基于RADARSAT-2 SAR卫星数据的海浪谱反演方法及其海试实验验证

万 勇， 万 莉， 戴永寿

（中国石油大学（华东）a．海洋与空间信息学院；b．后勤管理处，山东青岛266580）

0 引 言

海浪是一种重要的海洋动力过程，它是发生在海洋表面的一种小尺度的风生重力波，包括风浪和涌浪。研究海浪的生成、演化机制以及时空分布，揭示其内部结构和外在分布特征，已成为物理海洋学中的一个重要研究领域，它对于国防、航运、造船、港口以及海上石油平台的建设和安全等都具有重要意义。目前实现海浪监测主要有3种手段：①海浪浮标观测。该观测是目前最准确的一种获取海浪参数的方法，但是不能使用浮标完成大范围空间域海况变化的测量也是一个得到普遍认可的事实，因为单颗浮标仅能够提供一个确定位置的海况信息［1］。此外浮标的造价比较高，而且布放之后的维护比较困难，受到自然因素、社会因素的诸多限制，很难实现长期大范围的监测。②海浪数值预报模式。该模式可以得到大范围、长时间序列的海浪参数的结果，但是这是一种数学计算的方法，得到的是一种数学计算的结果，并不是一种观测的结果，而且模式的精度受到较多因素的影响，计算的精度很难保证。③遥感观测。随着微波遥感技术的发展，出现了合成孔径雷达（SAR），SAR是迄今为止唯一可以提供海浪二维信息的星载传感器，而且不依赖于天气和光照条件，能实现全天时、全天候的海浪观测。利用SAR得到的海表二维图像，可以反演得到海浪二维方向谱，进而可以获得海浪频谱，并且还可以计算出有效波高、平均波周期、海浪传播方向等重要海浪参数；同时SAR对海浪的观测是一种现场观测的结果，可以较好地反映现场海浪的实际变化情况，因此该方法是未来实现大范围海浪监测的首选方式。

目前，已有研究工作者开展了从SAR图像中提取海浪谱和海浪参数的相关研究。Alpers等［2-3］详细研究了海浪SAR成像机理，指出倾斜调制、流体动力学调制和速度聚束是SAR海浪成像过程中的3种主要调制机制。SAR图像谱和海浪谱之间存在非线性变换关系，由海浪谱的非线性变换可以计算得到SAR图像谱，反之由SAR图像谱也可以反演得到海浪二维方向谱。Hasselmann等［4］经过推导得到了SAR图像谱到海浪方向谱的非线性变换，基于此变换开发了由SAR图像谱反演海浪方向谱的MPI算法。Mastenbroek等［5］提出了一种海浪谱反演的半参数化方法。何宜军［6］提出了一种参数化的海浪谱反演方法。Engen等［7］提出了从SAR复数据中得到交叉谱的算法。Schulz-Stellenfleth［8］提出了一种改进的非线性反演算法PARSA。Schuler等［9］对全极化SAR图像数据测量海浪波斜和海浪谱的各种方法进行了调查，开发了在SAR方位向和距离向上测量海浪波斜的新技术。何宜军等［10］推导了线性极化方向调制传递函数和倾斜调制传递函数。通过对调制传递函数的数值仿真，检验了雷达和海浪参数对线性极化SAR图像谱的影响，提出了一种消除180°方向模糊的方法。何宜军等［11］提出了一种使用全极化SAR数据测量海浪波斜谱的新方法，这种新方法不需要复杂的流体动力学调制传递函数。Sehulz-Stellenfleth等［12］给出了一种海浪参数的经验算法CWAVE。李晓明［13］扩展并改进了该经验算法，提出应用于ENVISAT ASAR波模式数据的CWAVE＿ENV经验模型。Bruck和Susanne针对高分辨率TerraSAR-X和Tandem-X数据发展了反演海浪参数的经验算法XWAVE［14］。以上研究工作为SAR海浪谱海浪参数反演提供了很好的参考。

RADARSAT-2 SAR是一颗搭载C波段传感器的高分辨率商用雷达卫星，由加拿大太空署与MDA公司合作，于2007年12月14日在哈萨克斯坦拜科努尔基地发射升空，目前仍然在轨运行，是实现海洋观测的一颗非常重要的合成孔径雷达卫星。该卫星也可以实现大范围海浪信息的探测，对于不同的SAR卫星，已有的海浪谱海浪参数的反演方法不能直接适用，需要针对不同的卫星进行有针对性的改进，才能得到准确的海浪谱、海浪参数的反演结果。本文针对RADARSAT-2 SAR卫星观测海浪的实际需要，研究并建立适合于RADARSAT-2 SAR数据的海浪谱反演方法，然后基于在中国南海海域开展的一次同步海试观测实验的结果，验证建立的海浪谱反演方法的有效性。

