HY－2A衛(wèi)星高度計(jì)有效波高信息提取業(yè)務(wù)化算法

范陳清，張杰，孟俊敏，汪棟，李秀仲

（1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島，266061）

HY－2A衛(wèi)星高度計(jì)有效波高信息提取業(yè)務(wù)化算法

范陳清1，張杰1，孟俊敏1，汪棟1，李秀仲1

（1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島，266061）

2011年8月16日我國成功發(fā)射了第一顆自主海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星HY-2A，有效波高是其搭載的雷達(dá)高度計(jì)可獲取的重要海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)之一。本文詳細(xì)介紹了應(yīng)用于HY-2A雷達(dá)高度計(jì)的有效波高信息提取業(yè)務(wù)化算法，該算法通過迭代最小二乘擬合方法提取有效波高信息。同時(shí)，基于HY-2A雷達(dá)高度計(jì)業(yè)務(wù)化運(yùn)行獲取的有效波高數(shù)據(jù)，分別與Jason-2衛(wèi)星高度計(jì)有效波高和NDBC浮標(biāo)海浪波高數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對分析。比較結(jié)果表明，HY-2A雷達(dá)高度計(jì)與Jason-2有效波高的標(biāo)準(zhǔn)偏差為-0.26 m，RMS為0.58 m；HY-2A高度計(jì)與NDBC浮標(biāo)數(shù)據(jù)間的標(biāo)準(zhǔn)偏差為-0.22 m，RMS為0.37 m。結(jié)果證明了目前應(yīng)用于HY-2A雷達(dá)高度計(jì)業(yè)務(wù)化運(yùn)行中的有效波高信息提取算法的可行性。

HY-2A；高度計(jì)；有效波高

1 引言

2011年8月16日，我國成功發(fā)射了第一顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星海洋二號A（HY-2A），其主要搭載衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)、微波輻射計(jì)、微波散射計(jì)和校正輻射計(jì)4種微波遙感器，具備全天時(shí)、全天候、全球海洋動(dòng)力環(huán)境探測能力。有效波高信息作為衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)能夠測量的3種基本觀測量中的一種，是通過對衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)海面回波波形的分析計(jì)算得到的1）。高精度有效波高的獲取將為我國海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)以及海上活動(dòng)提供重要的支持。

目前，衛(wèi)星高度計(jì)回波波形跟蹤方法主要有遠(yuǎn)海的海洋算法［1—2］、陸地冰層的Beta5／9算法［3］、重力中心偏離法（OCOG）［4］和冰層算法二［5—6］、海冰的閾值重構(gòu)算法等［7—9］。本文主要采用適用于遠(yuǎn)海的海洋算法，現(xiàn)使用的海洋算法均是由Brown［10］提出了海洋回波的平均回波功率的卷積模型基礎(chǔ)上發(fā)展而來。在Brown模型的基礎(chǔ)上，Hayne［11］提出將回波模型中的海面鏡像點(diǎn)概率密度函數(shù)和雷達(dá)系統(tǒng)點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)都近似為不對稱的高斯函數(shù)，使回波模型更加具有實(shí)用性。Rodriguez和Chapman［12］將地球曲率的影響考慮到回波模型中，并取得較好效果，并被應(yīng)用到后來的星載高度計(jì)數(shù)據(jù)處理中。不同的衛(wèi)星高度計(jì)根據(jù)自身的實(shí)際情況以及設(shè)計(jì)要求分別采用了不同的回波模型。

針對HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)實(shí)際回波以及衛(wèi)星高度計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)，本文采用了考慮地球曲率的Hayne平坦海面平均脈沖響應(yīng)模型、引入斜度的海面鏡像點(diǎn)分布函數(shù)以及高斯函數(shù)表示的雷達(dá)點(diǎn)目標(biāo)脈沖響應(yīng)函數(shù)。同時(shí)在實(shí)際反演過程中，也考慮了HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)回波功率統(tǒng)計(jì)特性、部分波形后沿抬高以及靠近陸地、海島和海冰時(shí)出現(xiàn)的波形上升沿抖動(dòng)情形下的波形處理，并基于Jason-2數(shù)據(jù)以及NDBC浮標(biāo)數(shù)據(jù)對反演結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 高度計(jì)測量有效波高原理與信息提取算法

