【摘要】： 傳統(tǒng)海洋測量方法例如岸基觀測站、船只和浮標(biāo)等方式只能對海面進(jìn)行單點觀測,存在很多不足之處,例如:觀測點少,只能獲得有限的點的資料,無法得到大范圍的海面信息;費用較高,無法大范圍的密集觀測;并且,傳統(tǒng)方法受天氣影響較大,無法長時間的連續(xù)觀測。星載合成孔徑雷達(dá)能全天候、全天時、高分辨率對海面成像,能實現(xiàn)多波段、多極化、多視角得觀測海面,提供大范圍、高精度的實時動態(tài)海面信息。同時,這種全天候、全天時和高分辨率觀測海洋的優(yōu)勢是可見光和紅外傳感器所沒有的。總之研究如何從SAR影像中有效地獲取海面信息具有重要的科學(xué)和實用意義。 自從1978年Seasat衛(wèi)星發(fā)射以來,SAR圖像就被廣泛的應(yīng)用于海洋要素的反演,如海面風(fēng)場、波高、平均周期。其中對海面風(fēng)場的反演研究的最多,一般的方法是首先對SAR圖像進(jìn)行快速傅立葉變換得到SAR圖像譜,通過圖像譜的峰值信息能夠得到具有180°模糊的風(fēng)向,利用SAR圖像的條紋或者浮標(biāo)等外部信息來消除180°模糊從而確定風(fēng)向,然后把得到的風(fēng)向和SAR圖像的正交后向散射截面數(shù)值(NRCS)帶入經(jīng)驗函數(shù)CMOD4或者CMOD5等反演函數(shù)通過迭代計算得到風(fēng)速。這種方法得到的海面風(fēng)場需要外部信息的輔助,不利于大范圍業(yè)務(wù)化的反演海面風(fēng)場。因此本文試圖直接通過SAR圖像來反演海面風(fēng)場而不利用其他外部信息的幫助。2002年3月1日發(fā)射的ENVISAT衛(wèi)星所獲得的ASAR圖像具有不同于ERS系列的SAR圖像的新特點:(1)不同入射角的情況下獲得ASAR圖片,(2)可以同步的獲得雙極化甚至多極化數(shù)據(jù),(3)可以獲得更寬的帶幅的圖像。雙極化數(shù)據(jù)可以同時地提供同極化和交錯極化的影像,兩種極化的數(shù)據(jù)能夠增加分辨目標(biāo)的能力和提供目標(biāo)更多的信息,這方面的優(yōu)勢也使得利用雙極化的數(shù)據(jù)來消除SAR圖像反演風(fēng)場中的180o模糊問題提供了可能。本文推導(dǎo)了利用雙極化的ASAR圖像反演海面風(fēng)場的新函數(shù),該函數(shù)是在同極化和交錯極化函數(shù)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的,有效的消除了只用一副ASAR圖片反演風(fēng)場所固有的180o模糊現(xiàn)象。風(fēng)速和風(fēng)向的反演結(jié)果與Quikscat數(shù)據(jù)之間的均方根誤差分別為0.53 m/s和2.21o。該方法與傳統(tǒng)方法的比較可以看出新方法與浮標(biāo)數(shù)據(jù)以及Quikscat數(shù)據(jù)符合的更好。 利用SAR圖像來反演海浪的波高也是一個研究的比較多的領(lǐng)域。比較傳統(tǒng)的方法是由SAR圖像得到的海浪譜計算出波高,目前國際上比較流行的SAR圖像反演海浪譜的模式有兩種:一種是Hasselmann(1991)提出的在Max-Planck Institute(MPI)發(fā)展起來的方法,Hasselmann(1996)進(jìn)行了改進(jìn)和完善。另一種是Mastenbroek和de Valk(2000)提出的半?yún)?shù)化反演方法。這兩種方法的最主要的缺點就是需要引進(jìn)外部信息(WAM模式結(jié)果或者散射計的風(fēng)的信息)來消除圖像所固有的180°方向模糊問題。而本文應(yīng)用的經(jīng)驗函數(shù)方法(CWAVE)不需要引進(jìn)任何外部信息而直接得到海浪的重要參數(shù)-有效波高(Hs),輸入該經(jīng)驗函數(shù)的參數(shù)主要有:波模式圖像的雷達(dá)截面、圖像方差以及由SAR譜得到的20個參數(shù)。這些參數(shù)的選擇是通過逐步回歸方法進(jìn)行篩選的。CWAVE經(jīng)驗函數(shù)的系數(shù)是通過6000幅全球分布的ERS-2波模式的圖像譜擬合同時同地點的WAM模式結(jié)果得到的。利用CWAVE經(jīng)驗函數(shù)反演了1998年9月到2000年11月兩年多的全球接近一百萬的ERS-2 SAR圖像的有效波高,利用NOAA浮標(biāo)數(shù)據(jù)對反演結(jié)果進(jìn)行了驗證,他們之間的相關(guān)系數(shù)為0.83,均方根誤差為0.61m,偏差為0.02 m;反演結(jié)果也與歐洲中長期預(yù)報中心(ECMWF)的ERA-40有效波高資料和高度計資料進(jìn)行了比較,結(jié)果表明該方法是通過SAR圖像反演Hs的一種有效方法。 SAR的反演結(jié)果也應(yīng)用于有效波高的非線性統(tǒng)計分布的研究。結(jié)合動力學(xué)和隨機(jī)統(tǒng)計學(xué)原理推導(dǎo)了海面高度、波高和有效波高的非線性統(tǒng)計分布,同時利用了NOAA浮標(biāo)數(shù)據(jù)、華師大的波高數(shù)據(jù)以及SAR的有效波高數(shù)據(jù)分別對推導(dǎo)出的非線性統(tǒng)計分布函數(shù)進(jìn)行了檢驗。 SAR的結(jié)果也用來反演新的風(fēng)浪成長關(guān)系: H = 0.00854T~(1.564),與已有的風(fēng)浪成長關(guān)系的比較表明該成長關(guān)系與已有的結(jié)果比較一致。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（海洋研究所）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：P714
【圖文】：

