HY－2A衛星高度計有效波高信息提取業務化算法

范陳清，張杰，孟俊敏，汪棟，李秀仲

（1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島，266061）

HY－2A衛星高度計有效波高信息提取業務化算法

范陳清1，張杰1，孟俊敏1，汪棟1，李秀仲1

（1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島，266061）

2011年8月16日我國成功發射了第一顆自主海洋動力環境衛星HY-2A，有效波高是其搭載的雷達高度計可獲取的重要海洋動力環境參數之一。本文詳細介紹了應用于HY-2A雷達高度計的有效波高信息提取業務化算法，該算法通過迭代最小二乘擬合方法提取有效波高信息。同時，基于HY-2A雷達高度計業務化運行獲取的有效波高數據，分別與Jason-2衛星高度計有效波高和NDBC浮標海浪波高數據進行了比對分析。比較結果表明，HY-2A雷達高度計與Jason-2有效波高的標準偏差為-0.26 m，RMS為0.58 m；HY-2A高度計與NDBC浮標數據間的標準偏差為-0.22 m，RMS為0.37 m。結果證明了目前應用于HY-2A雷達高度計業務化運行中的有效波高信息提取算法的可行性。

HY-2A；高度計；有效波高

1 引言

2011年8月16日，我國成功發射了第一顆海洋動力環境衛星海洋二號A（HY-2A），其主要搭載衛星雷達高度計、微波輻射計、微波散射計和校正輻射計4種微波遙感器，具備全天時、全天候、全球海洋動力環境探測能力。有效波高信息作為衛星雷達高度計能夠測量的3種基本觀測量中的一種，是通過對衛星雷達高度計海面回波波形的分析計算得到的1）。高精度有效波高的獲取將為我國海洋環境預報、防災減災以及海上活動提供重要的支持。

目前，衛星高度計回波波形跟蹤方法主要有遠海的海洋算法［1—2］、陸地冰層的Beta5／9算法［3］、重力中心偏離法（OCOG）［4］和冰層算法二［5—6］、海冰的閾值重構算法等［7—9］。本文主要采用適用于遠海的海洋算法，現使用的海洋算法均是由Brown［10］提出了海洋回波的平均回波功率的卷積模型基礎上發展而來。在Brown模型的基礎上，Hayne［11］提出將回波模型中的海面鏡像點概率密度函數和雷達系統點目標響應函數都近似為不對稱的高斯函數，使回波模型更加具有實用性。Rodriguez和Chapman［12］將地球曲率的影響考慮到回波模型中，并取得較好效果，并被應用到后來的星載高度計數據處理中。不同的衛星高度計根據自身的實際情況以及設計要求分別采用了不同的回波模型。

針對HY-2A衛星高度計實際回波以及衛星高度計設計參數，本文采用了考慮地球曲率的Hayne平坦海面平均脈沖響應模型、引入斜度的海面鏡像點分布函數以及高斯函數表示的雷達點目標脈沖響應函數。同時在實際反演過程中，也考慮了HY-2A衛星高度計回波功率統計特性、部分波形后沿抬高以及靠近陸地、海島和海冰時出現的波形上升沿抖動情形下的波形處理，并基于Jason-2數據以及NDBC浮標數據對反演結果進行了驗證。

2 高度計測量有效波高原理與信息提取算法

雷達高度計工作原理是通過向海面發射脈沖信號，該脈沖信號與海表面相互作用后，部分能量反射回雷達高度計，通過對接收到的回波功率波形的分析，可提取海面的有效波高。一般地，雷達高度計接收到的回波波形分為3個部分：波形平坦區、波形前沿上升區以及波形后沿下降區。有效波高（SWH）取決于海面回波上升沿的斜率，當上升沿斜率增大時，SWH就減小；反之，SWH就增大［12］，圖1。

圖1 衛星雷達高度計回波波形示例

2.1 回波模型

Moore和Williams［13］通過實驗證明了海面的平均回波功率和海洋表面特性之間的相互關系，即認為海面的平均回波功率可以表示為發射脈沖的功率包絡與包括散射系數、天線增益等參數在內的表達式的卷積。該理論經過Barrick的完善［14］，得出了一個在數學和物理上都清晰的卷積模型［15］，即將海面的平均回波功率W（t）表示為：

W（t）＝PFS（t）×qs（t）×Sr（t），（1）式中，W（t）為接收回波的平均功率；PFS（t）為平坦海平面平均脈沖響應函數；qs（t）為海面鏡像點概率密度函數；Sr（t）為雷達系統點目標響應函數。該模型可進一步表示為：

