基于RADARSAT-2 SAR衛星數據的海浪譜反演方法及其海試實驗驗證

萬 勇， 萬 莉， 戴永壽

（中國石油大學（華東）a．海洋與空間信息學院；b．后勤管理處，山東青島266580）

0 引 言

海浪是一種重要的海洋動力過程，它是發生在海洋表面的一種小尺度的風生重力波，包括風浪和涌浪。研究海浪的生成、演化機制以及時空分布，揭示其內部結構和外在分布特征，已成為物理海洋學中的一個重要研究領域，它對于國防、航運、造船、港口以及海上石油平臺的建設和安全等都具有重要意義。目前實現海浪監測主要有3種手段：①海浪浮標觀測。該觀測是目前最準確的一種獲取海浪參數的方法，但是不能使用浮標完成大范圍空間域海況變化的測量也是一個得到普遍認可的事實，因為單顆浮標僅能夠提供一個確定位置的海況信息［1］。此外浮標的造價比較高，而且布放之后的維護比較困難，受到自然因素、社會因素的諸多限制，很難實現長期大范圍的監測。②海浪數值預報模式。該模式可以得到大范圍、長時間序列的海浪參數的結果，但是這是一種數學計算的方法，得到的是一種數學計算的結果，并不是一種觀測的結果，而且模式的精度受到較多因素的影響，計算的精度很難保證。③遙感觀測。隨著微波遙感技術的發展，出現了合成孔徑雷達（SAR），SAR是迄今為止唯一可以提供海浪二維信息的星載傳感器，而且不依賴于天氣和光照條件，能實現全天時、全天候的海浪觀測。利用SAR得到的海表二維圖像，可以反演得到海浪二維方向譜，進而可以獲得海浪頻譜，并且還可以計算出有效波高、平均波周期、海浪傳播方向等重要海浪參數；同時SAR對海浪的觀測是一種現場觀測的結果，可以較好地反映現場海浪的實際變化情況，因此該方法是未來實現大范圍海浪監測的首選方式。

目前，已有研究工作者開展了從SAR圖像中提取海浪譜和海浪參數的相關研究。Alpers等［2-3］詳細研究了海浪SAR成像機理，指出傾斜調制、流體動力學調制和速度聚束是SAR海浪成像過程中的3種主要調制機制。SAR圖像譜和海浪譜之間存在非線性變換關系，由海浪譜的非線性變換可以計算得到SAR圖像譜，反之由SAR圖像譜也可以反演得到海浪二維方向譜。Hasselmann等［4］經過推導得到了SAR圖像譜到海浪方向譜的非線性變換，基于此變換開發了由SAR圖像譜反演海浪方向譜的MPI算法。Mastenbroek等［5］提出了一種海浪譜反演的半參數化方法。何宜軍［6］提出了一種參數化的海浪譜反演方法。Engen等［7］提出了從SAR復數據中得到交叉譜的算法。Schulz-Stellenfleth［8］提出了一種改進的非線性反演算法PARSA。Schuler等［9］對全極化SAR圖像數據測量海浪波斜和海浪譜的各種方法進行了調查，開發了在SAR方位向和距離向上測量海浪波斜的新技術。何宜軍等［10］推導了線性極化方向調制傳遞函數和傾斜調制傳遞函數。通過對調制傳遞函數的數值仿真，檢驗了雷達和海浪參數對線性極化SAR圖像譜的影響，提出了一種消除180°方向模糊的方法。何宜軍等［11］提出了一種使用全極化SAR數據測量海浪波斜譜的新方法，這種新方法不需要復雜的流體動力學調制傳遞函數。Sehulz-Stellenfleth等［12］給出了一種海浪參數的經驗算法CWAVE。李曉明［13］擴展并改進了該經驗算法，提出應用于ENVISAT ASAR波模式數據的CWAVE＿ENV經驗模型。Bruck和Susanne針對高分辨率TerraSAR-X和Tandem-X數據發展了反演海浪參數的經驗算法XWAVE［14］。以上研究工作為SAR海浪譜海浪參數反演提供了很好的參考。

RADARSAT-2 SAR是一顆搭載C波段傳感器的高分辨率商用雷達衛星，由加拿大太空署與MDA公司合作，于2007年12月14日在哈薩克斯坦拜科努爾基地發射升空，目前仍然在軌運行，是實現海洋觀測的一顆非常重要的合成孔徑雷達衛星。該衛星也可以實現大范圍海浪信息的探測，對于不同的SAR衛星，已有的海浪譜海浪參數的反演方法不能直接適用，需要針對不同的衛星進行有針對性的改進，才能得到準確的海浪譜、海浪參數的反演結果。本文針對RADARSAT-2 SAR衛星觀測海浪的實際需要，研究并建立適合于RADARSAT-2 SAR數據的海浪譜反演方法，然后基于在中國南海海域開展的一次同步海試觀測實驗的結果，驗證建立的海浪譜反演方法的有效性。

