基于RADARSAT-2 SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)的海浪譜反演方法及其海試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

萬(wàn) 勇， 萬(wàn) 莉， 戴永壽

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）a．海洋與空間信息學(xué)院；b．后勤管理處，山東青島266580）

0 引 言

海浪是一種重要的海洋動(dòng)力過(guò)程，它是發(fā)生在海洋表面的一種小尺度的風(fēng)生重力波，包括風(fēng)浪和涌浪。研究海浪的生成、演化機(jī)制以及時(shí)空分布，揭示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外在分布特征，已成為物理海洋學(xué)中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，它對(duì)于國(guó)防、航運(yùn)、造船、港口以及海上石油平臺(tái)的建設(shè)和安全等都具有重要意義。目前實(shí)現(xiàn)海浪監(jiān)測(cè)主要有3種手段：①海浪浮標(biāo)觀測(cè)。該觀測(cè)是目前最準(zhǔn)確的一種獲取海浪參數(shù)的方法，但是不能使用浮標(biāo)完成大范圍空間域海況變化的測(cè)量也是一個(gè)得到普遍認(rèn)可的事實(shí)，因?yàn)閱晤w浮標(biāo)僅能夠提供一個(gè)確定位置的海況信息［1］。此外浮標(biāo)的造價(jià)比較高，而且布放之后的維護(hù)比較困難，受到自然因素、社會(huì)因素的諸多限制，很難實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期大范圍的監(jiān)測(cè)。②海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式。該模式可以得到大范圍、長(zhǎng)時(shí)間序列的海浪參數(shù)的結(jié)果，但是這是一種數(shù)學(xué)計(jì)算的方法，得到的是一種數(shù)學(xué)計(jì)算的結(jié)果，并不是一種觀測(cè)的結(jié)果，而且模式的精度受到較多因素的影響，計(jì)算的精度很難保證。③遙感觀測(cè)。隨著微波遙感技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了合成孔徑雷達(dá)（SAR），SAR是迄今為止唯一可以提供海浪二維信息的星載傳感器，而且不依賴于天氣和光照條件，能實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候的海浪觀測(cè)。利用SAR得到的海表二維圖像，可以反演得到海浪二維方向譜，進(jìn)而可以獲得海浪頻譜，并且還可以計(jì)算出有效波高、平均波周期、海浪傳播方向等重要海浪參數(shù)；同時(shí)SAR對(duì)海浪的觀測(cè)是一種現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的結(jié)果，可以較好地反映現(xiàn)場(chǎng)海浪的實(shí)際變化情況，因此該方法是未來(lái)實(shí)現(xiàn)大范圍海浪監(jiān)測(cè)的首選方式。

目前，已有研究工作者開(kāi)展了從SAR圖像中提取海浪譜和海浪參數(shù)的相關(guān)研究。Alpers等［2-3］詳細(xì)研究了海浪SAR成像機(jī)理，指出傾斜調(diào)制、流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制和速度聚束是SAR海浪成像過(guò)程中的3種主要調(diào)制機(jī)制。SAR圖像譜和海浪譜之間存在非線性變換關(guān)系，由海浪譜的非線性變換可以計(jì)算得到SAR圖像譜，反之由SAR圖像譜也可以反演得到海浪二維方向譜。Hasselmann等［4］經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得到了SAR圖像譜到海浪方向譜的非線性變換，基于此變換開(kāi)發(fā)了由SAR圖像譜反演海浪方向譜的MPI算法。Mastenbroek等［5］提出了一種海浪譜反演的半?yún)?shù)化方法。何宜軍［6］提出了一種參數(shù)化的海浪譜反演方法。Engen等［7］提出了從SAR復(fù)數(shù)據(jù)中得到交叉譜的算法。Schulz-Stellenfleth［8］提出了一種改進(jìn)的非線性反演算法PARSA。Schuler等［9］對(duì)全極化SAR圖像數(shù)據(jù)測(cè)量海浪波斜和海浪譜的各種方法進(jìn)行了調(diào)查，開(kāi)發(fā)了在SAR方位向和距離向上測(cè)量海浪波斜的新技術(shù)。何宜軍等［10］推導(dǎo)了線性極化方向調(diào)制傳遞函數(shù)和傾斜調(diào)制傳遞函數(shù)。通過(guò)對(duì)調(diào)制傳遞函數(shù)的數(shù)值仿真，檢驗(yàn)了雷達(dá)和海浪參數(shù)對(duì)線性極化SAR圖像譜的影響，提出了一種消除180°方向模糊的方法。何宜軍等［11］提出了一種使用全極化SAR數(shù)據(jù)測(cè)量海浪波斜譜的新方法，這種新方法不需要復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)。Sehulz-Stellenfleth等［12］給出了一種海浪參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)算法CWAVE。李曉明［13］擴(kuò)展并改進(jìn)了該經(jīng)驗(yàn)算法，提出應(yīng)用于ENVISAT ASAR波模式數(shù)據(jù)的CWAVE＿ENV經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀ruck和Susanne針對(duì)高分辨率TerraSAR-X和Tandem-X數(shù)據(jù)發(fā)展了反演海浪參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)算法XWAVE［14］。以上研究工作為SAR海浪譜海浪參數(shù)反演提供了很好的參考。

