機(jī)載海洋波譜儀回波數(shù)據(jù)處理方法研究*

韓倩倩，張振華，孟俊敏，李涼海

(1.北京遙測技術(shù)研究所，北京，100076；2.國家海洋局第一海洋研究所 山東 青島 266061)

機(jī)載海洋波譜儀回波數(shù)據(jù)處理方法研究*

韓倩倩1，張振華1，孟俊敏2，李涼海1

(1.北京遙測技術(shù)研究所，北京，100076；2.國家海洋局第一海洋研究所 山東 青島 266061)

海洋波譜儀機(jī)載飛行試驗(yàn)通過對星載天線進(jìn)行寬波束等效，能夠測量海面后向散射系數(shù)，進(jìn)而反演波浪譜及波浪參數(shù)。利用該系統(tǒng)在黃海中部進(jìn)行飛行試驗(yàn)，對小入射角下波浪測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，采用后向投影積分校正載機(jī)運(yùn)動和天線旋轉(zhuǎn)引起的越距離單元徙動，采用交叉譜方法降低斑點(diǎn)噪聲，實(shí)現(xiàn)小海況下波浪譜反演，結(jié)果表明海洋波譜儀測量得到的波浪譜、有效波高、主波長、主波向等波浪參數(shù)與浮標(biāo)、衛(wèi)星同步測量吻合較好。

海洋波譜儀； 波浪譜； 同步觀測

海洋波浪譜信息具有重要的應(yīng)用價值和科學(xué)價值，可用于海洋波浪的測量和預(yù)報(bào)，為海上生產(chǎn)、海上軍事活動和海岸帶工程提供海況信息，為預(yù)防海洋災(zāi)害提供預(yù)警信息，同時對海表面波的動力過程、研究海面波在大氣和海洋環(huán)流模型中的作用等方面具有重要意義[1,2]。

由北京遙測技術(shù)研究所承擔(dān)研制的星載海洋波譜儀是十二五民用航天研發(fā)項(xiàng)目，用于對全球海面波浪譜進(jìn)行測量，其科學(xué)指標(biāo)為波向測量精度15°，波長測量精度20%，有效波高測量精度0.5 m。為了實(shí)現(xiàn)星載海洋波譜儀功能及探測性能的飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，對星載窄波束天線進(jìn)行了的機(jī)載等效。2014年5月至7月在黃海中部進(jìn)行了海洋波譜儀的機(jī)載飛行試驗(yàn)，期間與國家海洋局第一研究所、國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心等多家單位合作，進(jìn)行了衛(wèi)星、浮標(biāo)的同步觀測試驗(yàn)，取得了大量數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證了海洋波譜儀的關(guān)鍵指標(biāo)與性能。

1 設(shè)備概況

海洋波譜儀是測量海洋二維波浪譜的實(shí)孔徑微波有源探測載荷，主要由信號處理機(jī)、微波收發(fā)信道、掃描伺服平臺和雙極化賦形天線四個分系統(tǒng)組成。海洋波譜儀采用寬波束賦形天線設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)距離向?qū)挷ㄊ采w；采用大系統(tǒng)帶寬實(shí)現(xiàn)距離向高分辨。同時，天線繞方位軸360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，隨著飛機(jī)的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)全方位的波束覆蓋，觀測幾何如圖1。在正常觀測模式下，海洋波譜儀的發(fā)射寬帶信號并接收的海面散射回波信號，采用dechirp脈沖壓縮，經(jīng)A/D采樣后送至信號處理機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，并反演形成波浪譜信息、有效波高信息、海面風(fēng)場信息。內(nèi)定標(biāo)模式下波譜儀將發(fā)射機(jī)的部分功率耦合到接收機(jī)中形成閉環(huán)，從中計(jì)算信道增益和發(fā)射功率隨環(huán)境的變化，消除發(fā)射功率和信道增益漲落引起的測量誤差，系統(tǒng)參數(shù)如表1。

表1 雷達(dá)參數(shù)列表Table1 Radar system parameters

2 飛行試驗(yàn)情況

海洋波譜儀在黃海中部進(jìn)行了機(jī)載掛飛試驗(yàn)，飛行路線如圖2，獲取了大量實(shí)測回波數(shù)據(jù)。

圖1 海洋波譜儀系統(tǒng)組成及觀測幾何示意圖Fig.1 Design and observation geometry of oceanwave spectrometer

期間實(shí)現(xiàn)了波譜儀與衛(wèi)星、浮標(biāo)的同步觀測，從6月12日開始與浮標(biāo)進(jìn)行同步觀測，6月13日實(shí)現(xiàn)與LandSAT8衛(wèi)星同步觀測。

