星载合成孔径雷达海洋遥感与大数据

星载合成孔径雷达以其全天候、全天时、不受云雨影响的工作特性在空间对海观测中起到了重要作用,又以其高空间分辨率、多极化、多成像模式的特点展示了其在海洋动力要素反演和海洋多尺度动力过程研究中独特的魅力.起步于20世纪70年代末的星载合成孔径雷达技术,迎来了发展的"黄金时期",大数据和机器学习又赋予了星载合成孔径雷达海洋遥感更强大的生命力.本文首先阐述了星载合成孔径雷达大数据的5"V"特性,进而以高分辨率海面风场反演、海洋内波中尺度动力过程观测两类典型案例,阐述了大数据、机器学习等现代信息科学技术与卫星海洋遥感结合,实现海洋环境参数高精度反演和海洋动力过程科学深层次认知的研究.最后,展望了星载合成孔径雷达海洋遥感与大数据的发展前景.     

合成孔径雷达积雪参数反演研究进展

积雪是影响辐射平衡、水资源等全球能量与水循环的重要参数,遥感是监测积雪时空分布特征及其变化趋势的重要手段.合成孔径雷达(SAR)以其全天时、全天候能力,成为积雪遥感中重要的研究方向.本文从SAR与积雪的特性、积雪的散射模型、基于强度和相位信息的积雪参数反演等方面,针对SAR积雪参数反演方法的理论、技术进行总结和分析,指出了目前利用SAR数据反演积雪的研究现状和存在的问题,并对未来的研究方向进行了讨论.     

CYGNSS海表风场观测数据验证及其可能的应用（英文）

海表面风场可以用于获取许多大气和海洋现象的信号,高质量、高时空分辨率的海表面风场数据产品将有利于海洋-大气动力过程的研究.本文使用全球热带系泊浮标阵列计划(Global Tropical Moored Array Programs)的锚定浮标风场数据和西沙通量塔气象观测资料验证了Cyclone Global Navigation Satellite System(CYGNSS)的35°N~35°S海面遥感风场观测数据.结果表明,CYGNSS海表面风场与实测资料存在着2.17 m/s左右的平均均方根误差(RMSD),它可能源于观测数据和卫星遥感资料的观测误差,以及两者在空间和时间上未严格匹配而引起的代表性误差.另外,CYGNSS海表面风速的时间演变与实测资料非常一致,展现了CYGNSS在研究海洋-大气能量和动量交换过程方面的潜在应用价值.本文使用Madden-Julian Oscillation(MJO)和赤道东部印度洋上升流事件作为两个个例,说明了CYGNSS海表面风场资料的潜在应用价值.     

合成孔径雷达森林资源监测技术研究综述

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)技术凭借其全天时、全天候的成像能力以及对森林垂直结构信息敏感的特点,在森林资源监测中具有独特的优势,已成为当前森林资源遥感调查技术的研究热点.本文首先介绍了SAR森林资源监测技术的发展背景、发展轨迹和相关知识;然后,重点阐述了极化SAR、干涉SAR、极化干涉SAR和层析SAR在林地覆盖类型分类、变化检测以及森林参数定量化估测应用中的技术方法;最后,就SAR在森林资源监测研究和应用中存在的问题与发展趋势进行了总结与展望.     

结构撞水的流固耦合动力分析

结构的撞水是流固耦合相互作用的瞬态过程.本文采用有限元法,就三维楔形体结构对带自由表面流场的撞水过程进行了数值模拟.楔形体结构简化为V型折板,流场和结构分别采用欧拉网格与拉格朗日网格,进行流固耦合动力分析的迭代求解.在此基础上开展参数化研究,探讨了撞水速度、板厚、斜倾角以及材料参数对撞水过程的影响.分析的结果与有关文献的实验结果比较吻合,为撞水结构的强度分析与设计提供了参考.     