RADARSAT-2 SAR是一顆搭載C波段傳感器的高分辨率商用雷達(dá)衛(wèi)星，由加拿大太空署與MDA公司合作，于2007年12月14日在哈薩克斯坦拜科努爾基地發(fā)射升空，目前仍然在軌運(yùn)行，是實(shí)現(xiàn)海洋觀測(cè)的一顆非常重要的合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星。該衛(wèi)星也可以實(shí)現(xiàn)大范圍海浪信息的探測(cè)，對(duì)于不同的SAR衛(wèi)星，已有的海浪譜海浪參數(shù)的反演方法不能直接適用，需要針對(duì)不同的衛(wèi)星進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)，才能得到準(zhǔn)確的海浪譜、海浪參數(shù)的反演結(jié)果。本文針對(duì)RADARSAT-2 SAR衛(wèi)星觀測(cè)海浪的實(shí)際需要，研究并建立適合于RADARSAT-2 SAR數(shù)據(jù)的海浪譜反演方法，然后基于在中國(guó)南海海域開(kāi)展的一次同步海試觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，驗(yàn)證建立的海浪譜反演方法的有效性。

1 海浪譜反演方法

MPI方法雖然需要提供初猜譜的信息，但在相同條件下其反演信息的完整性和精度相對(duì)較高。因此，本文以該方法為基礎(chǔ)，針對(duì)RADARSAT-2 SAR數(shù)據(jù)做有針對(duì)性的改進(jìn)，建立適合于RADARSAT-2 SAR數(shù)據(jù)的海浪譜反演方法。MPI方法的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 MPI方法流程圖

MPI方法描述了二維海浪譜到SAR圖像譜的映射關(guān)系，方法的基本思想是引入初猜海浪譜，構(gòu)造價(jià)值函數(shù)，通過(guò)迭代使價(jià)值函數(shù)最小化后，輸出最適海浪譜和最適SAR譜。該算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）計(jì)算觀測(cè)的SAR圖像譜，SAR圖像譜為強(qiáng)度圖像的圖像譜。

（2）構(gòu)造海浪初猜譜。

（3）按照海浪譜到SAR譜的正映射關(guān)系由海浪初猜譜計(jì)算仿真的SAR譜，海浪譜到SAR譜的正映射關(guān)系如下：

①計(jì)算距速調(diào)制傳遞函數(shù)

②計(jì)算水動(dòng)力學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)

2 海試實(shí)驗(yàn)及反演方法驗(yàn)證

2.1 海試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于RADARSAT-2 SAR數(shù)據(jù)的海浪譜反演方法反演海浪譜的準(zhǔn)確性，搭載東方紅3號(hào)科考船在中國(guó)南海臺(tái)灣海峽西南部海域開(kāi)展了海浪聯(lián)合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)海浪浮標(biāo)與RADARSAT-2 SAR的同步觀測(cè)。

