基于有理函数模型的GNSS-R岸基海面风速反演算法

岸基条件下,海浪不能充分生长,海浪谱的理论模型不足以完全描述相关时间和风速的关系,已有研究一般使用幂函数形式的经验模型反演海面风速。文中提出一种新的有理函数形式的经验模型,取代传统幂函数形式的经验模型进行海面风速的反演。试验数据分析表明,新的有理函数形式的经验模型反演得到的风速与实际风速的相关系数为0.986 2,均方根误差为0.45 m/s,与传统的幂函数形式的经验模型反演结果相比,其相关系数提高了0.80%,均方根误差降低了20.19%。     

高频地波雷达风速直接反演的经验模型

利用风浪经验模型从高频地波雷达(HFSWR)的回波谱数据中反演风速需要有效波高等先验信息,因此风速的反演受有效波高反演精度的影响。该文基于风浪经验模型,利用风速和高频地波雷达海面回波二阶谱与一阶谱能量之比的关系,发展了无需波高信息的风速直接反演的经验模型。将风速反演经验模型应用到高频地波雷达风速的反演中,对两部不同频率的雷达在不同海域获得的数据进行了比较分析,结果表明,该文中采用的经验模型能够有效地对风速进行反演,其中三参数模型的结果略好于双参数模型。     

基于星载激光雷达的AOD与海面风速关系研究

海面上空气溶胶的产生和传输在一定程度上和风有关,研究气溶胶和风速间的关系,对增加大气模式的预测精度有重要意义。文中使用CALIPSO卫星CALIOP激光雷达L2（V3.01）气溶胶层与云层数据,与准同步AQUA卫星的AMSR-E海面风速数据,采用2007年和2008年的1月、4月、7月、10月共8个月的观测数据,研究波长为532 nm的气溶胶光学厚度（AOD）与海面风速间的关系及其随季节、年份的变化。结果显示,无云条件下,全球海洋上空AOD与风速存在关系：当风速在0-12 m/s时,AOD随风速增大而增加,当风速在4-12 m/s时,AOD与风速近似线性关系,当风速>14 m/s时,AOD趋于平稳。     

星载光子计数激光雷达海面点云仿真方法

星载光子计数激光雷达作为一种新的探测体制激光雷达,已开始应用于海面测量。然而受海风等多种因素的影响,海面存在一定的粗糙度和较大的起伏变化,因此光子计数激光雷达返回的信号点云在返回能量和信号光子分布上存在较大的变化,潜在的影响到了海面高程测量精度。本文基于JONSWAP海浪谱和微面元模型理论,结合蒙特卡洛方法建立了光子计数激光雷达海洋目标的仿真模型。以ICESat-2星载光子计数激光雷达的系统参数作为输入,仿真了不同风速条件下海面的信号光子分布,通过与ICESat-2实测结果对比证明了仿真方法的正确性。基于仿真模型,分析了不同风速条件下,光子计数激光雷达的测距误差分布。结果表明,光子计数激光雷达测得的海面高程小于实际参考海面,且测量偏差和标准差随风速增加而增大,当风速为10m/s,累计脉冲次数为100次时,测量偏差约为-2.5 cm,标准差为3.6 cm。所建立的仿真模型和分析结果对优化针对海面观测的星载光子计数激光雷达的系统参数设计和平均海面观测结果修正具有重要的参考意义。     

基于GNSS-R的海面风速探测技术研究

该文利用数值仿真手段分析了全球导航卫星系统海面反射(GNSS-R)信号的时延相关功率曲线特征,讨论了风速、风向、GNSS卫星高度角、接收机平台高度和速度等因素对海面散射信号相关功率的影响,给出了GNSS-R海面风速的反演方法和技术流程,并进行了试验验证。结果表明,在中低风速条件(<20 m/s)下,GNSS-R测量的海面风速与实测风速的基本一致,说明 GNSS-R 探测海面风速的可行性以及该文给出的海面风速反演方法的正确性。当风速超过20 m/s时,由于受海浪谱模型的限制,其反演的结果明显低于实测风速。最后,根据试验结果,初步给出了GNSS-R测量海面风速的修正模型。     

用蒙特卡罗法研究波动水表面对机载海洋激光雷达水下光束质量的影响

利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法对机载海洋激光雷达探测过程中,透过波动水表面向下传输的激光束质量受波动水表面影响的程度进行了模拟计算,并给出了定量结果和定性结论。为了获得水下传输的激光束质量相关数据,在传统的蒙特卡罗模型中引入了波动水表面影响模型和接收平面能量分布计算的功能。通过模拟计算,得到了不同海面风速条件下机载海洋激光雷达发出的高斯光束透过波动水表面后在接收平面上的能量分布,得出了随着海面风速的增加,高斯光束的光束质量不断下降,机载海洋激光雷达探测效果不断变差的结论。     

