HY-2卫星雷达高度计风速反演验证

本文给出了海洋二号(HY-2)卫星雷达高度计风速反演的双参数算法模型,并利用Jason-1产品和HY-2卫星微波散射计产品定性验证了双参数算法模型的正确性,同时利用星星交叉比对方法、美国国家浮标数据中心(National Data Buoy Center,NDBC)浮标数据验证方法、美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析数据验证方法三种不同方法对该模型进行定量化验证,结果表明HY-2卫星雷达高度计风速反演的双参数算法模型的反演精度达到2.0 m/s的精度,满足海洋业务应用和科学研究的精度要求,可为用户提供满足观测要求的海面风产品。     

一种新的SeaWinds散射计海面风场反演方法

针对传统的最大似然法存在的主要缺点,在分析SeaWinds散射计模型函数表的基础上,根据雷达后向散射截面积（σ^0）随风速和相对方位角的变化规律,提出了一种新的海面风场反演方法。然后利用SeaWinds散射计部分L2A实测数据对该方法进行了验证．并在等风向间隔的条件下将该方法与传统的最大似然方法对同一实验数据的运行时间进行了比较。实验结果表明,与传统方法相比,该方法运行效率有明显提高,且反演结果与美国L2B反演结果十分接近。     

一种提高TRMM测雨雷达反演准确性的方法(英文)

热带降雨测量卫星所携带的测雨雷达是世界上第一颗星载测雨雷达,对其反演算法展开研究在算法开发及数据应用等方面具有重要意义.本文在介绍NASA与JAXA反演雷达反.射率因子的标准算法的基础上,对反射率因子反演算法进行了改进.改进算法根据星载测雨雷速每个观测单元上的降雨率计算出等效雨滴直径,对不服从瑞利散射的观测单元的反射率因子值进行修订,然后再执行衰减订正.本文采用了更合理的5 km×5 km× 1.5 km三维网格,将处理结果与地基雷达数据进行了点对点的定性与定量比较.结果表明,改进算法以较小的计算量增加为代价,获得了反演精度的提高.     

海洋二号卫星3个主要载荷风速测量比较

海面风速对海洋中动能的转移、海气间物质和能量的交换具有非常重要的作用。海洋二号(HY-2)卫星搭载的雷达高度计、微波散射计和扫描微波辐射计均可以用来探测海面风速。区别是雷达高度计只能测量星下点风速,微波散射计可以得到宽刈幅的风场(包括风向和风速),扫描微波辐射计可获得宽刈幅的风速。为了更好地分析3个载荷风速测量能力,针对2013年9月19日"天兔"台风影响海域范围内的海面风速,比较了3种载荷的探测结果。结果表明,在小于20 m/s风速范围内,雷达高度计和微波散射计探测到的风速非常接近,标准偏差小于2m/s,而扫描微波辐射计测量的风速比另外两个载荷测量的风速大;在20～35m/s风速范围内,雷达高度计和扫描微波辐射计风速较为接近;在大于35 m/s的高风速区,只有扫描微波辐射计可以探测出风速,但其测量精度还需要进一步验证。     

合成孔径雷达高度计高度估计算法研究

本文对合成孔径雷达高度计高度估计算法进行研究.根据回波模型,推导出非聚焦合成孔径处理方式的回波相位补偿函数,消除了耦合相位对距离压缩的影响;通过多普勒条带中心校正方法,消除了俯仰角对高度估计算法的影响;利用多视处理方法减小了海浪对测高精度的影响,给出了合成孔径雷达高度计高度估计流程,根据算法流程对挂飞试验获得的湖面回波数据进行了分析与处理,并与差分GPS高度数据进行了对比.高度估计结果表明:经过相位补偿与多视处理方法后的回波谱线光滑且能量集中.估计精度满足高度计的要求,试验结果达到了预期目标.     

基于SSM/I数据的神经网络方法反演海面风速

研究了单参数神经网络(SANN)模型、多参数神经网络(MANN)模型及复合多参数神经网络(CMANN)模型对使用SSM/I数据反演海面风速精度的影响,并对增加85.5GHz垂直和水平极化亮温作为输入项对反演精度的提高进行了验证.重点发展了一种新型的CMANN算法,并分析了它在不同风速范围下的反演效果.随着风速的增加,反演风速的精度也有提高,高风速(≥15m/s)较低风速有更小的风速误差.比较表明,此方法的反演效果优于以往的各种SSM/I反演风速算法.反演风速的范围为0～25m/s,在晴天和云天混合状况下反演风速与实测风速的均方根误差为1.61m/s,晴天则达到1.46m/s.     

