机载海洋波谱仪回波数据处理方法研究*

韩倩倩，张振华，孟俊敏，李凉海

(1.北京遥测技术研究所，北京，100076；2.国家海洋局第一海洋研究所 山东 青岛 266061)

机载海洋波谱仪回波数据处理方法研究*

韩倩倩1，张振华1，孟俊敏2，李凉海1

(1.北京遥测技术研究所，北京，100076；2.国家海洋局第一海洋研究所 山东 青岛 266061)

海洋波谱仪机载飞行试验通过对星载天线进行宽波束等效，能够测量海面后向散射系数，进而反演波浪谱及波浪参数。利用该系统在黄海中部进行飞行试验，对小入射角下波浪测量数据进行处理和分析，采用后向投影积分校正载机运动和天线旋转引起的越距离单元徙动，采用交叉谱方法降低斑点噪声，实现小海况下波浪谱反演，结果表明海洋波谱仪测量得到的波浪谱、有效波高、主波长、主波向等波浪参数与浮标、卫星同步测量吻合较好。

海洋波谱仪； 波浪谱； 同步观测

海洋波浪谱信息具有重要的应用价值和科学价值，可用于海洋波浪的测量和预报，为海上生产、海上军事活动和海岸带工程提供海况信息，为预防海洋灾害提供预警信息，同时对海表面波的动力过程、研究海面波在大气和海洋环流模型中的作用等方面具有重要意义[1,2]。

由北京遥测技术研究所承担研制的星载海洋波谱仪是十二五民用航天研发项目，用于对全球海面波浪谱进行测量，其科学指标为波向测量精度15°，波长测量精度20%，有效波高测量精度0.5 m。为了实现星载海洋波谱仪功能及探测性能的飞行试验验证，对星载窄波束天线进行了的机载等效。2014年5月至7月在黄海中部进行了海洋波谱仪的机载飞行试验，期间与国家海洋局第一研究所、国家卫星海洋应用中心等多家单位合作，进行了卫星、浮标的同步观测试验，取得了大量数据，通过对数据的分析，验证了海洋波谱仪的关键指标与性能。

1 设备概况

海洋波谱仪是测量海洋二维波浪谱的实孔径微波有源探测载荷，主要由信号处理机、微波收发信道、扫描伺服平台和双极化赋形天线四个分系统组成。海洋波谱仪采用宽波束赋形天线设计技术，实现距离向宽波束覆盖；采用大系统带宽实现距离向高分辨。同时，天线绕方位轴360°连续旋转，随着飞机的运动，实现全方位的波束覆盖，观测几何如图1。在正常观测模式下，海洋波谱仪的发射宽带信号并接收的海面散射回波信号，采用dechirp脉冲压缩，经A/D采样后送至信号处理机进行预处理，并反演形成波浪谱信息、有效波高信息、海面风场信息。内定标模式下波谱仪将发射机的部分功率耦合到接收机中形成闭环，从中计算信道增益和发射功率随环境的变化，消除发射功率和信道增益涨落引起的测量误差，系统参数如表1。

表1 雷达参数列表Table1 Radar system parameters

2 飞行试验情况

海洋波谱仪在黄海中部进行了机载挂飞试验，飞行路线如图2，获取了大量实测回波数据。

图1 海洋波谱仪系统组成及观测几何示意图Fig.1 Design and observation geometry of oceanwave spectrometer

期间实现了波谱仪与卫星、浮标的同步观测，从6月12日开始与浮标进行同步观测，6月13日实现与LandSAT8卫星同步观测。

图2 航线示意图Fig.2 Sketch map of air route

试验所用浮标为波浪骑士浮标(见图3)，浮标作定点观测，布放位置经纬度为[122.711°,36.620°]。浮标对30 min内观测数据作统计平均给出一个测量结果，有效波高测量精度为5%，分辨率0.01 m，范围-20～20 m；波向分辨率为1.4°，范围0°～360°。浮标观测结果如表2。可见在试验期间，观测区域的有效波高在30～60 cm范围内，波向变化大，海况较小。

