，如海浪場的內(nèi)動能，包括海浪破碎和非線性能量傳輸，是含能波浪和高頻波浪波陡的強 相關(guān)函數(shù)。海浪斜率引起的拖滯影響海面氣動粗糙度和表面層的湍流交換特性。獲取海浪 斜率，對于研宄海浪的生成、成長、消衰以及傳播機制，海氣界面的湍流交換過程，定量提取 海面粗糙度等具有重要意義。
[0003] 海面上包含多種尺度的海浪，由于海浪的隨機性，海浪斜率分布通常用概率密度 函數(shù)（probability density function，pdf)來表示。目前對海浪斜率概率密度函數(shù)的研 宄，主要是基于高斯模型下的，并未考慮流體力學和波與波之間相關(guān)性的影響。實際的光學 測量結(jié)果表明，海浪斜率pdf是準高斯分布的，可用至四階的Gram-Charlier級數(shù)表達：
[0004]
[0005] 該級數(shù)表達式中包含7個參數(shù)，這7個參數(shù)分別是逆風向和側(cè)風向斜率方差〇 su 和〇 s。（對應(yīng)二階統(tǒng)計特性），兩個偏度系數(shù)c21，C3tl (對應(yīng)三階統(tǒng)計特性），三個峰度系數(shù)c22， c4(l，Ctl4(對應(yīng)四階統(tǒng)計特性）。這7個參數(shù)值與海面的風速、風向浪向夾角、有效波高、峰值 波長、波陡等風浪參數(shù)有關(guān)。要完整刻畫海浪斜率分布需要這7個參數(shù)，因此海浪斜率遙感 的目的就是要確定這7個參數(shù)。
[0006] 海浪斜率pdf信息同化到海浪模式中，可提高海洋氣象學中的海浪預(yù)報（包括大 海況）精度；同時大量斜率分布信息可用于海洋動力建模和預(yù)測，利用長時間序列的斜率 分布信息可以用于分析氣候變化以滿足全球海洋環(huán)境預(yù)報、災(zāi)害性海況預(yù)警等海洋科學研 宄和應(yīng)用的需求；也可為波-波相互作用，波浪與風場的相互作用，波浪與大氣的相互作 用，波浪在海岸帶的演變，電磁信號和海面的相互作用等與海表波浪相關(guān)的物理過程提供 研宄數(shù)據(jù)。同時，海浪斜率Pdf還在海面微波散射輻射中起著重要的作用。如在小角度入 射時，雷達高度計、波譜儀的后向散射系數(shù)都與海浪斜率Pdf直接相關(guān)；而在中等角度入射 時，海浪斜率pdf則通過傾斜調(diào)制和水動力調(diào)制影響散射計、合成孔徑雷達的后向散射系 數(shù)和輻射計的亮溫。因此，獲取更準確的海浪斜率Pdf就能降低多種海況參數(shù)的測量誤差， 提高測量精度。例如：電磁偏差是目前衛(wèi)星雷達高度計測高的主要誤差源，但若能獲取海浪 斜率方差，則電磁偏差誤差可降低約50% ;而高度計風速測量原理就是利用海浪斜率方差 與風速的經(jīng)驗關(guān)系。因此準確獲取海浪斜率Pdf影響這風速的反演精度。尤其需要注意的 是，一種新型微波遙感器一一波譜儀遙感海浪方向譜時，海浪斜率pdf·會直接影響海浪譜反 演過程中的重要參數(shù)（比例因子），因此能否準確獲取斜率信息對波譜儀海浪譜反演精度 至關(guān)重要。準確獲取海浪斜率信息還能使人們遙感得到一些目前未知的海洋參數(shù)。這些海 洋參數(shù)雖然重要，然而由于缺少合適的遙感手段，人們一直難以獲取它們，而海浪斜率為求 這些海洋參數(shù)提供了新的途徑，如用斜率三階統(tǒng)計特性一一偏度信息反演波浪破碎率，用 斜率四階統(tǒng)計特性一一峰度信息量化由海氣界面溫差導致的大氣不穩(wěn)定性，這些都對海洋 科學的發(fā)展具有重要價值。因此，我們需要獲取更為準確的海浪斜率Pdf。
[0007] 獲取海浪斜率的方法主要有三類方法：測高法、光學技術(shù)和微波雷達系統(tǒng)。
[0008] 測高法利用安置在同一水平面的三個激光高度計同時測量海面的高度，并計算斜 率和統(tǒng)計分析出斜率Pdf。在機載系統(tǒng)上，這種測高法只能測量米級以上尺度海浪的斜率， 而且難以推廣到星載系統(tǒng)上，不能實現(xiàn)大范圍觀測。
[0009] 光學技術(shù)方法基于光波的鏡像散射原理，測量的是海面所有尺度海浪的總斜率。 光學照相法從海面在太陽光的照片中反演海浪斜率信息；星載光學多角度輻射計POLDER 利用多角度的可見光反射率數(shù)據(jù)和同步測量的風速反演海浪斜率。然而這兩種光學方法只 能得到海浪斜率參數(shù)與風速的變化關(guān)系，不能遙感某個時空測量點的斜率；而且反演處理 過程復雜；同時光學方法也要求非常高的大氣條件。
[0010] 微波雷達系統(tǒng)可以克服測高法和光學技術(shù)的缺陷，具有長時間、大范圍、且不受天 氣限制的技術(shù)優(yōu)勢。又因為可置于星載、機載和船載平臺，因此受到格外重視。
[0011] 小入射角真實孔徑雷達利用微波的準鏡像散射原理，能夠測量海面上波長大于 3- 6倍雷達波長的海浪斜率。目前已經(jīng)使用的有Ku波段星載降雨雷達PR數(shù)據(jù)用來提取 海浪斜率信息，但PR缺乏同一觀測點方位向變化的散射系數(shù)信息，因此不能遙感某個時空 測量點的斜率。波譜儀是一種小入射角360°旋轉(zhuǎn)掃描雷達，這種新型微波遙感器特殊的工 作方式使其能夠獲得某一地點距離向和方位向變化的二維散射系數(shù)，因此最適合作為一種 斜率遙感方式，遙感特定時空測量點的斜率。
