HY－2A卫星高度计有效波高信息提取业务化算法

范陈清，张杰，孟俊敏，汪栋，李秀仲

（1.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛，266061）

HY－2A卫星高度计有效波高信息提取业务化算法

范陈清1，张杰1，孟俊敏1，汪栋1，李秀仲1

（1.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛，266061）

2011年8月16日我国成功发射了第一颗自主海洋动力环境卫星HY-2A，有效波高是其搭载的雷达高度计可获取的重要海洋动力环境参数之一。本文详细介绍了应用于HY-2A雷达高度计的有效波高信息提取业务化算法，该算法通过迭代最小二乘拟合方法提取有效波高信息。同时，基于HY-2A雷达高度计业务化运行获取的有效波高数据，分别与Jason-2卫星高度计有效波高和NDBC浮标海浪波高数据进行了比对分析。比较结果表明，HY-2A雷达高度计与Jason-2有效波高的标准偏差为-0.26 m，RMS为0.58 m；HY-2A高度计与NDBC浮标数据间的标准偏差为-0.22 m，RMS为0.37 m。结果证明了目前应用于HY-2A雷达高度计业务化运行中的有效波高信息提取算法的可行性。

HY-2A；高度计；有效波高

1 引言

2011年8月16日，我国成功发射了第一颗海洋动力环境卫星海洋二号A（HY-2A），其主要搭载卫星雷达高度计、微波辐射计、微波散射计和校正辐射计4种微波遥感器，具备全天时、全天候、全球海洋动力环境探测能力。有效波高信息作为卫星雷达高度计能够测量的3种基本观测量中的一种，是通过对卫星雷达高度计海面回波波形的分析计算得到的1）。高精度有效波高的获取将为我国海洋环境预报、防灾减灾以及海上活动提供重要的支持。

目前，卫星高度计回波波形跟踪方法主要有远海的海洋算法［1—2］、陆地冰层的Beta5／9算法［3］、重力中心偏离法（OCOG）［4］和冰层算法二［5—6］、海冰的阈值重构算法等［7—9］。本文主要采用适用于远海的海洋算法，现使用的海洋算法均是由Brown［10］提出了海洋回波的平均回波功率的卷积模型基础上发展而来。在Brown模型的基础上，Hayne［11］提出将回波模型中的海面镜像点概率密度函数和雷达系统点目标响应函数都近似为不对称的高斯函数，使回波模型更加具有实用性。Rodriguez和Chapman［12］将地球曲率的影响考虑到回波模型中，并取得较好效果，并被应用到后来的星载高度计数据处理中。不同的卫星高度计根据自身的实际情况以及设计要求分别采用了不同的回波模型。

针对HY-2A卫星高度计实际回波以及卫星高度计设计参数，本文采用了考虑地球曲率的Hayne平坦海面平均脉冲响应模型、引入斜度的海面镜像点分布函数以及高斯函数表示的雷达点目标脉冲响应函数。同时在实际反演过程中，也考虑了HY-2A卫星高度计回波功率统计特性、部分波形后沿抬高以及靠近陆地、海岛和海冰时出现的波形上升沿抖动情形下的波形处理，并基于Jason-2数据以及NDBC浮标数据对反演结果进行了验证。

2 高度计测量有效波高原理与信息提取算法

雷达高度计工作原理是通过向海面发射脉冲信号，该脉冲信号与海表面相互作用后，部分能量反射回雷达高度计，通过对接收到的回波功率波形的分析，可提取海面的有效波高。一般地，雷达高度计接收到的回波波形分为3个部分：波形平坦区、波形前沿上升区以及波形后沿下降区。有效波高（SWH）取决于海面回波上升沿的斜率，当上升沿斜率增大时，SWH就减小；反之，SWH就增大［12］，图1。

图1 卫星雷达高度计回波波形示例

2.1 回波模型

Moore和Williams［13］通过实验证明了海面的平均回波功率和海洋表面特性之间的相互关系，即认为海面的平均回波功率可以表示为发射脉冲的功率包络与包括散射系数、天线增益等参数在内的表达式的卷积。该理论经过Barrick的完善［14］，得出了一个在数学和物理上都清晰的卷积模型［15］，即将海面的平均回波功率W（t）表示为：

W（t）＝PFS（t）×qs（t）×Sr（t），（1）式中，W（t）为接收回波的平均功率；PFS（t）为平坦海平面平均脉冲响应函数；qs（t）为海面镜像点概率密度函数；Sr（t）为雷达系统点目标响应函数。该模型可进一步表示为：