图3 波浪骑士浮标实物图Fig.3 Waverider buoy

日期DateSWH/m主波向Direction主波长/mWavelength6.120.43东南、西南926.130.41东南、西南1576.160.33无主波向536.170.44无主波向226.210.60东南、南35

3 数据处理结果及分析

3.1 数据处理方法

文献[3-4]根据飞行试验结果指出波谱仪观测范围为有效波高2～10 m，文献[5]通过仿真给出了波谱仪观测范围，对于风浪主波长大于70 m，对于涌浪，有效波高大于1.5～2m。由第2节表2内容可知，试验区域海况较小，最大时0.6 m，均远低于传统处理方法可以反演的范围，这就需要新的处理方法以适应小海况下的反演需求。本文采用后向积累投影积分校正载机运动和天线旋转引起的越距离单元徙动，采用交叉谱方法降低斑点噪声，得到了较好的波浪谱反演结果。

最后以交叉谱法对调制函数作谱估计，进一步降低斑点噪声。利用调制函数m(x,φ)计算功率谱Pm(k,φ)的方法为：

Pm(k,φ)=

其中:δt为计算交叉谱时间间隔;m(x,φ,t)是调制函数m(x,φ)关于时间的函数。二维波浪谱可由Pm(k,φ)直接计算，进而对波浪参数，如有效波高、主波长、主波向等进行估计[4]。

3.2 数据处理结果

后向散射系数测量结果如图5，天线旋转一周，后向散射系数在波浪传播方向上起伏变化明显，在其他方向上起伏微弱。海面有效波高60cm(浮标)时，后向散射系数起伏在方位向上形成明显波纹，如图5(a)，海面有效波高40cm(浮标)时，后向散射系数起伏在方位向上形成波纹，但波纹不明显，如图5(b)。

图5 后向散射系数测量结果

6月13日获取了与机载飞行同步的光学卫星数据以及现场浮标数据，卫星过境时间10:23，波谱仪观测时间11:47，浮标观测时间11:39。浮标观测位置经纬度[122.711°,36.620°]，与浮标最近的波谱仪观测位置经纬度[122.710°,36.619°]。

图6为获取的同步LandSat8光学卫星数据，其空间分辨率为15m。由图可以看出，存在明显的海浪条纹。图7为由LandSat8光学图片反演得到的波浪谱，箭头指向为北向，表示0°，逆时针旋转为正，绘制的三条等波长线，由外向内波长分别为100、200、400m。由海浪谱可知其主波向为西北/东南向，即22°/202°，主波长126m。

图6 LandSat8卫星光学图片Fig.6 Optical image of satellite LandSat8

图7 LandSat8卫星测量波浪谱结果

图8 浮标测量结果Fig.8 Ocean wave spectrum measured by buoy

对于主波长和有效波高，三者的主波长测量结果较为一致，差异在10%以内。浮标和波谱仪有效波高一致，差异很小，光学卫星未能给出有效波高的测量结果。

综上，海洋波谱仪、浮标以及光学卫星获取结果在主波波长以及波向上符合较好。但是由于光学卫星的观测时间与浮标相差约一个小时，其观测结果存在一定差异。

对该批次全部数据处理，对40min内波谱仪测量的波向、有效波高作统计，如图10，可见，在该观测区域波向、有效波高较为一致，波向为南/东南向，有效波高为0.4m左右。而主波长在该观测区域内均为102m。

图9 波谱仪测量结果

参数类型Parameters卫星Satellite波谱仪Oceanspectrometer浮标BuoyTime10:2311:4711:39SWH/0.43m0.4m主波长Wavelength126m102m117m主波向Direction22°/202°5°/185°180°

图10 波向、有效波高统计结果

表4中列出了6组波谱仪、浮标同步观测参数反演结果，可见，在小海况情况下，波谱仪观测结果与浮标较好吻合。图11是对应表4第5组的波浪谱反演结果。

表4 波谱仪、浮标波浪测量结果列表

图11 波浪谱测量结果

4 结语

海洋波谱仪机载试验系统观测结果与浮标、卫星观测结果间的一致性表明，波谱仪系统设计满足科学观测要求，具备波浪谱探测的功能；在海况较小的情况下(有效波高小于1m)，利用后向投影积分、交叉谱处理方法的应用可以有效降低斑点噪声，提高海洋波谱仪波浪谱反演的应用范围。