利用GOCE卫星重力场模型确定高分辨率地转流

高分辨率、高精度地转流的探测是海洋学研究的目标之一.选用海洋环流探测卫星(GOCE)、气候实验卫星(GRACE)2种卫星重力场模型,结合卫星测高获取的平均海面高模型,计算了分辨率为15′×15′的稳态海面地形(MDT)和全球地转流,利用GOCE卫星重力场模型解算的结果在分辨率和精度上均高于利用GRACE模型解算的结果;选择GOCE最新重力场模型GO_CONS_GCF_2_TIM_R4,ITG-GOCE02和JYY-GOCE02S,联合高精度GOCE卫星重力场模型和高分辨率CNES_CLS09MDT模型的组合方法,得到的地转流结果基本等于或高于仅利用MDT模型得到的结果,可以有效恢复滤掉的MDT(利用GOCE卫星重力场与平均海面高模型计算得到)中的高频信息,实现对流幅为几十千米的海洋环流的探测,使地转流更接近于真实特征.     

基于RadarSat2数据的法拉第旋转校正算法实验

鉴于星载合成孔径雷达(SAR)系统受法拉第旋转效应引入的极化矢量偏移影响,研究基于极化SAR传输模型给出常用星载SAR法拉第旋转效应校正算法,还原目标真实散射特性以用于地面精确信息反演.实验给出了四种常用校正算法关于C波段全极化Radar Sat2数据的法拉第旋转角估计性能分析,对比得到Bickel&Bates算法及Freeman算法具有较稳健的估计性能表现;并基于其对整景数据进行法拉第旋转效应估计,得到该雨林区域数据具有0°~2°的法拉第旋转角变化,对于一般遥感数据应用不会产生较大影响.这为进一步精确监测星载极化SAR系统失真变化打下了技术基础.     

GNSS-R海洋遥感原始数据采集系统研究与实现

利用全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)实现海面风场探测,是一种新型的微波遥感技术.获得表征海面粗糙度等信息的原始数据是实现导航卫星反射信号对海面风场探测的关键技术之一,对导航卫星反射信号软件接收机的研究,其原始数据获取更为重要.该文在分析GPS海面风场探测前向散射机理基础上,结合GPS直射信号接收理论,设计完成了基于FPGA实现的双射频前端海洋遥感原始数据采集系统;阐述了系统组成原理及关键模块设计过程,给出了机载试验及试验数据分析结果;得到卫星直射信号和对应反射信号镜面反射点路径延迟的试验结果与理论计算值基本一致,误差为0.28%.能正确表征镜面反射点等海面粗糙度信息,试验结果符合海洋遥感参数反演的精度要求.     

地震动反演及参数识别的广义统计平均法

针对结构参数未知条件下的地震动反演或基底输入未知时的结构系统参数识别问题进行研究.依据地震作用的力学性质可以转化为一类关于估计输入的修正条件，并考虑到动力方程中的相对量与测量中的绝对量之间的关系，依据统计平均的思想，具体讨论了地震动反演及参数识别的广义统计平均法的实现步骤，形成新的迭代过程.该迭代过程在给出识别参数的同时，也反演得到了地震动时程，其核心意图是将地震动的影响计入测量信息中去.理论分析及算例表明了该算法的可行性、有效性、实用性、稳定的收敛特性和良好的反演效果.     

内波KP方程的孤立子解及其模拟分析

通过Hirota双线性方法,给出了内波KP方程的孤立子解。当总水深和密度变化率一定时,就上层水深变化对孤子振幅的影响进行了分析。发现在实际海洋中,对于上升型孤立波而言,上层水深越大,孤立波振幅越小;对于下降型孤立波而言,上层水深越大,孤立波振幅越大。最后结合亚洲海洋国际声学实验测得的浮标数据,将单孤子解模拟的内波图形、ASAR内波图像参数反演结果与实测数据进行了对比,模拟和反演结果与实测结果基本一致。     

