本發(fā)明屬于小入射角海浪微波遙感技術(shù)領(lǐng)域,更具體地,涉及一種基于改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型的海浪斜率反演方法。
背景技術(shù):
海洋是一個(gè)相當(dāng)龐大的資源寶庫,同時(shí)也是國家國防和海防的重要屏障,對于世界的可持續(xù)新發(fā)展以及和平發(fā)展具有重要意義。海浪是一種我們可以最直觀觀測到的海洋現(xiàn)象,海浪的研究也為海洋研究提供重要參數(shù),對海防事業(yè)做出貢獻(xiàn),對海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。海浪斜率是海浪的重要物理參數(shù),是海浪研究的基礎(chǔ),海浪反演的準(zhǔn)確度依賴于海浪斜率分布模型的精度。通過對海浪斜率的研究,我們可以更深刻的認(rèn)識(shí)海浪的產(chǎn)生,成長及衰減過程、海浪的傳播方式、海面的粗糙度、海氣界面的湍流交換過程等,有助于國防、航運(yùn)、氣象預(yù)測、港口以及海上石油平臺(tái)的建設(shè)。
目前,針對海浪斜率的研究已有很多,但是已有的海浪斜率分布微波遙感模型并沒有同時(shí)考慮海浪斜率的高階參數(shù)、曲率效應(yīng)和小尺度海浪特性被過濾(截止波數(shù))的情況。因此,存在無法反演高階的海浪斜率參數(shù),或高階斜率參數(shù)反演精度低等問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求,本發(fā)明的目的在于提供一種基于改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型的海浪斜率反演方法,提高了小入射角海面散射解析模型的精度,并基于該模型成功反演出了海浪準(zhǔn)高斯斜率參數(shù),為其他研究提供更精確的海浪斜率參數(shù),由此解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的無法反演高階的海浪斜率參數(shù),或高階斜率參數(shù)反演精度低等問題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,按照本發(fā)明的一個(gè)方面,提供了一種基于改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型的海浪斜率反演方法,包括以下步驟:
s1、考慮海浪的各向異性和準(zhǔn)高斯分布的特性,將海面隨機(jī)高度的結(jié)構(gòu)函數(shù)進(jìn)行四階近似展開,引入濾波的曲率方差,得到四階幾何光學(xué)模型的后向散射系數(shù);
s2、定義濾波的海浪斜率方差取代四階幾何光學(xué)模型中對應(yīng)的參數(shù),同時(shí)考慮海面各向異性和準(zhǔn)高斯分布的特性,將濾波的海浪斜率方差表示為逆風(fēng)向分量和側(cè)風(fēng)向分量,從而得到改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型fgo4;
s3、將改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型fgo4結(jié)合目標(biāo)入射角及風(fēng)速范圍應(yīng)用于海浪準(zhǔn)高斯斜率參數(shù)反演,得到精確的海浪準(zhǔn)高斯斜率參數(shù)。
優(yōu)選地,所述四階幾何光學(xué)模型的后向散射系數(shù)為:
其中,|r|2是未進(jìn)行衍射校正的菲涅爾反射系數(shù),θ表示雷達(dá)發(fā)射的電磁波與垂直軸的夾角即入射角,φ表示雷達(dá)天線觀測角與逆風(fēng)向的夾角,mssx與mssy分別是所有尺度海浪的斜率方差mss在逆風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向上的分量,mscex、mscey以及mscexy分別是經(jīng)過濾波的海浪曲率方差msce在逆風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向上的分量、以及濾波的聯(lián)合曲率方差,qz表示散射電磁波波數(shù)和入射電磁波波數(shù)差值
優(yōu)選地,所述改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型fgo4為:
其中,msse為濾波的海浪斜率方差,mssex與mssey表示濾波的海浪斜率方差msse在逆風(fēng)向分量和側(cè)風(fēng)向分量。