用SeaWinds散射计数据反演海面风矢量的神经网络模型

针对构建用SeaWinds散射计数据反演海面风矢量的神经网络模型所面临的主要问题,结合SeaWinds散射计的几何观测特征,提出了适合SeaWinds散射计旋转圆锥扫描方式的先风向后风速的两步神经网络反演模型及相应算法,并采用两组不同的L2A和相应L2B数据及浮标数据对该神经网络反演模型进行了初步验证。实验结果证明了该神经网络反演模型的可行性。与最大似然估计（MLE）反演方法相比,该神经网络反演模型在能够保证反演精度的情况下,运行效率提高了约5倍,从而为海面风矢量的实时反演提供了可能性。     

基于全极化微波辐射计WindSat亮温数据的海面风场反演

根据全极化微波辐射传输理论,利用双尺度模式建立了海面辐射亮温的反演算法,并且利用美国发射的全球第一个星载全极化微波辐射计(WindSat)在轨运行期间的亮温数据进行了海面风场的反演,重点分析了风向反演的模糊度问题,并对风场反演结果进行了评估.研究结果初步验证了全极化辐射计在卫星上遥感海面风场的能力:与美国国家环境预报中心(NECP)的数据进行比较,反演的风速误差为1.15m/s,5m/s以上风速下的风向误差为21°;与TAO浮标数据进行比较,风速误差为1.4m/s,风速5m/s以上的风向误差为20.5°.     

海洋二号卫星雷达高度计测高误差校正算法及验证

影响星载卫星雷达高度计测高精度的因素很多,其中大气干对流层延迟、大气湿对流层延迟、大气逆压延迟、电离层延迟以及海况偏差直接影响海表面高度计算精度。本研究开展了海洋二号卫星雷达高度计上述误差修正算法研究,并利用国外较为成熟的Jason-1/2和Topex/Poseidon(T/P)卫星雷达高度计数据产品对海洋二号卫星雷达高度计使用的误差校正算法进行验证。结果表明,海洋二号卫星雷达高度计数据处理时使用的误差校正算法均可满足精度要求。     

基于探地雷达的密级配覆水沥青层的空隙率检测

为了解决目前探地雷达金属板反射法无法对覆水沥青层空隙率进行检测的问题,建立三种不同脉冲波入射角的路面结构FDTD数值模型,研究脉冲波色散现象对单色子波反射系数的影响,在干-湿双层体系的假设前提下,考虑脉冲波入射角,以全波形反演理论为基础,提出了一种非线性检测算法,在路表覆水的条件下利用探地雷达获得干燥沥青层的介电常数与空隙率,并建立七种不同含水量干-湿双层体系的FDTD数值模型并通过实验室实测对该方法的可靠性进行验证.研究结果表明:在三种数值模型脉冲波入射角范围内,单色子波反射系数变异性很小,可视为常数,即入射波各频率点对应的激励值相同;通过非线性检测算法重构而得的合成脉冲波与实际接收波具有较高吻合度,金属板反射法与非线性检测法介电常数测量误差随湿沥青层含水量升高而增大,但非线性检测算法误差增长远小于金属板反射法;与金属板反射法相比,探地雷达非线性检测算法所获得的介电常数相对误差由10.9％降至1.6％,沥青混合料毛体积密度相对误差由4.6％降至1.1％,空隙率相对误差由24.9％降至7.2％,证明非线性检测算法可有效消除路表覆水的影响,准确计算干燥沥青层的介电常数及空隙率,为沥青面层压实质量实时监控及智能压实技术提供一种精确、高效的方式.     