1 海浪谱反演方法

MPI方法虽然需要提供初猜谱的信息，但在相同条件下其反演信息的完整性和精度相对较高。因此，本文以该方法为基础，针对RADARSAT-2 SAR数据做有针对性的改进，建立适合于RADARSAT-2 SAR数据的海浪谱反演方法。MPI方法的实现流程如图1所示。

图1 MPI方法流程图

MPI方法描述了二维海浪谱到SAR图像谱的映射关系，方法的基本思想是引入初猜海浪谱，构造价值函数，通过迭代使价值函数最小化后，输出最适海浪谱和最适SAR谱。该算法的实现步骤如下：

（1）计算观测的SAR图像谱，SAR图像谱为强度图像的图像谱。

（2）构造海浪初猜谱。

（3）按照海浪谱到SAR谱的正映射关系由海浪初猜谱计算仿真的SAR谱，海浪谱到SAR谱的正映射关系如下：

①计算距速调制传递函数

②计算水动力学调制传递函数

2 海试实验及反演方法验证

2.1 海试实验

为了验证基于RADARSAT-2 SAR数据的海浪谱反演方法反演海浪谱的准确性，搭载东方红3号科考船在中国南海台湾海峡西南部海域开展了海浪联合观测实验，实现海浪浮标与RADARSAT-2 SAR的同步观测。

海浪浮标使用的是荷兰DataWell公司的波浪骑士浮标，如图2所示，该浮标可以观测海浪方向谱、有效波高、波周期等海浪参数。同步的SAR数据采用的是RADARSAT-2卫星的SAR数据，RADARSAT-2卫星的示意图如图3所示。

海浪联合观测的现场实验情况如图4所示。

通过该实验共获取了5．03 h的海浪现场实测数据，海浪实测数据的基本情况如表1所示。此外编程订购了与海试浮标观测位置时空匹配的两景RADARSAT-2 SAR数据，SAR观测区域及其与浮标观测位置的关系如图5所示，图中☆代表浮标观测位置；□代表SAR观测区域。

图2 波浪骑士浮标实物图

图3 RADARSAT-2卫星示意图

图4 海浪联合观测现场实验情况

表1 海浪实测数据基本情况表

图5 SAR数据所在位置及其与浮标观测位置的关系

SAR数据的基本信息如表2所示。

表2 SAR数据基本信息表

2.2 海浪谱反演结果验证

图6所示为2019-06-24日5：54采集到的RASDARSAT-2 SAR图像，从该图像中截取浮标观测位置处128×128像素大小的子图像，如图7（a）所示，对子图像做二维傅里叶变换可以得到SAR图像谱，如图7（b）所示。利用建立的MPI海浪谱反演方法对子图像进行处理，以PM谱为初猜谱。Pierson等［15］对北大西洋1995～1960年的460次海洋观察资料进行谱分析的基础上，得到了随机海浪的平均谱分布，经过无因次化和数学拟合处理后得到主波浪方向海浪频率谱。反演得到的最适海浪谱如图8所示。

图7 RADARSAT-2 SAR子图像（a），变换SAR图像谱（b）

图8 反演所得最适海浪谱

基于反演所得的最适海浪谱可以计算得到海浪的统计参数有效波高为

式中：m0表示海浪谱的零阶矩；F（k）表示最适海浪谱。将基于海浪谱计算的有效波高和浮标观测的同步有效波高进行比对，验证海浪谱反演方法的反演效果，结果SAR反演0．74 m，浮标0．95 m。由结果可见，SAR反演的有效波高接近浮标观测的有效波高，说明本文建立的针对RADARSAT-2 SAR的海浪谱反演方法具有比较高的准确性。

3 结 语

本文针对加拿大遥感卫星RADARSAT-2观测海浪的应用需求，基于海浪谱反演的基础方法MPI方法，建立了一种适合于该卫星的海浪谱反演方法。然后搭载东方红3号科考船在中国南海台湾海峡西南部海域开展了浮标与SAR的海浪联合探测实验，获取了宝贵的现场观测资料以及和现场观测资料同步的SAR数据，反演海浪谱海浪参数，与浮标数据进行了比对，验证了海浪谱反演方法的有效性。研究工作可为SAR海浪观测提供重要的参考，具有一定的实际应用价值。