本發(fā)明涉及合成孔徑雷達(dá)，具體是涉及一種適用于極地區(qū)域sar海浪反演方法。

背景技術(shù)：

1、在氣候變化的大背景下，極地地區(qū)特別是北冰洋的海冰正在逐漸融化。海流的擴(kuò)大、持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)和風(fēng)應(yīng)力的增大使波浪的生長(zhǎng)加快，對(duì)海氣界面的能量交換起著重要的作用。由于惡劣的天氣條件，在北冰洋很難進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。因此，大氣和海洋學(xué)研究幾乎完全依賴于數(shù)值模擬和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。

2、近幾十年來，全球80°n以內(nèi)海域的海面動(dòng)力監(jiān)測(cè)(風(fēng)浪)遙感技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，如散射計(jì)、高度計(jì)、海面波浪調(diào)查與監(jiān)測(cè)(swim)等。然而，使用這些技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品不能滿足區(qū)域海洋學(xué)研究的要求，例如高分辨率數(shù)據(jù)，即散射計(jì)12.5公里的覆蓋范圍和高度計(jì)10公里的足跡。攜帶合成孔徑雷達(dá)(sar)的衛(wèi)星，如radarsat-1/2(r-1/2)、terrasar-x和tandem-x(ts-x/td-x)、sentinel-1(s-1)和高分3號(hào)(gf-3)，由于具有高空間分辨率(即ts-x/td-x為1米)，對(duì)海面監(jiān)測(cè)非常有用。近二十年來，人們開發(fā)了幾種用于共極化(垂直-垂直(vv)和水平-水平(hh))sar風(fēng)反演的地球物理模型函數(shù)(gmfs)，即用于c波段和x波段sar的cmod和xmod。在常規(guī)大氣條件下(<25m/s)，基于對(duì)系泊浮標(biāo)和遙感產(chǎn)品的驗(yàn)證，gmfs的風(fēng)速誤差小于2m/s。在之前的研究中，使用歐洲遙感(ers)sar圖像在邊緣冰區(qū)(miz)和北極沿海地區(qū)進(jìn)行風(fēng)反演，均方根誤差(rmse)為2m/s。此外，提出了一種反向傳播(bp)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于北極miz地區(qū)獲取的eh偏振ew圖像的sar風(fēng)反演，通過散射計(jì)測(cè)量得到1.25m/s的rmse。

3、sar波浪的反演算法主要有三類:基于sar波成像機(jī)理的理論方法用于波譜反演；基于回歸函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜诓ɡ藚?shù)反演(有效波高(swh)和平均波周期(mwp))；基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能方法用于波浪參數(shù)反演。理論方法的原理是利用sar強(qiáng)度譜和三個(gè)成像模型傳遞函數(shù)(mtfs)反演波譜。三種調(diào)制包括線性傾斜、流體動(dòng)力調(diào)制和非線性速度聚束。理論方法的難點(diǎn)在于速度聚束的求解，該方法采用變分方程法，通過最小化代價(jià)函數(shù)來求解。根據(jù)這一原理，已經(jīng)開發(fā)了幾種波浪反演算法，即馬克斯普朗克研究所(mpi)使用數(shù)值波浪模型的波浪譜提出的算法，半?yún)?shù)反演算法(spra)使用參數(shù)波函數(shù)的風(fēng)波譜，德國(guó)航空航天中心(dlr)結(jié)合mpi和交叉譜算法，使用最大后驗(yàn)方法生成最優(yōu)譜的分割重標(biāo)和移位算法(prsa)，以及分別反演風(fēng)浪和膨脹譜的參數(shù)化首猜譜方法(pfsm)。此外，由于nrcs的分布僅與極化(vv、hh和vh)有關(guān)，因此使用全極化sar技術(shù)反演波斜率譜。利用極化r-2圖像獲得的波浪反演已與系泊浮標(biāo)的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。針對(duì)各種sar已經(jīng)建立了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，即c波段的cwave和x波段的xwave，其中調(diào)制的復(fù)雜mtf可以忽略不計(jì)。在人工智能的背景下，將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于sar波反演是一個(gè)可行的方向。雖然這些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜕疃葘W(xué)習(xí)方法獲得的波浪參數(shù)主要包括swh和mwp，但通過理論方法反演的波浪譜可以提供更多的信息，即波浪能量的分布和波浪遇到海冰的特征。

4、在文獻(xiàn)中，傾斜調(diào)制表示nrcs隨雷達(dá)入射角的變化；因此，浮冰通過傾斜調(diào)制對(duì)sar粗糙度有顯著影響。也就是說，nrcs的變化受到海冰的強(qiáng)烈影響。此外，傾斜mtf是理論算法中的關(guān)鍵因素，它是基于bragg的理論推導(dǎo)出來的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決上述問題，提供了一種適用于極地區(qū)域sar海浪反演方法。在不同海冰濃度范圍內(nèi)，傾斜調(diào)制表示nrcs隨入射角的變化是不同的，為了克服該問題，建立了一個(gè)多項(xiàng)式公式來改善傾斜調(diào)制mtf。然后，利用傳統(tǒng)的和更新后的傾斜mtf對(duì)圖像實(shí)施pfsm算法，獲得極地區(qū)域的sar海浪譜。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案具體包括：

2、一種適用于極地區(qū)域sar海浪反演方法，其包括：

3、s101：獲取星載合成孔徑雷達(dá)圖像、以及與之匹配的星載高度計(jì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和ww3模式模擬海浪所需要的輸入場(chǎng)數(shù)據(jù)；

