第5章 sar海洋内波遥感探测技术

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1、第5章SAR海洋内波遥感探测技术5.1引言内波是发生在海洋内部的波动现象，是引起海水内部混合，形成温、盐细微结构的主要原因。随着近代观测技术的进步，人们普遍认识到，海洋内波与海洋水声学、水下航行、海洋生物学、海洋光学、海洋沉积学、军事海洋学以及海洋水下建筑学等学科有着密切的联系（徐肇廷，1999）。因此，提取内波参数，研究内波特性具有非常重要的意义。长期以来,它一直成为海洋学家潜心研究的前沿性课题（蔡树群，2001）。在过去，人们通常利用锚系来测量内波。如简易温度锚系可以测量内波的时空特征，包括波长、振幅、传播方向和速度等（陈守虎等，2004）。然而，锚系测

2、量内波站点有限平分辨率不高，难于推算出具有较大空间尺度的内波的波长及传播方向等空间特征。大范围、全天时和高分辨率的合成孔径雷达的出现为内波探测提供了一种全新的方法（Alpers，1985；Liu，1998）。综合利用SAR数据、CTD数据和海上同步测量数据等来研究海洋内波是当前的热点。在研究背景里提到，一方面，SAR图像噪声大，给自动提取内波波长和半振幅宽度带来困难。另一方面，传统的内波参数反演方法依赖于半日潮假定，对许多单个内波波群的SAR图像，无法开展定量的反演工作。本章根据以上两个方面存在的问题，从两个方面来探讨内波参数提取和反演。一方面，结合EMD方

3、法从能量大小的角度来探讨合成孔径雷达非线性内波信号的提取方法。目的主要有：一是比较希尔伯特—黄变换、傅立叶变换和小波分析对内波波长提取效果；二是比较希尔伯特—黄变换和小波变换对内波波形的提取效果；三是在提取内波波形的基础上对各个孤立波的半振幅宽度进行计算进而通过CTD辅助数据反演孤立子波的振幅。效果评价采用定性分析，从原始信号和分离后的信号的比较以及内波成像的数学仿真模型来分析结果的好坏，对于内波振幅反演的精度评估方面，采用与Liu等的验证算例进行量级上的比对（Liu，1998）。另一方面，结合M4S微波散射模拟和内波动力学方程来探讨内波参数反演的新方法。利

4、用仿真剖面和实际剖面的接近程度来评价结果的好坏。5.2基于经验模态方法的内波探测技术5.2.1内波振幅探测原理杨劲松等利用两层模式通过对内波成像过程的推导得出两层模式下由稳定态孤立子内波引起的图像灰度值相对变化为（杨劲松等，2003）：ΔI2''=Bsec(/)tanh(/)hxlxl（5.1）I0其中，I是背景海面灰度值，ΔI是内波海面的灰度值与背景海面灰度值之差，0'B是与内波相速度、振幅、松弛率、内波深度、雷达视向等相关的系数，x=−xCtp为随内波一起运动的坐标系，是内波半振幅宽度。l'单个内波中最亮点和最暗点的位置可以令（5.1）式对x的求导为0确

5、定：∂ΔIB2'2'()=−sec(/)hxl[3tanh(/)1xl−=]0（5.2）'∂xIl0'（5.2）式的解是x=±0.661l。于是得到内波半振幅宽度与单个内波最亮点l和最暗点间隔D之间的定量关系式：Dl=（5.3）1.32根据3.3.1节介绍的内波动力学理论，从（3.10）式子可以得到满足浅水KdV方程下的孤立波振幅为：224hh12η=（5.4）02lhh3

6、−

7、21因此，只要计算出灰图图像上反映内波信息的最亮点和最暗点之间的间隔D，就有可能反演出内波半振幅宽度。如果把水深和半振幅宽度作为已知数值，从（5.4）式可知，要反演内波振幅必需知道混

8、合层深度，这可以利用CTD数据获得。从（5.4）式也可以看到，振幅与半振幅宽度存在平方反比关系，换句话说，通过（5.4）式来反演内波振幅，对半振幅宽度的测量要求要准。5.2.2经验模态方法介绍为了引进EMD方法提取内波信息，先简要介绍该方法。Huang等提出的经验模态分解方法实质是经验性地根据数据的特征尺度把数据的内部振动函数区分开来，并相应地对数据分解。最终分解得到的本征模态函数（IntrinsicModeFunction,IMF）具有两个特征：（1）极值点数目与跨零点数目相等或最多相差一个；（2）由局部极大值构成的上包络和由局部极小值构成的下包络的平均值

9、为零。这两个特征也是EMD分解结束的收敛标准。按照这样的标准能够保证计算得到的IMF保持振幅和频率调制的物理意义。Huang和Shen等给出EMD方法的过程如下（Huang，1998，1999）：对时间序列信号X()t，求出其局部极小和极大值，对局部极值通过三次样条插值构造信号的上下包络Upt()、Downt()，计算上下包络的平均值：mt()[=+DowntUpt()()]/2（5.5）考察X()t与mt()的差：ht()=−Xtmt()()（5.6）将ht()看作新的X()t重复以上过程，直到ht()满足IMF分量的特征条件。实际计算中，上下包络的平均值

10、并不严格为0，可以定义结束标准为：n21mt()iD