[发明专利]一种基于最优插值模型的合成孔径雷达海面风场反演方法

说明书

本发明属于海洋微波遥感技术领域，具体涉及一种基于最优插值模型的合成孔径雷达海面风场反演方法。本发明应用最优插值理论，其中最优插值模型为公式为：xsubgt;a/subgt;＝xsubgt;b/subgt;+BHsupgt;T/supgt;(HBHsupgt;T/supgt;+εsubgt;o/subgt;supgt;2/supgt;)supgt;‑1/supgt;[y‑H(xsubgt;b/subgt;)]；将最优插值模型公式作为本发明中最优插值模型的最终表述。然后结合地球物理模型、背景风场、雷达后向散射截面及其误差分布情况，构造出单次合成孔径雷达探测下的风场反演最优插值模型。本发明提出的基于最优插值模型的合成孔径雷达海面风场反演方法，可有效降低背景风场误差，提高风场反演精度，且具有解析解，计算速度快，为合成孔径雷达海面风场反演提供了一种新的方法。

技术领域

本发明属于海洋微波遥感技术领域，具体涉及一种基于最优插值模型的合成孔径雷达海面风场反演方法。

背景技术

海面风是研究海面物理量的关键参数，在天气预报、风资源评估、海浪数值模拟、溢油监测等多个领域起着十分重要的作用；利用浮标、船舶、海上平台等现场直接探测方式可以获取高精度的海面风场，但有限的数量使得其空间、时间分辨率较低，不能满足日渐增长的对高分辨率海面风场数据应用的需求。

近几十年来，随着卫星遥感的发展，利用卫星传感器探测数据反演获得海面风场的技术逐步成熟和完善；在各种卫星中，微波散射仪在提供全球海面风场方面发挥着至关重要的作用，然而，微波散射仪只能获得粗分辨率(12.5～50km)的海面风场，适用于开阔洋面，这在一定程度上限制了对近岸海域海洋大气边界层及海洋过程的研究；而星载合成孔径雷达可以缓解这一难题，它具有全天候昼夜观测的能力，能够提供比散射仪高出近两个数量级(亚公里)的海面风场，对近海岸风场的反演具有独特的优势。

对于15°～70°之间的入射角，卫星传感器接收的来自海面的雷达反向散射主要是由小尺度海面粗糙引起的，而海面粗糙会受到海面风场的强烈影响，这样就使得从合成孔径雷达图像中提取海面风成为了可能。1979年，Weissman等人分析指出合成孔径雷达强度图像与海面风场存在相关性，图像中风条纹的方向与风向基本一致,强度大小与风速相关；基于这一发现，形成了基于风条纹反演海面风场的经典模式，该模式将风向和风速分开进行反演，其中风向反演主要包括傅里叶变换、小波变换、梯度分析(Sobel算子、数值微分)等方法；风速反演则是在获得风向的基础上，通过地球物理模型计算获得。但由于风条纹产生需要特定的气象条件，相关研究表明仅有35％～48％的强度图像中存在风条纹，同时，风向无法获取或者误差较大会直接影响风速的获取及精度，30°的风向误差可导致高达40％的风速误差，这使得该方法在应用中具有一定局限性。

2002年，Portabella等人提出一种基于贝叶斯理论的风场反演方法，该方法结合雷达测量的后向散射截面、地球物理模型、数值预报模式输出的先验风场及相关数据的不确定性，构建了一个变分模型，通过求取代价函数极小值来确定最优风矢量。该方法有效性分别在ERS-2、ENVISAT、RADARSAT-1以及我国的GF-3合成孔径雷达反演海面风场应用中得到了证明；该方法不需要考虑风条纹信息，可以同时输出风向风速，与风条纹反演算法形成优势互补。但由于该变分方程为非线性方程，不能直接获得方程的解析解，只能通过迭代或者枚举法求得最优解，解不稳定，且计算时间较长。

发明内容

针对基于贝叶斯理论的变分模型反演算法存在的不足，本发明提供一种基于最优插值模型的合成孔径雷达海面风场反演方法。该方法考虑了地球物理模型、背景风场、雷达后向散射截面及其误差分布情况，通过线性化代价函数，求取最小分析误差，可直接求得分析风场解析解。为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于最优插值模型的合成孔径雷达海面风场反演方法，其中最优插值模型为公式为：