[發明專利]一種海面風場星上快速反演方法及系統

有效

• 申請號: 202010041013.9
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111175720B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 徐星歐;董曉龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家空間科學中心
• 主分類號: G01S7/41
• 分類號: G01S7/41
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 陳琳琳;武玥

1.一種海面風場的星上快速反演方法，所述方法包括：

對星上微波散射計測量的數據進行處理，獲得后向散射的歸一化雷達截面積和相應的測量誤差估計值；

對后向散射的歸一化雷達截面積，在星上預存的地球物理模型函數查找表進行查詢，獲得若干個風速-風向候選解及其最大似然殘差的集合；

從若干個風速-風向候選解中，基于圓中數濾波得到風速-風向；

將反演得到的包括風向和風速的風場數據從衛星下傳至地面站；

所述對后向散射的歸一化雷達截面積，在星上預存的地球物理模型函數查找表進行查詢，獲得若干個風速-風向候選解及其最大似然殘差的集合，具體包括：

根據處理獲得的后向散射的歸一化雷達截面積和相應的測量誤差估計值，在歸一化雷達后向散射系數觀測位置和風單元對應的組合查找表中查詢，獲得其對應的風單元及其鄰域的風單元；

以歸一化雷達后向散射系數觀測位置和風單元對應的組合查找表作為真值，將處理獲得的多個后向散射的歸一化雷達截面積與地球物理模型函數查找表查詢得到的數據進行似然值的計算，依據似然值排名，從地球物理模型函數查找表選擇前4組數據對應的風速-風向作為候選值，獲得初選風速-風向；

在初選風速-風向范圍內，以2m/s的風速步長，30°的風向步長進行風速風向候選解的搜索，找出若干個殘差局部最小值；

在每個殘差局部最小值附近，按照0.2m/s的風速步長，5°的風向步長進行精搜索，得到若干個風速-風向候選解及其最大似然估計的殘差值；

所述從若干個風速-風向候選解中，基于圓中數濾波得到風速-風向，具體包括：

如果具備星上背景風場，則基于星上背景風場進行加權圓中數濾波風向去模糊，確定風速-風向；

否則，基于最大似然殘差和圓中數濾波確定風速-風向；

所述基于星上背景風場進行加權圓中數濾波風向去模糊，確定風速-風向，具體包括：

累積一定數量的最大似然估計的風單元反演結果，數量保證目標風單元的八鄰域均完成觀測和最大似然估計計算；

根據微波散射計測量時間和衛星空間位置獲取目標風單元和鄰域風單元的背景風場風向；

對最大似然估計和最優風向解與星上背景風場的風向差值進行加權求和；

求和值小于設定的質量控制閾值，則將該風單元標記為結果風向可靠性高，獲得風向和風速；

所述對最大似然估計和最優風向解與星上背景風場的風向差值進行加權求和，權值的設定方法為權值與背景風場風向的差異成反比。

2.根據權利要求1所述的海面風場的星上快速反演方法，其特征在于，所述對星上微波散射計測量的數據進行處理，獲得后向散射的歸一化雷達截面積和相應的測量誤差估計值；具體包括：

對星上微波散射計測量的數據進行快速傅里葉變換，得到以復數形式表達和存儲的回波測量的幅度譜和相位譜；

基于回波測量的幅度譜和相位譜，對星上微波散射計所在衛星的星歷、姿態、天線角度數據進行計算，得到快速傅里葉變換距離門組合的后向散射系數最小單元對應的功率值；

對功率值去除噪聲功率；

利用多普勒、距離門組合、空間定位查找表計算觀測幾何，確定后向散射系數最小單元的觀測幾何情況；

根據觀測幾何情況，通過定標因子查找表獲得距離門功率值對應的定標因子數值，由功率值計算得到后向散射的歸一化雷達截面積和相應的測量誤差估計值。

3.根據權利要求2所述的海面風場的星上快速反演方法，其特征在于，所述基于最大似然殘差和圓中數濾波確定風速-風向，具體為：選擇最大似然估計殘差最小的風向作為初始風向，使用圓中數濾波確定風速及其對應的風向。

4.一種海面風場星上快速反演系統，其特征在于，所述系統包括星上微波散射計、星上處理模塊、星上反演模塊和下傳模塊：

所述星上微波散射計，用于海面風場測量；

所述星上處理模塊，用于對星上微波散射計測量的數據進行處理，獲得后向散射的歸一化雷達截面積和相應的測量誤差估計值；

所述星上反演模塊，用于對后向散射的歸一化雷達截面積，在星上預存的地球物理模型函數查找表進行查詢，獲得若干個風速-風向候選解及其最大似然殘差的集合；從若干個風速-風向候選解中，基于圓中數濾波得到風速-風向；

所述下傳模塊，用于將反演得到的包括風向和風速的風場數據從衛星下傳至地面站；

所述星上反演模塊的處理過程具體包括：

根據處理獲得的后向散射的歸一化雷達截面積和相應的測量誤差估計值，在歸一化雷達后向散射系數觀測位置和風單元對應的組合查找表中查詢，獲得其對應的風單元及其鄰域的風單元；

以歸一化雷達后向散射系數觀測位置和風單元對應的組合查找表作為真值，將處理獲得的多個后向散射的歸一化雷達截面積與地球物理模型函數查找表查詢得到的數據進行似然值的計算，依據似然值排名，從地球物理模型函數查找表選擇前4組數據對應的風速-風向作為候選值，獲得初選風速-風向；

在初選風速-風向范圍內，以2m/s的風速步長，30°的風向步長進行風速風向候選解的搜索，找出若干個殘差局部最小值；

在每個殘差局部最小值附近，按照0.2m/s的風速步長，5°的風向步長進行精搜索，得到若干個風速-風向候選解及其最大似然估計的殘差值；

如果具備星上背景風場，則基于星上背景風場進行加權圓中數濾波風向去模糊，確定風速-風向；

否則，基于最大似然殘差和圓中數濾波確定風速-風向；

所述基于星上背景風場進行加權圓中數濾波風向去模糊，確定風速-風向，具體包括：

累積一定數量的最大似然估計的風單元反演結果，數量保證目標風單元的八鄰域均完成觀測和最大似然估計計算；

根據微波散射計測量時間和衛星空間位置獲取目標風單元和鄰域風單元的背景風場風向；

對最大似然估計和最優風向解與星上背景風場的風向差值進行加權求和；

求和值小于設定的質量控制閾值，則將該風單元標記為結果風向可靠性高，獲得風向和風速；

所述對最大似然估計和最優風向解與星上背景風場的風向差值進行加權求和，權值的設定方法為權值與背景風場風向的差異成反比。