[0012] 目前，利用波譜儀反演海浪斜率的研宄，僅有波譜儀原理的提出者Jackson教授 和波譜儀技術(shù)發(fā)展的代表人Hauser教授，通過波譜儀機載實驗散射系數(shù)數(shù)據(jù)σ°(θ)與入 射角的一維擬合，反演出海浪斜率方差和一個峰度系數(shù)，而海浪斜率Pdf的其他四個參數(shù) 還未從波譜儀中探測到。
[0013] 他們利用波譜儀遙感海浪斜率的基本原理是沿用準鏡像散射原理。準鏡像散射條 件要求探測波的波長小于海浪的波長。這個條件在光學測量中總能夠成立，因為光波遠小 于所有尺度的海浪波長。而在用微波探測海浪時，這個條件僅對中高風速條件成立。對于 低風速時，即使是在小入射角下，如10°左右，Bragg散射已在總的散射中占較高貢獻，不 能滿足散射條件。目前波譜儀海浪斜率探測中存在的主要問題是，不能探測海浪斜率Pdf 中的2個偏度系數(shù)和2個峰度系數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明充分利用波譜儀所獲取的距離向和 方位向上高分辨率的海面后向散射系數(shù)，發(fā)展獲取海浪斜率pdf中7個參數(shù)的二維反演方 法。
[0015] 本發(fā)明提供了一種海浪斜率分布微波散射遙感方法，該方法是一種效率更高、誤 差更小、可以反演某一時空點斜率的二維反演方法，其目的在于解決目前一維斜率反演方 法不能得到斜率偏度信息，現(xiàn)有二維反演方法不能對單一風速進行斜率反演，且反演過程 中引入了近似，還存在不完全斜率方差等問題。通過此方法可以針對測量點反演出完整的 包含7個參數(shù)的海浪斜率分布，從而得到更準確的海浪斜率信息。獲取準確的海浪斜率 pdf，對推動海洋科學發(fā)展具有重大意義：海浪斜率分布信息同化到海浪模式中，可提高海 浪氣象學中的海浪預(yù)報精度；同時，海浪斜率Pdf還在海面微波輻射散射中起著重要作用， 獲取準確的海浪斜率Pdf就能降低多種海況參數(shù)的測量誤差，提高測量精度；此外，準確獲 取海浪斜率Pdf還將為人們遙感獲取未知的海洋信息提供新的途徑。
[0016] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種利用海浪斜率分布微波散射遙感方法，包括 以下步驟：
[0017] (1)獲取用于擬合的實測數(shù)據(jù)σ °( θ，Φ):此處對波譜儀探測海面的微波數(shù)據(jù)進 行處理，得到用于進行二維擬合的實測數(shù)據(jù)σ°(θ，φ)，本步驟包括以下子步驟：
[0018] (1-1)通過波譜儀獲取所探測海面的微波數(shù)據(jù)參數(shù)，包括波譜儀所接收的關(guān)于后 向散射系數(shù)的數(shù)據(jù)嘆約、入射角Θ、方位角φ，對信號進行預(yù)處理；
[0019] (1-2)對步驟（1-1)中獲取的微波數(shù)據(jù)參數(shù)進行整理，對波譜儀接收的信號按照 入射角進行排列，選取符合準鏡像散射原理的入射角范圍的數(shù)據(jù)；對上述數(shù)據(jù)進行進一步 整理，將同一方位角的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的排序，得到可用于擬合的實測數(shù)據(jù)σ°(θ，φ);
[0020] (2)將海浪斜率表示為四階的Gram-Charlier級數(shù)，利用準鏡像原理得到模擬值 σ: (6^)，本步驟包括以下子步驟：
[0021] (2-1)首先進行線性反演，假設(shè)海面為高斯分布，海浪斜率Pdf可簡化成二階的 Gram-Charlier 級數(shù)：
[0022]
(2.1.1)
[0023] zu、ζ。分別為逆風向和側(cè)風向的海浪斜率，σ，σ。是未知的逆風向、側(cè)風向的斜 率方差，是線性反演的目標參數(shù)；
[0024]
[0025] 其中，Zx表示海面在距離向上的斜率，zx= tan Θ，、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，Φ 〇代表風向角，由（2. I. 1)和（2. 1. 2)得到海浪斜 率關(guān)于入射角Θ和方位角Φ的函數(shù)關(guān)系：
[0026]
[0027] 此時利用準鏡像散射原理
得到相應(yīng)的計算的
與（1-3)中的實測值σ°(θ，φ)進行擬合，得到逆風向和側(cè)風向的斜率方差〇u(|和σ ^
[0028] (2-2)在（1-1)所得數(shù)據(jù)中選取符合風速經(jīng)驗公式的入射角在0° -18°范圍內(nèi) 的σ,Μ?，利用Freilich的風速經(jīng)驗公式：
[0029] U = (gv-0. 016)/0. 0016
[0030] 對風速進行反演，其中g(shù)v為總的斜率方差；
[0031] (2-3)海浪斜率分布可用四階的Gram-Charlier級數(shù)表示：
[0032]
[0033] 其中，σ。是未知的逆風向、側(cè)風向的斜率方差，Zu表示海面在逆風向上的斜 率，z。表示海面在側(cè)風向上的斜率：
[0034]
[0035]
[0036] 其中，Zx表