星载合成孔径雷达海面风场反演方法研究进展

程玉鑫,袁凌峰（.解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京，0；.海军海洋水文气象中心，北京，00000）



星载合成孔径雷达海面风场反演方法研究进展

程玉鑫1,袁凌峰2
（1.解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京，211101；2.海军海洋水文气象中心，北京，100000）

摘要：合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）因其全天时、全天候、高分辨率对海探测的特点，在海面风场反演方面具有独特优势。分别以合成孔径雷达风向、风速以及风矢量反演为主线，对国内外相关工作进行了详细的总结。

关键词：合成孔径雷达；海面风场；反演

0　引言

合成孔径雷达是一种主动式微波成像传感器，是通过测量海面后向散射信号的幅值及其时间相位来产生散射强度在海面分布的图像。SAR具有全天时、全天候、高分辨率（数十米至数米）探测海面风场的特点，可提供海洋及沿岸地区的海面风场、海表流场、海浪、海洋内波和中尺度涡等地球物理信息，具有广阔的应用前景和重要的研究价值。

合成孔径雷达的观测原理相当于成像散射计，但其单一入射角机制无法实现同时对海面不同方位角的多次测量，因此难以像散射计那样同步反演出风向和风速，所以SAR在进行海面风场反演时需先获取风向信息再进行风速反演。

1　风向反演技术

理论研究发现，大气海洋边界层的不稳定性会引起平均海面风场（一次流）之上形成螺旋状大气边界层涡旋（二次流），进而造成海面的辐聚或辐散，改变海面的粗糙度。作为影响雷达后向散射的主要因素，粗糙度的改变会在SAR图像中表现为黑白相间的风条纹。Weissman等（1979）经过大量研究后最早发现SAR图像中尺度在数公里左右的线性纹理特征与海表面风向相关。随后Fu、Holt（1982）通过实验证实Seasat/SAR卫星探测到的SAR图像中的线性特征确实与海面风向存在平行关系，可以通过对风条纹信息的提取直接反演风向。

基于风条纹的海面风向反演方法主要有频谱方法和局部梯度方法。频谱方法是从频谱角度出发，计算SAR图像的低波数谱来获得风向信息，其中最具代表性的是快速傅里叶变换（FFT，Fast Fourier Transformation）。它首先将SAR图像分成若干子图像，然后对各子图像进行平滑处理，再运用快速傅立叶变换方法得到谱图像。根据傅立叶变换的原理，谱图像代表了能量的分布状况，将谱能量的峰值连线，与其垂直的方向就是风向。Gerling等（1986）最早利用快速傅立叶变换方法对ERS-1/ SAR中风向信息进行反演，反演结果符合预期效果。Alpers和Brummer（1994）采用ERS-1/SAR数据进行大气边界层涡旋研究时，假定图像中海面粗糙度变化产生的风条纹与海面风向相一致。Fetterer等（1998）对SAR图像实施二维快速傅立叶变换，通过计算低波数谱反演海面风向，并将反演风向于浮标观测值进行比对分析，反演效果较好。国内学者杨劲松等（2001）采用此方法对加拿大 Radarsat SAR 图像反演获得了中国海南省东南部近岸海区海面风场，反演结果与预报风场相符较好。频谱方法的风向反演方法计算速度快，但其反演存在风向180°模糊的问题。

局部梯度方法是基于纹理分析的算法，包括Sobel算子方法和小波变换法等方法。局部梯度方法定义尺度分离后的SAR图像梯度方向与风向垂直，风向就是由所选图像区域出现最多频率的局部梯度所确定的。Horstmann等（2002）最早利用局部梯度方法来提取海面风向，结合ASAR数据进行实验验证，获得了比较准确的风向结果。朱华波（2005）等采用局部梯度法对ERS-1/SAR进行海面风向反演，获得了较好的反演精度。孔毅（2011）等提出将快速傅立叶变换与二维连续小波变换相结合的风向反演方法，借助小波出色的时-频分析能力，获取高精度的风向信息，并借助NCEP资料消除了风向的不确定性。Gladeston C.Leite等（2010）分别利用快速傅立叶变换法、Sobel和小波变换法对ENVISAT/ ASAR数据进行海面风场反演，并与散射计资料进行比对分析，结果表明小波法的反演精度更高。同频谱方法相比基于空间域的算法一定程度上提高了风向反演的精度，但风向180°模糊的问题仍需借助辅助资料进行比对来剔除。