圖2 航線示意圖Fig.2 Sketch map of air route

試驗(yàn)所用浮標(biāo)為波浪騎士浮標(biāo)(見圖3)，浮標(biāo)作定點(diǎn)觀測，布放位置經(jīng)緯度為[122.711°,36.620°]。浮標(biāo)對30 min內(nèi)觀測數(shù)據(jù)作統(tǒng)計(jì)平均給出一個測量結(jié)果，有效波高測量精度為5%，分辨率0.01 m，范圍-20～20 m；波向分辨率為1.4°，范圍0°～360°。浮標(biāo)觀測結(jié)果如表2?？梢娫谠囼?yàn)期間，觀測區(qū)域的有效波高在30～60 cm范圍內(nèi)，波向變化大，海況較小。

圖3 波浪騎士浮標(biāo)實(shí)物圖Fig.3 Waverider buoy

日期DateSWH/m主波向Direction主波長/mWavelength6.120.43東南、西南926.130.41東南、西南1576.160.33無主波向536.170.44無主波向226.210.60東南、南35

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

文獻(xiàn)[3-4]根據(jù)飛行試驗(yàn)結(jié)果指出波譜儀觀測范圍為有效波高2～10 m，文獻(xiàn)[5]通過仿真給出了波譜儀觀測范圍，對于風(fēng)浪主波長大于70 m，對于涌浪，有效波高大于1.5～2m。由第2節(jié)表2內(nèi)容可知，試驗(yàn)區(qū)域海況較小，最大時0.6 m，均遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)處理方法可以反演的范圍，這就需要新的處理方法以適應(yīng)小海況下的反演需求。本文采用后向積累投影積分校正載機(jī)運(yùn)動和天線旋轉(zhuǎn)引起的越距離單元徙動，采用交叉譜方法降低斑點(diǎn)噪聲，得到了較好的波浪譜反演結(jié)果。

最后以交叉譜法對調(diào)制函數(shù)作譜估計(jì)，進(jìn)一步降低斑點(diǎn)噪聲。利用調(diào)制函數(shù)m(x,φ)計(jì)算功率譜Pm(k,φ)的方法為：

Pm(k,φ)=

其中:δt為計(jì)算交叉譜時間間隔;m(x,φ,t)是調(diào)制函數(shù)m(x,φ)關(guān)于時間的函數(shù)。二維波浪譜可由Pm(k,φ)直接計(jì)算，進(jìn)而對波浪參數(shù)，如有效波高、主波長、主波向等進(jìn)行估計(jì)[4]。

3.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

后向散射系數(shù)測量結(jié)果如圖5，天線旋轉(zhuǎn)一周，后向散射系數(shù)在波浪傳播方向上起伏變化明顯，在其他方向上起伏微弱。海面有效波高60cm(浮標(biāo))時，后向散射系數(shù)起伏在方位向上形成明顯波紋，如圖5(a)，海面有效波高40cm(浮標(biāo))時，后向散射系數(shù)起伏在方位向上形成波紋，但波紋不明顯，如圖5(b)。

圖5 后向散射系數(shù)測量結(jié)果

6月13日獲取了與機(jī)載飛行同步的光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場浮標(biāo)數(shù)據(jù)，衛(wèi)星過境時間10:23，波譜儀觀測時間11:47，浮標(biāo)觀測時間11:39。浮標(biāo)觀測位置經(jīng)緯度[122.711°,36.620°]，與浮標(biāo)最近的波譜儀觀測位置經(jīng)緯度[122.710°,36.619°]。

圖6為獲取的同步LandSat8光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其空間分辨率為15m。由圖可以看出，存在明顯的海浪條紋。圖7為由LandSat8光學(xué)圖片反演得到的波浪譜，箭頭指向?yàn)楸毕?，表?°，逆時針旋轉(zhuǎn)為正，繪制的三條等波長線，由外向內(nèi)波長分別為100、200、400m。由海浪譜可知其主波向?yàn)槲鞅?東南向，即22°/202°，主波長126m。

圖6 LandSat8衛(wèi)星光學(xué)圖片F(xiàn)ig.6 Optical image of satellite LandSat8

圖7 LandSat8衛(wèi)星測量波浪譜結(jié)果

圖8 浮標(biāo)測量結(jié)果Fig.8 Ocean wave spectrum measured by buoy

對于主波長和有效波高，三者的主波長測量結(jié)果較為一致，差異在10%以內(nèi)。浮標(biāo)和波譜儀有效波高一致，差異很小，光學(xué)衛(wèi)星未能給出有效波高的測量結(jié)果。

綜上，海洋波譜儀、浮標(biāo)以及光學(xué)衛(wèi)星獲取結(jié)果在主波波長以及波向上符合較好。但是由于光學(xué)衛(wèi)星的觀測時間與浮標(biāo)相差約一個小時，其觀測結(jié)果存在一定差異。

對該批次全部數(shù)據(jù)處理，對40min內(nèi)波譜儀測量的波向、有效波高作統(tǒng)計(jì)，如圖10，可見，在該觀測區(qū)域波向、有效波高較為一致，波向?yàn)槟?東南向，有效波高為0.4m左右。而主波長在該觀測區(qū)域內(nèi)均為102m。

