專利名稱：基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，尤其是涉及一種基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法。
背景技術(shù)：
海洋表面波浪斜率是重要的海態(tài)參數(shù)，同時波浪斜率還與海面上空風(fēng)場強(qiáng)相關(guān)。目前對海洋表面波浪斜率的遙感測量主要由機(jī)載或星載微波雷達(dá)進(jìn)行根據(jù)雷達(dá)反射回波計(jì)算目標(biāo)散射截面，并由此反演海面平均斜率(MSS, mean square slope),進(jìn)而通過風(fēng)浪模型推算海平面上方風(fēng)速。星載激光測高儀是一種安置于低軌衛(wèi)星平臺，通過發(fā)射激光脈沖、接收激光脈沖經(jīng)地物反射后的微弱回波，由兩者之間的時間差以及衛(wèi)星平臺的姿態(tài)、位置計(jì)算地物高程的新型衛(wèi)星載荷。對地觀測激光測高儀如果具有全波形記錄能力，則可以進(jìn) 一步演變成同時具備測距和反演目標(biāo)表面特性的激光雷達(dá)遙感系統(tǒng)。從上世紀(jì)70年代開始用于海洋表面測量的星載微波雷達(dá)高度計(jì)興起并逐漸成熟，成為全球范圍內(nèi)海洋表面波浪形態(tài)觀測的主要手段。相對于微波雷達(dá)測高儀，激光測高儀具有更小的光束發(fā)散角和工作波長、更精確的空間定位能力和更高的測量精度，并具備使用波形參數(shù)來反演被測目標(biāo)信息的功能，是對地高精度測量與遙感的重要發(fā)展方向。世界上首臺具有全波形記錄能力的對地觀測星載激光測高儀是美國2003年發(fā)射的ICESat衛(wèi)星上搭載的地球科學(xué)激光測高系統(tǒng)一GLAS系統(tǒng)。該系統(tǒng)在軌運(yùn)行的3年中，記錄下了包括陸地、海洋、海冰和極區(qū)冰蓋等不同地物的海量回波波形。由于GLAS系統(tǒng)主要用作對極區(qū)(主要是南北極)冰蓋的測量，從回波形態(tài)中分析海洋表面特性、反演海洋表面風(fēng)速的工作成果少見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題；提供了一種基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法。本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的一種基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1，設(shè)定采樣點(diǎn)數(shù)以及窗口長度，利用GLAS測高儀系統(tǒng)獲取海洋回波波形信號后，計(jì)算信號標(biāo)準(zhǔn)差Ss;并計(jì)算回波白噪聲標(biāo)準(zhǔn)差δη;根據(jù)得到的63和6 獲取高斯濾波器寬度σ ;步驟2，由所得高斯濾波器寬度σ通過連續(xù)型高斯濾波器基于高斯濾波函數(shù)進(jìn)行采樣并歸一化處理，得出離散高斯濾波器參數(shù)hk ；步驟3，根據(jù)步驟3中得到的數(shù)字濾波器參數(shù)hk獲取濾波后信號；步驟4，對步驟3中濾波后信號做參數(shù)提取，得到單高斯回波的峰值A(chǔ)i，脈寬σ 1和重心點(diǎn)Ti位置；步驟5，根據(jù)步驟4中得到的脈寬σ i基于測高儀系統(tǒng)參數(shù)測高儀軌道高度Z，光束發(fā)散角θτ，發(fā)射脈沖寬度Of，接收系統(tǒng)展寬Oh和真空光速C，獲取海平面上方風(fēng)速W。在上述的基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，所述的步驟I中，回波白噪聲標(biāo)準(zhǔn)差δη的具體獲取方法如下a.計(jì)算接收離散波形Sk所有點(diǎn)的縱坐標(biāo)幅度均值Smean ；b.計(jì)算從波形尾端小于Snrean的第一個 點(diǎn)起始到波形末尾點(diǎn)集合的標(biāo)準(zhǔn)差作為δ ；3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，其特征在于，所述的步驟3中，濾波后信號的獲取是根據(jù)對數(shù)字濾波器參數(shù)hk與回波離散信號Sk作卷積運(yùn)算得到。