岸基GNSS反射信号的波浪多参数反演方法研究

针对当前GNSS-R技术利用GNSS海面反射信号仅反演有效波高一个参数的不足，基于直射信号和反射信号构成的复相干场模型，建立海面相关时间与波浪的有效波高和平均波周期的映射模型，给出了基于直射信号多普勒频移、C/A码、导航数据位参数辅助的海面反射信号处理流程和方法，确立了基于GNSS海面反射信号的有效波高和平均波周期反演流程和方法，并在青岛小麦岛海洋观测站进行了岸边实验.实验结果表明，有效波高反演结果的均方误差为0.1 m，平均波周期反演结果的均方误差为0.61 s.所提反演方法对海洋观测新技术研究和新装备制造，及其在我国北斗系统中的应用等扩展领域，都具有明显学术价值和重要意义.     

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。     

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。     

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。     

基于导航卫星载波信号的海浪高度反演系统

采用国内首个自主研发的全球定位系统(GPS)载波相位波浪仪,在上海东海大桥24km处的海洋遥感观测基地,构建全球导航卫星系统反射(GNSS-R)海洋遥感观测平台,对自然条件下充分发展的海浪进行观测实验。建立海表反射新模型及方法,推导载波相位差之差反演波高的方法,通过接收GPS直达和经海面反射的信号,选定仰角和信噪比符合条件的信号,经过信号的相关处理运算,输出海面波高的反演结果。利用自动气象站风场资料进行初步的定性分析,结果表明:GPS反演的波高结果基本合理可信,系统运算快速,实时性较强。目前,整个系统已投入业务试运行。     

高频地波雷达数据检验及在台风监测中的应用

通过地波雷达探测数据获取率、可用性和结果标准差及相关性等计算,分析了地波雷达对海流、海浪、海风反演测量的总体性能和适用条件。结果表明:高频地波雷达在台风期间较好地反映了风、浪、流场的空间分布及变化特征,其探测精度可满足业务需求,验证了高频地波雷达在复杂海况条件下具有较好的探测能力;地波雷达可以在不同海况下探测获取高精度可信的海流参数信息,但海浪和海风参数的探测精度和可信度受当时海况影响,当海面浪高小于1 m时或风速小于4.7 m/s,海浪和海风的探测精度较差,可信度较低。     

星载真实孔径雷达波谱仪的海浪谱反演仿真

 本文概述了星载雷达测量海浪方向谱的原理及相应的系统配置,并介绍一种端到端的系统仿真方法,分析系统在不同配置和海况下的波谱反演性能.仿真结果表明,星载雷达波谱仪能够以较高精度测量有效波高大于2.0m的风浪和中低风速条件下的涌浪(有效波高大于0.8m).最小可检测波长为40m,波长为200m时测量精度优于20m;平均之后波谱测量的方向精度优于20°.同时证明,10°入射角的波束配置优于6°入射角.     

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。     

车载直接探测多普勒测风激光雷达光学鉴频器

基于建立的车载直接探测激光雷达系统,对接收光学鉴频器进行了研究。针对边界层、对流层和平流层不同的气溶胶和大气分子浓度以及风速动态范围,同时采用直接探测的两种主要技术。利用多光束菲索(Fizeau)干涉仪(MFI)和阵列光电倍增管(PMT),接收气溶胶散射信号,获得边界层风速。采用双法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪(DFP)和光电倍增管探测器,分析分子散射信号,得到对流层风场。使用实际的激光雷达系统参数和大气模型参数,对两个鉴频器进行了优化设计,分析了它们的风速测量灵敏度和精度。多光束菲索干涉仪鉴频器系统在±50 m/s风速范围内测量灵敏度为1.3%/(m.s-1),高度分辨率为200 m,边界层内风速测量误差小于1 m/s。双法布里-珀罗干涉仪鉴频器系统在±100 m/s风速范围内的测量灵敏度约为0.3%/(m.s-1),高度分辨率为1000 m,对流层风速测量误差小于3 m/s。     