優(yōu)選地,在步驟s1中,假設(shè)海面各向異性并且海浪斜率滿足準(zhǔn)高斯分布,對海面隨機(jī)高度的結(jié)構(gòu)函數(shù)s(r)進(jìn)行四階近似展開為:
其中,
優(yōu)選地,在步驟s2中,定義濾波的海浪斜率方差msse來代替全部海浪尺度的斜率方差mss,同時(shí)考慮到各向異性的特性,將濾波的海浪斜率方差msse表示為逆風(fēng)向分量mssex和側(cè)風(fēng)向分量mssey,因此海面隨機(jī)高度的結(jié)構(gòu)函數(shù)s(r)表示為:
其中,定義濾波的海浪斜率方差為:
其中,ψ(k,φ)表示海面高度譜,s(k)為全方向海面高度譜,k為海浪波數(shù)
優(yōu)選地,在步驟s3中,將改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型fgo4中的三個(gè)系數(shù)
總體而言,本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)方案相比,能夠取得下列有益效果:
1、本發(fā)明通過定義濾波的海浪斜率方差msse,結(jié)合海面的實(shí)際情況,推導(dǎo)出海面在滿足各向異性和準(zhǔn)高斯分布特性的情況下,一種改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型fgo4,該模型的精度相較于之前已有的模型有極大的提高,從而為發(fā)展新的高精度海浪斜率譜反演方法打下理論基礎(chǔ);
2、本發(fā)明針對改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型提出新的反演方法,即將fgo4模型的10個(gè)參數(shù)(mssex、mssey、mscex、mscey、mscexy、c21、c03、c22、c04、c40)轉(zhuǎn)化為四個(gè)不變的參數(shù)(mssex、mssey、c21、c03)和三個(gè)具有曲率效應(yīng)的參數(shù)(c′22、c′04、c′40),最后再去掉三個(gè)參數(shù)的曲率效應(yīng)。該方法提高了反演效率,同時(shí)提高了反演精度,從而為微波遙感中很多難以獲取的海洋物理參數(shù)提供新的途徑,對發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì),預(yù)警并規(guī)避海洋災(zāi)害,維護(hù)國防建設(shè)具有重要意義。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實(shí)施例公開的一種基于改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型的海浪斜率反演方法的流程圖;
圖2是按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例所構(gòu)建的改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型與現(xiàn)有其他模型的后向散射系數(shù)的對比圖;
圖3是按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例所構(gòu)建的濾波的斜率方差和濾波的曲率方差的截止波數(shù)的確定,圖3(a)表示0-12°反演所得濾波的斜率方差msse,圖3(b)表示0-12°反演所得濾波的曲率方差msce;
圖4是按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例所構(gòu)建的準(zhǔn)鏡像海面散射模型(fgo4)基于實(shí)測數(shù)據(jù)得到的海浪準(zhǔn)高斯斜率參數(shù)(包括涌浪為主、所有海況和純風(fēng)浪三種情況)與物理光學(xué)模型(包括cm清潔海面和cm油膜海面)的對比圖,圖4(a)表示逆風(fēng)向斜率方差mssex隨風(fēng)速的變化,圖4(b)表示側(cè)風(fēng)向斜率方差mssey隨風(fēng)速變化,圖4(c)表示偏度系數(shù)c21隨風(fēng)速變化,圖4(d)表示偏度系數(shù)c03隨風(fēng)速變化,圖4(e)表示峰度系數(shù)c04隨風(fēng)速的變化,圖4(f)表示峰度系數(shù)c22隨風(fēng)速的變化,圖4(g)表示峰度系數(shù)c40隨風(fēng)速的變化。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實(shí)施例,對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。此外,下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