在上述的基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，所述的步驟4中，參數(shù)提取的具體方法如下步驟4. I.對步驟3中濾波后信號求二階差分，找出全部拐點(diǎn)；步驟4. 2.針對步驟4. I中的全部拐點(diǎn)獲取滿足條件的η個拐點(diǎn)對滿足條件波形中第2i-l個是正向直線外點(diǎn)，且第2i個是正向直線內(nèi)點(diǎn)的拐點(diǎn)對，其中i=l，2，…η。步驟4. 3.在第i組拐點(diǎn)對區(qū)間內(nèi)中找出最大值作為預(yù)估計(jì)高斯振幅Aum，兩拐點(diǎn)均值為預(yù)估計(jì)高斯重心位置Tum,找出區(qū)間內(nèi)信號值等于O. 8倍預(yù)估高斯振幅兩側(cè)點(diǎn)位置，其兩點(diǎn)間距為預(yù)估計(jì)高斯脈寬oipM;步驟4. 4.以估計(jì)的高斯參數(shù)為初始波形，基于梯度下降法或梯度下降-高斯牛頓法的LM算法對濾波后信號進(jìn)行高斯擬合，當(dāng)達(dá)到設(shè)定擬合收斂條件時，擬合結(jié)束得出各個高斯分量的擬合參數(shù)AyTi和0i。在上述的基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，所述的步驟I中，高斯濾波器寬度σ基于公式(式15):O = Ik- — }
\ δ、/其中k為常正整數(shù)，O為最近取整函數(shù)，δ η為權(quán)利要求2中計(jì)算的回波白噪聲標(biāo)準(zhǔn)差，δ s為信號標(biāo)準(zhǔn)差，可以通過計(jì)算回波信號當(dāng)前點(diǎn)與窗口長度為j的前后2j+l個回波信號點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差獲得，通常情況下長度2j+l約為5%左右信號總采樣點(diǎn)長度。在上述的基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，所述高斯濾波函數(shù)為
I — 12Ii(I) ='..1....廣.......exp(——Γ)
ν2πσ 2σ-其中，σ為濾波器寬度，exp O為指數(shù)函數(shù)，t為橫坐標(biāo)時間軸。在上述的基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，所述的步驟4.4中，定義收斂條件為ε ( δη，基于梯度下降法或梯度下降-高斯牛頓法的LM算法對
濾波后信號進(jìn)行高斯擬合，當(dāng)擬合滿足條件JyL (sLZwI)Ig5時，擬合結(jié)束，其中Sk為
y I L
離散激光高度計(jì)測高儀回波信號，L為回波信號的采樣點(diǎn)數(shù)，Wk為式(12)的離散采樣點(diǎn)，其采樣間隔與回波信號相同。其中，LM算法是通用算法，輸入初始參數(shù)，預(yù)擬合函數(shù)類型和擬合結(jié)束條件后，其會運(yùn)算自收斂或無法收斂；這里輸入初始參數(shù)是4. 1-4. 3步驟中計(jì)算的Ai,, Ti,和oipM;擬合收斂條件為ε ( δη;預(yù)擬合函數(shù)類型為12式，擬合結(jié)果是得出12式中的參數(shù)Ai,凡和σ it)在上述的基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，還包括一個步驟6 :即由回波波形反演得到風(fēng)速數(shù)據(jù)之后，利用海面均方斜率公式S2=O. 003+0. 00512w能夠獲取海面平均斜率；根據(jù)風(fēng)浪波高公式SWH=4 σ ξ=0. 064w2能夠獲取波浪高度。因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)因此，本發(fā)明主要有以下優(yōu)點(diǎn)1)激光測高儀光束發(fā)散角通常為亞毫弧量級，遠(yuǎn)小于雷達(dá)測高儀微波波束發(fā)散角的特點(diǎn)，具有更高的腳點(diǎn)定位精度和空間分辨率。2)由于使用回波的脈沖寬度反演風(fēng)速，與回波整體能量無關(guān)，不受大氣衰減變化的影響，具有較強(qiáng)的通用性和抗干擾性。3)與目前通用的雷達(dá)測高儀使用雷達(dá)散射截面反演風(fēng)速的原理和途徑完全不同，可以與雷達(dá)測高儀的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)或補(bǔ)充。