基于DART模型森林结构参数反演

为充分发挥多角度遥感技术在森林资源监测过程中的作用,首先需要认识遥感信号产生的机理,了解植被冠层辐射传输的过程,建立合适的数学模型进行定量描述,最终达到从遥感信号中提取植被信息的目的。利用CHRIS多角度遥感数据验证DART多角度物理模型,DART多角度物理模型确定影响双向反射率分布函数(BRDF)的不同敏感参数,根据试验区的特点设计并正演建立查找表,由平方差最小原则通过多角度遥感图像反演LAI。反演得到的LAI与样地实测数据比较分析,结果表明多角度遥感反演精度满足要求。     

基于图像退化技术的近岸陆上水体提取方法

海岸带环境中由于海洋及入海河流的普遍存在而使陆上水体的提取变得较为复杂,尤其在处理滨海河口时,往往要借助人工干预对入海河流与海洋进行分割,进而提取河流信息,自动化程度较低。本文提出了一种基于图像退化技术的近岸陆上水体信息提取方法,该方法通过构建多级遥感影像金字塔,降低原始遥感影像的分辨率,使陆地上的河流信息得到退化,获得海洋水体图斑,然后再利用图像恢复,对陆地水体图斑进行复原,最终得到陆上水体信息。     

基于深度学习的星载SAR工作模式鉴别

针对传统星载合成孔径雷达（SAR）工作模式反演方法在识别准确率和时效性上存在局限性的问题,根据SAR信号的特点,提出基于一维卷积神经网络的星载SAR工作模式识别模型. 该模型以星载SAR信号脉冲峰值幅度作为输入,利用卷积神经网络的自主学习和模式识别能力,避免了传统方法的人为影响因素,能够学习原始信号更具有代表性的特征,最终实现星载SAR工作模式的有效识别. 在设计一维卷积神经网络结构时,参考了现有性能较优的卷积神经网络,根据网络训练过程中准确率和损失值的反馈,调整设置了较优的参数以训练得到具有良好识别性能的模型. 基于仿真数据的对比实验表明,该模型相较于传统反演方法具有更高的识别准确率,同时对于主旁瓣信号和不同侦收条件均具有较优的鲁棒性和抗噪性.     

SAR对地观测技术及应用新进展

自1960年4月诞生国际上第一部合成孔径雷达(SAR)以来,SAR技术及应用发展已进入一个新的阶段.在该阶段,对电磁波的波段、极化、振幅和相位等信息的利用更加深入和综合,其显著的技术特征为双/多站或星座观测、极化干涉测量、高时序高分宽幅测绘、三维/四维结构信息获取和超高分辨率观测,其显著的应用特征为面向全球性重大问题如全球变化和全球可持续发展实现地球表面动态过程高精细、大尺度和时间连续的监测和评估.本文首先介绍了SAR对地观测技术的研究背景及意义,然后就四种典型的先进SAR即极化SAR、极化干涉SAR、层析SAR和超高分辨率SAR论述了其近十年来的研究进展,最后,展望了未来这些先进SAR对地观测技术的发展趋势,并重点探讨了在多通道信息获取、多角度观测、高时相观测、分辨率和测绘幅宽提升等方面的发展趋势.     

跨维贝叶斯反演在地球物理中的研究进展

贝叶斯反演不仅能够得到最佳的模型参数估计,还可以提取丰富的模型参数统计信息,从不同的角度分析数据所包含的模型参数信息。跨维贝叶斯反演将模型参数维数以未知数包含在反演中,根据数据信息和先验信息确定其维数大小,并将模型参数维数的不确定度信息包含在模型参数误差估计中,该方法已经广泛应用于地球物理反演。为了理清该方法在地球物理中的应用情况和全面认识现阶段该方法理论发展水平,通过最新的文献综述,从跨维贝叶斯反演基本理论、起始模型选取、采样方法、数据噪声处理等方面介绍跨维贝叶斯反演,阐述了一维跨维贝叶斯反演的基本原理、发展历程以及研究现状,高维地球物理跨维贝叶斯反演的研究现状,最后探讨了跨维贝叶斯反演的发展趋势。     