2　风速反演技术

SAR反演海面风速主要采用C波段星载散射计的CMOD系列地球物理模式函数。Alpers和Brummer（1994）最早将CMOD4模式函数引入到星载SAR海面风速反演中来。Vachon和Dobson （1996）通过试验进一步验证了CMOD4函数在SAR风速反演中的有效性并对其进行了较为全面的评估。Fetterer等（1998）通过ERS-1/SAR数据对CMOD4和CMOD-IFR2模式的风速反演效果进行了评估，其与浮标数据比对的均方根误差分别为1.1m/ s和1.3m/s。Monaldo等（2006）对丽塔飓风进行研究时评估了CMOD4和CMOD5模式的风速反演效果，研究发现CMOD5模式相较于CMOD4更适用于风速高于20m/s的海况反演。王珂等（2013）利用ENVISAT/ASAR数据比较了地球物理模式函数性能，发现CMOD4和CMOD-IFR2模式较适用于邻近岸海面中等风速的反演，而CMOD5模式在风速高于20m/s海况时的反演效果更好，因而提出海面风速分段反演的概念。日本学者Teruhisa Shimada（2003）等提出适用于L波段HH极化的LMOD（L-band models）模式函数，并利用JERS-1 SAR数据验证该模式的有效性，对L波段SAR数据的风速反演具有重要作用。

由于部分SAR数据的极化方式为HH极化（如RADARSAT-1/ SAR），而CMOD模式函数最早被开发用于C波段VV极化数据，因此在利用CMOD系列模式函数对HH极化SAR数据进行风速反演时需通过极化率模型将HH极化转化为VV极化。极化率模型描述了极化率与雷达入射角、天线视向角风速的函数关系，包括描述极化率与雷达入射角函数关系的Kirchoff、Vachon 和Elfouhaily等极化率模型，描述极化率与雷达入射角、风速函数关系的Hwang、Zhang等极化率模型，以及描述极化率与雷达入射角、天线视向角函数关系的Mouche极化率模型。HH极化SAR雷达后向散射系数转化为VV极化后，风场反演方法与VV极化相同。Kim等（1994）评估了Thompson、Kirchhoff、Elfouhaily等极化率模型结合CMOD4和CMOD-IFR2模式函数在风速反演中的效果，并将反演结果与实测数据进行对比，结果表明Kirchhoff极化率模型最适用于海面风速反演。Vachon和Dobson（1996）利用RADARSAT-1/SAR资料对Kirchhoff模型进行验证，得到了与前文相一致的结果。冯倩等（2004）通过分析比较多种极化率模型得出Kirchhoff极化率模型在SAR海面风场反演中效果更好的结论。

3　风矢量反演技术

传统的海面风场反演方法，需先利用风条纹反演风向或通过散射计以及数值模式风向来获取风向，再结合CMOD地球物理模式函数计算风速。艾未华等（2013）通过对CMOD地球物理模式函数进行仿真研究，分析SAR图像在距离向上的后向散射系数随入射角变化规律，提出一种基于后向散射系数随入射角变化曲线的风矢量反演方法。该方法依据散射计三天线的设计原理，通过获取不同入射角对应的多组后向散射系数直接反演出海面风向和风速，前提是需假定三组不同入射角后向散射系数处的风场一致，否则无法进行联立求解，因而该方法较适用于观测刈幅较窄的机载SAR且海面风场的空间变化也必须较为缓慢，其应用于星载SAR时可能会出现较大反演误差。赵现斌等（2013）同样根据散射计思想，提出多天线视向海面风场反演方法。该方法利用机载SAR高机动性的特点，设计载机作近似等腰直角的三角航线飞行，形成短时间探测同一海域的三个雷达天线视向，同时获得不同视向三组观测值，结合代价函数反演风矢量。

4　结论

近年来，随着SAR海面风场反演研究工作不断取得显著的成果，人们越来越重视SAR海面风场反演的相关研究。本文主要阐述SAR海面风场的反演机理，分别从风向反演技术、风速反演技术以及风矢量反演技术三个方面重点介绍合成孔径雷达海面风场反演技术的研究进展。

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程玉鑫（1990-），男，黑龙江鸡西人，硕士研究生，研究方向为海洋遥感

Research progress of sea surface wind field retrieval method for Space borne Synthetic Aperture Radar

Cheng Yuxin1,Yuan Lingfeng2
(1.College of Meteorology and Oceanography,PLA University of Science and Technology Nanjing 211101,china; 2.Navy hydrometeorological center Beijing,100000,china）

Abstract：Synthetic Aperture Radar(SAR)because of its day,all-weather,the characteristics of the high resolution of detection,has unique advantages in terms of sea surface wind field inversion.On synthetic aperture radar wind direction,wind speed and wind vector inversion as the main line,a summary of domestic and foreign related work in detail.

Keywords：synthetic aperture radar;sea surface wind field;inversion

作者简介

基金项目：国家自然科学基金（批准号：41475019）

中图分类号：P732.7

文献标识码：A