基于北斗卫星反射信号的海面风速探测

通过研究北斗反射信号与海洋状态的关系,在岸基条件下提出一种利用反射信号一维时延功率谱面积间接计算海面风速的方法,并对威海岸基试验的数据进行处理和分析。通过分析不同阈值下的功率谱面积与有效波高(SWH)的相关系数大小,设定合适的功率谱阈值,建立功率谱面积与有效波高的经验关系,同时利用数据拟合建立有效波高与海面风速的关系。通过与海洋站同比风速的对比,反演风速的均方根误差为2.10 m/s,两者具有很好的一致性,验证了此方法的可行性。     

三通道瑞利散射测风激光雷达风速反演算法

为了获得更为准确的大气风速廓线,使用国内首台基于三通道Fabry-Perot标准具的瑞利散射测风激光雷达进行风场测量,提出了根据实测数据及时调整标准具位置的激光频率反演方法。此方法有效减小了激光频率漂移和抖动造成的反演误差,同时对传统风速算法进行了改进。利用非线性迭代算法处理数据,通过对两种算法处理结果的比较,发现迭代算法具有更高的反演精度。使用非线性迭代算法对三通道瑞利散射多普勒测风激光雷达风场测量数据进行处理,得到了10km～40km的大气风速廓线。结果表明,此种风速反演算法切实可行,并提高了反演精度。     

白天天空背景光变化特性的理论计算与实验测量

通过理论推导得到了竖直方向上白天天空背景光光强计算公式。根据激光雷达30km处的瑞利数据反演了30km以下的大气透过率,利用反演出的大气透过率和推导的背景光计算公式,计算了天空背景光的白天变化,与实测数据符合较好。同时也说明了白天用FADOT窄带激光雷达探测有限距离大气透过率的可行性。     

星载GNSS-R海面风速反演方法研究

星载GNSS-R因其时延-多普勒相关功率(DDM)波形对风速的敏感性较低,采用理论与实测波形匹配的方法所得风速精度较差。针对这一问题,该文采用一种直接建立相关功率值与风速之间联系的方法获取风速信息。基于相关功率模型对散射功率进行了归一化修正及其简化处理,利用UK TDS-1卫星试验数据和散射计(ASCAT)同比观测风速分别建立归一化散射功率及其简化式与海面风速之间的经验模型。与ASCAT观测风速对比结果表明:在0~20 m/s的风速范围内,采用归一化散射功率反演风速的均方根误差为2.11 m/s;两种方法的反演精度相近,简化修正方式避免了复杂的积分运算更适用于实时处理。     

星载合成孔径雷达遥感海洋风场波浪场

星载合成孔径雷达(SAR)能够全天时、全天候、高空间分辨率、宽刈幅观测海洋表面，是获取海面风场和波浪场信息的重要微波传感器。该文综述了多极化SAR海面风场遥感原理、地球物理模式函数，以及潜在应用(海气边界层现象、海上风能资源开发、台风监测与预警预报)，系统总结了传统星载SAR、新型干涉和极化SAR海浪遥感方法和技术。随着雷达卫星编队飞行技术的逐步成熟，未来海洋卫星组网将成为全球海洋和极地观测新趋势，合成孔径雷达海面风场和波浪场定量遥感将从科学研究向业务化海洋动力环境监测发展。      

单多普勒激光雷达机场小尺度风场反演研究

基于机场上空小尺度风场结构特点以及单多普勒激光雷达测风原理,本文在现有气象雷达三维风场反演的VVP方法的基础上,提出一种基于三维风场在分析体积内均匀分布假设的几何反演算法。此方法对单多普勒激光雷达测得的径向速度进行处理,实现对机场上空实际风速大小及其角度的反演,进而对风切变等灾害性天气完成探测。通过反演数据与原始数据进行比较,分析反演误差,结果表明几何方法能够较好的反映小尺度风场变化趋势。     

基于CALIPSO数据反演云相态的方法研究

依据云粒子对偏振激光的消偏原理,基于星载激光雷达CALIPSO的数据,利用其层积分衰减的后向散射β与层积分的退偏振比δ之间的二维阈值关系及其空间相关性提出了一种云相态识别的新算法.应用该算法对2010年3月3日中国区域内的一轨CALIPSO数据进行了云相态的反演实例实验,并对实验反演结果与CALIPSO相态产品进行了对比分析.结果表明该算法具有更高的云相态识别精度.     