1 海浪譜反演方法

MPI方法雖然需要提供初猜譜的信息，但在相同條件下其反演信息的完整性和精度相對較高。因此，本文以該方法為基礎，針對RADARSAT-2 SAR數據做有針對性的改進，建立適合于RADARSAT-2 SAR數據的海浪譜反演方法。MPI方法的實現流程如圖1所示。

圖1 MPI方法流程圖

MPI方法描述了二維海浪譜到SAR圖像譜的映射關系，方法的基本思想是引入初猜海浪譜，構造價值函數，通過迭代使價值函數最小化后，輸出最適海浪譜和最適SAR譜。該算法的實現步驟如下：

（1）計算觀測的SAR圖像譜，SAR圖像譜為強度圖像的圖像譜。

（2）構造海浪初猜譜。

（3）按照海浪譜到SAR譜的正映射關系由海浪初猜譜計算仿真的SAR譜，海浪譜到SAR譜的正映射關系如下：

①計算距速調制傳遞函數

②計算水動力學調制傳遞函數

2 海試實驗及反演方法驗證

2.1 海試實驗

為了驗證基于RADARSAT-2 SAR數據的海浪譜反演方法反演海浪譜的準確性，搭載東方紅3號科考船在中國南海臺灣海峽西南部海域開展了海浪聯合觀測實驗，實現海浪浮標與RADARSAT-2 SAR的同步觀測。

海浪浮標使用的是荷蘭DataWell公司的波浪騎士浮標，如圖2所示，該浮標可以觀測海浪方向譜、有效波高、波周期等海浪參數。同步的SAR數據采用的是RADARSAT-2衛星的SAR數據，RADARSAT-2衛星的示意圖如圖3所示。

海浪聯合觀測的現場實驗情況如圖4所示。

通過該實驗共獲取了5．03 h的海浪現場實測數據，海浪實測數據的基本情況如表1所示。此外編程訂購了與海試浮標觀測位置時空匹配的兩景RADARSAT-2 SAR數據，SAR觀測區域及其與浮標觀測位置的關系如圖5所示，圖中☆代表浮標觀測位置；□代表SAR觀測區域。

圖2 波浪騎士浮標實物圖

圖3 RADARSAT-2衛星示意圖

圖4 海浪聯合觀測現場實驗情況

表1 海浪實測數據基本情況表

圖5 SAR數據所在位置及其與浮標觀測位置的關系

SAR數據的基本信息如表2所示。

表2 SAR數據基本信息表

2.2 海浪譜反演結果驗證

圖6所示為2019-06-24日5：54采集到的RASDARSAT-2 SAR圖像，從該圖像中截取浮標觀測位置處128×128像素大小的子圖像，如圖7（a）所示，對子圖像做二維傅里葉變換可以得到SAR圖像譜，如圖7（b）所示。利用建立的MPI海浪譜反演方法對子圖像進行處理，以PM譜為初猜譜。Pierson等［15］對北大西洋1995～1960年的460次海洋觀察資料進行譜分析的基礎上，得到了隨機海浪的平均譜分布，經過無因次化和數學擬合處理后得到主波浪方向海浪頻率譜。反演得到的最適海浪譜如圖8所示。

圖7 RADARSAT-2 SAR子圖像（a），變換SAR圖像譜（b）

圖8 反演所得最適海浪譜

基于反演所得的最適海浪譜可以計算得到海浪的統計參數有效波高為

式中：m0表示海浪譜的零階矩；F（k）表示最適海浪譜。將基于海浪譜計算的有效波高和浮標觀測的同步有效波高進行比對，驗證海浪譜反演方法的反演效果，結果SAR反演0．74 m，浮標0．95 m。由結果可見，SAR反演的有效波高接近浮標觀測的有效波高，說明本文建立的針對RADARSAT-2 SAR的海浪譜反演方法具有比較高的準確性。

3 結 語

本文針對加拿大遙感衛星RADARSAT-2觀測海浪的應用需求，基于海浪譜反演的基礎方法MPI方法，建立了一種適合于該衛星的海浪譜反演方法。然后搭載東方紅3號科考船在中國南海臺灣海峽西南部海域開展了浮標與SAR的海浪聯合探測實驗，獲取了寶貴的現場觀測資料以及和現場觀測資料同步的SAR數據，反演海浪譜海浪參數，與浮標數據進行了比對，驗證了海浪譜反演方法的有效性。研究工作可為SAR海浪觀測提供重要的參考，具有一定的實際應用價值。