海浪波谱仪海浪遥感方法及应用基础研究
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海浪波谱仪(surface waves Investigation and Monitoring,swIM)是新型的海浪信息探测雷达,它以真实孔径雷达为基础,配置六个波束圆锥扫描,波束中心入射角分别为O。,2。,4。,6。,8。和10。。其星下点波束的工作机制相当于一个雷达高度计,而侧视旋转波束通过增加相应的工作模式和功能模块,实现海洋波浪方向谱的测量。海浪波谱仪可获得全球大面积、长时间序列的标准化雷达后向散射截面(NRcs,0.)、海浪方向谱、风速和波高信息。本文对海浪波谱仪海浪遥感探测方法及应用基础研究的若干问题进行了研究与探讨。首先,利用电磁波散射理论,建立了从海浪方向谱映射到海浪波谱仪后向散射截面的模型。并利用目前唯一能提供Ku波段小入射角NRcs的传感器一一降雨雷达(Precipitation Radar,PR)的散射测量数据对散射模型进行了检验。基于建立的海浪波谱仪散射模型,论述了由海浪波谱仪散射信号反演海浪方向谱的方法。对不同系统参数、不同海况、不同入射角下的海浪波谱仪海浪方向谱反演进行了仿真。编制了面向对象人机交互海浪波谱仪仿真软件。仿真结果显示,误差部在允许范围内。利用线性回归法和多入射角组合法,反演了高斯斜率分布中的斜率方差和天底点0。。结果显示,这两种不同的反演方法反演得到的观测方向上的斜率方差的差别在O.0025以内。研究了不同海况下,斜率方差和天底点0。与风速和方位向的关系。利用降雨雷达0。数据研究了小入射角下0。随方位向的变化,重点分析了0。的顺风逆风不对称性(uDA)和由于风向不同导致0。变化(ucA)的幅度与海况、入射角的关系,并利用海浪斜率概率密度函数中的高阶项参量一偏度来解释了这种与散射计相反的不对称性。研究了涌浪对uDA和ucA的影响,并讨论了其在海浪波谱仪上的应用。利用降雨雷达与浮标匹配数据,研究了Ku波段HH极化0。与海面风、浪参数(风速、风向、波高、波长、波周期、波陡、波龄)的相关性。建立了不同入射角下0。分别与海面风速(U0)、有效波高(H)、波陡(&。)和积分波龄(Ba)的经验关系。对从单个0。直接反演各个风、浪参数的可行性进行了全面的分析,包括灵敏度分析、最佳的雷达入射角和海况,最佳的辅助信息等。建立了海浪波谱仪多入射角数据获取海面风速的新方法。该方法考虑了海浪斜率对NRcs与风速之间关系的影响,并且不需要波高、波龄等辅助信息。新的风速反演方法均方根误差为1.36 m/s,提高了以往降雨雷达的风速反演精度。
摘要 | 第5-7页 |
Abstract | 第7-8页 |
第1章 绪论 | 第20-41页 |
1.1 研究的背景和意义 | 第20-22页 |
1.2 国内外研究现状 | 第22-38页 |
1.2.1 海浪实地测量与预报现状 | 第22-23页 |
1.2.2 海浪遥感的现状 | 第23-28页 |
1.2.3 海浪波谱仪技术的发展 | 第28-36页 |
1.2.4 小入射角下数据应用基础研究现状 | 第36-38页 |
1.3 本文研究内容 | 第38-40页 |
1.4 本文创新点 | 第40-41页 |
第2章 海浪波谱仪微波散射机理 | 第41-61页 |
2.1 引言 | 第41页 |
2.2 准镜面散射 | 第41-46页 |
2.3 边界条件 | 第46-49页 |
2.4 复合散射模型 | 第49-51页 |
2.5 模型验证 | 第51-60页 |
2.5.1 数据 | 第52-53页 |
2.5.2 模型拟合实测数据 | 第53-55页 |
2.5.3 个例分析 | 第55-60页 |
2.6 小结 | 第60-61页 |
第3章 海浪波谱仪海浪探测方法 | 第61-88页 |
3.1 引言 | 第61-62页 |
3.2 海浪波谱仪简介 | 第62-65页 |
3.3 探测方法 | 第65-71页 |
3.3.1 倾斜调制 | 第65-67页 |
3.3.2 信号调制谱与海浪谱 | 第67-69页 |
3.3.3 雷达接收功率 | 第69-70页 |
3.3.4 系统噪声 | 第70-71页 |
3.4 海浪波谱仪海浪谱反演步骤 | 第71-75页 |
3.4.1 由回波功率反演海浪谱 | 第71-73页 |
3.4.2 由散射截面反演海浪谱 | 第73-74页 |
3.4.3 平均处理 | 第74-75页 |