圖I是本發(fā)明中天頂方向入射的激光測高儀探測海洋表面回波的工作示意圖。圖2是本發(fā)明應(yīng)用GLAS系統(tǒng)發(fā)射的激光脈沖時間波形,其中,橫軸為相對時間軸，單位為ns ;縱軸為幅值，單位為V，援引GLAOl i_tx_wf V。圖3是本發(fā)明中GLAS海洋回波處理結(jié)果，其中，實(shí)線表示海洋回波的原始波形GLAOl i_rng_wf V，虛線為經(jīng)過自適應(yīng)高斯濾波和高斯擬合后波形，具體為圖6中第一組海洋回波數(shù)據(jù)。圖4是本發(fā)明GLAS公布的海洋回波高斯濾波處理后的波形結(jié)果，與圖3處理結(jié)果對比有很好的一致性，兩者擬合具體參數(shù)在圖6中給出。圖5是2003年2月21日零時NCEP公布的全球表面上方12m位置的風(fēng)速信息，NCEP提供全球數(shù)值天氣分析數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集在格林尼治時間00:00、06:00、12:00和18:00時更新，其中，包含地表大氣壓、風(fēng)速、可降水量和以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓層給出的溫度、相對濕度和位勢高度數(shù)據(jù)。其全球坐標(biāo)緯度為北向?yàn)檎?，南向?yàn)樨?fù)；經(jīng)度為從O度經(jīng)線向東為正到359度，360度經(jīng)線與O度重合；其中風(fēng)速數(shù)據(jù)援引NCEP第280行，281行的經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)的均方根值。圖6是使用GLAS海洋回波計(jì)算波形參數(shù)結(jié)果與GLAS官方處理公布結(jié)果對比。高斯擬合后的參數(shù)包括峰值，重心位置和脈沖寬度，其中預(yù)處理后提取出的脈沖寬度用于海平面上方風(fēng)速反演計(jì)算。表中UTC時間為以2000年I月I日12時為基準(zhǔn)O點(diǎn)的相對時間，實(shí)際為波形編號；重心位置為高斯重心與最后一個回波點(diǎn)的時間差值，因此為負(fù)數(shù)。使用該方法處理回波波形誤差均小于1%。表I中所有海洋回波均為2003年2月21日00:13分到00:40分?jǐn)?shù)據(jù)，與圖5中NCEP氣象數(shù)據(jù)時間接近，便于減小誤差；GLAS官方數(shù)據(jù)是援引 GLA05 d_para2


中分別給出 Std Fit Peak IAmplitude Sigma (V), Std FitPeak I Location Sigma (ns), Std fit Peakl Width Sigma (ns),即波形數(shù)據(jù)處理結(jié)束后計(jì)算出的回波信號高斯波形的振幅，重心位置和均方根脈寬。圖7是反演海洋表面上方風(fēng)速數(shù)據(jù)與NCEP公布風(fēng)速對比。表I中海洋回波通過計(jì)算處理后的脈沖寬度使用10式反演海平面上方風(fēng)速W，其中GLAS系統(tǒng)參數(shù)為軌道高度z=600km,光束發(fā)散角Θ T=110urad,采樣間隔Δ t=lns,對應(yīng)系統(tǒng)展寬σ h=l/12°_5ns,發(fā)射脈寬σ f使用同樣方法做濾波擬合提取高斯參數(shù)；通過對比結(jié)果反演風(fēng)速準(zhǔn)確度很好。
