三维成像雷达高度计海况偏差修正关键技术研究

Current satellite radar altimeter has revolutionized the large and mesoscale ocean phenomena monitoring for the past two decades. But they can do nothing for the submesoscale ocean phenomena. The emergence of the 3D imaging radar altimeter will cover the shortage of the ability of the current satellite radar altimeter (including the Doppler radar altimeter). It can provide the wide-swath, high accuracy and high-resolution altimetry measurement of the ocean surface topography, significant wave height and sea surface wind speed, and it cannot be contaminated by land. Measurement principle of 3D imaging radar altimeter has matured. But the key technology of ocean dynamic environment information retrieval from it is still at a groping stage. In this study, from the basic measurement principle of 3D imaging radar altimeter, basing on the theory of the quasi-specular scattering at low incidence angles, and using the moderate incidence angle synthetic aperture radar wave spectrum inversion algorithm model for reference, 3D imaging radar altimeter wave spectrum inversion algorithm model will be developed. Draw on the algorithm for wind speed at low incidence angles, the formula of the mean square slope will be re-built in this study. Accordingly the algorithm of sea surface wind speed based on the normalized radar cross section, significant wave height, and wave slope will be reconstructed also. We will carry out the research of the influence of sea surface wind speed, significant wave height and wave maturity on the sea state bias. And the non-Parametric three elements correction algorithm of sea state bias will be built.

过去20年，传统雷达高度计已经为大、中尺度海洋现象监测带来了革命性的进步，但对中小尺度海洋现象却无能为力。三维成像雷达高度计的诞生将会弥补传统雷达高度计（包括多普勒雷达高度计）的不足，可提供宽刈幅、高精度、高分辨率的海面高度、有效波高、海面风速等海洋动力环境信息，并且在观测时不受陆地污染。三维成像雷达高度计的测量原理已趋于成熟，但海洋动力环境信息反演算法尚处于探索阶段。本研究从三维成像雷达高度计基本测量原理出发，基于准镜面散射理论，借鉴中等入射角的合成孔径雷达海浪谱反演算法模型，研制三维成像雷达高度计海浪谱反演算法模型；在现有雷达小入射角风速提取技术的基础上，重新推导均方斜率的表达式，构建基于后向散射系数、有效波高和海浪斜率的三维成像雷达高度计海面风速提取技术。在此基础上开展海面风速、有效波高、海浪发展成熟度等海洋要素对海况偏差的影响研究，构建适用于三维成像雷达高度计的三要素海况偏差模型。

经过近40年的发展，传统雷达高度计已经在物理海洋学和海洋科学等领域已经取得了非常大的成绩，然而，由于数据空间分辨率不足，只能监测尺度大于200km的海洋现象及其变化。海洋处于时刻变化之中，变化尺度从毫米级到行星尺度。海洋上层和内部之间的热通量以及碳和营养物质交换主要在尺度小于200km的海洋过程中进行。这些能量和物质交换是确定海洋在全球气候变化中作用的关键因素。成像高度计的主要载荷是雷达干涉仪，可获得宽刈幅、高精度和高空间分辨率的海面地形信息。较传统雷达高度计而言，在刈幅、测量精度及空间分辨率等方面都有较大程度的提高，在海洋动力环境监测过程中具有较大优势。由于成像雷达高度计小入射角的特点，目前在国内外尚没有可直接用于反演海浪、海面风速的算法模型，从而在计算海面高度时海况偏差修正模型无法建立。我国天宫二号空间实验室于2016年9月15日22时04分09秒发射成功，上面搭载一个成像高度计试验载荷，载荷于2016年9月22日正式开机工作，获得了大量的观测数据，本研究利用该载荷获得的数据开展了成像高度计和海况偏差修正相关的海浪、海面风速反演技术研究，同时开展了海况偏差修正算法研究。利用本研究建立的海浪、海面风速反演算法模型得到的海浪、海面风速经过与现场测量、数值模式输出等结果比较，有效波高精度优于0.5m，海面风速精度优于2m/s。同时，考虑到成像雷达高度计小入射角的特点，研究了不同的海况偏差修正算法模型，并对算法模型进行比较验证，验证后将海况偏差修正算法模型应用到天宫二号成像雷达高度计数据处理系统中。. 通过本项目的研究将使我国在较短的时期内在三维成像雷达高度计数据处理方面取得较大进展，提高我国在该领域的研究水平。项目预期成果将为我国未来星载三维成像雷达高度计数据处理奠定基础，对相关科学研究具有重要的科学意义和现实价值。