高分辨率变焦式连续波测风激光雷达设计与实验

为实现近场风场的非接触式高分辨、高精度测量, 弥补脉冲相干测风激光雷达在近场风场测量存在盲区的缺 陷, 选用对人眼安全的 1550 nm 工作波长的高功率连续波光纤激光器作为光源, 基于激光多普勒相干测风原理, 通过 改变连续波激光聚焦位置实现风场不同位置的风速探测。为提高系统的信噪比 (SNR), 优化选取了当前系统本振光功 率参数; 并通过优化设计 “有效频谱质心” 算法, 对连续波测量体积内存在多个速度分量数据进行处理, 从而提高数据 反演精度。使用该激光雷达系统与超声波风速计进行对比实验, 风速数据相关性为 0.98, 标准差为 0.16 m·s−1。在此基 础上, 利用该激光雷达系统进行长期风速观测实验, 选取不同天气气溶胶含量差别较大的多组数据进行分析, 同时对 近地面及近建筑物风场内风速的变化进行了探究。局地风速观测实验结果表明, 该激光雷达系统的风速测量区间为 0.3∼18 m·s−1, 风场测量位置 2∼30 m, 能够实现风场风速梯度的连续测量。     

Short pulse radar used to measure sea surface wind speed and SWH

A joint airborne measurement program is being pursued by NRL and NASA Wallops Flight Center to determine the extent to which wind speed and sea surface significant wave height (SWH) can be measured quantitatively and remotely with a short pulse (2 ns), wide-beam (60deg), nadir-looking 3-cm radar. The concept involves relative power measurements only and does not need a scanning antenna, doppler filters, or absolute power calibration. The slopes of the leading and trailing edges of the averaged received power for the pulse limited altimeter are used to infer SWH and surface wind speed. The interpretation is based on theoretical models of the effects of SWH on the leading edge shape and rms sea-surface slope on the trailing, edge shape. The models include the radar system parameters of antenna beam width and pulsewidth. Preliminary experimental results look promising and indicate that it may be possible to design a relatively compact airborne radar to infer, in real-time, the sea surface SWH and surface wind speed.     

Wind-Vector Retrievals Under Rain With Passive Satellite Microwave Radiometers

We have developed algorithms that retrieve ocean-surface wind speed and direction under rain using brightness-temperature (TB) measurements from passive satellite microwave radiometers. For accurate radiometer retrievals of wind speeds in the rain, it is essential to use TB signals at different frequencies, whose spectral signature makes it possible to find channel combinations that are sufficiently sensitive to wind speed but little or not sensitive to rain. The wind-speed retrieval accuracy of an algorithm that utilizes C-band frequencies and is trained for tropical cyclones ranges from 2.0 m/s in light rain to 4.0 m/s in heavy rain. We have also trained and tested global algorithms that are less accurate in tropical storms but can be applied under all conditions. The wind-direction retrieval accuracy degrades from about 10$^{circ}$ in light rain to 30$^{circ}$ at the onset of heavy rain. We compare the performance of wind-vector retrievals under rain from microwave radiometers with those from scatterometers and discuss advantages and shortcomings of both instruments. We have also analyzed the wind-induced sea-surface emissivity, including its wind-direction dependence for wind speeds up to 45 m/s.      

直接测风激光雷达频率跟踪技术及对流层平流层大气风场观测

为了实现高精度连续探测对流层和平流层大气风场,搭建了一台直接测风激光雷达系统对对流层和平流层大气风场进行探测。该系统基于双边缘法布里-珀罗标准具的瑞利散射多普勒测风原理,使用转台式探测结构,通过频率跟踪的手段对频率漂移进行跟踪,确保测风的精度。实验结果表明,该系统对对流层和平流层大气风场探测效果良好,频率跟踪的范围为±50 MHz,可以大大减小频率漂移带来的风速误差。经过系统的稳定运行和长时间的观测,在40 km处测得的径向风速随机误差为8 m/s。径向风速合成为水平风速后,随机误差在38 km处最大为10 m/s左右。该系统白天探测高度为25 km,夜晚探测高度为38 km。与探空数据对比,风速误差均小于10 m/s,其中风速误差在±5 m/s的范围内的数据量约占75.8%,探测的风向误差与探空气球的趋势基本一致,误差范围在10°～20°之间,在15°范围内的数据量约占58.6%。将实测数据与探空数据进行统计分析,结果具有良好的一致性。该系统可以为对流层和平流层大气风场的探测提供数据支撑。     