圖 1.1 ENVISAT 示意圖AR 的先進(jìn)性體現(xiàn)在兩個方面，一方面，它有五種工作模式，分別波模式、圖像模式、改變極化模式和寬幅模式。ENVISAT ASAR模式，沿著衛(wèi)星路徑每隔 100km 就觀測一次，這樣，每天就可以0 個全球海洋的小幅 SAR 圖像。另一方面，ASAR 可以在寬幅模式從而可以獲得海面更大區(qū)域（大約 400km*400km）的 SAR 圖像，中的中尺度現(xiàn)象的研究以及用于預(yù)報的中尺度風(fēng)場的獲得帶來了同樣也為大范圍的海浪信息提取以及臺風(fēng)風(fēng)浪場的路徑研究創(chuàng)造了于 2007 年由德國空間中心和歐空局合作發(fā)射的 TerraSAR-X 衛(wèi)星，它的分辨率能達(dá)到幾米，如此高的分辨率為分析更小尺度的大氣了可能。圖 1.2 是 TerraSAR-X 的示意圖。圖 1.3 總結(jié)了各種雷達(dá)頻段。

圖 1.2 TerraSAR-X 示意圖圖 1.3 各種可用的雷達(dá)波段示意圖2.2 利用 SAR 來提取海面風(fēng)場的研究現(xiàn)狀海面風(fēng)場是海洋上層運動的主要動力來源，它與海洋中的幾乎所有的物理密切。在海洋動力學(xué)過程中，它不僅是形成海面波浪的直接動力，而且是區(qū)全球海洋環(huán)流的動力。同時，海面風(fēng)場調(diào)節(jié)海/氣之間的熱量、水汽和物質(zhì)，對區(qū)域和全球氣候有著舉足輕重的作用，它也是氣象預(yù)報的必要參數(shù)。此面風(fēng)場還直接影響著海上航運、海洋工程、海洋漁業(yè)等，海面風(fēng)場還為海軍

圖 1.3 各種可用的雷達(dá)波段示意圖1.2.2 利用 SAR 來提取海面風(fēng)場的研究現(xiàn)狀海面風(fēng)場是海洋上層運動的主要動力來源，它與海洋中的幾乎所有的物理過程密切。在海洋動力學(xué)過程中，它不僅是形成海面波浪的直接動力，而且是區(qū)域和全球海洋環(huán)流的動力。同時，海面風(fēng)場調(diào)節(jié)海/氣之間的熱量、水汽和物質(zhì)交換，對區(qū)域和全球氣候有著舉足輕重的作用，它也是氣象預(yù)報的必要參數(shù)。此外，海面風(fēng)場還直接影響著海上航運、海洋工程、海洋漁業(yè)等，海面風(fēng)場還為海軍的指揮人員制定正確的作戰(zhàn)方案提供了重要的科學(xué)依據(jù)。海面風(fēng)通過風(fēng)應(yīng)力對海面的作用，產(chǎn)生風(fēng)生表面波，，這些表面波直接或者間接地改變了海面粗糙度和雷達(dá)地后向散射截面，圖 1.4 表明了這種作用，颶風(fēng)或者臺風(fēng)期間的 SAR 圖片最能說明問題，圖 1.4 所示的圖片是位于北緯 27度，東經(jīng) 30 度，于 2002 年 8 月 29 日 9:21 Rusa 臺風(fēng)期間獲得的，從圖中明顯的

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