海洋二號衛(wèi)星散射計海面風場反演方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種海洋二號衛(wèi)星散射計海面風場反演方法和裝置。該方法包括：建立地球物理模型函數；基于地球物理模型函數設定目標函數；對每個風矢量單元，查找目標函數的局部最大值的風速與風向，并將查找到的風速與風向作為當前風矢量單元的模糊解；從當前風矢量單元的模糊解中選出最大的兩個目標值對應的模糊解，將兩個模糊解分別與NCEP預報的風向比較，并將比較結果中與NCEP預報的風向最接近的模糊解作為當前風矢量單元的初始場；將所有風矢量單元的初始場作為圓中數濾波的模糊解初始場，進行模糊解去除操作，得到海面風場的真實數據。本發(fā)明適應各種復雜的環(huán)境條件下散射計風場反演所需的模糊接去除的要求，提升了預報的準確性。
【專利說明】海洋二號衛(wèi)星散射計海面風場反演方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及海洋微波遙感【技術領域】，具體而言，涉及海洋二號衛(wèi)星散射計海面風場反演方法和裝置。
【背景技術】
[0002]海洋表面風場是影響海浪、海流、水團的活躍因子和海洋動力學的基本參數，對全球海洋風場的監(jiān)測，在沿海地區(qū)的防災減災，海洋環(huán)境保障，以及促進海洋相關科學研究中具有重要意義。衛(wèi)星散射計以其全天時、全天候、高時空分辨率，大覆蓋范圍等特點，已成為全球海面風場最為重要的觀測手段。
[0003]衛(wèi)星散射計是一種經過定標的雷達，它向海面主動發(fā)射電磁波，并接收經過海面調制的回波信號。雷達回波信號將由發(fā)射信號以及海面特征共同決定。當海浪波長與雷達發(fā)射電磁波波長滿足布拉格散射條件時，各波面產生的后向散射電磁波相位相同，從而產生共振，回波能量將主要由產生共振的電磁波決定。在微波散射計的工作頻率下，滿足布拉格諧振條件的海面波為海表毛細波，海洋表面毛細波的譜密度與海洋表面上的風速直接相關。因此，通過雷達測得的回波信號可獲取海面風場的信息。通過對雷達回波信號的處理，可得出僅與海面情況有關的歸一化后向散射系數(NRCS，或0°)，從散射計測得的可進一步提取出海面風場，海面風場的信息提取過程稱為風矢量反演。
[0004]海洋二號衛(wèi)星微波散射計(HY2-SCAT)為一個可業(yè)務化運行的微波散射計，HY2-SCAT主要用于全球海面風場觀測，測風風速范圍為4?24m/s，風速精度為2m / s或10%;風向測量范圍為O?360°，風向精度為±20°。HY2-SCAT工作頻率為13.256GHz，采用筆形波束圓錐掃描方式，通過筆形波束以固定仰角圍繞天底方向旋轉，在衛(wèi)星平臺順軌方向的運動中形成一定的地面覆蓋刈幅；散射計系統(tǒng)包括VV和HH兩個極化方式，分別以不同入射角進行觀測，在平臺的運動過程中對同一分辨單元可獲取不同極化方式，不同入射角度的多次后向散射系數(σ °)測量結果，以克服海面風場方向反演的多值模糊問題。其中內波束采用HH極化方式，入射角為41°，對應地面刈幅寬度約為1350km。外波束采用VV極化方式，入射角為48°，對應地面刈幅寬度約為1700km。
[0005]海洋二號衛(wèi)星散射計目前可提供的數據產品分為LlB級產品、L2A級產品、L2B級廣品和L3級廣品。各級廣品簡單介紹如下:
[0006]LlB級產品的數據為以遙測幀的時間為順序進行存儲的散射計觀測數據。每個遙測幀包括96個散射計測量脈沖，每個測量脈沖包括后向散射系數，每個脈沖足跡的地理位置、以及用來描述測量數據的質量和不確定性等信息的參數。
[0007]L2A級產品文件包括衛(wèi)星平臺在一個空間軌道內獲得的每個雷達后向散射sigmaO測量值。此外，L2A產品也包含一些與每個sigmaO測量值相對應的輔助數據元素。這些輔助數據元素列出了每個sigmaO測量值的位置、質量、以及不確定性等相關信息。L2A產品中的sigmaO以風矢量單元進行分組。每一個風矢量單元行對應地面測量劉幅的一個交軌切割。每一個L2A風矢量單元都是一個25km的正方形。因此,需要1624個風矢量單元行完成對地球的一次完整覆蓋，其中，每個軌道數據被劃分成1624X76個風矢量單元，1624對應順軌方向，76對應交軌方向。
[0008]L2B級產品的數據文件以軌道為單位進行組織，即每個軌道的風矢量測量數據構成一個L2B文件。L2B級產品中的每個數據元素都可以通過風矢量單元的行、列號進行索引。L2B級產品中的風矢量單元行的延伸方向與星下線相垂直，列的延伸方向與星下線方向相一致。L2B級產品中最多給出4個風速、風向模糊解，并按似然值由高到低的順序排列。
[0009]HY-2A散射計的L3級產品的數據以0.25° X0.25°大小的網格形式提供每天的全球海面風場數據，并將升軌和降軌分開。當有多個風矢量單元落入到同一網格單元內時，那么數據值就會被覆蓋，而不是平均。因此，散射計Level3文件中僅包括了每一天中最近的一次測量值。
[0010]從散射計測得的海面后向散射系數反演海面風矢量需要解決三個方面的問題:建立地球物理模型，風矢量求解算法，模糊解去除算法。相關技術中，模糊解去除算法通常米用圓中數濾波算法，從本質上來說，圓中數濾波算法是一種噪聲濾波算法，這種算法用于風場模糊解去除時，模糊解初始場的好壞將直接決定模糊解去除的效果。要圓中數濾波模糊解去除算法達到比較好的效果，需要滿足初始場至少有50%以上的解是正確的解，且不能出現片狀模糊的條件。在通常情況下，上述條件是可以滿足的，但是在受到降雨等影響時，散射計模糊解的初始場通常會出現片狀的180°模糊，這種情況下，圓中數濾波算法就不能較好的達到模糊解去除的效果。