本發(fā)明提供的一種基于改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型的海浪斜率反演方法,由于海面微波散射存在截?cái)嘈?yīng),因此需要濾波的斜率方差msse和濾波的曲率方差msce,而且二者通過擬合得到的截止波數(shù)是幾乎相同的,更符合實(shí)際的物理意義。假設(shè)海浪斜率為準(zhǔn)高斯分布的情況下,考慮海面各向異性的特性,最終得到高精度的準(zhǔn)鏡像海面散射模型,由此解決了現(xiàn)有準(zhǔn)鏡像海面散射模型精度低的技術(shù)問題,并應(yīng)用于海浪準(zhǔn)高斯斜率反演。
如圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例公開的一種基于改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型的海浪斜率反演方法的流程示意圖,考慮曲率效應(yīng)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型,主要包括以下步驟:
(1)基于海面模型生成全局坐標(biāo)系(x,y,z)下的海面,xoy面為海面基準(zhǔn)水平面,則基準(zhǔn)面上任一點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y)。在計(jì)算后向散射系數(shù)時(shí)需要用到海面高度的相關(guān)函數(shù),因此需要輸入海浪方向譜,而當(dāng)輸入海浪譜為全波數(shù)的海浪方向譜(即el譜)時(shí),推導(dǎo)過程相對簡單。
(1-1)基于物理光學(xué)模型,雷達(dá)后向散射系數(shù)
其中,|r|2表示菲涅耳反射系數(shù),下標(biāo)p與q分別代表入射極化方向與散射極化方向,向量
其中,
(1-2)在海面各向異性的假設(shè)下,對隨機(jī)高度的結(jié)構(gòu)函數(shù)s(r)進(jìn)行四階展開:
其中,mss代表的是海面上所有尺度海浪的斜率方差,mssx和mssy分別代表斜率方差在逆風(fēng)向和側(cè)風(fēng)向上的分量,msce代表過濾的海浪曲率方差,mscex、mscey以及mscexy分別是經(jīng)過濾波的海浪曲率方差msce在逆風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向上的分量、以及濾波的聯(lián)合曲率方差。
其中,濾波的斜率方差的表達(dá)式為:
上式中,k為海浪波數(shù)
(1-3)在海面各向異性的基礎(chǔ)上,考慮海面斜率準(zhǔn)高斯分布的特性,得到四階幾何光學(xué)模型的后向散射系數(shù):
其中,θ為雷達(dá)發(fā)射的電磁波與垂直軸的夾角即入射角,c21、c03、c22、c04以及c40為預(yù)設(shè)值,因?yàn)楦倪M(jìn)模型fgo4的反演是二維非線性反演,設(shè)定一個(gè)預(yù)設(shè)值可以保證反演準(zhǔn)確性,并且反演用到的函數(shù)也需要設(shè)定一個(gè)預(yù)設(shè)值,c21=(0.86u12-1±3)10-2≥0、c03=(3.3u12-4±12)10-2≥0、c04=0.23±0.41、c40=0.40±0.23、c22=0.12±0.06,其中u12代表海面上方12米處的風(fēng)速。c21,c03表示偏度系數(shù),對應(yīng)海面的三階統(tǒng)計(jì)特性,c22,c40,c04表示峰度系數(shù),對應(yīng)海面的四階統(tǒng)計(jì)特性。
(2)由于雷達(dá)基于四階模型進(jìn)行觀測時(shí),模型中定義了對應(yīng)所有尺度海浪的斜率方差,未充分考慮海面微波散射的截?cái)嘈?yīng)。因此定義過濾的斜率方差msse,去掉小尺度海浪對斜率方差的貢獻(xiàn),從而得到更接近實(shí)際觀測結(jié)果的斜率方差。同時(shí)考慮海面各向異性和準(zhǔn)高斯分布的特性,得到改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型。這樣有效提高了散射模型的精度,使模型可以應(yīng)用于海浪斜率反演。本步驟包括以下子步驟:
(2-1)在海面各向異性的條件下,定義濾波的斜率方差msse,用截止波數(shù)來進(jìn)行濾波:
