干涉成像高度计海面风速和波浪遥感机理与信息提取方法研究

Interferometric Imaing Altimeter (IMA) is an innovative microwave sensor that bridges the gap between conventional nadir altimeter and side-looking radar interferometry, which is able to acquire high wide near-nadir swaths with high resolution on both sides of the satellite track.It is a very useful instrument to observe ocean surface topography, meso-scale and sub-mescole-scale oceanographic phenomenon, and to investigate ocean circulation and climate change.Recently, Though IMA has become a research spot,there are relatively few reports on ocean surface wind speed and wave imaging mechanism and retrieval method. This project is aim to investigate ocean surface wind and wave imaing mechanisms, and develop a near-nadir ocean surface microwave scattering model. We will also establish ocean surface wind speed and mean square slope athod, as well as relative elevation retrieval method. This study will provides theoretical and technical instructions for calibration and validation of three-dimensional imaging altimeter onborad "Tiangong-2".

干涉成像高度计是一种将传统天底点卫星高度计和侧视成像干涉雷达技术相结合的新型微波传感器。它能够在近天底点卫星轨迹两侧获取高分辨率成像刈副，是观测海表面地形、海洋中尺度和次级中尺度现象，以及研究海洋环流和气候变化有效工具。干涉成像高度计已经成为国内外研究热点，但海面风速和波浪遥感机理与信息提取方法的报导尚少，属于创新性前沿科学研究问题。本项目将重点研究海面风速和波浪遥感成像机制，建立近天底点海面微波散射模型；发展海面风速和均方斜率、海面相对高度反演方法。该研究可为我国"天宫二号"上搭载的三维成像高度计海洋观测的校正和验证提供一定的理论和技术支撑。

干涉成像高度计是一种将传统天底点卫星高度计和侧视成像雷达技术相结合的微波传感器。它能够在近天底点卫星轨迹两侧获取高分辨率成像刈副，是观测海表面地形、海洋中尺度和次中尺度现象，以及研究海洋环流和气候变化的有效工具。本项目基于准镜面散射理论和非高斯海面斜率概率密度函数，建立了一个无方向海面微波散射模型。利用该模型和最大似然估计技术，发展了一种海面风速反演方法。通过与浮标观测相比较，结果显示风速反演偏差为0.1米/秒，均方根误差为1.54米/秒。项目研究了Ku波段小入射角后向散射在中高风速下的微波散射特征。研究发现：在高风速条件下，归一化雷达后向散射系数随入射角的增大而减小。相比较于6~20米/秒的风速区间，这种减小的趋势在40~70米/秒区间内更为剧烈，表明在极端风速条件下，雷达后向散射对入射角较为敏感，而对高风速不敏感。基于包含海表面高度和速度聚束的交轨干涉成像高度计涌浪干涉相位模型；结合多维高斯变量的特征函数方法，建立了相位谱与海浪谱非线性积分变换关系。基于不同雷达参数和海况条件，结合新非线积分变换对成像高度计海浪成像进行了数值模拟。结果表明：距离速度比率和有效波高和波长比率是影响海浪成像的重要因子。基于机载三维成像高度计海面观测，发展了波高、波周期和风速的风浪三联体关系，并利用该关系使用反演的有效波高和波周期计算了海面风速。统计验证结果表明：利用该模型反演的风速均方根误差为4.03米/秒，而且风速的上限可达65米/秒。本项目研究成果在国际知名期刊如IEEE TGRS、IEEE JSTARS、IJRS上发表6篇SCI论文，在中文核心期刊发表1篇论文，出版1部专著，部分成果获得江苏省科学技术一等奖。此外，培养硕士研究生2名，项目负责人获得国家优秀青年科学基金和江苏省“六大人才高峰”称号。上述研究研究可为我国“天宫二号”上搭载的三维成像高度计海洋观测的校正和验证提供一定的理论和技术支撑。