星载全极化微波散射计系统仿真与风场反演分析

发布时间：2020-11-13 04:58

　　 海面风场是作用在海表面的重要动力参数,而微波散射计是目前主要的能够在较短时间内获取大面积,高精度,高分辨率全球海洋表面风场数据的星载传感器。现有业务化运行星载微波散射计均采用同极化方式,通过对海面同极化后向散射系数(,)的观测来反演海面风矢量,其缺点是在进行风场反演时可能产生风向模糊解。全极化微波散射计在同极化散射计的基础上,增加对海面交叉极化后向散射系数的测量,并计算同极化、交叉极化后向散射系数的相关量——相关散射系数(,)来降低模糊解出现的概率,从而较大地提升海面风场反演精度。全极化散射计已成为未来散射计的重要发展方向,全极化微波散射计仿真则是载荷研制前重要的研究和论证手段。本论文首先分析了现有同极化微波散射计在风场测量方面的缺陷,探讨了星载微波散射计基本原理及相关数学模型,根据星载微波散射计测量原理,选择辐射测量精度作为散射计系统仿真模型测量精度的度量,研究了全极化微波散射计系统仿真流程。在仿真流程中重点开展了相关散射系数的模拟算法研究,并探讨了全极化微波散射计系统所用的风场反演方法。在上述研究工作的基础上,开展了针对我国新一代HY-2全极化散射计的系统仿真与风场反演分析研究。建立了星载全极化微波散射计系统仿真模型,即在HY2-SCAT散射计原有机制之上,增加对交叉极化散射系数的测量,并利用HY2-SCAT散射计几何观测参数,在不同的仪器测量精度、噪声水平条件下,对比分析同极化和全极化微波散射计系统仿真反演的海面风场结果,评估全极化微波散射计系统反演海面风场的能力。仿真结果表明:全极化微波散射计相比同极化微波散射计具有更好的海表面风场反演性能,表现在中低风速下海面风场的测量精度得到明显提升,而测量精度的提升又主要体现在海面风向反演结果上。相比同极化仿真结果,全极化风向反演结果能够提升10°以上,而对风速反演精度的提高并不明显。
【学位单位】：国家海洋环境预报中心
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P715.7
【部分图文】：

波束同时对海面风矢量单元进行多次观测ˊ仍可能现在风向上ˇˊ如图 1.2 所示ˊ刈幅中部风矢量单元式的内外两波束分别以不同方位角观测ˊ可得到 4 1.2 解曲线可知ˊ由于 HH VV 极化测量关于方位角仍有模糊解产生ˊ图中交叉点即为目标函数局部极对于笔形波束扫描体制微波散射计ˊ通常采用内 面后向散射系数ˊ由于波束观测几何限制ˊ还存在域风场反演性能下降等问题ˊ需要依靠外部附加风除 学者们通常使用数值天气模型来提供外部的先矢量解 虽然这些技术被证明可以提升散射计风向够减少对外部信息的依赖ˊ并解决由模型函数引起

图 1.2 双波束同极化散射计风矢量解曲线(刈幅中部)[53波散射计研究现状人研究表明ˊ全极化微波散射计能够对粗糙海表面进行全极之前同极化微波散射计更加丰富的海面散射信息ˊ可能对精度有所帮助[23] 全极化微波散射计不仅同样能够测量传极化后向散射系数 ˊ ˊ还增加了对交叉极化后向散射并计算二者的相关量 相关散射系数 , 在风射系数 , 可以提供与同极化散射系数正交互补低风场反演过程中模糊解出现的概率ˊ从而达到提高散射的目的 前人研究表明ˊ同极化后向散射系数 ˊ 和数 ˊ 对风向相对方位角呈偶函数对称特性[63]ˊ而同散射系数的相关系数 , 则与风向相对方位角呈

图 1.3 双波束全极化散射计风矢量解曲线[64]理论上ˊ增加极化散射系数的测量ˊ将有助于任何风速段上风场反演精度高ˊ但是实际上由于普通散射计在低风速段的风场反演误差较大ˊ因而其精度也有较大的提升空间ˊ而同极化散射计在高风速段已经具有较高的风演精度ˊ所以即使增加了极化散射系数的测量ˊ反演精度的提高也不明显 截至目前ˊ全极化微波散射计仍处于研制阶段 S.H.Yueh 等人于 1994 年示了反射面对称的随机表面相关散射系数关于方位向的对称特性[32] 在较一段时间内ˊ由于技术水平的限制ˊ用于海面风场测量的全极化微波散射能取得长足的发展ˊ最近几年ˊ伴随科技进步以及实验条件的成熟ˊ全极波散射计重新逐渐为人们所重视 对正交极化与交叉极化相关系数的观测回到人们研究兴趣中ˊ该参量的测量能够增加对于风矢量反演有利的外部信息
【参考文献】

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本文编号：2881760