[发明专利]海洋二号卫星散射计海面风场反演方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及海洋微波遥感技术领域，具体而言，涉及海洋二号卫星散射计海面风场反演方法和装置。

背景技术

海洋表面风场是影响海浪、海流、水团的活跃因子和海洋动力学的基本参数，对全球海洋风场的监测，在沿海地区的防灾减灾，海洋环境保障，以及促进海洋相关科学研究中具有重要意义。卫星散射计以其全天时、全天候、高时空分辨率，大覆盖范围等特点，已成为全球海面风场最为重要的观测手段。

卫星散射计是一种经过定标的雷达，它向海面主动发射电磁波，并接收经过海面调制的回波信号。雷达回波信号将由发射信号以及海面特征共同决定。当海浪波长与雷达发射电磁波波长满足布拉格散射条件时，各波面产生的后向散射电磁波相位相同，从而产生共振，回波能量将主要由产生共振的电磁波决定。在微波散射计的工作频率下，满足布拉格谐振条件的海面波为海表毛细波，海洋表面毛细波的谱密度与海洋表面上的风速直接相关。因此，通过雷达测得的回波信号可获取海面风场的信息。通过对雷达回波信号的处理，可得出仅与海面情况有关的归一化后向散射系数（NRCS，或σ⁰），从散射计测得的σ⁰可进一步提取出海面风场，海面风场的信息提取过程称为风矢量反演。

海洋二号卫星微波散射计（HY2-SCAT）为一个可业务化运行的微波散射计，HY2-SCAT主要用于全球海面风场观测，测风风速范围为4～24m/s，风速精度为2m／s或10%；风向测量范围为0～360°，风向精度为±20°。HY2-SCAT工作频率为13.256GHz，采用笔形波束圆锥扫描方式，通过笔形波束以固定仰角围绕天底方向旋转，在卫星平台顺轨方向的运动中形成一定的地面覆盖刈幅；散射计系统包括VV和HH两个极化方式，分别以不同入射角进行观测，在平台的运动过程中对同一分辨单元可获取不同极化方式，不同入射角度的多次后向散射系数（σ⁰）测量结果，以克服海面风场方向反演的多值模糊问题。其中内波束采用HH极化方式，入射角为41°，对应地面刈幅宽度约为1350km。外波束采用VV极化方式，入射角为48°，对应地面刈幅宽度约为1700km。

海洋二号卫星散射计目前可提供的数据产品分为L1B级产品、L2A级产品、L2B级产品和L3级产品。各级产品简单介绍如下：

L1B级产品的数据为以遥测帧的时间为顺序进行存储的散射计观测数据。每个遥测帧包括96个散射计测量脉冲，每个测量脉冲包括后向散射系数，每个脉冲足迹的地理位置、以及用来描述测量数据的质量和不确定性等信息的参数。

L2A级产品文件包括卫星平台在一个空间轨道内获得的每个雷达后向散射sigma0测量值。此外，L2A产品也包含一些与每个sigma0测量值相对应的辅助数据元素。这些辅助数据元素列出了每个sigma0测量值的位置、质量、以及不确定性等相关信息。L2A产品中的sigma0以风矢量单元进行分组。每一个风矢量单元行对应地面测量刈幅的一个交轨切割。每一个L2A风矢量单元都是一个25km的正方形。因此，需要1624个风矢量单元行完成对地球的一次完整覆盖，其中，每个轨道数据被划分成1624×76个风矢量单元，1624对应顺轨方向，76对应交轨方向。

L2B级产品的数据文件以轨道为单位进行组织，即每个轨道的风矢量测量数据构成一个L2B文件。L2B级产品中的每个数据元素都可以通过风矢量单元的行、列号进行索引。L2B级产品中的风矢量单元行的延伸方向与星下线相垂直，列的延伸方向与星下线方向相一致。L2B级产品中最多给出4个风速、风向模糊解，并按似然值由高到低的顺序排列。

HY-2A散射计的L3级产品的数据以0.25°×0.25°大小的网格形式提供每天的全球海面风场数据，并将升轨和降轨分开。当有多个风矢量单元落入到同一网格单元内时，那么数据值就会被覆盖，而不是平均。因此，散射计Level3文件中仅包括了每一天中最近的一次测量值。

从散射计测得的海面后向散射系数反演海面风矢量需要解决三个方面的问题：建立地球物理模型，风矢量求解算法，模糊解去除算法。相关技术中，模糊解去除算法通常采用圆中数滤波算法，从本质上来说，圆中数滤波算法是一种噪声滤波算法，这种算法用于风场模糊解去除时，模糊解初始场的好坏将直接决定模糊解去除的效果。要圆中数滤波模糊解去除算法达到比较好的效果，需要满足初始场至少有50%以上的解是正确的解，且不能出现片状模糊的条件。在通常情况下，上述条件是可以满足的，但是在受到降雨等影响时，散射计模糊解的初始场通常会出现片状的180°模糊，这种情况下，圆中数滤波算法就不能较好的达到模糊解去除的效果。