Polarimetric microwave wind radiometer model function and retrieval testing for WindSat

A geophysical model function (GMF), relating the directional response of polarimetric brightness temperatures to ocean surface winds, is developed for the WindSat multifrequency polarimetric microwave radiometer. This GMF is derived from the WindSat data and tuned with the aircraft radiometer measurements for very high winds from the Hurricane Ocean Wind Experiment in 1997. The directional signals in the aircraft polarimetric radiometer data are corroborated by coincident Ku-band scatterometer measurements for wind speeds in the range of 20-35 m/s. We applied an iterative retrieval algorithm using the polarimetric brightness temperatures from 18-, 23-, and 37-GHz channels. We find that the root-mean-square direction difference between the Global Data Assimilation System winds and the closest WindSat wind ambiguity is less than 20/spl deg/ for above 7-m/s wind speed. The retrieval analysis supports the consistency of the Windrad05 GMF with the WindSat data.     

Ocean surface wind speed measurements of the Special SensorMicrowave/Imager (SSM/I)

An operational wind speed algorithm was developed. This algorithm is based on the D-matrix approach, which seeks a linear relationship between measured SSM/I brightness temperatures and environmental parameters. D-matrix performance in the low-to-medium wind speed range was validated by comparing algorithm-derived wind speeds with near-simultaneous and colocated measurements made by the anemometers of offshore ocean buoys. Results indicate that for approximately 85% of the time, the D-matrix-retrieved winds will have an accuracy better than the Defense Meteorological Space Program goal of ±2 m/s. For the remaining 15% of the time, the scene will be rain-flagged and retrieval accuracies will be worse than ±2 m/s     

相干激光测风雷达高分辨距离门自适应技术研究

脉冲相干激光测风雷达的信号处理通常采用固定长度距离门来划分时域信号,并对每个距离门做频谱计算得到风速度信息。固定距离门的时域信号划分存在中频信号的非整周期截断问题,导致频谱计算时出现频谱泄露而产生误差,使信噪比降低。文中提出一种基于整周期搜索的自适应距离门划分方法,距离门长度与中频信号频率自适应,可实现对信号的整周期分割,避免了频谱处理中的频谱泄漏问题,提高频率估计精度。采用加噪信号对两种处理方法进行仿真分析,结果表明:自适应距离门方法可实现距离门长度与中频信号的自适应,在信噪比小于1 dB时,该方法得到的中频估计误差是固定距离门方法的38%~62%。应用自适应距离门方法处理激光测风雷达系统获取的转盘和风场回波信号,与使用固定距离门方法的激光测风雷达测量结果进行对比。结果表明:自适应距离门划分方法对转盘速度测量的均方根误差为0.19 m/s,大气风速度测量的距离分辨率在7~11 m之间变化,均优于固定距离门方法,实现了激光测风雷达的距离分辨率和测量精度的提升。     

连续相干探测激光风速仪设计与测试

为实现近距离风场的精确实时观测,基于连续相干探测技术,选取人眼安全的1.55 m为工作波长,设计了一台激光风速仪。系统光路采用全光纤结构增强运行稳定性,望远镜采用同轴透射式结构,有效口径为70 mm,测量光束聚焦距离为80 m。利用A/D采集卡上板载现场可编程门阵列芯片处理大气回波信号,并设计了谱质心算法估计径向风速,提高了系统运行的精确性和实时性。长期径向风速测量结果表明,所设计激光风速仪输出信号稳定,时间分辨率为1 s,风速测量范围下限约为0.915 m/s。与一台校准过的脉冲相干测风激光雷达进行对比实验,两设备测得风速数据相关系数为0.997,标准差为0.090 m/s,最大相差0.480 m/s。