合成孔径雷达资料反演海面风场的正则化方法研究

针对基于散射计地球物理模型函数的合成孔径雷达资料反演海面风场中背景风向存在很大误差的问题,提出了利用正则化方法反演海面风场,并通过L曲线准则对正则化参数进行最优选择,然后对该方法进行仿真试验.试验结果显示,正则化方法反演海面风场的风速和风向的反演精度均优于变分同化方法,分析不同真实风向情况下的反演精度表明,真实风向在45°和135°附近时,风速反演的精度高,真实风向在0°和90°时,风向反演的精度高,这种现象与地球物理模型函数中后向散射截面相对于风向的导数相关. 关键词： 合成孔径雷达 正则化 L曲线准则 变分同化     

C波段机载合成孔径雷达海面风场反演新方法

针对基于散射计地球物理模型函数的机载合成孔径雷达(SAR)海面风场反演中存在的风向获取依赖于图像风条纹或数值预报、 散射计数据和浮标等背景场资料, 风向与SAR图像时空分辨率不匹配, 进而影响机载SAR海面风场反演精度等问题, 本文根据机载SAR对海探测特点, 研究一种适用于C波段机载SAR的海面风场反演新方法. 利用SAR图像距离向不同入射角的后向散射系数, 依据地球物理模型构造最小代价函数, 通过代价函数的求解直接从机载SAR数据同时反演出海面风速和风向. 利用论文提出的海面风场反演方法分别对仿真SAR数据和实测C波段机载SAR数据进行风向、 风速的反演误差分析及试验验证.研究结果表明, 该方法适用于机载SAR海面风场反演, 可不依赖背景风向直接反演出精度较高的风速和风向; 雷达后向散射系数误差是决定海面风速、风向反演精度的关键因素, 辐射定标精度越高则反演误差越小; 海面风速反演误差随着风速的提高而增大, 当海面风速大于18 m/s时, 风速反演误差显著增加, 而海面风向的反演误差与风速无明显关系. 关键词： 机载合成孔径雷达 海面风场 多入射角     

基于小波的多极化机载合成孔径雷达海面风向反演

为了实现从合成孔径雷达(SAR)图像本身提取高精度的海面风向信息, 提高SAR海面风场反演精度,研究了多极化机载SAR海面风向反演技术, 借助小波分析相对傅里叶分析和局部梯度更精细的时-频分析能力, 将二维连续小波变换与快速傅里叶变换(FFT)相结合,提出一种新的机载SAR海面风向反演方法. 为验证反演方法的有效性,通过海上同步飞行试验获取多极化机载SAR数据及同步调查船实测风向数据,用于反演试验的数据比对.采用本文提出的方法, 利用多种小波基对机载C波段SAR的同极化和交叉极化数据进行风向反演, 将反演结果与美国国家环境预报中心再分析资料以及调查船实测风向进行比对. 结果表明,本文提出的基于小波分析的海面风向反演方法适用于机载SAR探测数据, 反演精度优于二维FFT法和局部梯度方法;小波基的选择对反演结果影响较大, Mexican-Hat小波基是机载SAR海面风向反演的最优小波基, 且同极化与交叉极化机载SAR数据均可用于海面风向的反演.     

L-曲线准则在正则化图像复原中的应用

对因大气湍流引起的退化图像复原问题,采用Tikhonov正则化方法将其归结为一个适定的线性方程组的求解问题。当图像边界满足周期性条件时,利用二维离散傅里叶变换及其逆变换即可求得复原图像。在求解方程组中,利用L-曲线准则确定出能够平衡正则化函数和偏差函数的正则化参数,以得到较为理想的复原结果。仿真结果表明,当降质图像的噪声方差不是很大时,该方法能够得到较好的复原效果。     

多参数背景场误差模型在散射计资料台风风场反演中的应用

利用散射计资料反演海面风场时, 台风区域普遍存在降雨使得风场反演误差很大, 引入降雨地球物理模型函数 (GMF+Rain) 及多解方案 (MSS), 结合二维变分(2DVAR) 模糊去除思想风速反演误差很大程度减小, 但风向反演误差仍有待进一步改善, 如何进一步减小风向反演误差有待进一步研究. 文章介绍了2DVAR模糊去 除方法的基本思想, 针对背景场误差较大时, 2DVAR模糊去除风向误差较大, 引入包含若干参数的背景场误差模型. 基于台风个例数值试验结果, 着重从理论分析角度讨论各参数关于2DVAR模糊去除效果的敏感性, 进而提出最优参数设置方案以改善风向模糊去除效果. 2006年“摩羯”台风QuikSCAT数据风场反演数值试验结果结合理论分析表明: 引入多参数误差模型, 通过设置粗糙误差概率等于0, 2DVAR风向模糊去除效果明显改善; 同时, 背景场的影响可通过增大背景场误差方差, 减小背景场误差相关尺度和减小粗糙误差概率而减小, 进而减小在背景场误差较大情况下的风向反演误差. 关键词： 台风风场反演 二维变分 多参数误差模型 散射计资料     