2.2 有效波高提取方法

不同的衛星高度計根據自身的實際情況以及設計要求分別采用了不同的回波模型，但有效波高提取算法基本一致。首先，基于嚴格的異常波形剔除原則去除受陸地、海島以及海冰污染的數據；其次，去除熱噪聲，并對1 s內的波形進行平均；最后，對1 s平均的波形進行有效波高反演。

3 HY-2A高度計有效波高提取業務化算法

3.1 HY－2A高度計有效波高回波模型參數選擇

針對HY-2A衛星高度計儀器參數，設定回波模型中斜度參數λs＝-0．1，σp＝0.513T，T＝3.125 ns為雷達發射窄脈沖的3 dB時寬，即脈沖壓縮后的時間寬度，h＝973 km，為HY-2A衛星到地面的軌道基準高度，R為地球平均半徑，取值為6 371 km。根據以上參數，通過迭代加權最小二乘擬合可以獲取不同波形的4個參數值，進而通過σs與SWH之間的關系，即SWH等于2cσs這一關系可獲得有效波高值。

3.2 有效波高提取

為了保證數據的完整性以及盡可能多的獲取有效數據，本文針對HY-2A衛星高度計波形特性，以及HY-2A衛星高度計在靠近陸地、海島以及海冰等目標時回波波形的抖動這一情況，考慮到對該波形進行1 s平均通常難于保證波形完全對齊，從而導致引入新噪聲。因此，在對HY-2A衛星高度計數據處理中先對1 s內單個波形進行反演，最后對反演的波高值進行1 s平均。該方法有效提高了有效波高反演的精度。其中，反演流程主要包括異常波形剔除、熱噪聲剔除、波形歸一化以及天線指向角計算等。

圖2 HY-2A衛星高度計回波波形

（1）異常波形剔除

異常波形剔除是為盡可能地保留衛星高度計有效測量數據，同時剔除受陸地、海島及海冰等各種因素影響的測量數據。由于HY-2A衛星高度計回波波形后沿較高，且在靠近陸地、海島及海冰等目標時波形前沿存在一定抖動。如采用較為常用的天線指向角閾值或者半功率點波動程度進行判斷，則會剔除大量此類數據。而實際通過該數據的上升沿仍可獲得可靠的有效波高數據。因此，本文未采用嚴格的異常波形剔除準則而是直接根據海陸標記值剔除陸地數據，結果表明該方法保留了大量易被剔除的有效數據。

（2）熱噪聲去除

根據HY-2A衛星高度計大量實際回波波形功率門統計發現，在波形平坦區第19個采樣門之前采樣值較為穩定且非常小。因此，本文將該區域定義為熱噪聲區。為消除熱噪聲對回波的影響，可采用前19個采樣門回波功率的均值作為熱噪聲值。實際計算表明，采用第13～17個采樣門的平均值的結果與采用前19個采樣門的平均值相當。為簡化計算，本文采用了第13～17個采樣門的平均值作為最終熱噪聲，并將所有波形采樣門值減去該值來去除波形中的熱噪聲。

（3）波形歸一化

為便于后期波形擬合，需要根據波形最大值作歸一化處理。歸一化過程中，特別是在檢索波形最大值過程中，需要對回波形狀、回波幅度進行分析。由于回波波形形狀和幅度受儀器特性（主要是天線衰減模型和波束寬度）、采樣門寬度、AGC、衛星姿態角、海面斜率和海面后向散射特性（折射率、海面粗糙度、體散射）等因素的影響，波形最大值附近通常存在抖動，且部分HY-2A衛星高度計波形后沿向上抬高。因此，為保證所獲得上升沿的最大值準確度，根據HY -2A衛星高度計波形統計（如圖3所示），本文設定只采用第46個采樣門之前的最大值作為整個波形最大值進行歸一化處理。

圖3 HY-2A衛星高度計回波波形圖

（4）天線指向角計算

為了提高波形擬合一致程度，在進行波形擬合之前首先計算天線指向角，將實際反演的天線指向角引入迭代過程中，從而提高反演精度。對于HY-2A衛星高度計有效波高反演，該方法比通常高度計采用固定值法更為優越。

（5）波形擬合

根據前文確定的回波模型，采用迭代加權最小二乘擬合方法。首先構造目標函數F：

式中，FFT（i）為歸一化回波信號，Weight（i）為采樣門的權重系數（i＝1，2，…，128），表示對于不同區域的波形，賦予不同大小的權重系數。

為了從海面回波波形數據中準確的提取出SWH信息，在利用迭代加權最小二乘擬合方法時必須選取合適的加權系數。在回波波形的擬合中，應根據波形的不同位置對波形擬合的不同貢獻，需采用不同的權重。由于SWH主要決定于波形上升沿，對于波形上升沿擬合程度的好壞直接影響著反演結果的好壞，它應賦予較高的權重；波形的其他區域應該相對賦予較低的權重。