圖8是海洋表面斜率和波高計(jì)算數(shù)據(jù)。通過表2反演風(fēng)速結(jié)果，根據(jù)Cox-Munk海面均方斜率公式S2=O. 003+0. 00512w計(jì)算海面平均斜率；根據(jù)Phillips風(fēng)浪波高公式SWH=4 ο ξ = O. 064w2 計(jì)算波浪高度(Significant wave height),其中 w 為風(fēng)速，σ ξ 為 RMS波聞。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。實(shí)施例首先介紹一下本發(fā)明所需要的理論基礎(chǔ) I.回波脈寬與海面風(fēng)速、波浪斜率之間關(guān)系的理論推導(dǎo)根據(jù)Gardner的理論，發(fā)射激光脈沖經(jīng)過一次菲涅爾衍射，入射到地球表面經(jīng)過目標(biāo)反射，再經(jīng)過一次菲涅爾衍射，到達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡視場，望遠(yuǎn)鏡接收到回波功率由(I)式表示，式中P為反射目標(biāo)橫截面坐標(biāo)矢量，β (P)光斑內(nèi)目標(biāo)反射率，ξ (P)目標(biāo)表面高程輪廓，Ak為接收望遠(yuǎn)鏡面積，ζ為測高儀軌道高度，c為真空光速，Σ目標(biāo)光斑照射區(qū)域，a(P，ζ)和f(t)分別為激光脈沖在空域和時域分布函數(shù)。P{t)=^ JJβ{ρ)■ \a(p, ■ [/Ir-^-￡1+d2p(I)
Z~I c cz c通常情況下，激光發(fā)射脈沖在空域和時域分布都可近似為高斯函數(shù)，分別由(2)式和(3)式表示。式中Q為發(fā)射激光脈沖的能量，θτ為初始光束發(fā)散角，Of為發(fā)射脈沖RMS寬度
,VIa(p,r)l' =—-^expf^p2 Hz1 tan2 θτ)(2)
2π(ζ &ηθ Y
丨爾丨2 =-/=—6ΧΡ("7~τ)(3)^2χσ 2σ按照Kodis理論，在近天頂入射的條件下，海洋表面反射率由表面隨機(jī)分布鏡面點(diǎn)的后向散射決定，散射功率正比于被照亮的鏡面點(diǎn)個數(shù)η。每個鏡面點(diǎn)散射可以看作是一個正切球，球半徑等于鏡面點(diǎn)表面的長短軸半徑1^和rb的幾何平均。在光學(xué)領(lǐng)域散射截面O=Ji δ〈 |rarb|〉，歸一化到 Ω =4 π 的球面度,并代入 Barrick 的結(jié)論 η〈 | rarb |〉= (1+P 2/ζ2)2ρ[ξχ, ξγ ξ (P)]后，海洋表面反射率β由(4)式表示β{ρ) = Η\γ \) = δ(1 + ￡1)-ρ[ξ% j \ξ{ρ)]/4 (4)
4(4)式中δ是海水與大氣之間鏡面反射率，與入射激光波長λ有關(guān)；P [ ξ χ，ξ y I ξ (ρ)]為海面斜率在波高為ξ時的條件概率密度，ξ χ和I,分別表示光斑照明區(qū)域海水表面橫截面χ和y方向波浪斜率。根據(jù)Cox-Munk經(jīng)驗(yàn)公式，在忽略波浪毛細(xì)波和地球自轉(zhuǎn)等影響的理想情況下，波高Ρ( ξ )和波浪表面輪廓ρ( ξ χ, ξ y)滿足高斯分布，且僅與風(fēng)速有關(guān)。由于波浪同一點(diǎn)處的高度和斜率是不相關(guān)的，則波高和波浪斜率的聯(lián)合概率密度函數(shù)可由(5)式表示
權(quán)利要求
1.一種基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1，設(shè)定采樣點(diǎn)數(shù)以及窗口長度，利用GLAS測高儀系統(tǒng)獲取海洋回波波形信號后，計(jì)算信號標(biāo)準(zhǔn)差Ss;并計(jì)算回波白噪聲標(biāo)準(zhǔn)差δη;根據(jù)得到的63和6 獲取高斯濾波器寬度σ ; 步驟2，由所得高斯濾波器寬度σ通過連續(xù)型高斯濾波器基于高斯濾波函數(shù)進(jìn)行采樣并歸一化處理，得出離散高斯濾波器參數(shù)hk ； 步驟3，根據(jù)步驟3中得到的數(shù)字濾波器參數(shù)hk獲取濾波后信號； 步驟4，對步驟3中濾波后信號做參數(shù)提取，得到單高斯回波的峰值A(chǔ)i，脈寬σ i和重心點(diǎn)Ti位置； 步驟5，根據(jù)步驟4中得到的脈寬σ i基于測高儀系統(tǒng)參數(shù)測高儀軌道高度z，光束發(fā)散角θτ，發(fā)射脈沖寬度Of，接收系統(tǒng)展寬和真空光速C，獲取海平面上方風(fēng)速W。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，其特征在于，所述的步驟I中，回波白噪聲標(biāo)準(zhǔn)差Sn的具體獲取方法如下 a.計(jì)算接收離散波形Sk所有點(diǎn)的縱坐標(biāo)幅度均值S_n； b.計(jì)算從波形尾端小于S_n的第一個點(diǎn)起始到波形末尾點(diǎn)集合的標(biāo)準(zhǔn)差作為δη;