2.2 有效波高提取方法

不同的卫星高度计根据自身的实际情况以及设计要求分别采用了不同的回波模型，但有效波高提取算法基本一致。首先，基于严格的异常波形剔除原则去除受陆地、海岛以及海冰污染的数据；其次，去除热噪声，并对1 s内的波形进行平均；最后，对1 s平均的波形进行有效波高反演。

3 HY-2A高度计有效波高提取业务化算法

3.1 HY－2A高度计有效波高回波模型参数选择

针对HY-2A卫星高度计仪器参数，设定回波模型中斜度参数λs＝-0．1，σp＝0.513T，T＝3.125 ns为雷达发射窄脉冲的3 dB时宽，即脉冲压缩后的时间宽度，h＝973 km，为HY-2A卫星到地面的轨道基准高度，R为地球平均半径，取值为6 371 km。根据以上参数，通过迭代加权最小二乘拟合可以获取不同波形的4个参数值，进而通过σs与SWH之间的关系，即SWH等于2cσs这一关系可获得有效波高值。

3.2 有效波高提取

为了保证数据的完整性以及尽可能多的获取有效数据，本文针对HY-2A卫星高度计波形特性，以及HY-2A卫星高度计在靠近陆地、海岛以及海冰等目标时回波波形的抖动这一情况，考虑到对该波形进行1 s平均通常难于保证波形完全对齐，从而导致引入新噪声。因此，在对HY-2A卫星高度计数据处理中先对1 s内单个波形进行反演，最后对反演的波高值进行1 s平均。该方法有效提高了有效波高反演的精度。其中，反演流程主要包括异常波形剔除、热噪声剔除、波形归一化以及天线指向角计算等。

图2 HY-2A卫星高度计回波波形

（1）异常波形剔除

异常波形剔除是为尽可能地保留卫星高度计有效测量数据，同时剔除受陆地、海岛及海冰等各种因素影响的测量数据。由于HY-2A卫星高度计回波波形后沿较高，且在靠近陆地、海岛及海冰等目标时波形前沿存在一定抖动。如采用较为常用的天线指向角阈值或者半功率点波动程度进行判断，则会剔除大量此类数据。而实际通过该数据的上升沿仍可获得可靠的有效波高数据。因此，本文未采用严格的异常波形剔除准则而是直接根据海陆标记值剔除陆地数据，结果表明该方法保留了大量易被剔除的有效数据。

（2）热噪声去除

根据HY-2A卫星高度计大量实际回波波形功率门统计发现，在波形平坦区第19个采样门之前采样值较为稳定且非常小。因此，本文将该区域定义为热噪声区。为消除热噪声对回波的影响，可采用前19个采样门回波功率的均值作为热噪声值。实际计算表明，采用第13～17个采样门的平均值的结果与采用前19个采样门的平均值相当。为简化计算，本文采用了第13～17个采样门的平均值作为最终热噪声，并将所有波形采样门值减去该值来去除波形中的热噪声。

（3）波形归一化

为便于后期波形拟合，需要根据波形最大值作归一化处理。归一化过程中，特别是在检索波形最大值过程中，需要对回波形状、回波幅度进行分析。由于回波波形形状和幅度受仪器特性（主要是天线衰减模型和波束宽度）、采样门宽度、AGC、卫星姿态角、海面斜率和海面后向散射特性（折射率、海面粗糙度、体散射）等因素的影响，波形最大值附近通常存在抖动，且部分HY-2A卫星高度计波形后沿向上抬高。因此，为保证所获得上升沿的最大值准确度，根据HY -2A卫星高度计波形统计（如图3所示），本文设定只采用第46个采样门之前的最大值作为整个波形最大值进行归一化处理。

图3 HY-2A卫星高度计回波波形图

（4）天线指向角计算

为了提高波形拟合一致程度，在进行波形拟合之前首先计算天线指向角，将实际反演的天线指向角引入迭代过程中，从而提高反演精度。对于HY-2A卫星高度计有效波高反演，该方法比通常高度计采用固定值法更为优越。

（5）波形拟合

根据前文确定的回波模型，采用迭代加权最小二乘拟合方法。首先构造目标函数F：

式中，FFT（i）为归一化回波信号，Weight（i）为采样门的权重系数（i＝1，2，…，128），表示对于不同区域的波形，赋予不同大小的权重系数。

为了从海面回波波形数据中准确的提取出SWH信息，在利用迭代加权最小二乘拟合方法时必须选取合适的加权系数。在回波波形的拟合中，应根据波形的不同位置对波形拟合的不同贡献，需采用不同的权重。由于SWH主要决定于波形上升沿，对于波形上升沿拟合程度的好坏直接影响着反演结果的好坏，它应赋予较高的权重；波形的其他区域应该相对赋予较低的权重。

