一种定量探测海面风场的方法与流程

本发明涉及地球科学、遥感和气象领域，具体涉及一种定量探测海面风场的方法。

背景技术：

海面风场准确的定量测量值具有重要的应用价值。高效快速的风场估算，由观测值得到实时的风场数据，这对于航海、渔业等有重要应用价值。此外，准确的海面风场数据还是重要的关键环境变量，对研究气候变化和短、长期的预测有重要意义。

现有的海面风场获取方法主要包括使用浮标、数值模型、和遥感的方法。浮标数据受到时空的限制较大；数值模型无法提供实时的测量。遥感方式中测风常用的方法是使用散射计观测数据进行反演。这种方法可以获取海面大面积的观测，但常规散射计的测量只有有限个风单元(反演风场的网格单元)的观测数据，这会限制反演的精度。扇形波束旋转扫描散射计的观测能解决这个问题。但在观测过程中获取的数据量也比常规散射计大，使用常规方法无法快速有效提取信息，影响这种新型散射计的功效。对于星载扇形旋转扫描散射计而言，也无法实现算法的扩展，从而影响实现星上的实时处理的应用扩展。目前尚无针对星载扇形旋转扫描散射计进行风场反演的方法。因此需要针对这种新型散射计发展新的风场反演方法，进行风场反演，实现使用这种散射计的观测量：后向散射系数快速高效的海面风场探测。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服目前海面风场探测存在的上述问题，基于目前新型的扇形波束旋转扫描散射计比常规散射计能提供海面风场的更多信息，能够实现海面风场更高精度的反演；提出了使用扇形波束旋转扫描散射计后向散射系数快速定量探测海面风场的方法，该方法能实现海面风场快速而有效的反演。

为了实现上述目的，本发明提供了一种定量探测海面风场的方法，所述方法包括：

步骤1)使用扇形波束旋转扫描散射计获取后向散射系数测量值，并得到观测值在风单元中的分布；

步骤2)对落入风单元中的后向散射系数测量值，对每一组后向散射系数按照入射角和方位角分别进行划分和排序，得到后向散射系数观测向量；

步骤3)对风单元内的后向散射系数观测向量进行主分量变换，求取每个向量对应的特征值，按照特征值大小，挑选最大特征值对应的q个后向散射观测向量，反演计算风场。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)对风单元进行圆周方向的划分，以k度为间隔进行划分，每个间隔内的后向散射系数为一组；

步骤2-2)对每一组后向散射系数按照入射角进行排序，组成向量；

步骤2-3)入射角按照观测可能的入射角排序，以m度进行划分；方位角间隔内每m度入射角范围的后向散射系数，选取指定n个，组成n维向量；得到设定间隔划分范围内小于等于360/k个的m×n维后向散射系数观测向量。

作为上述方法的一种改进，如果存在不满足条件的后向散射系数，则不使用该范围内的后向散射系数；此时后向散射系数观测向量为360°/k个的p×n维，其中p为不大于m的自然数。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)中的k，m，n，p和q的取值根据所需的运算速度和结果精度进行设定。

本发明的优势在于：

1、本发明的方法有效利用扇形波束旋转扫描散射计提供的信息，克服由于数据量比常规散射计多，无法实现高效的反演的问题，实现海面风场的高效、快速反演；

2、本发明的方法在实现海面风场的反演过程中对误差大的数据进行剔除，风场反演的质量控制。

附图说明

图1为本发明的定量探测海面风场的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，一种定量探测海面风场的方法，所述方法包括：

步骤1)使用扇形波束旋转扫描散射计获取后向散射系数测量值，并得到观测值在风单元中的分布；

散射计反演风场是以风单元为单位进行。以星载散射计为例，风单元是以卫星运行轨迹投影为中心而划分的一系列规则网格。散射计观测过程中有不同方位向的观测落入风单元中。

步骤2)对落入风单元中的后向散射系数测量值，对每一组后向散射系数按照入射角和方位角分别进行划分和排序，得到后向散射系数观测向量；

对风单元进行圆周方向的划分，以一定度数，例如k度为间隔进行划分。每个间隔内的后向散射系数为一组。对每一组后向散射系数按照入射角进行排序，组成向量。入射角按照观测可能的入射角排序，一定度数进行划分，例如m度。方位角间隔内每m度入射角范围的后向散射系数，选取指定个数n个，组成n维向量。得到设定间隔划分范围内小于等于360/k个的m×n维后向散射系数观测向量。如果不存在满足条件的后向散射系数，则不使用该范围内的后向散射系数。此时向量为360°/k个的p×n维，其中p为不大于m的自然数。可以根据卫星的轨道参数，计算将获得的每个风单元内的这种向量的组合方式。

步骤3)以每设定间隔划分内的n维向量为将要选取的特征，对风单元内的向量进行主分量变换，求取每个向量对应的特征值，按照特征值大小，挑选最大特征值对应的q个后向散射观测向量，使用常规的风场反演方法，反演解算风场。

上述步骤中的字母具体的数值根据所需的运算速度和结果精度进行设定。

本发明的创新点在于：

对散射计数据通过权值进行分析和信息提取、筛选。实现了扇形波束旋转扫描散射计的海面风场快速有效的反演。创新在于对风单元中的观测数据进行向量划分，并使用主分量变换进一步确定所参与反演的观测值。实验表明这样得到的结果对随机误差敏感性也大大低于直接进行反演的普通风场反演方法。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种定量探测海面风场的方法，所述方法包括：步骤1)使用扇形波束旋转扫描散射计获取后向散射系数测量值，并得到观测值在风单元中的分布；步骤2)对落入风单元中的后向散射系数测量值，对每一组后向散射系数按照入射角和方位角分别进行划分和排序，得到后向散射系数观测向量；步骤3)对风单元内的后向散射系数观测向量进行主分量变换，求取每个向量对应的特征值，按照特征值大小，挑选最大特征值对应的q个后向散射观测向量，反演计算风场。本发明的方法有效利用扇形波束旋转扫描散射计提供的信息，实现海面风场的高效、快速反演。

技术研发人员：徐星欧;董晓龙
受保护的技术使用者：中国科学院国家空间科学中心
技术研发日：2018.05.02
技术公布日：2018.12.11