圖9 波譜儀測量結(jié)果

參數(shù)類型Parameters衛(wèi)星Satellite波譜儀Oceanspectrometer浮標(biāo)BuoyTime10:2311:4711:39SWH/0.43m0.4m主波長Wavelength126m102m117m主波向Direction22°/202°5°/185°180°

圖10 波向、有效波高統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4中列出了6組波譜儀、浮標(biāo)同步觀測參數(shù)反演結(jié)果，可見，在小海況情況下，波譜儀觀測結(jié)果與浮標(biāo)較好吻合。圖11是對應(yīng)表4第5組的波浪譜反演結(jié)果。

表4 波譜儀、浮標(biāo)波浪測量結(jié)果列表

圖11 波浪譜測量結(jié)果

4 結(jié)語

海洋波譜儀機(jī)載試驗(yàn)系統(tǒng)觀測結(jié)果與浮標(biāo)、衛(wèi)星觀測結(jié)果間的一致性表明，波譜儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足科學(xué)觀測要求，具備波浪譜探測的功能；在海況較小的情況下(有效波高小于1m)，利用后向投影積分、交叉譜處理方法的應(yīng)用可以有效降低斑點(diǎn)噪聲，提高海洋波譜儀波浪譜反演的應(yīng)用范圍。

從反演結(jié)果亦可看出，由于機(jī)載試驗(yàn)地面足印較小，導(dǎo)致測量范圍有限，在較大海浪波長下，有限足印包含長波數(shù)量少，限制了波長測量尤其是長波測量的精度，而星載海洋波譜儀單個波束足印達(dá)到18km，能夠極大的提升長波的測量范圍及精度。

[1] 儲小青.海浪波譜儀海浪遙感方法及應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D].青島:中國科學(xué)院海洋研究所,2011.ChuXiaoqing.TheAlgorithmandAppliedBasicStudyonRemoteSensingofOceanWaveSpectrumforoceanWave[D].Qingdao:ChineseAcademyofSciences,2011.

[2] 楊樂.衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)在中國近海及高海況下遙感反演算法研究[D].南京:南京理工大學(xué),2009.YangLe.StudyonSatelliteRadarAltimeterRetrievalalgorithmsoverCoastalSeasandunderHighSeaStateEvents[D].Nanjing:NanjingUniversityofScience&Technology,2009.

[3]JacksonFC,WaltonTW,BakerPL.Aircraftandsatellitemeasurementofoceanwavedirectionalspectrausingscanningbeammicrowaveradars[J].JournalofGeophysicalResearch,1985,90(C1):987-1004.

[4]HauserD,CaudalG,RijckenbergGJ.RESSAC:AnewairborneFM/CMradaroceanwavespectrometer[J].IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,VOL.30,NO.5,SEPTEMBER1992,30(5):981-995.

[5]HauserD,ElbatoulSoussi,EricThouvenot,LaurentRey.SWIMSAT:AReal-ApertureRadartomeasuredirectionalspectraofoceanwavesfromspace—maincharacteristicsandperformancesimulation[J].AmericanMeteorologicalSociety,2001,18:421-437

[6]GerardCaudal,DanielwHauser,ReneValentin,etal.KuROS:AnewairborneKu-BandDopplerRadarforobservationofsurfaces[J].AmericanMeteorologicalSociety,2014,31:2223-2245.

責(zé)任編輯 陳呈超

Research on Processing Method of the Airborne Oceanwave Spectrometer Data

HAN Qian-Qian1，ZHANG Zhen-Hua1，MENG Jun-Min2，LI Liang-Hai1

(1.R&D Center,Beijing Research Institute of Telemetry,Beijing 100076,China; 2.The First Institute of Oceangraphy,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,China)

The experiment of the oceanwave spectrometer,using wide beam equivalent to satellite antenna,is capable of measuring the backscattering coefficient of the sea surface and retrieving the wave spectrum and wave parameters.The experiment was made in the middle of the Yellow Sea.The radar echo data of small incidence angle was processed and analyzed.Back projection integration was uesed to partly correct the range cell migration caused by the airplane flying and the anttenna rotating.Besides,cross spectral method was used to reduce the speckle noise.Thus,oceanwave spectrum was able to be retrieved in low sea-state.The results show that the measurement of wave spectrum,significant wave height,main wavelength and main wave direction of oceanwave spectrometer were consistent with those of synchronous buoy and optical satellite measurements.

oceanwave spectrometer；wave spectrum；synchronous observation

海洋公益行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201505002)資助

Supported by Public Science and Technology Research Projects of Ocean(201505002)

2016-09-15；

2016-12-11

韓倩倩(1988-)，女，碩士。E-mail:hanqian8814@126.com

TP 732-1

A

1672-5174(2017)02-116-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20160286

韓倩倩，張振華，孟俊敏,等.機(jī)載海洋波譜儀回波數(shù)據(jù)處理方法研究[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(2):116-121.

HAN Qian-Qian，ZHANG Zhen-Hua，MENG Jun-Min，et al.Research on processing method of the airborne oceanwave spectrometer data[J].Periodical of Ocean University of China,2017,47(2):116-121.