3.5 天底点波束有效波高和风速的获取 | 第75-79页 |
3.5.1 有效波高的获取 | 第75-78页 |
3.5.2 天底点获取风速 | 第78-79页 |
3.6 海浪特征参数的获取 | 第79-80页 |
3.7 海浪波谱仪系统参数设置研究 | 第80-85页 |
3.7.1 入射角 | 第80-81页 |
3.7.2 波段 | 第81-82页 |
3.7.3 波束宽度 | 第82-83页 |
3.7.4 转速 | 第83页 |
3.7.5 积分时间 | 第83-84页 |
3.7.6 独立脉冲个数 | 第84页 |
3.7.7 脉冲重复频率(PRF) | 第84-85页 |
3.8 输出指标及测量精度分析 | 第85-87页 |
3.8.1 海浪谱的空间分辨率 | 第85页 |
3.8.2 波向分辨率 | 第85页 |
3.8.3 波向精度 | 第85-86页 |
3.8.4 波长范围 | 第86页 |
3.8.5 波长分辨率 | 第86页 |
3.8.6 波高精度 | 第86页 |
3.8.7 海况测量范围 | 第86-87页 |
3.8.8 降雨的影响 | 第87页 |
3.9 小结 | 第87-88页 |
第4章 海浪波谱仪海浪探测仿真 | 第88-96页 |
4.1 引言 | 第88页 |
4.2 流程 | 第88-91页 |
4.3 仿真质量指标 | 第91页 |
4.4 仿真软件 | 第91-92页 |
4.5 仿真结果 | 第92-95页 |
4.6 小结 | 第95-96页 |
第5章 海浪斜率概率密度函数反演 | 第96-113页 |
5.1 引言 | 第96页 |
5.2 数据 | 第96-101页 |
5.2.1 雷达数据 | 第96-98页 |
5.2.2 浮标数据 | 第98-99页 |
5.2.3 匹配窗口大小 | 第99-101页 |
5.3 高斯型斜率PDF | 第101-111页 |
5.3.1 适用条件 | 第101-103页 |
5.3.2 异常数据剔除 | 第103-106页 |
5.3.3 反演方法 | 第106-107页 |
5.3.4 结果分析 | 第107-111页 |
5.4 小结和讨论 | 第111-113页 |
第6章 小入射角下雷达散射截面的各向异性与不对称性 | 第113-130页 |
6.1 引言 | 第113页 |
6.2 数据 | 第113页 |
6.3 各向异性与不对称性 | 第113-120页 |
6.3.1 建模 | 第113-116页 |
6.3.2 平均后向散射截面 | 第116-117页 |
6.3.3 迎风/顺风不对称性 | 第117-119页 |
6.3.4 各向异性 | 第119-120页 |
6.4 海况的影响 | 第120-126页 |
6.4.1 背景海浪状况 | 第121-123页 |
6.4.2 风向与浪向 | 第123-124页 |
6.4.3 涌浪对UDA 和UCA 的影响 | 第124-126页 |
6.5 小结与讨论 | 第126-130页 |
第7章 小入射角雷达后向散射截面与海面风?浪的关系 | 第130-144页 |
7.1 引言 | 第130页 |
7.2 数据 | 第130-131页 |
7.3 小入射角下风浪参数的反演 | 第131-142页 |
7.3.1 风速 | 第133-136页 |
7.3.2 风向 | 第136-137页 |
7.3.3 有效波高 | 第137-138页 |
7.3.4 周期和波长 | 第138-139页 |
7.3.5 波陡 | 第139-140页 |
7.3.6 波龄 | 第140-142页 |
7.4 小结和讨论 | 第142-144页 |
第8章 小入射角下获取风速新方法 | 第144-149页 |
8.1 引言 | 第144页 |
8.2 算法 | 第144-146页 |
8.3 结果 | 第146-148页 |
8.4 小结 | 第148-149页 |
第9章 总结及展望 | 第149-153页 |
9.1 结论总结 | 第149-151页 |
9.2 展望 | 第151-153页 |
附录:海浪理论简介 | 第153-158页 |
参考文献 | 第158-170页 |
发表及在审文章目录 | 第170-171页 |
致谢 | 第171-172页 |
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