Retrieval of Ocean Surface Parameters from the Scanning Multifrequency Microwave Radiometer(SMMR) on the Nimbus-7 Satellite

Sea-surface temperature retrievals have been tested on 2 months of Nimbus-7 scanning multichannel microwave radiometer data. Using the prelaunch versions of the instrument calibration and geophysical parameter retrieval algorithms the initial results were poor. Improved algorithms produced substantially better results. It appears that at least for the night-Southern Hemisphere portion of the Nimbus-7 orbit, a rms measurement accuracy of 1.45°C has been achieved. Similar tests with wind speed retrievals yield an accuracy of 2.7 m/s rms with no substantial differences between day and night measurements but limited by availability of surface observations to the Northern Hemisphere. Moreover, it appears that the retrieved wind speed is more nearly related to the square of the wind observed at the surface than to the wind itself.     

CALIPSO星载激光在全球海洋上空的透性统计

利用CALIPSO卫星2006年6月至2010年5月四年的5 km二级云产品数据对CALIPSO星载激光在全球海洋上空的穿透性进行统计分析,分别讨论了穿透概率随年度变化、季节变化、昼夜变化及地理位置的变动情况,同时分析了产品版本因素对分析结果造成的影响.分析表明,海洋上空的数据中探测到云层的约占72.2％,其中不透明云...     

海面掠入射散射特性及布儒斯特效应研究

海面掠入射散射特性对海洋遥感等问题有着重要应用,海面对雷达波束的镜面反射对海上超低空目标与海面的耦合场有着重要影响,利用海面的布儒斯特效应将有效削弱镜面反射。以西太平洋和东南沿海盐度场与温度场的卫星数据为基础,根据双Debye方程建立修正海水介电模型计算不同海域介电常数;基于Elfouhaily海谱模型,采用修正双尺度模型并考虑不同风速及频率下的截断波数,仿真分析了风速、频率、海水温度与盐度等因素对海面掠入射散射特性及布儒斯特效应的影响,总结归纳了海面布儒斯特效应产生机理和变化规律。分析表明:风速、频率及海水温度均会对海面布儒斯特效应产生影响。该研究为海洋环境的遥感探测及海上超低空目标的监测与跟踪提供了理论支撑。     

Evaluation of JERS-1 SAR images from a coastal wind retrieval point of view

Wind retrieval from Japanese Earth Resources Satellite-1 (JERS-1) synthetic aperture radar (SAR) using an L-band model function in coastal regions is evaluated. It is known that JERS-1 SAR has excessive ambiguities. This paper also gives a quantitative evaluation of excessive ambiguities in coastal scenes of JERS-1 SAR. First, focusing on the cases where wind blows from the shore in Sagami Bay, we investigate phenomena of wind speed increase with offshore distance using European Remote sensing Satellite-1 (ERS-1) SAR-derived wind speeds. The relation between wind speed and offshore distance is well formulated, which indicates the transition of the atmospheric boundary layer from land to sea surface. Wind speeds derived from JERS-1 SAR should be overestimated due to the excessive ambiguity. Then, for observation time of each JERS-1 SAR capturing the cases that wind blows from the shore in Sagami Bay, the expected wind speed growth profile is derived from the wind speed growth formula and an in situ wind observation of Hiratsuka Experiment Station. We convert the wind-speed profile into the sigma-0 profile by an L-band model function. Finally, the profiles of JERS-1 SAR-observed and the estimated sigma-0 are compared, and the excessive ambiguity is estimated as the difference between them. As a result, the dynamic range of first azimuth ambiguity is as large as that of the wind-relating signal from the ocean surface. Moreover, higher order azimuth ambiguities and range ambiguity also may have a significant impact on near-shore wind retrieval.     

相干激光测风雷达风场测量技术

研发了一套全光纤化相干多普勒激光测风雷达设备,并已作为试验样机应用于XXX工程中。该激光测风雷达工作于人眼安全波段,系统结构设计紧凑,性能可靠,可实现远距离风速测量。首先对相干激光测风雷达风速测量精度进行了理论分析,然后采用放置于103 m高塔上的超声风向风速仪和探空气球作为雷达指标的测试工具,对激光雷达进行外场试验,验证设备的性能。经过试验结果分析,风速数据相关性达95%以上,标准差优于0.8 m/s,风向数据相关性达98.6%以上,标准差优于5。与国外相关激光测风雷达测量精度相当,表明激光测风雷达具有优良的性能,将成为广泛应用的风场测量工具之一。