从反演结果亦可看出，由于机载试验地面足印较小，导致测量范围有限，在较大海浪波长下，有限足印包含长波数量少，限制了波长测量尤其是长波测量的精度，而星载海洋波谱仪单个波束足印达到18km，能够极大的提升长波的测量范围及精度。

[1] 储小青.海浪波谱仪海浪遥感方法及应用基础研究[D].青岛:中国科学院海洋研究所,2011.ChuXiaoqing.TheAlgorithmandAppliedBasicStudyonRemoteSensingofOceanWaveSpectrumforoceanWave[D].Qingdao:ChineseAcademyofSciences,2011.

[2] 杨乐.卫星雷达高度计在中国近海及高海况下遥感反演算法研究[D].南京:南京理工大学,2009.YangLe.StudyonSatelliteRadarAltimeterRetrievalalgorithmsoverCoastalSeasandunderHighSeaStateEvents[D].Nanjing:NanjingUniversityofScience&Technology,2009.

[3]JacksonFC,WaltonTW,BakerPL.Aircraftandsatellitemeasurementofoceanwavedirectionalspectrausingscanningbeammicrowaveradars[J].JournalofGeophysicalResearch,1985,90(C1):987-1004.

[4]HauserD,CaudalG,RijckenbergGJ.RESSAC:AnewairborneFM/CMradaroceanwavespectrometer[J].IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,VOL.30,NO.5,SEPTEMBER1992,30(5):981-995.

[5]HauserD,ElbatoulSoussi,EricThouvenot,LaurentRey.SWIMSAT:AReal-ApertureRadartomeasuredirectionalspectraofoceanwavesfromspace—maincharacteristicsandperformancesimulation[J].AmericanMeteorologicalSociety,2001,18:421-437

[6]GerardCaudal,DanielwHauser,ReneValentin,etal.KuROS:AnewairborneKu-BandDopplerRadarforobservationofsurfaces[J].AmericanMeteorologicalSociety,2014,31:2223-2245.

责任编辑 陈呈超

Research on Processing Method of the Airborne Oceanwave Spectrometer Data

HAN Qian-Qian1，ZHANG Zhen-Hua1，MENG Jun-Min2，LI Liang-Hai1

(1.R&D Center,Beijing Research Institute of Telemetry,Beijing 100076,China; 2.The First Institute of Oceangraphy,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,China)

The experiment of the oceanwave spectrometer,using wide beam equivalent to satellite antenna,is capable of measuring the backscattering coefficient of the sea surface and retrieving the wave spectrum and wave parameters.The experiment was made in the middle of the Yellow Sea.The radar echo data of small incidence angle was processed and analyzed.Back projection integration was uesed to partly correct the range cell migration caused by the airplane flying and the anttenna rotating.Besides,cross spectral method was used to reduce the speckle noise.Thus,oceanwave spectrum was able to be retrieved in low sea-state.The results show that the measurement of wave spectrum,significant wave height,main wavelength and main wave direction of oceanwave spectrometer were consistent with those of synchronous buoy and optical satellite measurements.

oceanwave spectrometer；wave spectrum；synchronous observation

海洋公益行业科研专项项目(201505002)资助

Supported by Public Science and Technology Research Projects of Ocean(201505002)

2016-09-15；

2016-12-11

韩倩倩(1988-)，女，硕士。E-mail:hanqian8814@126.com

TP 732-1

A

1672-5174(2017)02-116-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20160286

韩倩倩，张振华，孟俊敏,等.机载海洋波谱仪回波数据处理方法研究[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2017,47(2):116-121.

HAN Qian-Qian，ZHANG Zhen-Hua，MENG Jun-Min，et al.Research on processing method of the airborne oceanwave spectrometer data[J].Periodical of Ocean University of China,2017,47(2):116-121.