雷達(dá)高度計(jì)工作原理是通過向海面發(fā)射脈沖信號，該脈沖信號與海表面相互作用后，部分能量反射回雷達(dá)高度計(jì)，通過對接收到的回波功率波形的分析，可提取海面的有效波高。一般地，雷達(dá)高度計(jì)接收到的回波波形分為3個(gè)部分：波形平坦區(qū)、波形前沿上升區(qū)以及波形后沿下降區(qū)。有效波高（SWH）取決于海面回波上升沿的斜率，當(dāng)上升沿斜率增大時(shí)，SWH就減?。环粗?，SWH就增大［12］，圖1。

圖1 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)回波波形示例

2.1 回波模型

Moore和Williams［13］通過實(shí)驗(yàn)證明了海面的平均回波功率和海洋表面特性之間的相互關(guān)系，即認(rèn)為海面的平均回波功率可以表示為發(fā)射脈沖的功率包絡(luò)與包括散射系數(shù)、天線增益等參數(shù)在內(nèi)的表達(dá)式的卷積。該理論經(jīng)過Barrick的完善［14］，得出了一個(gè)在數(shù)學(xué)和物理上都清晰的卷積模型［15］，即將海面的平均回波功率W（t）表示為：

W（t）＝PFS（t）×qs（t）×Sr（t），（1）式中，W（t）為接收回波的平均功率；PFS（t）為平坦海平面平均脈沖響應(yīng)函數(shù)；qs（t）為海面鏡像點(diǎn)概率密度函數(shù)；Sr（t）為雷達(dá)系統(tǒng)點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)。該模型可進(jìn)一步表示為：

2.2 有效波高提取方法

不同的衛(wèi)星高度計(jì)根據(jù)自身的實(shí)際情況以及設(shè)計(jì)要求分別采用了不同的回波模型，但有效波高提取算法基本一致。首先，基于嚴(yán)格的異常波形剔除原則去除受陸地、海島以及海冰污染的數(shù)據(jù)；其次，去除熱噪聲，并對1 s內(nèi)的波形進(jìn)行平均；最后，對1 s平均的波形進(jìn)行有效波高反演。

3 HY-2A高度計(jì)有效波高提取業(yè)務(wù)化算法

3.1 HY－2A高度計(jì)有效波高回波模型參數(shù)選擇

針對HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)儀器參數(shù)，設(shè)定回波模型中斜度參數(shù)λs＝-0．1，σp＝0.513T，T＝3.125 ns為雷達(dá)發(fā)射窄脈沖的3 dB時(shí)寬，即脈沖壓縮后的時(shí)間寬度，h＝973 km，為HY-2A衛(wèi)星到地面的軌道基準(zhǔn)高度，R為地球平均半徑，取值為6 371 km。根據(jù)以上參數(shù)，通過迭代加權(quán)最小二乘擬合可以獲取不同波形的4個(gè)參數(shù)值，進(jìn)而通過σs與SWH之間的關(guān)系，即SWH等于2cσs這一關(guān)系可獲得有效波高值。

3.2 有效波高提取

為了保證數(shù)據(jù)的完整性以及盡可能多的獲取有效數(shù)據(jù)，本文針對HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)波形特性，以及HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)在靠近陸地、海島以及海冰等目標(biāo)時(shí)回波波形的抖動(dòng)這一情況，考慮到對該波形進(jìn)行1 s平均通常難于保證波形完全對齊，從而導(dǎo)致引入新噪聲。因此，在對HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)處理中先對1 s內(nèi)單個(gè)波形進(jìn)行反演，最后對反演的波高值進(jìn)行1 s平均。該方法有效提高了有效波高反演的精度。其中，反演流程主要包括異常波形剔除、熱噪聲剔除、波形歸一化以及天線指向角計(jì)算等。

圖2 HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)回波波形

（1）異常波形剔除

異常波形剔除是為盡可能地保留衛(wèi)星高度計(jì)有效測量數(shù)據(jù)，同時(shí)剔除受陸地、海島及海冰等各種因素影響的測量數(shù)據(jù)。由于HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)回波波形后沿較高，且在靠近陸地、海島及海冰等目標(biāo)時(shí)波形前沿存在一定抖動(dòng)。如采用較為常用的天線指向角閾值或者半功率點(diǎn)波動(dòng)程度進(jìn)行判斷，則會(huì)剔除大量此類數(shù)據(jù)。而實(shí)際通過該數(shù)據(jù)的上升沿仍可獲得可靠的有效波高數(shù)據(jù)。因此，本文未采用嚴(yán)格的異常波形剔除準(zhǔn)則而是直接根據(jù)海陸標(biāo)記值剔除陸地?cái)?shù)據(jù)，結(jié)果表明該方法保留了大量易被剔除的有效數(shù)據(jù)。