4、s102：根據(jù)星載合成孔徑雷達(dá)圖像空范圍進(jìn)行ww3模式模擬海浪；

5、s103：構(gòu)造一種適用于極地區(qū)域sar海浪反演算法；

6、s104：驗(yàn)證所述適用于極地區(qū)域sar海浪反演算法的準(zhǔn)確性，采用所述適用于極地區(qū)域sar海浪反演算法對(duì)極地區(qū)域海浪進(jìn)行反演。

7、本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟s101中：

8、獲取的星載合成孔徑雷達(dá)圖像包括原始c波段sentinel-1合成孔徑雷達(dá)圖像；ww3模式模擬海浪所需要的輸入場(chǎng)數(shù)據(jù)包括：風(fēng)、流、水位和海冰參數(shù)數(shù)據(jù)；星載高度計(jì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括hy-2數(shù)據(jù)。

9、本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟s102中：

10、根據(jù)統(tǒng)計(jì)sentinel-1合成孔徑雷達(dá)圖像的時(shí)間范圍與空間范圍，采用ww3模式模擬與合成孔徑雷達(dá)圖像時(shí)空匹配的海浪；模式強(qiáng)迫場(chǎng)包括：

11、風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，來自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心每隔6小時(shí)的0.25°網(wǎng)格分辨率；

12、海面流和水位數(shù)據(jù)，來自混合坐標(biāo)海洋模式(hycom)每3小時(shí)0.08°網(wǎng)格分辨率；

13、海冰參數(shù)包括海冰濃度和海冰厚度，數(shù)據(jù)來自哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)服務(wù)以0.08°網(wǎng)格分辨率發(fā)布的每日再分析數(shù)據(jù)；

14、水深數(shù)據(jù)，來自gebco，分辨率為0.01度空間分辨率。

15、本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟s103中：

16、對(duì)星載合成孔徑雷達(dá)圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)、地理配準(zhǔn)；

17、通過星載合成孔徑雷達(dá)圖像計(jì)算對(duì)應(yīng)的多種調(diào)制函數(shù)mtf；

18、將ww3模式模擬海浪的結(jié)果與星載合成孔徑雷達(dá)圖像進(jìn)行協(xié)同定位；此過程中，ww3模式模擬海浪的結(jié)果與星載合成孔徑雷達(dá)圖像時(shí)間差和距離差分別小于15分鐘和2公里以內(nèi)；

19、采用星載合成孔徑雷達(dá)圖像改進(jìn)不同海冰濃度條件下vv和hh極化的傾斜調(diào)制函數(shù)mtf進(jìn)行更新；采用更新后的傾斜調(diào)制函數(shù)mtf配合參數(shù)化初譜法pfsm，進(jìn)行極地區(qū)域sar海浪反演。

20、本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，

21、采用星載合成孔徑雷達(dá)圖像改進(jìn)不同海冰濃度條件下vv和hh極化的傾斜調(diào)制函數(shù)mtf進(jìn)行更新的過程中：利用k均值聚類方法估計(jì)海冰濃度；針對(duì)不同海冰濃度范圍建立一個(gè)多項(xiàng)式公式來改善傾斜調(diào)制mtf：

22、

23、其中：tt是傾斜調(diào)制mtf；i是虛數(shù)字符；kl是平行于雷達(dá)視線方向的大尺度波數(shù)；θ是入射角；a0、a1、a2、a3為多項(xiàng)式系數(shù)；

24、參數(shù)化初譜法pfsm的主要特征是使用波數(shù)閾值ks將sar強(qiáng)度譜分離為兩組:風(fēng)浪分量和涌浪分量。波數(shù)閾值ks的表達(dá)式如下：

25、

26、其中，g是重力加速度的常數(shù),v是衛(wèi)星平臺(tái)速度,r是傾斜范圍；u10是從sar圖像上的每個(gè)子場(chǎng)景反演的風(fēng)速,是主波傳播和傾斜方向之間的角度；如果波數(shù)k大于ks，則通過最小化成本函數(shù)cost來推導(dǎo)風(fēng)浪譜，其表示如下：

27、

28、其中，fk是以波數(shù)k表示的真實(shí)風(fēng)浪譜；是由參數(shù)波浪模型估計(jì)的風(fēng)浪譜，該模型被視為第一猜測(cè)值；ek假定為所要獲得的sar海浪譜；μ是權(quán)重系數(shù)；b為了確保計(jì)算的收斂性系數(shù)，設(shè)置為0.001；是使用以下方程式中的和mtf映射sar頻譜，計(jì)算公式如下：

29、ts＝tt+thy+tvb

30、對(duì)于波數(shù)k小于ks的sar強(qiáng)度譜，由于tvb可以忽略不計(jì)，因此通過直接逆解sar譜的給定部分來獲得涌浪譜；風(fēng)浪和涌浪譜的總和作為sar反演的海浪譜；通過上述公式獲得sar反演的海浪譜，進(jìn)行有效波高的計(jì)算。計(jì)算公式如下：

31、

32、其中：swh為有效波高。

33、本發(fā)明的有益效果包括：本發(fā)明的方法提供了一種適用于極地區(qū)域sar海浪反演算法，提升了極地區(qū)域sar海浪反演能力，降低了海冰濃度對(duì)于海浪反演的不利影響。