海浪浮標(biāo)使用的是荷蘭DataWell公司的波浪騎士浮標(biāo)，如圖2所示，該浮標(biāo)可以觀測(cè)海浪方向譜、有效波高、波周期等海浪參數(shù)。同步的SAR數(shù)據(jù)采用的是RADARSAT-2衛(wèi)星的SAR數(shù)據(jù)，RADARSAT-2衛(wèi)星的示意圖如圖3所示。

海浪聯(lián)合觀測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)情況如圖4所示。

通過(guò)該實(shí)驗(yàn)共獲取了5．03 h的海浪現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，海浪實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基本情況如表1所示。此外編程訂購(gòu)了與海試浮標(biāo)觀測(cè)位置時(shí)空匹配的兩景RADARSAT-2 SAR數(shù)據(jù)，SAR觀測(cè)區(qū)域及其與浮標(biāo)觀測(cè)位置的關(guān)系如圖5所示，圖中☆代表浮標(biāo)觀測(cè)位置；□代表SAR觀測(cè)區(qū)域。

圖2 波浪騎士浮標(biāo)實(shí)物圖

圖3 RADARSAT-2衛(wèi)星示意圖

圖4 海浪聯(lián)合觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)情況

表1 海浪實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本情況表

圖5 SAR數(shù)據(jù)所在位置及其與浮標(biāo)觀測(cè)位置的關(guān)系

SAR數(shù)據(jù)的基本信息如表2所示。

表2 SAR數(shù)據(jù)基本信息表

2.2 海浪譜反演結(jié)果驗(yàn)證

圖6所示為2019-06-24日5：54采集到的RASDARSAT-2 SAR圖像，從該圖像中截取浮標(biāo)觀測(cè)位置處128×128像素大小的子圖像，如圖7（a）所示，對(duì)子圖像做二維傅里葉變換可以得到SAR圖像譜，如圖7（b）所示。利用建立的MPI海浪譜反演方法對(duì)子圖像進(jìn)行處理，以PM譜為初猜譜。Pierson等［15］對(duì)北大西洋1995～1960年的460次海洋觀察資料進(jìn)行譜分析的基礎(chǔ)上，得到了隨機(jī)海浪的平均譜分布，經(jīng)過(guò)無(wú)因次化和數(shù)學(xué)擬合處理后得到主波浪方向海浪頻率譜。反演得到的最適海浪譜如圖8所示。

圖7 RADARSAT-2 SAR子圖像（a），變換SAR圖像譜（b）

圖8 反演所得最適海浪譜

基于反演所得的最適海浪譜可以計(jì)算得到海浪的統(tǒng)計(jì)參數(shù)有效波高為

式中：m0表示海浪譜的零階矩；F（k）表示最適海浪譜。將基于海浪譜計(jì)算的有效波高和浮標(biāo)觀測(cè)的同步有效波高進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證海浪譜反演方法的反演效果，結(jié)果SAR反演0．74 m，浮標(biāo)0．95 m。由結(jié)果可見(jiàn)，SAR反演的有效波高接近浮標(biāo)觀測(cè)的有效波高，說(shuō)明本文建立的針對(duì)RADARSAT-2 SAR的海浪譜反演方法具有比較高的準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)加拿大遙感衛(wèi)星RADARSAT-2觀測(cè)海浪的應(yīng)用需求，基于海浪譜反演的基礎(chǔ)方法MPI方法，建立了一種適合于該衛(wèi)星的海浪譜反演方法。然后搭載東方紅3號(hào)科考船在中國(guó)南海臺(tái)灣海峽西南部海域開(kāi)展了浮標(biāo)與SAR的海浪聯(lián)合探測(cè)實(shí)驗(yàn)，獲取了寶貴的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料以及和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料同步的SAR數(shù)據(jù)，反演海浪譜海浪參數(shù)，與浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，驗(yàn)證了海浪譜反演方法的有效性。研究工作可為SAR海浪觀測(cè)提供重要的參考，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。