（2）熱噪聲去除

根據(jù)HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)大量實(shí)際回波波形功率門統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在波形平坦區(qū)第19個(gè)采樣門之前采樣值較為穩(wěn)定且非常小。因此，本文將該區(qū)域定義為熱噪聲區(qū)。為消除熱噪聲對回波的影響，可采用前19個(gè)采樣門回波功率的均值作為熱噪聲值。實(shí)際計(jì)算表明，采用第13～17個(gè)采樣門的平均值的結(jié)果與采用前19個(gè)采樣門的平均值相當(dāng)。為簡化計(jì)算，本文采用了第13～17個(gè)采樣門的平均值作為最終熱噪聲，并將所有波形采樣門值減去該值來去除波形中的熱噪聲。

（3）波形歸一化

為便于后期波形擬合，需要根據(jù)波形最大值作歸一化處理。歸一化過程中，特別是在檢索波形最大值過程中，需要對回波形狀、回波幅度進(jìn)行分析。由于回波波形形狀和幅度受儀器特性（主要是天線衰減模型和波束寬度）、采樣門寬度、AGC、衛(wèi)星姿態(tài)角、海面斜率和海面后向散射特性（折射率、海面粗糙度、體散射）等因素的影響，波形最大值附近通常存在抖動(dòng)，且部分HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)波形后沿向上抬高。因此，為保證所獲得上升沿的最大值準(zhǔn)確度，根據(jù)HY -2A衛(wèi)星高度計(jì)波形統(tǒng)計(jì)（如圖3所示），本文設(shè)定只采用第46個(gè)采樣門之前的最大值作為整個(gè)波形最大值進(jìn)行歸一化處理。

圖3 HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)回波波形圖

（4）天線指向角計(jì)算

為了提高波形擬合一致程度，在進(jìn)行波形擬合之前首先計(jì)算天線指向角，將實(shí)際反演的天線指向角引入迭代過程中，從而提高反演精度。對于HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)有效波高反演，該方法比通常高度計(jì)采用固定值法更為優(yōu)越。

（5）波形擬合

根據(jù)前文確定的回波模型，采用迭代加權(quán)最小二乘擬合方法。首先構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)F：

式中，F(xiàn)FT（i）為歸一化回波信號，Weight（i）為采樣門的權(quán)重系數(shù)（i＝1，2，…，128），表示對于不同區(qū)域的波形，賦予不同大小的權(quán)重系數(shù)。

為了從海面回波波形數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確的提取出SWH信息，在利用迭代加權(quán)最小二乘擬合方法時(shí)必須選取合適的加權(quán)系數(shù)。在回波波形的擬合中，應(yīng)根據(jù)波形的不同位置對波形擬合的不同貢獻(xiàn)，需采用不同的權(quán)重。由于SWH主要決定于波形上升沿，對于波形上升沿?cái)M合程度的好壞直接影響著反演結(jié)果的好壞，它應(yīng)賦予較高的權(quán)重；波形的其他區(qū)域應(yīng)該相對賦予較低的權(quán)重。

根據(jù)式（3）求回波波形參數(shù)的問題可轉(zhuǎn)化為以下的優(yōu)化問題：min F（tp，ts）。

由于高度計(jì)的數(shù)據(jù)量巨大，為了計(jì)算方便，此處采用BFGS算法。該算法具有二次終止性，而且迭代有限步，具有較高的收斂速度。

基于以上反演方法，以HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)第18個(gè)cycle的數(shù)據(jù)中4個(gè)實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)為例，給出數(shù)據(jù)擬合效果見圖4。

圖4 HY-2A衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)實(shí)際數(shù)據(jù)擬合效果圖

4 算法驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)應(yīng)用于HY-2A高度計(jì)有效波高信息提取的業(yè)務(wù)化算法的實(shí)用性，分別開展HY-2A高度計(jì)有效波高與Jason-2高度計(jì)有效波高和NDBC浮標(biāo)有效波高數(shù)據(jù)的比對分析。