根據式（3）求回波波形參數的問題可轉化為以下的優化問題：min F（tp，ts）。

由于高度計的數據量巨大，為了計算方便，此處采用BFGS算法。該算法具有二次終止性，而且迭代有限步，具有較高的收斂速度。

基于以上反演方法，以HY-2A衛星高度計第18個cycle的數據中4個實測數據點為例，給出數據擬合效果見圖4。

圖4 HY-2A衛星雷達高度計實際數據擬合效果圖

4 算法驗證

為了檢驗應用于HY-2A高度計有效波高信息提取的業務化算法的實用性，分別開展HY-2A高度計有效波高與Jason-2高度計有效波高和NDBC浮標有效波高數據的比對分析。

4.1 與Jason－2高度計的比較

將2011年10月1日到2012年11月24日的HY-2A有效波高反演結果與Jason-2有效波高進行比對分析。通過擬合軌道得到HY-2A地面軌跡與Jason-2地面軌跡交叉點處附近4個實測數據點（HY-2A和Jason-2分別兩個點），再進行線性插值分別得到HY-2A和Jason-2在交叉點處的有效波高值，時間窗口選定為30 min，其獲得的標準偏差為-0.26 m，RMS為0.58 m。該結果表明HY-2A衛星高度計有效波高反演結果精度與Jaosn-2反演結果一致，反演精度可以滿足HY-2A衛星高度計有效波高反演精度要求。HY-2A與Jason-2有效波高的對比圖見圖5a。

4.2 與浮標數據比較

基于2011年10至2012年12月的33個NDBC浮標數據（浮標站點分布見圖6），對同期HY-2A高度計有效波高數據進行比對分析。二者匹配的時空窗口為分別為30 min和50 km，共得到匹配點3 345個。通過計算得到二者的標準偏差為-0.22 m，RMS為0.37 m，比較散點圖見圖5b。

圖5 HY-2A高度計有效波高與Jason-2（a）和NDBC浮標數據（b）比較

圖6 NDBC浮標站點分布

5 結論

本文詳細介紹了應用于我國第一個海洋動力環境衛星HY-2A上雷達高度計有效波高信息提取的業務化算法，給出了具體的計算流程。基于2011年10月—2012年11月HY-2A雷達高度計業務化運行得到的有效波高數據，分別開展了其與Jason-2和NDBC浮標有效波高數據的比較。結果表明，HY -2A高度計與Jason-2的標準偏差為-0.26 m， RMS為0.58 m；HY-2A高度計與NDBC浮標數據的標準偏差為-0.22 m，RMS為0.37 m。這表明本文介紹的方法適用于HY-2A衛星雷達高度計有效波高信息提取，且在HY-2A衛星高度計業務化處理系統中應用得到了較好的結果。

致謝：感謝NOAA NODC提供的Jason-2衛星高度計數據，感謝NDBC提供的浮標數據，感謝國家衛星海洋應用中心提供的HY-2A衛星高度計數據。

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Significant wave height operational inversion algorithm of HY－2A altimeter

Fan Chenqing1，Zhang Jie1，Meng Junmin1，Wang dong1，Li Xiuzhong1
（1．First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China）

The first oceanic dynamic environment satellite—HY-2A was launched in August 16，2011.Significant Wave Height（SWH）is one of the important parameters which can be monitored by HY-2A satellite altimeter. The SWH operational inversion algorithm of HY-2A altimeter is detail introduced in the paper，and the algorithm obtained SWH by least-square method.The SWH of HY-2A altimeter computered by the operational processing is compared to the results of Jason-2 and NDBC buoys.The result showed that the standard deviation is-0.26 cm and RMSis 0.58 cm between HY-2A and Jason-2，and the standard deviation is-0.22 cm and RMS is 0.37 m between HY-2A and NDBC buoys.The results demonstrated that the SWH inversion algorithm used in the operational processing system of HY-2A altimeter is feasible.

HY-2A；altimeter；significant wave height

P731.22；P228.3

A

0253-4193（2014）03-0121-06

2013-07-29；

2013-08-13。

海洋公益性行業科研專項經費項目（201105032-1）。

范陳清（1983—），男，江蘇省海門市人，助理研究員，主要從事高度計遙感研究。E-mail：fanchenqing＠fio.org.cn 1）紀永剛，張杰，張有廣，等.神舟四號飛船高度計有效波高反演.第十四屆全國遙感技術交流會論文摘要集，2003.

范陳清，張杰，孟俊敏，等.HY-2A衛星高度計有效波高信息提取業務化算法［J］.海洋學報，2014，36（3）：121-126，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.03.013

Fan Chenqing，Zhang Jie，Meng Junmin，et al.Significant wave height operational inversion algorithm of HY-2A altimeter［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（3）：121—126，issn.0253-4193.2014.03.013