C波段Sentinel-1 SAR图像海浪要素反演研究

发布时间：2020-05-13 05:25

【摘要】：海浪要素提取是物理海洋学重要的研究方向之一,随着海洋卫星技术的发展,尤其是合成孔径雷达技术(Synthetic Aperture Radar,SAR)成功应用于海洋,极大地丰富了海洋资料,为海浪研究提供了崭新的平台。SAR能够实现对海面的大范围、长时间的监测,在海面风场以及海浪要素提取方面取得了突破进展,对SAR图像海浪的提取研究能够帮助理解海洋动力学,也可以辅助港口工程设计,因此具有重要的科学研究价值和实际应用价值。自Sentinel-1卫星成功升空以来,其为全球研究者提供了丰富的SAR图像,为SAR图像反演海浪提供了稳定的数据源。海浪要素的提取离不开风场这一附加信息。目前,地球物理模型是应用于SAR图像风场遥感业务化应用的代表模式之一,能够提供相对准确的风速信息。而随着对SAR海面成像机理的了解,通过SAR图像获得有效波高、平均波周期等也取得了成功。在本文的研究中,开展了基于C波段Sentinel-1 SAR图像的海浪要素提取研究。首先,采用新的风场反演模式C-SARMOD适合提取VV极化Sentinel-1 SAR图像风场,通过对浮标数据的验证,结果表明,风速标准差STD为1.6m/s,验证了C-SARMOD的有效性。在此基础上,采用参数化初猜谱算法,将海浪结果与NDBC浮标对比,有效波高的STD为0.54m、平均波周期的STD为2.14s。同时,补充我国近海区域的IW模式SAR图像,对比ECMWF的有效波高与平均波周期,STD分别为0.67m,2.21s。该结果表明,C-SARMOD风场模式与参数化初猜谱海浪提取算法结合,适用于提取VV极化Sentinel-1 SAR图像的海浪要素。此外,针对HH极化的Sentinel-1 SAR图像,采用CMOD4模式与PR模型获得海面风场,结合参数化初猜谱算法,获得的有效波高与浮标数据对比,STD分别为0.62m。该结果误差在可接受范围内,表明参数化初猜谱算法同样适用于HH极化图像。另外,通过200幅HH极化Sentinel-1 SAR图像调制了三种基于经验关系的有效波高提取算法,CSAR_WAVE_S、CSAR_WAVE_G以及CWAVE_SEN,将上述三种经验算法分别应用于HH极化SAR图像的有效波高提取,与NDBC浮标数据对比,得到有效波高STD分别为0.57m,0.59m,0.59m,进而可以发现,基于截断波长反演有效波高的CSAR_WAVE_S经验算法能够在不需要附加信息的情况下,获得较高准确度的有效波高。
【图文】：

本文采用的数据包括欧洲太空局 ESA 提供的 Sentinel-1 SAR 图像与欧洲中气预报中心 ECMWF 提供的模式风场、海浪数据以及美国国家数据浮标中心（NaData Buoy Center, NDBC）的浮标风场、海浪数据。2014 年 4 月 3 日， 通过联盟号火箭，Sentinel-1A 卫星成功发射，该卫星是航天局哥白尼对地观测计划的一部分，同年 9 月 23 日，数据采集与数据程序顺过验收，并开始向全球分发。两年后，2016 年 4 月 25 日，Sentinel-1B 卫星发射成同样的，Sentinel-1B 携带的也是 C 波段合成孔径雷达。C 波段的波长范围在 X与 L 波段之间，探测性能兼顾地物表面信息以及穿透性能，可以广泛应用于灾害方面[48]，特别在应急管理中，C 波段表现突出。从 2016 年起，，Sentinel-1 卫星构座，将原有重访周期 12 天缩短为原来的一半，目前 Sentinel-1 的重访周期为 6 天大地提高了对地球上相同位置的观测频率[49]。现阶段，Sentinel-1 是唯一免费对外开放的数据源，世界各地的科研人员可到包括 VV-VH 极化或者 HH-HV 极化的 SAR 数据。图 3-1 是 Sentinel-1 数据下站（https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home）示意图。

共收集 95 幅 VV 极化 Sentinel-1 SAR 图像，其中 45，每幅图像至少对应覆盖一个 NDBC 浮标观测点，浮标点对应 SA浮标的观测时间与 SAR 成像时间相近，两者时间相距不超过 30 分中，总共有 52 个匹配的浮标观测点，由于浮标观测的是海表 5 m，需要转化成高度为 10 m 处的风场。具体的转换公式如下：201 0ln( / )ln( / )mUz zU z z 2 是高度在 z 处的风速，1U 是已知高度在mz 处的风速，也就是通过速，0z 是粗糙长度，一般取常数[15,16]，0z 0.000152。到的浮标风场数据如图 3-3 所示，收集到的风速均低于 20 m/s，属，在该风速条件下，不会造成雷达后向散射信号的饱和，可以采用风场反演。收集到的浮标有效波高的范围为 0～4 m，散射指数为 的范围为 3～10 s，散射指数为 21.1%。具体的统计图如图 3-4 所示
【学位授予单位】：浙江海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P731.22

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本文编号：2661462