【發(fā)明內容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種海洋二號衛(wèi)星散射計海面風場反演方法和裝置，以解決上述的問題。
[0012]在本發(fā)明的實施例中提供了一種海洋二號衛(wèi)星散射計海面風場反演方法，包括:建立地球物理模型函數Otl=F (V，X ,..., f, P, Θ);其中，O。代表海面對應的后向散射系數；V為風速；X為風向的相對方位角；f為散射計的工作頻率；p為極化方式；Θ為散射計天線的入射角；基于所述地球物理模型函數設定目標函數；其中，所述目標函數
J =其中O 01為所述散射計實際測得的后向散射系
數，σ m為預測的對應風速為V,相對風向為X時的后向散射系數，N為用于風矢量反演后向散射系數測量結果的總數；對每個風矢量單元，查找所述目標函數的局部最大值的風速與風向，并將查找到的風速與風向作為當前風矢量單元的模糊解；分別將每個風矢量單元的模糊解按其對應的目標函數值由大到小排序；從當前風矢量單元的模糊解中選出最大的兩個目標值對應的模糊解，將兩個所述模糊解分別與NCEP預報的風向比較，并將比較結果中與所述NCEP預報的風向最接近的模糊解作為所述當前風矢量單元的初始場；將所有風矢量單元的初始場作為圓中數濾波的模糊解初始場，進行模糊解去除操作，得到海面風場的真實數據。
[0013]本發(fā)明實施例還提供了一種海洋二號衛(wèi)星散射計海面風場反演裝置，包括:地球物理模型建立模塊，用于建立地球物理模型函數oq=F(V，X ,..., f, P, Θ);其中，代表海面對應的后向散射系數；V為風速；X為風向的相對方位角；f為散射計的工作頻率$為極化方式；Θ為散射計天線的入射角；模糊解獲取模塊，用于基于所述地球物理模型函數
設定目標函數；其中，所述目標函數
【權利要求】
1.一種海洋二號衛(wèi)星散射計海面風場反演方法，其特征在于，包括: 建立地球物理模型函數O Q=F(V，X，...，f，P，θ );其中，O ^代表海面對應的后向散射系數；V為風速；X為風向的相對方位角；f為散射計的工作頻率；p為極化方式；Θ為散射計天線的入射角； 基于所述地球物理模型函數設定目標函數；其中，所述目標函數
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述將兩個所述模糊解分別與NCEP預報的風向比較的步驟之前，所述方法還包括: 提取當前風矢量單元的觀測經緯度和觀測時間，分別記錄為MES_Lat、MES_Lon和PRD_time ； 根據當前風矢量單元的觀測時間確定所述NCEP預報的兩個時次的預報數據，其中，所述兩個時次分別記錄為timel和time2 ； 從所述預報數據中提取以所述當前風矢量單元為中心的四個角點的風矢量，所述四個角點的風矢量包括:所述四個角點的經緯度信息和經向、緯向的風速分量，分別記錄為 Mer—Lat1、Mer^oni> Z0N_Metj (time2)、Z0N_Metj (timel)、MER-Meti (time2)、MER_Meti (timel);其中下標i變化范圍為I_4，分別對應4個角點； 計算距離權重系數Cli ;其中，
3.一種海洋二號衛(wèi)星散射計海面風場反演裝置，其特征在于，包括: 地球物理模型建立模塊，用于建立地球物理模型函數oq=F(V，x，...，f，p，Θ);其中，σ ο代表海面對應的后向散射系數；V為風速；X為風向的相對方位角；f為散射計的工作頻率；P為極化方式；Θ為散射計天線的入射角； 模糊解獲取模塊，用于基于所述地球物理模型函數設定目標函數；其中，所述目標函
4.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括: 第一參數提取模塊，用于提取所述模糊解獲取模塊中的當前風矢量單元的觀測經緯度和觀測時間，分別記錄為MES_Lat、MES_Lon和PRD_time ； 預報數據確定模塊，用于根據所述第一參數提取模塊提取的所述當前風矢量單元的觀測時間確定所述NCEP預報的兩個時次的預報數據，其中，所述兩個時次分別記錄為timel和 time2 ； 第二參數提取模塊，用于從所述預報數據中提取以所述當前風矢量單元為中心的風矢量，所述四個角點的風矢量包括:所述四個角點的經緯度信息和經向、緯向的風速分量，分別記錄為 Mer-LatiUMerJ^onpZON-Meti (time2) > Z0N_Metj (timel)、MER_Meti (time2)、MER_Meti (timel);其中下標i變化范圍為1_4，分別對應4個角點； 距離權重系數計算模塊，用于計算距離權重系數di ;其中，(cos(90 - Mer _ Lat1) * cos(90 - MES _ Lat)、 d, = ar cos— !—
'i+sin(90 - Met _ Lati) * sin(90 — MES _ Lati) * cos(Met _ Lonl - MES _ Lon) J.9時間權重系數計算模塊，用于計算時間權重系數α，其中，

【文檔編號】G01S7/02GK103698750SQ201410007223
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月7日 優(yōu)先權日:2014年1月7日
【發(fā)明者】鄒巨洪, 林明森, 鄒斌, 黃磊, 張治平 申請人:國家衛(wèi)星海洋應用中心