根据式（3）求回波波形参数的问题可转化为以下的优化问题：min F（tp，ts）。

由于高度计的数据量巨大，为了计算方便，此处采用BFGS算法。该算法具有二次终止性，而且迭代有限步，具有较高的收敛速度。

基于以上反演方法，以HY-2A卫星高度计第18个cycle的数据中4个实测数据点为例，给出数据拟合效果见图4。

图4 HY-2A卫星雷达高度计实际数据拟合效果图

4 算法验证

为了检验应用于HY-2A高度计有效波高信息提取的业务化算法的实用性，分别开展HY-2A高度计有效波高与Jason-2高度计有效波高和NDBC浮标有效波高数据的比对分析。

4.1 与Jason－2高度计的比较

将2011年10月1日到2012年11月24日的HY-2A有效波高反演结果与Jason-2有效波高进行比对分析。通过拟合轨道得到HY-2A地面轨迹与Jason-2地面轨迹交叉点处附近4个实测数据点（HY-2A和Jason-2分别两个点），再进行线性插值分别得到HY-2A和Jason-2在交叉点处的有效波高值，时间窗口选定为30 min，其获得的标准偏差为-0.26 m，RMS为0.58 m。该结果表明HY-2A卫星高度计有效波高反演结果精度与Jaosn-2反演结果一致，反演精度可以满足HY-2A卫星高度计有效波高反演精度要求。HY-2A与Jason-2有效波高的对比图见图5a。

4.2 与浮标数据比较

基于2011年10至2012年12月的33个NDBC浮标数据（浮标站点分布见图6），对同期HY-2A高度计有效波高数据进行比对分析。二者匹配的时空窗口为分别为30 min和50 km，共得到匹配点3 345个。通过计算得到二者的标准偏差为-0.22 m，RMS为0.37 m，比较散点图见图5b。

图5 HY-2A高度计有效波高与Jason-2（a）和NDBC浮标数据（b）比较

图6 NDBC浮标站点分布

5 结论

本文详细介绍了应用于我国第一个海洋动力环境卫星HY-2A上雷达高度计有效波高信息提取的业务化算法，给出了具体的计算流程。基于2011年10月—2012年11月HY-2A雷达高度计业务化运行得到的有效波高数据，分别开展了其与Jason-2和NDBC浮标有效波高数据的比较。结果表明，HY -2A高度计与Jason-2的标准偏差为-0.26 m， RMS为0.58 m；HY-2A高度计与NDBC浮标数据的标准偏差为-0.22 m，RMS为0.37 m。这表明本文介绍的方法适用于HY-2A卫星雷达高度计有效波高信息提取，且在HY-2A卫星高度计业务化处理系统中应用得到了较好的结果。

致谢：感谢NOAA NODC提供的Jason-2卫星高度计数据，感谢NDBC提供的浮标数据，感谢国家卫星海洋应用中心提供的HY-2A卫星高度计数据。

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Significant wave height operational inversion algorithm of HY－2A altimeter

Fan Chenqing1，Zhang Jie1，Meng Junmin1，Wang dong1，Li Xiuzhong1
（1．First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China）

The first oceanic dynamic environment satellite—HY-2A was launched in August 16，2011.Significant Wave Height（SWH）is one of the important parameters which can be monitored by HY-2A satellite altimeter. The SWH operational inversion algorithm of HY-2A altimeter is detail introduced in the paper，and the algorithm obtained SWH by least-square method.The SWH of HY-2A altimeter computered by the operational processing is compared to the results of Jason-2 and NDBC buoys.The result showed that the standard deviation is-0.26 cm and RMSis 0.58 cm between HY-2A and Jason-2，and the standard deviation is-0.22 cm and RMS is 0.37 m between HY-2A and NDBC buoys.The results demonstrated that the SWH inversion algorithm used in the operational processing system of HY-2A altimeter is feasible.

HY-2A；altimeter；significant wave height

P731.22；P228.3

A

0253-4193（2014）03-0121-06

2013-07-29；

2013-08-13。

海洋公益性行业科研专项经费项目（201105032-1）。

范陈清（1983—），男，江苏省海门市人，助理研究员，主要从事高度计遥感研究。E-mail：fanchenqing＠fio.org.cn 1）纪永刚，张杰，张有广，等.神舟四号飞船高度计有效波高反演.第十四届全国遥感技术交流会论文摘要集，2003.

范陈清，张杰，孟俊敏，等.HY-2A卫星高度计有效波高信息提取业务化算法［J］.海洋学报，2014，36（3）：121-126，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.03.013

Fan Chenqing，Zhang Jie，Meng Junmin，et al.Significant wave height operational inversion algorithm of HY-2A altimeter［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（3）：121—126，issn.0253-4193.2014.03.013