基于灰度梯度正则化去噪的改进数字图像相关法

为了提高数字图像相关法的抗噪声能力,分析了灰度梯度计算误差对数字图像相关法测量精度的影响,提出采用Tikhonov正则化方法计算图像灰度梯度,进而通过反向组合高斯-牛顿(IC-GN)法计算图像的亚像素位移;基于数值仿真散斑图研究灰度梯度的相对计算误差,并分析采用Tikhonov正则化方法计算图像灰度梯度后,改进数字图像相关法的测量精度,结合实验验证所提方法在实际噪声环境中的抗噪声能力。结果表明:灰度梯度对数字图像相关法测量精度有较大影响,而采用Tikhonov正则化方法后,可以有效提高数字图像相关法的测量精度与抗噪声能力。     

利用卫星云图反演云导风的新思路

本文首先借助于近年来发展起来的数值微分方法,从图像灰度中提取出图像梯度信息;然后利用正则化方法,实现了云导风反演;最后采用仿真和实际试验两种方法,对云图中有扰动时加入灰度梯度信息和未加入灰度梯度信息的风场反演结果进行比较.结果表明,加入图像灰度梯度信息所实施的新反演方法可有效减小图像干扰的影响,同时也大大提高了风矢量反演的精度,为卫星云图反演云导风探索一条新路子. 关键词： 云导风 数值微分 图像灰度梯度 正则化     

黑体辐射数值反演的快速稳定算法

讨论采用Tikhonov正则化方法进行黑体辐射数值反演的相关技术问题,特别是将双参数模型提供的相当好的正则参数初值与求解Morozov偏差方程的一个三阶收敛格式相结合,给出了一个新的、具有高效稳定等特点的混合数值反演算法,并进行了数值试验.这一算法在原则上也适合其它许多物理参数识别问题(如Fermi体系的反演、各种类型的Abel方程的数值反演等).     

基于高频雷达多普勒谱预测风向的一种新方法

通过高频雷达一阶多普勒谱与海上风向的关系, 提出了一种基于神经网络和多波束采样法相结合预测海面风向的新方法. 在神经网络不同输入、输出参数情况下对扩展因子为奇数时的仿真数据进行了风向预测, 并在扩展因子为偶数时结合多波束采样法进行风向预测, 消除了风向的模糊性. 通过预测数据和仿真数据对比, 发现两者符合较好. 从神经网络和多波束采样法相结合的预测结果中可以看出, 风向的误差大约为4°—6°, 风向扩展因子的平均误差为0.26, 为预测海面风场的研究提供一种新的思路和方法.     

基于分数阶Tikhonov正则化的激光吸收光谱燃烧场二维重建光路优化研究

为探究基于激光吸收光谱技术的燃烧场二维测量光路布置方式,实现有限投影下更精确的燃烧场二维重建,根据分数阶微积分理论,提出一种基于分数阶Tikhonov正则化的光路优化方法.将经典的整数阶Tikhonov正则化推广到分数阶模式,建立了基于分数阶Tikhonov正则化的光路设计目标函数.利用遗传算法分析(0,1)范围内不同阶数的计算结果,得到最佳光路布置方式.采用近红外波段7185.6 cm^-1的H₂O特征吸收谱线结合20条测试光路对10×10离散化网格区域进行计算,对比分析五种光路布置方式对多种分布模型的重建结果,结果表明,基于分数阶Tikhonov正则化的光路布置方式具有最佳重建效果.研究结果对有限投影条件下激光吸收光谱二维测量光路的优化设计理论研究具有重要意义,可以促进激光吸收光谱技术在复杂发动机燃烧场二维重建及燃烧效率提升方面的应用.     

合成孔径雷达反演海面风场变分模型分析

为考察合成孔径雷达反演海面风场变分模型精度,开展了误差分析试验.在背景场误差为极大值条件下分析场误差低于背景场误差,且随背景场风向增大呈周期性变化;在背景场误差逐渐变大条件下分析场误差逐渐增大,误差偏离方向与背景场误差偏离方向一致;在特定背景场条件下与直接反演模型相比,低风速时反演误差略高,中高风速时反演误差明显较低.总体来讲,变分模型误差小于背景场误差,风速反演误差小于1.60 m/s,风向误差小于17.15°.     