基于水平集方法的软性磨粒两相流场特性分析

为了解决模具结构化表面精密加工(SAFM)过程中软性磨粒两相流场特性参数难以求解的问题,提出一种基于水平集法 (LSM)的磨粒流场特性分析方法. 基于LSM结构拓扑变换原理,结合流体体积模型(VOF)计算方法,建立面向软性磨粒两相流湍流流型分析的动力学模型. 通过高阶TVD Runge-Kutta、迎风格式以及高阶本质无振荡(ENO)方法分别对水平集时间项和空间项进行离散,且利用N-S方程和压力耦合方程的半隐相容(SIMPLEC)算法,实现软性磨粒两相流场的压力、速度等特性参数的求解. 以工程中常见的90°方形弯管为具体仿真实验对象,研究软性磨粒两相流流经管道过程中的速度场与压力场变化. 实验结果表明,数值计算结论与直管处速度场试验结果是一致的,验证了该方法的有效性,为软性磨粒流精密加工方面的研究提供了可靠的理论依据.     

机载SAR相位误差补偿算法及实现

结合多普勒参数和PGA自聚焦算法,提出了逐步补偿相位误差的方法.多普勒参数估计能够有效去除载机运动不理想所引入的相位误差,主要包括线性相位误差和二次相位误差.PGA算法能够很好地补偿电磁波传输过程中媒质不均匀等原因造成的相位三次及以上误差,两者相结合可以有效地补偿SAR成像中所存在的相位误差,从而实现高精度成像.实测数据分析验证了该方法的有效性,完成宽幅实测数据成像,并对成像结果进行理论分析,得出成像的实际物理过程及刻画成像区域范围的影响因素.     

考虑裂隙的多孔介质中对流扩散现象的仿真模拟

为研究裂隙多孔介质中的对流扩散现象,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法从孔隙尺度下模拟了裂隙中孔隙水的流动过程,仿真实现了考虑裂隙时溶质穿透多孔介质的真实运移过程,并提出一种简化处理的两流区模型对穿透过程加以描述.计算中首先采用SPH方法求解纳维斯托克斯方程,建立能考虑复杂多孔颗粒边界的二维流场模型,并基于此模型进行了溶质穿透三种不同裂隙宽度的多孔介质的仿真实验.随着介质中裂隙宽度增大,裂隙区域流速与基质区域流速差增大,穿透曲线中早期穿透和拖尾现象越明显;采用两流区模型能够描述这一现象,但一般化的模型难以得到精确解,因此提出一种简化处理办法,并给出了该简化模型的解析解.结果表明,该简化模型能够很好地描述裂隙多孔介质中溶质的运移规律,并可反演得到裂隙流中对流扩散的相关参数.     

改进人工蜂群算法统计反演大气波导的比较

利用雷达海杂波反演技术,比较3种改进人工蜂群算法在大气波导反演时的性能。通过统计方法与反演过程的收敛曲线分析了仿真折射率剖面所产生的海杂波功率得到的表面波导的统计反演结果。结果表明,局域搜索能力较强的改进人工蜂群算法在表面波导反演过程中的性能明显优于其他两种算法。     

电液比例式推进系统的自适应反演滑模控制

针对电液比例阀驱动的水下推进系统存在液压系统强非线性、易受外界温度压力以及水动力性能变化引起的参数不确定性的问题,提出一种自适应反演滑模控制方法.该方法结合实验辨识和自适应参数控制器设计方法分别对电液比例复杂耦合系统和不确定系统参数进行简化分析和在线估计,使用李雅普诺夫稳定性理论保证了系统全局渐近稳定以及系统状态的有界性.以国家发展高科技计划4 500米级深海作业系统-"海马号"ROV的螺旋桨推进系统为研究对象,使用提出的控制方法与传统PID控制器进行对比试验.仿真和水池试验结果表明,所设计的自适应反演滑模控制器对参数变化以及未知外界干扰具有较强的鲁棒性,可以很好地跟踪螺旋桨转速参考轨迹,获得较好的稳态控制精度和动态性能;同时修正后的参数估计能够保证在外界未知干扰下估计参数的有界性.