4.1 與Jason－2高度計(jì)的比較

將2011年10月1日到2012年11月24日的HY-2A有效波高反演結(jié)果與Jason-2有效波高進(jìn)行比對分析。通過擬合軌道得到HY-2A地面軌跡與Jason-2地面軌跡交叉點(diǎn)處附近4個(gè)實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)（HY-2A和Jason-2分別兩個(gè)點(diǎn)），再進(jìn)行線性插值分別得到HY-2A和Jason-2在交叉點(diǎn)處的有效波高值，時(shí)間窗口選定為30 min，其獲得的標(biāo)準(zhǔn)偏差為-0.26 m，RMS為0.58 m。該結(jié)果表明HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)有效波高反演結(jié)果精度與Jaosn-2反演結(jié)果一致，反演精度可以滿足HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)有效波高反演精度要求。HY-2A與Jason-2有效波高的對比圖見圖5a。

4.2 與浮標(biāo)數(shù)據(jù)比較

基于2011年10至2012年12月的33個(gè)NDBC浮標(biāo)數(shù)據(jù)（浮標(biāo)站點(diǎn)分布見圖6），對同期HY-2A高度計(jì)有效波高數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析。二者匹配的時(shí)空窗口為分別為30 min和50 km，共得到匹配點(diǎn)3 345個(gè)。通過計(jì)算得到二者的標(biāo)準(zhǔn)偏差為-0.22 m，RMS為0.37 m，比較散點(diǎn)圖見圖5b。

圖5 HY-2A高度計(jì)有效波高與Jason-2（a）和NDBC浮標(biāo)數(shù)據(jù)（b）比較

圖6 NDBC浮標(biāo)站點(diǎn)分布

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了應(yīng)用于我國第一個(gè)海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星HY-2A上雷達(dá)高度計(jì)有效波高信息提取的業(yè)務(wù)化算法，給出了具體的計(jì)算流程?；?011年10月—2012年11月HY-2A雷達(dá)高度計(jì)業(yè)務(wù)化運(yùn)行得到的有效波高數(shù)據(jù)，分別開展了其與Jason-2和NDBC浮標(biāo)有效波高數(shù)據(jù)的比較。結(jié)果表明，HY -2A高度計(jì)與Jason-2的標(biāo)準(zhǔn)偏差為-0.26 m， RMS為0.58 m；HY-2A高度計(jì)與NDBC浮標(biāo)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為-0.22 m，RMS為0.37 m。這表明本文介紹的方法適用于HY-2A衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)有效波高信息提取，且在HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)業(yè)務(wù)化處理系統(tǒng)中應(yīng)用得到了較好的結(jié)果。

致謝：感謝NOAA NODC提供的Jason-2衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)，感謝NDBC提供的浮標(biāo)數(shù)據(jù)，感謝國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心提供的HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)。

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Significant wave height operational inversion algorithm of HY－2A altimeter

Fan Chenqing1，Zhang Jie1，Meng Junmin1，Wang dong1，Li Xiuzhong1
（1．First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China）

The first oceanic dynamic environment satellite—HY-2A was launched in August 16，2011.Significant Wave Height（SWH）is one of the important parameters which can be monitored by HY-2A satellite altimeter. The SWH operational inversion algorithm of HY-2A altimeter is detail introduced in the paper，and the algorithm obtained SWH by least-square method.The SWH of HY-2A altimeter computered by the operational processing is compared to the results of Jason-2 and NDBC buoys.The result showed that the standard deviation is-0.26 cm and RMSis 0.58 cm between HY-2A and Jason-2，and the standard deviation is-0.22 cm and RMS is 0.37 m between HY-2A and NDBC buoys.The results demonstrated that the SWH inversion algorithm used in the operational processing system of HY-2A altimeter is feasible.

HY-2A；altimeter；significant wave height

P731.22；P228.3

A

0253-4193（2014）03-0121-06

2013-07-29；

2013-08-13。

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201105032-1）。

范陳清（1983—），男，江蘇省海門市人，助理研究員，主要從事高度計(jì)遙感研究。E-mail：fanchenqing＠fio.org.cn 1）紀(jì)永剛，張杰，張有廣，等.神舟四號飛船高度計(jì)有效波高反演.第十四屆全國遙感技術(shù)交流會(huì)論文摘要集，2003.

范陳清，張杰，孟俊敏，等.HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)有效波高信息提取業(yè)務(wù)化算法［J］.海洋學(xué)報(bào)，2014，36（3）：121-126，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.03.013

Fan Chenqing，Zhang Jie，Meng Junmin，et al.Significant wave height operational inversion algorithm of HY-2A altimeter［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（3）：121—126，issn.0253-4193.2014.03.013