星载雷达微波遥感海浪方向谱仿真与反演研究

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1、l。博士学位论文星载雷达微波遥感海浪方向谱仿真与反演研究作者：任林指导教师：潘德炉院士林明森研究员韦志辉教授南京理工大学2011年4月SiM声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：年月日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门

2、或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：年月日博士论文星载雷达微波遥感海浪方向谱仿真和反演研究摘要SAR和波谱仪是现在唯一两种可实现海浪方向谱测量的星载遥感器。两者均为微波主动式雷达，SAR为合成孔径雷达，波谱仪为真实孔径雷达。SAR海浪方向谱反演研究较早，已实现业务化的应用。但由于成像过程的复杂性以及固有的限制，人们一直在寻找一种新的星载遥感器，以便能更简单、更精确的实现海浪方向谱的测量。波谱仪也就是在此背景下诞生的，且近年已有发射计划。本文分别围绕SAR和波谱仪海

3、浪谱反演算法的开发与改进，开展了相关的研究工作。论文主要的创新和贡献归纳如下：(1)基于常规SAR图像海浪谱反演算法的分析，提出了分步参数化方法实现SAR图像的海浪谱反演。将SAR图像的海浪谱反演过程分为两个阶段，第一反演阶段不加初猜谱，首先反演出SAR图像本身包含的信息，即方位向截断波数内的海浪信息。第二反演阶段，利用CMOD．IFR2风场反演算法反演出SAR数据携带的风速信息，以判断出当时的海浪主要成分，如以涌浪为主，反演结束；如以风浪为主，则利用第一反演阶段的反演结果，从主波波长、主波波向、成长状态和风速等角度，参数化构造风浪初猜谱，然后代

4、入迭代过程反演出最终的海浪谱。关于该方法的反演效果通过仿真方式和SAR图像反演得到验证。(2)利用仿真技术验证了波谱仪的海浪方向谱测量能力。整个仿真过程分为正演和反演两部分，正演过程描述如何从输入的海浪谱得到波谱仪的回波信号，而反演过程则描述如何从回波信号提取出海浪方向谱。仿真过程中加入了斑点噪声和热噪声，并考虑了多种海况条件，如不同的海浪类型、风速、有效波高、成长状态等。仿真中输入谱与反演谱的比较结果，作为波谱仪海浪谱测量性能优劣的评判标准。仿真结果表明，波谱仪有能力完成多海况下的海浪谱观测任务。(3)提出了波谱仪海浪谱反演过程中关键参数的估计

5、方法。波谱仪是通过调制谱和波陡谱的线性关系反演出海浪方向谱的，本文首次提出求导法和积分法用于估计两者的线性比例系数。在机载波谱仪STORM试验数据的反演过程中，一方面利用积分法估计出线性比例系数，同时提出利用基本无长波信号的信号谱分量作为各种噪声谱的总和，成功地估计出信号谱中的噪声谱，反演结果与浮标数据相比，基本一致。(4)结合SAR和波谱仪各自反演特点，探讨了联合反演的方法。SAR和波谱仪的海浪谱反演技术有着各自的优势和局限性，两者可以取长补短。在SAR图像反演的过程中，波谱仪通过海浪谱的线性测量特点，可以为其提供相对海浪谱作为初猜谱，而在波谱

6、仪反演的过程中，SAR图像可以通过分步参数法的第一反演阶段，为其提供截断波数内的海浪谱有效波高数据，从而可以根据有效波高转换法估计出反演过程中的线性比例系数。关键词：SAR，波谱仪，海浪方向谱，反演算法，分步参数法，仿真，联合反演Abstraet博士论文AbstractSARandWaveSpectrometerarecurrentlytheonlytwotechnologiesforestimatingoceanwavedirectionalspectrafromspacebomesensors．Bothofthemareactivemicro

7、waveradar,andSARisasyntheticapertureradarbutWaveSpectrometerarealapertureradar．TheresearchonwavedirectionalspectrafromSARhasbeendevelopedandoperatedsince1978．ButtherearestillsomelimitationsonwavespectrummeasurementwitllSARtechnology,SOscientistsalwayswanttofindamoresimpleanda

8、ccuratealternative．InthiscontexLWaveSpectrometertechnologyisproposed