多参数多层介质模型的卫星雷达高度计风速反演算法研究

卫星雷达高度计是一种天底指向的主动式微波传感器，通过向海面垂直发射电磁脉冲，并接收海洋表面的后向散射回波来进行观测。本项目预计利用神舟4号飞船(SZ-4)测量数据，基于Chelton、Zhao-Toba和Lefevre等风速反演模型，重点研究后向散射系数、有效波高、波龄、波陡以及海水泡沫、飞沫等要素对卫星雷达高度计风速反演的影响；其次，对卫星姿态角(或天线指向角)变化影响后向散射系数、有效波高等参数测量值进行分析，提出误差补偿措施，以便改善风速反演算法；最后，在透彻理解各要素影响高度计风速反演的基础上，提出一种高精度风速反演算法，预计服务未来海洋卫星高度计上。本风速反演算法考虑了有效波高、后向散射系数等多参数对风速反演的影响和作用，可弥补某些解析模式未考虑具体海况实践的不足，又可克服经验模式函数一些局限性，预计具有经验模式函数和解析模式函数两者优点，具有良好的对称性和较小的均方根误差。

本项目在国家基金支持下，到目前为止已完成了以下工作：.(1)充分理解和掌握卫星雷达高度计工作原理和参数反演技术(第二章)：完成了高度计回波波形理论分析与模拟。完成了高度计参数反演基本原理和技术研究，包括利用最小二乘法对高度计后向散射系数、有效波高和距离三参数反演及其误差性能分析，利用最小二乘法对高度计后向散射系数、有效波高、距离及误指向角四参数联合反演及其误差性能分析。完成利用最小二乘法对误指向角偏差引起后向散射系数、有效波高、距离参数反演误差做了分析并给出误差补偿措施和模型，也对补偿模型进行了误差性能分析(参数和数据为HY2高度计)。 .(2) 理解和分析了高度计后向散射系数、有效波高、距离、波龄及误指向角多参数关系(第三章)：建立了高度计多参数关系模型并制作了分析软件，对高度计多参数关系进行了充分分析和研究，为风速反演及算法提出提供理论支持。.(3) 提出了多参数多层介质模型的风速反演算法(第四章)：在详细分析和研究了当前十几种风速反演算法、并在掌握和理解的前提下，提出了一种新型的折衷方案--高度计风速反演加权拟合算法，并对其性能进行分析和研究。充分考虑海面波浪状态及高风速时海面飞沫泡沫效应，在充分电磁场数值计算的前提下，提出了多参数多层介质模型的风速反演算法。该算法在低风速与ZT/BR等算法重合较好，在高风速也与公认YG算法比较接近。该新型改进形式的算法不仅适用于低风速，而且可适用于高风速，精度和对称性好，都符合项目预期研究目标。.(4) 提出了一种新型近似的分析多层随机粗糙海面介质模型的电磁散射方法(第五章)：为了充分理解和掌握高度计反演风速的物理机制，本项目对多层随机粗糙海面电磁散射进行了电场数值计算和分析，其中包括随机粗糙面的模拟和仿真，随机粗糙面Kirchhoff近似分析方法(KA)与多层媒质反射特性分析方法结合，对多层随机粗糙面电磁散射特性进行分析和计算。详细分析和研究了矩量法MOM和KA法，并分别运用该两种方法分析和计算了随机粗糙海面(理想导体型)电磁散射特性，为风速反演提供理论和数据支持。.(5)对HY2高度计数据进行了初步分析和处理(第六章)：编制程序/软件对HY2高度计数据进行读取和处理，包括风速，后向散射系数，有效波高和距离，以及回波波形。对波形平均处理和参数反演。根据部分回波波形及AGC等参数，完成对HY2高度计参数反演与误差分析。