海洋智能无人系统技术：算法与数据处理方法

18.1.2.1　高度计数据处理方法

1）海面高度

HY2A雷达高度计的SSH由高度计范围和参考椭球上方的卫星高度计算得出。

SSH=altitude-correctedrange　（18.1）

校正范围由下式给出：

correctedrange=range+wettropospherecorrection

+drytropospherecorrection

+ionospherecorrection

+seastatebias

通过多普勒轨道成像与卫星和全球定位系统数据集成的无线电位置来估计高度。两种数据在精确定轨（precise orbit determination，POD）中具有高精度，径向轨道误差小于5 cm。

2）有效波高

Moore和Williams（1957），Barrick（1972）以及Barrick和Lipa（1985）证明了返回脉冲（波形）的平均功率可以表示为以下三项的卷积：

W（t）=PFS×qs（t）×pτ（t）　（18.2）

式中　W（t）——返回脉冲的平均功率；

PFS（t）——平均平面脉冲响应；

qs（t）——概率密度函数（probability density function，PDF）；

pτ（t）——点目标响应（point target response，PTR）。

波形前沿的斜率与SWH有关，可以使用加权最小二乘拟合从归一化波形获得SWH。

3）海面风速

改进的CheltonWentz模型，其风速模型函数用于处理σ0的HY2A测量。由于CheltonWentz模型函数使用根据Geo估算sat和Seasat的值σ0风速，因此有必要通过类似于Witter和Chelton（1991）使用的方法来校准HY2A测量的风速。

18.1.2.2　散射仪数据处理方法

1）处理流程图

地面数据处理系统中散射仪的主要步骤包括星历数据提取、帧时间标记、卫星姿态和状态向量计算、数据变换、帧信息提取、卫星位置和姿态插值、几何计算、σ0和kp计算、σ0分组、表面类型标记、大气衰减校正、风矢量反演、降雨标记、模糊度去除、上升和下降通道分离以及网格化。

2）算法描述

散射仪的关键处理算法是σ0计算，风矢量反演和模糊度去除。下面简要描述各种算法。

（1）σ0的计算。可以使用在回波和噪声滤波器通道中接收的能量测量来计算σ0，其包含在散射仪遥测数据包中。根据雷达方程，接收到的回波功率可写为

如果被代入等式（1），那么有

式中　Pt和Ps——分别是雷达的发射和接收功率；

λ——雷达波长；

R——脉冲波束的倾斜范围；

Gt（θ，φ）和Gr（θ，φ）——表示发射和接收天线的增益分别为La和Lw，大气损耗和单向波导损耗。

（2）风矢量反演。最大似然估计（maximum likelihood estimation，MLE）方法用于HY2A散射仪的风矢量反演，因为其相对于其他算法具有高性能。MLE目标函数可以用下面的公式表示：

式中　z——反向散射系数测量值；(www.xing528.com)

M——模型值；

VRi——测量方差；

w，Φ，φ，θ，p——分别表示风速，风向，方位角，入射角和极化。

很明显，风向量反演用于找到式（18.5）的局部最大值。

（3）模糊度消除。在大多数情况下，从式（18.5）的反演中产生2到4个模糊度。因此，需要一种算法在所有模糊度中选择最可能的风矢量解。此过程通常称为模糊度消除。本节采用圆形中值滤波器对HY2A散射仪模糊度消除。

圆形中位数的概念首先扩展到矢量数据，并用Shaffer消除风模糊度。根据其定义，圆形中位风矢量解可以通过以下等式计算（Shaffer和Dunbar，1991）：

式中　（i，j）——滤波器窗口的中心，其大小为N×N，h=（N-1）／2；

——表示滤波器窗口中心的第k个模糊度；

Amn——位置（m，n）的模糊度；

Wmn——位置（m，n）相对于滤波器窗口中心的权重，并且是滤波器窗口中心的第k个模糊度的似然值。

在风场收敛或达到最大迭代次数之前，重复执行模糊消除过程。

18.1.2.3　RM数据处理方法

1）反演算法

HY2A扫描RM海洋产品算法基于物理辐射传输模型（radiation transfer model，RTM）。RTM由WV、氧气、液体云水的大气吸收模型和海面发射率模型组成，该模型将发射率参数化为SST，海面盐度和SSW速度和方向的函数。

通过RTM得到的大气顶部的上升亮度温度由下式给出：

TB↑=TBU+τ［E×TS+（1-E）（ΩTBD+τTBC）］　（18.7）

式中　TBU——上升流大气排放；

TBD——下行大气排放，受大气WV和液态水含量的影响；

t——从表面到大气顶部的总透射率。在100 GHz以下的微波频谱中，大气吸收主要是由于氧气、氮气、WV以及云和雨形式的液态水；

E——地球表面发射率，它取决于主要受风速，风向和SST影响的表面粗糙度；

TS——SST；

TBC——来自寒冷空间的辐射。

海洋产品反演算法是基于亮度温度表示的基于物理的回归。我们发现一个最小二乘回归将原位参数与参数TB相关联。这种算法的数学形式是

式中　P——海洋产品的SST、SSW速度、WV、云液态水（CLW）；

ci——反演系数；

Fi（i=1～9）——线性化功能。

下标i——表示RM通道（1=6.6 V，2=6.6 Hz，3=10.7 V，4=10.7 Hz，5=18.7 V，6=18.7 Hz，7=23.8 V，8=37.0 V和9=37.0 Hz）。

Fi=TBi-150　23.8V（i≠7）　（18.9a）

Fi=-log（290-TBi）　23.8V（i=7）　（18.9b）

2）处理流程细节

反演海洋产品的第一步是计算雨的标志。大气的RTM由地球表面的底部和冷空间的顶部限定。在6～37 GHz的光谱范围内，吸收发射近似值适用于晴天和多云天气，以及小于等于2 mm／h的小雨（Wentz和Gentemann2000）。我们使用无雨系数来反演无雨海洋产品，结合RTM的RM观测亮度和温度亮度，得到了下涌大气排放TBD19、TBD37和总透射率τ19、τ37的最小二乘拟合以标志降雨。

反演的第二步是利用雨的标志计算海洋产品，求出降雨条件下的TB并反演海洋地球物理量。