[发明专利]一种基于频谱分割的海浪波谱仪斑点噪声谱估计方法

说明书

本发明涉及一种基于频谱分割的海浪波谱仪斑点噪声谱估计方法，属于海洋遥感技术领域。该方法利用快时间频率谱分割技术得到两组一维距离像；然后进行脉冲平均；再进行距离分段和平均值归一化；接着对得到的两组一维距离像分别进行相减；然后对每个距离段计算自相关功率谱并把各距离段的功率谱进行平均；再对平均后的功率谱进行线性最小二乘拟合而得到两个拟合参数；最后根据得到的两个拟合参数计算波谱仪斑点噪声谱。本发明在估计斑点噪声谱时，完全消除了大尺度海浪的影响，从而克服了现有的最小方向谱值法、解析表达式法以及经验模型法的缺点。

技术领域

本发明涉及一种基于频谱分割的海浪波谱仪斑点噪声谱估计方法，属于海洋遥感技术领域。

背景技术

全球范围的二维海浪谱的观测在海洋科学研究和海洋业务需求方面均具有重要的意义。首先，在海洋科学研究方面，二维海浪谱的测量可以增进人们对海浪形成的水动力机理、上层海洋动力学、海洋和大气之间的相互作用机理、海洋和大气之间的水汽交换和热量传输机理的认识；二维海浪谱的观测还有助于研究风/浪相互作用、浪/流相互作用、岛礁和冰山对海浪的影响、电磁波与海面的相互作用等方面。其次，在海洋业务应用方面，二维海浪谱的获取对于气候异常监测、海洋气象监测、减灾、近岸沉降监测、沿岸旅游业开发、海洋工程、港口建设、海上平台建设、海洋资源开发及污染治理、海上安全航行、渔业捕捞等诸多方面均具有很大的帮助。再者，二维海浪谱的监测对于发展和优化波浪模式、提高海浪预报精度具有重要的作用。海浪预报时，波浪模式同化需要对波浪场进行一定的假设，这样做会降低海浪预报的精度，而二维海浪谱的获取不但可以用来降低波浪模式本身(参数化、数值不确定度等)的误差而且还可以提供海浪预报的初始场，从而可以提高海洋预报的准确性。总之，发展二维海浪谱大面积探测技术具有重要的现实意义。

目前观测海浪谱的手段可分为三类：波浪浮标、光学技术以及雷达系统。波浪浮标主要分为两种：加速度计浮标和方向浮标。加速度计浮标通过测量海面起伏随时间的变化而得到一维海浪频率谱，而方向浮标通过测量海面起伏、翻滚和倾斜而得到海浪方向谱的前两阶谐波分量。然而，海浪浮标观测海浪谱存在某些缺点，包括：数据测量点数量有限、覆盖范围较小、观测时间不连续、观测精度较低、方向分辨率较低。光学测量技术利用光学拍摄的海面照片提取海浪谱信息；然而，该技术对天气条件要求非常高，并且需要非常复杂的数据处理过程，因此难以大规模业务化应用。雷达系统包括高频地波雷达和微波雷达，而微波雷达可搭载于舰船、飞机和卫星等平台。目前可以用来观测海浪谱的雷达系统包括：船载雷达、合成孔径雷达(SAR)、干涉合成孔径雷达(InSAR)以及海浪波谱仪。船载雷达具有不受天气限制的优势，但其获得的海浪资料覆盖范围仍然有限且观测时间不连续。星载SAR通过获取海面高分辨率图像而实现海浪谱全球范围的观测。然而，基于星载SAR的二维海浪谱观测存在如下三个方面的缺点。首先，海面散射点的运动会产生“高频截断效应”和“速度聚束响应”，从而导致SAR图形谱的畸变，进而使得真实的海浪谱与SAR图像谱之间呈现出“非线性”的关系；这种非线性关系使得SAR通常只能测量“交轨向”的海浪谱，而对于“顺轨向”传播的海浪，只有波长大于200m的涌浪才能够被观测到。其次，SAR的入射角较大，导致布拉格(Bragg)散射中存在较强的水动力调制，而这又会造成SAR图像谱与海浪谱之间的调制传递函数呈现出较大的复杂性和不确定性；因此，在反演海浪谱时需要输入额外的、由波浪模式或风场所提供的“初猜谱”进行迭代计算。再者，SAR的刈幅通常比较窄，海浪观测难以实现较短的重访时间和较高的时间分辨率。InSAR技术利用两个沿着轨道放置的天线，通过计算两天线的干涉相位即可获取海面大尺度海浪波形上各散射点的径向轨道速度，然后根据测量的二维海面径向速度场可反演得到二维海浪谱。真实孔径雷达调制传递函数对InSAR的调制传递函数几乎没有影响，因此InSAR干涉相位图像比单天线SAR图像更适合反演海浪谱。尽管如此，InSAR观测海浪谱仍然受到由海面运动所导致的非线性的限制，因此其难以满足业务化的要求。