HY-2A卫星雷达高度计测高误差校正和海陆回波信号处理技术研究

发布时间：2020-07-23 02:22

【摘要】：雷达高度计是一种主动式的微波遥感器,它通过向海面发射电磁波和接收地面返回的回波,测量卫星至海面的高度、有效波高和后向散射系数,通过后向散射系数可以反演海面风速。利用雷达高度计测得的数据可以进一步用于海洋重力异常、大地水准面、海面地形、海底地形、海洋潮汐、风浪和海洋动力学的研究。随着技术的发展,雷达高度计测得的数据不仅可以用于海洋研究,还可以用于内陆水域水位变化、陆地动力学、海冰厚度变化、冰川质量平衡和异常气候影响等方面研究。为了满足科学研究和应用的需求,卫星雷达高度计的测量结果需要达到很高的精度,这对雷达高度计工作体制、系统设计及数据处理技术等各方面都提出了非常高的要求,而雷达高度计的测高误差校正和回波信号处理技术是雷达高度计数据处理技术的重要组成部分,对于提高雷达高度计测量精度具有重要意义。海洋二号A星(HY-2A)雷达高度计是我国第一个星载雷达高度计,自2011年在轨运行以来,积累了大量的观测数据,对这些数据进行分析、定标、建模及应用是卫星工程的目标。本文围绕HY-2A雷达高度计的测高误差、海陆回波特性分析及处理等方面开展了系统深入的研究工作,对HY-2A雷达高度计数据进行了再处理,对处理的海面高度和有效波高数据进行了评估,并开展了初步的应用研究。本文的主要工作和创新点概括如下:(1)以四阶Stokes波理论为基础,论证了海浪波周期和海况偏差的关系,在此基础上将ECMWF再分析数据集ERA-interim的平均波周期引入高度计海况偏差估计,提出了一种基于交叉点数据和三维非参数模型的海况偏差估计方法。和传统的基于风速和有效波高的二维海况偏差估计相比,该方法能提高1.15 cm的海面高度产品精度。(2)在海况偏差的估计算法中,提出了一种改进的局部线性回归估计器,改进后的算法降低了时间复杂度,时间复杂度由O(n2)降低到O(n)。(3)采用星下点交叉方法对HY-2A雷达高度计两个频段的时标偏差进行估计和校正,将校正后的结果应用于HY-2A雷达高度计双频电离层校正中,有效地提高了HY-2A雷达高度计双频电离层校正的精度。(4)完成雷达高度计从原始波形处理、误差校正以及数据产品质量评估的全链条数据处理工作,得到了较高精度的海面高度和有效波高产品,海面高度产品精度优于5.5 cm,有效波高产品精度优于0.2 m。(5)利用HY-2A数据获得了全球平均海平面变化、厄尔尼诺现象、南极和格陵兰岛冰盖高程图以及青海湖水位变化,拓宽了HY-2A雷达高度计的应用范围,为HY-2A雷达高度计数据的后续应用奠定了基础。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN957.51;V447;P715.6
【图文】：

图 2.6 雷达高度计脉冲与平坦海面(a)和粗糙海面(b)相互作用及返回功率[142]Figure 2.6 The reflected power from flat (a) and rough (b) sea surface.图 2.7 雷达高度计回波波形Figure 2.7 The waveform of the radar altimeter.时间功率热噪声上升沿下降沿

将式(3.10)中的分母0g ( )用泰勒级数展开，并保留与纬度么干对流层延迟校正可以表示为：00.22274 (1+0.0026cos2 )dry R P 对流层延迟校正的计算需要用到海面大气压数据，而海面气压的直布比较稀疏，通常使用业务化天气模式数据或再分析数据集来计算校正。欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Rangets, ECMWF)的再分析数据集 ERA-interim 提供海面气压数据，利用流层延迟校正和湿对流层延迟校正适合于计算气候尺度的海平面洲的气候变化计划(Climate change initiative, CCI)项目中[150]。本nterim 提供的海面气压数据来计算干对流层延迟校正，选取数据的 0.25o×0.25o，时间分辨率为 6 小时。

HY-2A 卫星雷达高度计测高误差校正和海陆回波信号处理技术研究附近，effT 约为 288 K ，而在高纬度地区， 约为 268 ， 的均值 。如果使用 270.6 KeffT ，湿对流层延迟校正将会引入一个与纬度差，在赤道附近约为 1.8 cm，而在高纬度地区约为 0。微波辐射计可以亮度温度来对湿对流层延迟校正进行估计，从而避免了使用有效温度 。图 3.3 给出了利用 Jason-2 先进微波辐射计(advance microwave radioR)得到的湿对流层延迟校正在全球的分布图，图中的结果是利用 2009 年据得到的。可以明显看出湿对流层延迟校正具有明显的时空分布特性，空间的变化比较大。在低纬度区域，湿对流层校正的值比较大，且变化剧高纬度区域，湿对流层校正的值比较小，且变化相对较小。

【参考文献】

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本文编号：2766717