Signal-to-noise ratio analysis to estimate ocean wave heights from X-band marine radar image time series

This work analyses the structure of the different contributions to the image spectrum derived by the three-dimensional Fourier decomposition of sea clutter time series measured by ordinary X-band marine radars. The goal of this investigation is to derive a method to estimate the significant wave height of the ocean wave fields imaged by the radar. The proposed method is an extension of a technique developed for the analysis of ocean wave fields by using synthetic aperture radar systems. The basic idea behind this method is that the significant wave height is linearly dependent on the square root of the signal-to-noise ratio, where the signal is assumed as the radar analysis estimation of the wave spectral energy and the noise is computed as the energy due to the sea surface roughness, which is closely related to the speckle of the radar image. The proposed method to estimate wave heights is validated using data sets of sea clutter images measured by a marine radar and significant wave heights derived from measurements taken by a buoy used as reference sensor.     

Modeling and simulation of fluctuating wind speeds using evolutionary phasespectrum

According to the characteristics of vortexes with different frequencies in atmospheric turbulence, a rational hypothesis is proposed in the present paper that the time history of fluctuating wind speeds can be viewed as the integration of a series of harmonic waves with the same initial zero-phase. A univariate model of phase spectrum is then developed which relies upon a single argument associated with the concept of starting-time of phase evolution. The identification procedure of starting-time of phase evolution is detailed and its probabilistic structure is investigated through the estimation of the measured data of wind speeds. The univariate phase spectrum model is proved to be valid, bypassing the need of the classical spectral representation techniques in modeling the phase spectrum where hundreds of variables are required. In conjunction with the Fourier amplitude spectrum, a new simulation scheme, based on the stochastic Fourier functions, for fluctuating wind speeds is developed. Numerical and experimental investigations indicate that the proposed scheme operates the accurate simulation of fluctuating wind speeds efficiently that matches well with the measured data of wind fields by revealing the essential relationship among the individual harmonic waves. The univariate phase spectrum model exhibits the potential application for the accurate analysis and reliability evaluation of random wind-induced responses of engineering structures.     

基于HY-2高度计波形数据的高分辨率有效波高反演算法研究

有效波高是描述海况的重要参量之一,利用高度计遥感获取有效波高已在海洋研究中获得广泛应用。本文基于海洋二号(HY-2)卫星高度计波形数据,发展了一种高分辨率有效波高反演算法,采用中误差对反演得到的20 Hz有效波高进行筛选,有效提高了测量精度。通过该方法对1个轨的波形数据进行有效波高反演,统计结果表明:与针对1 s回波反演的有效波高比较,利用该方法可将有效波高观测分辨率提高约15倍,精度约为0.44 m;利用HY-2高度计20 Hz波形数据反演的有效波高精度可靠,可用其进行高分辨率的相关海洋研究。     

铰接式基础风力机数值程序开发与响应研究EI北大核心CSCD

针对50 m作业水深提出了一种新型铰接式基础海上风力机结构,建立了铰接式基础风力机(AOWT)摇摆运动分析模型。采用空气动力-水动力耦合分析方法,利用MATLAB软件在时域内编写运动控制方程,对风、浪、流不同环境载荷作用下铰接式基础风力机的动力响应进行分析,在此基础上,进一步研究湍流风对风力机整体运动及载荷响应影响。计算结果表明,额定风速海况下,铰接式基础风力机运动及载荷性能良好,满足结构设计要求。相比于定常风情况,湍流风作用下,系统响应均值显著减小,但幅值变化加大,且在低频范围内诱发较大共振。     

风速、入射角对海面谐振散射的影响

根据微扰法研究波散射,在谐振散射模型基础上导出布拉格散射系数,并分析海表面波对散射系数的影响.考虑海表面斜度的变化,对谐振散射系数进行修正,得出修正后的散射系数,发现散射系数的修正值受海面高度起伏均方根的影响,计算得出海面高度起伏均方根与风速的关系.在30 m深度海域进行试验,入射波角度分别为35°、45°和55°情况...     

大跨平屋盖风荷载特性及风压预测研究

在大气边界层风洞中开展了大跨平屋盖结构刚性模型试验,获得了屋盖表面测点的风压时程,分析了典型风向下屋盖表面平均风压与脉动风压特性。结合本征正交分解技术(POD)与BP神经网络法,提出了一种可用于大跨结构进行空间插值的机器学习法—POD-BPNN法,实现了对风压的高效预测。预测的平均风压系数、脉动风压系数、脉动风压的时域与频域特性均与风洞试验值相吻合。表明运用POD-BPNN方法预测大跨结构表面风压是可行的。     