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，其特征在于，所述的步驟3中，濾波后信號的獲取是根據(jù)對數(shù)字濾波器參數(shù)hk與回波離散信號Sk作卷積運(yùn)算得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，其特征在于，所述的步驟4中，參數(shù)提取的具體方法如下 步驟4. I.對步驟3中濾波后信號求二階差分，找出全部拐點(diǎn)； 步驟4. 2.針對步驟4. I中的全部拐點(diǎn)獲取滿足條件的η個拐點(diǎn)對滿足條件波形中第2i-l個是正向直線外點(diǎn)，且第2i個是正向直線內(nèi)點(diǎn)的拐點(diǎn)對，其中i=l，2，…η。
步驟4. 3.在第i組拐點(diǎn)對區(qū)間內(nèi)中找出最大值作為預(yù)估計(jì)高斯振幅Aum，兩拐點(diǎn)均值為預(yù)估計(jì)高斯重心位置Tum,找出區(qū)間內(nèi)信號值等于O. 8倍預(yù)估高斯振幅兩側(cè)點(diǎn)位置，其兩點(diǎn)間距為預(yù)估計(jì)高斯脈寬Oi,; 步驟4. 4.以估計(jì)的高斯參數(shù)為初始波形，基于梯度下降法或梯度下降-高斯牛頓法的LM算法對濾波后信號進(jìn)行高斯擬合，當(dāng)達(dá)到設(shè)定擬合收斂條件時，擬合結(jié)束得出各個高斯分量的擬合參數(shù)AyTi和0i。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，其特征在于，所述的步驟I中，高斯濾波器寬度σ基于公式
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，其特征在于，所述高斯濾波函數(shù)為
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，其特征在于，所述的步驟4.4中，定義收斂條件為ε ( δη，基于梯度下降法或梯度下降-高斯牛頓法的LM算法對濾波后信號進(jìn)行高斯擬合，當(dāng)擬合滿足條件
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法，其特征在于，還包括一個步驟6 :即由回波波形反演得到風(fēng)速數(shù)據(jù)之后，利用海面均方斜率公式S2=O. 003+0. 00512w能夠獲取海面平均斜率；根據(jù)風(fēng)浪波高公式SWH=4 σ ξ=0. 064w2能夠獲取波浪高度。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于星載激光測高儀回波的海洋表面風(fēng)、浪特性反演方法。本發(fā)明首先對星載激光測高儀回波波形進(jìn)行預(yù)處理和特征提取，再建立提取的回波參數(shù)與海洋表面的風(fēng)、浪場之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即可根據(jù)回波參數(shù)來反演計(jì)算海洋表面波浪斜率、波高和海洋表面風(fēng)速。由于激光光束具有遠(yuǎn)小于微波波束的發(fā)散角的特點(diǎn)，因此通過星載激光測高儀回波脈寬反演海面風(fēng)速，與目前普遍應(yīng)用的由微波雷達(dá)測高儀的雷達(dá)散射截面反演風(fēng)速方法相比，具有更高的腳點(diǎn)定位精度和空間分辨率。
文檔編號G01S7/48GK102759731SQ20121025996
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月25日
發(fā)明者周輝, 李松, 葛兵, 鄭國興, 馬躍 申請人:武漢大學(xué)