其中,mssex、mssey分別是濾波的斜率方差msse在逆風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向上的分量,φ為雷達(dá)天線觀測角與逆風(fēng)向的夾角,ψ(k,φ)表示海面高度譜,s(k)為全方向海面高度譜,從而得到濾波的結(jié)構(gòu)函數(shù)s(r):
其中,
(2-2)將濾波的結(jié)構(gòu)函數(shù)s(r)帶入到步驟(1-1)中的物理光學(xué)模型的后向散射系數(shù)中,當(dāng)海面斜率的概率密度函數(shù)滿足準(zhǔn)高斯分布特性時(shí),考慮海面各向異性時(shí),最終得到改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型fgo4,該模型更符合實(shí)際且有利于海浪準(zhǔn)高斯斜率反演:
(3)將上述提出的模型fgo4結(jié)合一定的入射角及風(fēng)速范圍應(yīng)用于海浪準(zhǔn)高斯斜率參數(shù)反演,得到更精確的海浪準(zhǔn)高斯斜率參數(shù)。本步驟包括以下子步驟:
(3-1)由于上述濾波的斜率方差和曲率方差,是選取合適的截止波數(shù)kd,將小尺度海浪特性去除。因此在進(jìn)行海浪斜率反演之前,需要確定截止波數(shù)kd,從而進(jìn)一步確定濾波的斜率方差和曲率方差的物理意義。首先在高斯海面的假設(shè)下,采用el譜,作為輸入海浪譜,利用步驟(1-1)中物理光學(xué)模型計(jì)算得到
(3-2)由于上述得到的改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型中,有10個(gè)參數(shù)(mssex、mssey、mscex、mscey、mscexy、c21、c03、c22、c04、c40),并不利于海浪準(zhǔn)高斯斜率參數(shù)反演,為了減少反演中未知參數(shù)的數(shù)量,將上述模型改寫為:
其中將與曲率方差有關(guān)的系數(shù)
其中三個(gè)等式的右邊第一項(xiàng)
(3-3)最后進(jìn)行海浪準(zhǔn)高斯分布斜率反演,得到精確的海浪斜率參數(shù),為其它海洋研究提供高精度的參數(shù)。首先,在假設(shè)海面各向異性和高斯分布條件下,利用基礎(chǔ)的物理光學(xué)模型計(jì)算得到后向散射系數(shù)
下面將結(jié)合實(shí)際測試數(shù)據(jù),利用以上所述的推導(dǎo)模型來進(jìn)一步說明本發(fā)明。
根據(jù)上述推導(dǎo),選取適當(dāng)數(shù)值,進(jìn)行仿真,將本發(fā)明所述模型fgo4與現(xiàn)有模型進(jìn)行對比,驗(yàn)證其精度。首先由于本發(fā)明模型是在物理光學(xué)模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)行改進(jìn)得到的濾波的四階幾何光學(xué)模型fgo4。由于本發(fā)明所提出的改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型fgo4既適用于高斯分布又適用于準(zhǔn)高斯分布,而且基礎(chǔ)的物理光學(xué)模型則是通常用于斜率為高斯分布的情況,因此為了方便與物理光學(xué)模型進(jìn)行對比,突出本發(fā)明模型fgo4的優(yōu)勢,假設(shè)海面斜率滿足高斯分布。假設(shè)風(fēng)速為10m/s,將el譜作為輸入海浪譜。
首先仿真得到基礎(chǔ)的物理光學(xué)模型,將其作為基礎(chǔ)的參考模型。然后仿真出引入了高階參數(shù)(海面曲率方差),但未考慮波數(shù)截?cái)嗲闆r的后向散射系數(shù)隨入射角變化的情況,最后仿真得到考慮了曲率效應(yīng)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型的后向散射系數(shù)隨入射角變化的情況。圖2是按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例所構(gòu)建的準(zhǔn)鏡像海面散射模型(fgo4)與現(xiàn)有其他模型的對比圖,如圖2所示:(1)濾波的模型的后向散射系數(shù)(短虛線表示)與物理光學(xué)模型的后向散射系數(shù)(實(shí)線表示)的相對誤差(帶實(shí)心圓的實(shí)線表示)波動(dòng)很小,而且數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1%;(2)未濾波的模型的后向散射系數(shù)(長虛線表示)與物理光學(xué)模型的系數(shù)相對誤差(帶空心圓的實(shí)線表示),隨著入射角的增大,波動(dòng)越來越劇烈,而且在入射角為1~18。時(shí)相對誤差可以達(dá)到2%;(3)因此可以看出隨著入射角的增大,未濾波模型的后向散射系數(shù)與物理光學(xué)模型的后向散射系數(shù)的相對誤差的變化,明顯大于四階濾波的模型系數(shù)的相對誤差變化;
