星载多普勒雷达散射计海流反演技术研究

Ocean current is the regular movement of seawater. It is one of the important parameters that adjusts the global climate changes. Ocean current also influences many physical, chemical, biological, and geological process of ocean, and affects the formation and variation of climate and weather. Ocean current Doppler Scatterometer is a new type of radar for ocean remote sensing. The ocean surface current field (speed and direction) can be retrieved from the Doppler frequency shift of radar echoes. And the ocean surface wind field (speed and direction) can be retrieved from the high-accuracy measurement of backscattering coefficient. The measurement accuracy of ocean surface current is restricted by its inversion error. The research of suitable ocean surface current inversion method is essential for the development of Doppler Scatterometer. This project contains two parts: the performance analysis of Doppler Scatterometer and inversion algorithm research of ocean surface current. These two parts constitute a complete evaluation system of spaceboren Doppler Scatterometer for sea surface ocean current measurement.

洋流是海洋中水体有规律的运动，它是影响和调节全球气候变化的重要参数之一，洋流对海洋中多种物理过程、化学过程、生物过程和地质过程，以及气候和天气的形成及变化，都有影响和制约的作用。多普勒雷达散射计是一种新型的海洋遥感雷达系统，通过对海面雷达回波信号多普勒频率的检测实现海面流场（流速和流向）的观测，通过对海面后向散射系数的高精度测量，可以实现海面风场（风速和风向）的反演。多普勒雷达散射计的海洋表面流测量精度主要受到反演误差的制约，研究和开发适合于多普勒雷达散射计的海洋表面流反演方法成为多普勒雷达散射计发展的必要条件。本项目主要内容包括星载多普勒雷达散射计的测量性能分析和海洋表面流的反演算法研究两部分。这两部分内容构成一套完整的星载多普勒雷达散射计海洋表面流测量精度评估体系。

洋流的观测和预报越来越受到人们的关注。多普勒雷达散射计是一种新型的海洋遥感雷达系统，通过测量海面运动所产生的回波信号多普勒频移反演海面流场（速度和方向），同时还能测量海面的风矢量场。基于真实孔径雷达体制的多普勒散射计，可以在保证一定分辨率的同时获得很宽的观测刈幅，从而实现海洋表面流场和风场测量的快速全球覆盖，对海洋预报和气候变化研究具有重要的意义。.本项目主要包括两部分：多普勒雷达散射的系统仿真和海洋表面流的反演方法研究。其中，多普勒雷达散射计的系统仿真主要是通过仿真的方法对雷达的多普勒频率测量精度进行分析和计算。海洋表面流反演方法研究主要是结合多普勒雷达散射计的系统参数，观测几何及多普勒频率测量精度，开发适合于多普勒雷达散射计的海洋流场反演方法。.本项目首先建立了海面多普勒谱模型和相关系数模型，分析了海面状态和测量条件对多普勒测量的影响。相关系数模型是海洋表面流速度测量精度分析和雷达系统参数优化的基础。多普勒雷达散射计的相关系数包括热噪声去相关、失配去相关、空间去相关和时间去相关。采用“端到端”的仿真方法，建立了多普勒雷达散射计的仿真模型。利用多普勒雷达散射计的仿真模型，对系统参数进行了优化。.本项目建立了基于最大似然估计的海面风场/流场反演方法，可以实现海面风场和海面流场的同步反演。分析了星载多普勒雷达散射计交轨向不同刈幅位置的海面流场反演精度，不同风速和风向条件下的海面流场反演精度。最后对星载多普勒雷达散射计的全球海面流场反演结果进行了仿真。结果表明在刈幅远端和星下点附近，流速和流向的测量标准差较大；在两侧刈幅的中间位置，多普勒雷达散射计的流速和流向反演性能最好。在时间分辨率为5天，空间分辨率为0.5°×0.5°条件下，全球海面流场反演精度优于0.18m/s。