机载C波段全极化SAR海面风矢量反演理论研究及实验验证

机载全极化SAR海面风矢量反演研究对于近海岸复杂气象条件下风矢量探测具有重要意义. 本文从极化散射理论出发,通过分析全极化SAR探测数据与海面风矢量的关系, 设计了全极化SAR海面风矢量反演方案.依据机载SAR高机动性和全极化两个探测特点, 针对VV极化探测数据,提出了基于最大似然估计的海面风矢量反演方法,并设计了飞行实验方案; 针对VH极化探测数据,提出了通过带约束最优拟合的VH极化海面散射模型反演风速, 再利用CMOD5地球物理模型函数计算风向的海面风矢量反演方法. 利用机载全极化SAR探测的台风'海葵'边缘数据,开展了海面风矢量反演实验研究. 研究结果表明,两种风矢量反演方法均可不借助辅助信息,反演复杂气象条件下的海面风矢量. 前者反演风向、风速的均方根误差分别为18.0°, 1.8 m/s, 后者反演风向、风速的均方根误差分别为9.3°, 1.2 m/s,后者的反演精度优于前者. 这是因为VH极化归一化雷达截面与风向和雷达入射角无关,仅与风速密切相关, 更适合复杂气象条件下的海面风矢量反演. 关键词： 机载全极化SAR 海面风矢量 理论研究 实验验证     

机载合成孔径雷达海面风场探测辐射定标精度要求研究

复杂的机载合成孔径雷达系统使得探测精度要求研究难以系统有效. 依据辐射定标精度在机载合成孔径雷达海面风场探测信息流程中的作用, 提出通过辐射定标精度要求整体考察系统探测精度要求的研究方法, 仿真研究了CMOD4地球物理模型函数的参数关系,系统地确定出不同入射角和风向条件下机载合成孔径雷达海面风场探测的辐射定标精度要求.研究结果表明, 辐射定标精度要求随着入射角的增加而降低,且随着风向变化呈周期性变化, 这一规律与CMOD4地球物理模型函数中由风速变化引起的后向散射截面变化值的变化规律一致. 依据这一规律,研究发现通过采用有源定标器定标、设计载机做侧风飞行以及选择大入射角的探测图像作为反演图像区这三种手段,能够提高风速反演精度.     

含泡沫面元模型的海面电磁散射研究

传统计算海面电磁散射的方法都是通过求集平均的方法来统计得到不同输入参数下海面总回波系数的均值曲线,并不需要具体的几何样本.随着合成孔径雷达以及雷达成像的发展,为了充分描述海面各点的分布特征,需要得到海面具体面元的散射结果,同时随着海面上方风速的增大,海面泡沫层的出现会对散射结果产生相当大的影响.本文采用海面模型面元化的思想,将海面散射的贡献面元化,同时考虑泡沫层对大入射角下散射结果的影响,计算了不同风速下海面的后向散射系数,并与实测数据做对比分析,验证了方法的准确性.     

二维海面上舰船目标电磁散射及合成孔径雷达成像技术研究

研究了二维海面上三维金属目标的电磁散射计算以及合成 孔径雷达(SAR)成像技术. 基于物理光学法、几何光学法和射线弹跳法计算了海 面与目标镜面反射及相互耦合作用; 并用等效电流法计算了目标的棱边绕射作用, 该方法考虑了阴影效应,同时为了消除人为截断引起的边缘衍射, 采用锥形入射波入射. 应用蒙特卡罗法生成的Pierson-Moskowitz谱粗糙面模拟实际海洋面, 计算海面上立方体及舰船的双站雷达散射截面, 通过与数值算法的结果相比较, 验证了该算法的正确性. 运用该解析法快速获取不同频率、 不同角度入射波照射下海面与目标的复合后向散射场数组, 结合SAR成像技术, 得到海面上立方体以及不同姿态舰船目标的SAR成像结果. 该研究成果在实际海洋遥感、海面上军事目标的探测与识别 等领域中具有重要的应用价值.     

各向异性粗糙海面的红外反射特性研究

海面背景的干扰影响着红外系统的探测、识别性能,海面的红外辐射研究对于红外系统的设计、使用和评估具有十分重要的意义.基于Cox-Munk模型对海面的红外反射率进行了分析计算,全面考虑风速、风向、遮挡效应、入射方向、观测方向等各种影响,建立海面红外反射模型,推导出各向异性粗糙海面的红外反射率计算方法,并计算出海面的红外反射...