考虑SAR幅相不平衡的全极化SAR海面风场反演方法及系统

技术领域

本发明涉及海洋探测技术领域，特别是涉及一种考虑SAR幅相不平衡的全极化SAR海面风场反演方法及系统。

背景技术

随着SAR海洋遥感技术的蓬勃发展，SAR成为海面风场精细化反演的重要手段。SAR作为一种有源微波传感器，其分辨率为几米到几百米的数量级，可以探测多种诸如陆海微风、巻涡旋以及大气重力波等海面精细尺度的结构。同时，SAR主要发射厘米波，其穿透能力强，不受天气、光照、雾霾和云层的影响，可对全球表面进行全天时、全天候的高分辨率、大面积动态监测。利用SAR进行海面风场精细化反演成为海洋动力环境监测、海气能量交换研究以及近岸海洋工程建设重要的服务手段。

近年来，国内外学者先后研究了多种海面风场反演的算法，主要是基于半经验的地球物理模型函数（GMFs）反演方法。其中，针对C波段同极化数据的GMFs是当前发展最为成熟的风矢量反演算法，称为CMOD系列模型，该算法将雷达的VV极化归一化雷达截面和海拔10m处的风速、雷达入射角以及相对风向（风向和卫星天线指向的夹角）联系在一起，根据已知的NRCS、入射角和相对风向可以计算得到相应位置的海面风速。近年来，CMOD模型从CMOD2模型逐渐发展至CMOD-IFR2 模型，CMOD5模型，CMOD5.n模型和CMOD7模型，模型升级提高了对于模型鲁棒性，但是其本质仍是海面后向散射系数、入射角和相对风向三者的函数，没有考虑SAR载荷平台本身引入的误差，因此该方法在不同SAR载荷平台的适用性有待商榷，不同SAR载荷数据得到的风速反演精度是不一样的，因此，需要发展一种考虑SAR载荷状态的海面风场反演模型。

幅相误差是一种典型的SAR误差源，幅相误差在整个SAR工作链路中是主要的系统误差。因此，对于提高海面风场反演精度而言，有必要考虑幅相误差，发展一种考虑SAR幅相误差的海面风场反演方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种考虑SAR幅相不平衡的全极化SAR海面风场反演方法及系统，解决了传统风场反演方法不考虑SAR幅相不平衡的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种考虑SAR幅相不平衡的全极化SAR海面风场反演方法，所述方法包括：根据全极化SAR系统失真矩阵，计算SAR幅相不平衡数据；计算SAR图像参数；根据SAR幅相不平衡数据和SAR图像参数，利用最小二乘法训练建立风场经验反演模型。

在一些实施方式中，根据全极化SAR系统失真矩阵，计算SAR幅相不平衡数据，包括：计算SAR幅度不平衡数据；计算SAR相位不平衡数据；根据SAR幅度不平衡数据，及SAR相位不平衡数据，计算系统总体的幅相不平衡。

在一些实施方式中，计算SAR幅度不平衡数据，包括：根据如下公式计算SAR幅度不平衡数据：

其中，

在一些实施方式中，计算SAR相位不平衡数据，包括：根据如下公式计算SAR相位不平衡数据：

其中，

在一些实施方式中，根据SAR幅度不平衡数据，及SAR相位不平衡数据，计算系统总体的幅相不平衡，包括：根据如下公式，计算系统总体的幅相不平衡：

其中，

在一些实施方式中，风场经验反演模型具有如下形式：

其中，

在一些实施方式中，风场经验反演模型具有如下形式：

其中，

此外，本发明还提供了一种考虑SAR幅相不平衡的全极化SAR海面风场反演系统，所述系统包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据前文的考虑SAR幅相不平衡的全极化SAR海面风场反演方法。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

本发明的风场反演方法，相较于传统方法，充分考虑了SAR载荷系统误差，尤其是幅相不平衡的影响，该模型的算法精度要优于传统模型。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是考虑SAR幅相不平衡的全极化SAR海面风场反演方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明提供的考虑SAR幅相不平衡的全极化SAR海面风场反演方法包括如下的具体步骤：

S11，根据全极化SAR系统失真矩阵，计算SAR幅相不平衡数据。

根据全极化SAR系统失真矩阵可以表示为：

其中，

在散射对称理论条件下, ，，, t因此式(1) 可以简化为:

这里我们用中间矩阵表示：

同样在散射对称理论下, 矩阵

为了进一步分别计算幅相不平衡，这里不考虑天线串扰，因此，，，可视为约 为0，式（1）可以进一步简化为：

取平均之后，

将线性值转换为dB值，上式可表示为：

因此可以得到幅度不平衡如下所示：

其中，

同样，相位不平衡可以表示为：

其中，

利用得到幅相不平衡，将发射通道和接收通道的幅相不平衡进行相加，得到系统总体的幅相不平衡，可表示为：

S12，计算SAR图像参数。

计算SAR图像参数，包括海面后向散射系数

其中，

入射角

相对风向可以根据实际风向与雷达照射方向的夹角得到。

S13，根据SAR幅相不平衡数据和SAR图像参数，利用最小二乘法训练建立风场经验反演模型。

利用（1）和（2）计算得到的SAR幅相不平衡数据和SAR图像参数，利用最小二乘法训 练建立风场经验反演模型。本模型的输入参数如下所示：

最小二乘系数估计方法，定义如下：

最终得到经验反演模型，可表示为：

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。