漂浮式光伏电站方阵环境载荷计算方法研究

针对我国建成的全球首个单体容量达到40 MW的漂浮式光伏电站方阵进行了环境载荷数值预报研究,在与风洞模型试验结果对比验证的基础上,基于计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）方法对该大规模方阵的整体风载荷和流载荷进行了数值研究。CFD计算的数值考察验证了采用简化浮体模型进行研究的可行性,单体模型的计算结果与风洞试验结果吻合良好;对方阵进行实尺度建模及3D简略计算,得到了整体风载荷在不同风向角下的变化规律;通过对最大载荷风向的北风条件下的载荷分布规律的分析,提出了2.5D计算的策略,得到了数值验证;根据计算结果设计并实施了18行×11列单元模块的缩尺方阵风洞试验,试验结果和CFD计算结果吻合良好,据此构建了完整的数值计算方法;对2.5D进行高精度计算,确定了针对3D简略计算的修正系数,得到较为准确的整体风载荷结果。流载荷计算方法与风载荷相同。采取势流计算方法开展了波浪载荷数值分析研究,得到了在单位波幅规则波作用下漂浮方阵波浪载荷随行和列的变化规律;根据此规律获得了整体漂浮方阵的波浪载荷,并据此计算了50年一遇的极端条件下漂浮方阵所受的波浪载荷。该研究为漂浮式光伏电站的风、流、波浪等环境载荷的数值预报提供了方法,为漂浮方阵的锚泊计算及水上光伏电站的系统设计提供了技术支持。     

基于调制FFT的谐振式SAW传感器快速频率估计算法

针对高动态环境下的谐振式声表面波（Surface Acoustic Wave,SAW）传感器快速精确频率估计,提出一种基于调制快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）的谐振式SAW传感器快速频率估计算法。对单次谐振式SAW传感器回波信号进行N点取样后进行调制FFT计算,获得回波信号频谱,然后利用最大谱线的两相邻谱线取代I_Rife算法频谱细化后的谱线对频率偏移因子进行估计,最后使用频率偏移因子对最大频谱频率进行修正。该算法较I_Rife算法不需要判断频率修正方向,减少了3N次复数乘法和4（N-1）次复数加法运算,频率估计均方根误差的平均值减小了26%。该算法在提高精度的同时,实现了对谐振式SAW传感器的快速频率估计。     

长周期地面运动和SSI效应对风机动力响应的影响

针对建设在软土地基上的大功率风机结构,需要同时考虑长周期地面运动和土-结构相互作用(SSI)的影响。为了全面研究长周期地面运动和SSI效应对风机塔筒结构动力响应的影响,首先基于某1.25 MW变桨距风机结构建立了包含叶片、机舱、塔筒和基础的结构整体有限元模型,并进行了模态分析。其次在世界地震记录数据库中选择了1条普通波(EI-Cento波)和2条长周期波(HKD054波和CDAO波),并对两种波的时频特性进行对比分析,同时建立了考虑与不考虑SSI效应的对比模型。最后利用ANSYS软件并采用时程分析法对考虑与不考虑SSI效应的风机结构在两类地震波作用下的地震响应进行对比分析,并对叶片与塔筒的碰撞问题、门洞区域的应力集中、机舱内主轴在剪力作用下的破坏以及基础的失效问题进行了进一步的研究。结果表明:长周期地震作用下的风机结构位移、加速度、应力和内力响应值均大于普通波作用下的结果,在此基础上某些响应甚至会被SSI效应进一步放大。因此在风机结构的抗震设计中需要考虑长周期地震作用和SSI响应的影响,特别是在软土地基区域。另外,塔筒与门框连接区域、机舱内主轴和基础等薄弱区域需要适当加强。     

大粗糙度起伏下一维海面声散射建模与分析

针对起伏海面高频声散射计算问题,提出了一种改进的基尔霍夫(Kirchhoff)近似方法。该方法考虑了海面的阴影区和亮区之间的多次散射声场,可对小入射角下大粗糙度起伏海面的散射声场进行计算。以一维余弦和高斯谱海面散射声场的有限元计算结果为标准解验证了所提方法的准确性和适用性。利用该方法计算了一维余弦海面的散射强度,分析了不同入射声波频率和角度下海面散射强度的分布情况,并解释了Bragg散射的产生机理,同时讨论了不同海面均方根高度和相关长度情况下高斯谱海面散射强度的变化规律。