圖3是按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例所構(gòu)建的濾波的斜率方差和濾波的曲率方差的截止波數(shù)的確定。如圖3所示:(1)圖(a)表示濾波的斜率方差的截止波數(shù)kd為190rad/m時(shí),改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型擬合得到的結(jié)果和公式計(jì)算結(jié)果最為接近;(2)圖(b)表示濾波的曲率方差的截止波數(shù)為190rad/m時(shí),改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型擬合得到的結(jié)果和公式計(jì)算結(jié)果最為接近;(3)濾波的斜率方差和濾波的曲率方差的截止波數(shù)相同,驗(yàn)證了本發(fā)明提出的改進(jìn)準(zhǔn)鏡像海面散射模型fgo4具有實(shí)際的物理意義;
圖4是按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例所構(gòu)建的準(zhǔn)鏡像海面散射模型(fgo4)基于實(shí)測數(shù)據(jù)得到的海浪準(zhǔn)高斯斜率參數(shù)(包括涌浪為主、所有海況和純風(fēng)浪三種情況)與物理光學(xué)模型(圖中記為cm清潔海面和cm油膜海面)的對比圖,其中cm清潔海面的截止波數(shù)為+∞,cm油膜海面截止波數(shù)為16.5rad/m,如圖4所示:(1)圖(a)、(b)表示基于本發(fā)明提出的改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型fgo4,選用實(shí)測數(shù)據(jù),得到海浪準(zhǔn)高斯斜率方差mssex、mssey的反演結(jié)果,該結(jié)果介于cm清潔海面和cm油膜海面的斜率方差中間,而且基于實(shí)測數(shù)據(jù)的結(jié)果與el譜在kd=190rad/m下計(jì)算的結(jié)果十分接近;(2)圖(c)、(d)表示基于本發(fā)明提出的改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型fgo4,得到海浪偏度系數(shù)c21、c03的反演結(jié)果,該結(jié)果介于cm清潔海面和cm油膜海面的偏度系數(shù)中間,而且基于實(shí)測數(shù)據(jù)的結(jié)果與el譜在kd=190rad/m下計(jì)算的結(jié)果十分接近;(3)圖(e)-(g)表示基于本發(fā)明提出的改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型fgo4,得到的海浪峰度系數(shù)c22、c04、c40的反演結(jié)果,該結(jié)果介于cm清潔海面和cm油膜海面的偏度系數(shù)中間,而且基于實(shí)測數(shù)據(jù)的結(jié)果與el譜在kd=190rad/m下計(jì)算的結(jié)果十分接近??傮w上,圖4中基于改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型,選用實(shí)測數(shù)據(jù),反演得到的7個(gè)參數(shù)介于cm清潔海面和cm油膜海面中間,而且與假定截止波數(shù)kd=190rad/m時(shí)得到的參數(shù)接近,進(jìn)一步驗(yàn)證了本發(fā)明提出的改進(jìn)模型fgo4精度高,可用于海浪準(zhǔn)高斯斜率參數(shù)反演,而且驗(yàn)證了本發(fā)明選取的截止波數(shù)具有實(shí)際物理意義。綜上,說明改進(jìn)的準(zhǔn)鏡像海面散射模型精度更高,可以用于海浪準(zhǔn)高斯斜率反演,并得到高精度的海浪準(zhǔn)高斯斜率參數(shù)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解,以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。