基于海洋二号雷达高度计回波特征的南中国海近岸海面高度场提取方法研究

Radar altimeters onboard HY-2 series satellites have the ability of measuring the crucial ocean parameters such as sea surface height, and play an important role in science research, economic and military. Under the background of global climate change, there are more requirements in coastal altimetry. In this program, the key technologies relating to HY-2 altimeter coastal waveform processing and error corrections are investigated. Waveform processing has three steps: waveform classification, waveform pre-processing and waveform retracking. The classification is based on the K-means cluster analysis method, the pre-processing adopts the singular value decomposition filtering, and the waveforms under internal calibration modes are innovatively merged in the retracking to improve the agreements between different retrackers. In error correction, the three most cumbersome error terms are investigated: wet pass delay, ocean tide and dynamic atmospheric corrections. The wet delay correction method is an innovate one based on the decontamination of the HY-2 atmospheric correction radiometer, applying the antenna directional pattern. The ocean tide and dynamic atmospheric corrections are based on the finite element method, which can improve the resolution in coastal region. By the dedicating optimal design of the waveform processing and error correction, the accurate sea surface height field of the South China Sea region is retrieved. This program can fill in the gaps of the coastal application of HY-2 altimetry.

海洋2号系列卫星雷达高度计可精确测量海面高度等关键海洋参数，在科学研究和经济、国防等领域有重要价值。在当前全球气候变化的背景下，对近岸海域的卫星测高研究提出了更高需求。本项目研究海洋2号雷达高度计在南中国海近岸回波处理和误差校正的关键技术。回波处理分为回波分类、回波预处理和回波重跟踪三个步骤。本项目采用基于K-均值聚类分析的方法进行回波分类，回波预处理中利用奇异谱分解方法降低噪声，创新地利用高度计的内定标数据进行融合处理，以改善不同重跟踪算法结果的一致性。在误差校正方面，重点研究湿对流层延迟、海潮和动态大气三个校正项。湿对流层延迟设计了创新的基于天线方向图的海洋2号校正辐射计陆地亮温补偿算法，在海潮和动态大气校正方面采用有限元方法在近海地区实现分辨率增强。通过对回波处理和误差校正的针对性优化研究，提取一致的高精度南中国海域海面高度场，填补海洋2号高度计在近岸海域应用的空白。

星载雷达高度计是最重要的海洋遥感器之一，它能够以厘米级的精度获取全球海面高，还可以获取海浪、海风、海潮、海流等信息，在海洋动力环境、大地测量等学科起到了无可替代的作用。.目前开阔海域的星载雷达高度计数据质量已非常稳定，但近岸存在大量受陆地反射影响的波形，波形形态与开阔海域回波波形有异，统称为非海洋波形；另一方面，近岸海域的一些重要误差项，如湿对流层延迟和海潮等也远比开放海域复杂。利用传统的海洋处理方法处理近岸高度计数据会导致数据利用率下降，产品精度变差，因此雷达高度计在近海的应用上仍需探索，在国产海洋二号卫星系列高度计中更是大有潜力可挖。.在回波处理方面，本项目分析了海洋二号系列卫星雷达高度计近岸回波波形特点，提出基于神经网络分类的星载雷达高度计近岸回波处理方法，包括回波分类和回波重跟踪。其中回波分类由误差逆向传播神经网络实现，回波重跟踪则根据类别匹配相应的重跟踪算法进行处理。针对似海洋波形，本项目还提出了异常波峰剔除的重跟踪方法，和国外经典重跟踪算法相比，该算法能够剔除更多被污染的回波。利用珠海万山定标场直湾岛验潮站资料对HY-2B重处理后的海面高度进行评价，重处理得到的海面高相对于验潮站数据的稳定性提高，标准差为6.5cm，优于原未经处理的SGDR产品的14.5cm。这也验证了本项目提出的近岸海域回波处理方法在南中国海区域的有效性。.误差分析方面：以湿对流层延迟校正、海潮校正和动态大气校正为重点研究对象，研究海洋二号卫星高度计近海的误差校正。提出基于天线方向图的海洋2号校正辐射计陆地亮温补偿方法，定义“等效陆占比”参数，实现海陆交界的湿对流层延迟校正，以有限元方法增强海潮和动态大气校正在近海的分辨率。.最后，本项目利用数据同化技术生成了南中国海近海海面高度时空变化场，并对其质量进行了定量评价。