论文总字数：17778字

目 录

1研究背景 5

2 SWIM测量原理 6

3 L1b处理过程 9

3.1 处理目标 9

3.2 处理概述 10

3.3 处理步骤 10

3.3.1 第一步：的特征化 10

3.3.2 第二步：计算地面信号波动及其波数谱 11

3.3.3 第三步：脉冲响应的计算 11

3.3.4 第四步：计算斑点噪声谱 12

3.3.5 第五步：计算调制谱 13

4 结果与讨论 13

4.1 特征化结果对比 13

4.2 雷达观测系统信号波动delta_sigx__l1b数据的对比 14

4.3 地面信号波动谱pdsig_l1b数据的对比 16

4.3.1 pdsig数据整体形式对比 16

4.3.2 单个地点pdsig结果对比 17

4.4 斑点噪声谱psp_l1b数据的对比 19

4.4.1 psp2a_l1b数据的对比 19

4.4.2 交叉谱的数据对比 20

4.5 脉冲响应谱pir_l1b数据的对比 21

4.5 结果讨论 23

5 总结 23

参考文献 24

致谢 25

星载海浪波谱仪L1B级产品生成与制作

嵇宇翔

, China

Abstract: This paper briefly introduces the China France Oceanography Satellite (CFOSAT) with a planned launch date in mid-2018 and focuses on the SWIM instruments it carries. SWIM is a real-aperture wave scatterometer for measuring the directional spectrum of ocean waves. It is the first spaceborne wave scatterometer in the world, it is designed to solve the current problem of sparse observations of the waves and provide the scientific community with the directional spectrum of waves under wind-wave, swell and mixed conditions. The SWIM's 6°, 8°, and 10° beams are used to obtain a two-dimensional ocean wave spectrum of ocean waves by spinning at 5.6 rpm. This paper is based on the work and related product requirements of wave scatterometer SWIM on China France Oceanography Satellite, Starting from the L1A data along the track of the spectrometer, the L1B product was generated through the L1B data processing steps, and the accuracy of the calculated L1B processing program was verified by comparing with the French simulated data.

Key words: SWIM, directional spectrum of waves, L1B.

1研究背景

海表面各种参数如海表面温度、盐度、海表面风、波浪等对于海洋和气象方面研究都至关重要。其中，海表面风场以及波浪是海洋气象学，海洋动力学，海-气相互作用研究，海洋资源，海洋污染，海洋上的经济活动安全和沿海环境的关键参数。而海洋遥感是观测海表面风场十分重要的一项观测手段。如果能够获得这些参数的详细数据，就可以提高大气和海洋预报的准确度，改进海洋数值模式并且能够更好地了解海-气耦合系统[1]。但是截至目前为止，除了有效波高以外，海洋遥感方面依然没有十分有效的手段能够对波浪的各项参数进行可靠的观测。

目前，海表面波浪的全球范围观测值相当有限。一般由雷达高度计和合成孔径雷达SAR提供。但是雷达高度计只能提供有效波高的参数，而对于波的主要传播方向和波长的获取无能为力。尽管从20世纪90年代开始已经将高度计产品应用到波浪数值预报中，但是随着进一步的研究发现，如果没有波谱的信息，对于波浪预报的影响效果十分有限。而对于合成孔径雷达的观测，虽然可以通过处理SAR图像获得波浪的定向谱，但是由于SAR成像机制的限制，只能获得长波——通常波长大于250米的波谱信息[2]-[4]。因此，SAR所获得的数据以及由此进行的数据反演、海浪波谱同化以及数值预报被限制在了涌浪条件下才能进行。即便有着种种限制，但是有了涌浪的波谱信息，例如其明确的传播方向[5]，依然对于监测远离波浪生成区域的涌浪属性、改善模式的物理参数化以及提升涌浪预报的准确度等方面起了十分重要的作用。但是，由于SAR的成像机制的限制，风浪和混合海况下波浪的波谱信息还是很难甚至无法获得。除此之外，如何提高波浪传播方向测量的准确性也是一大难题。因此如何获得更加准确更加详细的海浪波谱信息就成了海洋研究中的迫切需求。

鉴于这个情况，中国国家航天局和法国国家太空研究中心决定共同开发一个新的卫星，称为中法海洋学卫星CFOSAT（China France Oceanography Satellite）。该卫星旨在同时监测海洋表面风浪和提供相关的数据以及应用产品。CFOSAT相较于之前的卫星，将提供更加全面的波浪信息，如涌浪、风浪以及混合海况中的波浪的全方位波谱，并且提供了同时同地观测的风场和波浪数据信息。CFOSAT包含了两个观测仪器，一个波浪散射仪（SWIM）用于测量表面波浪定向谱和一个风散射仪（SCAT）用于测量海面风场。两个仪器都是围绕垂直轴进行扫描的Ku波段仪器，其中波谱仪SWIM以接近天底点的入射角度工作，其中六个波束覆盖0°-10°的入射角范围并进行360°锥形扫描。风散射仪SCAT以中等到大的入射角（26°-46°）运行。

为了获得海浪定向谱，SWIM仪器被设计为一个Ku波段的真实孔径雷达，以0°，2°，4°，6°，8°，10°这六个入射角的波束照射地球表面，每个波束的宽度约为2°。为了获得所有方位角方向的数据，SWIM仪器将以5.6rpm的速度连续旋转。由于没有了合成孔径雷达的成像机制的限制，SWIM不仅能够获得涌浪的波谱信息，还可以获得风浪和混合海况中海浪的波谱信息。但是相比于SAR的10到20公里的空间分辨率，SWIM的空间分辨率在90公里量级。这是SWIM的一个缺点。

除改进海表面波浪观测信息以外，CFOSAT卫星还能改进对海表面风场的观测。虽然目前海表面风场在全球范围尺度上已经得到良好的观测，但是不论是散射计，SAR还是微波辐射计，都缺乏对风和波的同时和同地观测。CFOSAT搭载的SCAT和SWIM能够对风和波进行同时同地观测，可以为研究区域尺度上的风和波浪的相互作用提供新的数据信息。

SWIM的主要目的是为波长大于70米的所有波浪提供海浪定向谱，以便为科研界提供不仅与涌浪有关，而且与风浪以及混合海况有关的数据。波长和方向的分辨率相较于浮标测量可以保持相当甚至更好的数量级。而对于定向谱的空间分辨率，无法实现用于SAR的5-10km的空间分辨率。综合各方面因素考虑，最终将SWIM的空间分辨率定为大约50-100公里。根据SWIM预期达到的科学需求，仪器和数据处理的设计旨在提供以下的产品和精度[6]：

1. 天底点测量的风和波浪参数，其精度要求为：有效波高精度优于10%或±50cm；风速精度约为±2m/s或10%（以最大值为准）。
2. 天底点测量的定向波谱，其产品及精度为：

1）70×90公里范围内的二维波谱；

2）检测到的位于70米到500米之间的波长；

3）主要波长精度为10%，最多三个波谱分区；

4）波浪主要传播方向精度为15°，最多三个波谱分区；

5）有效波高精度优于10%，最多三个波谱分区。

CFOSAT卫星采用极地轨道，飞行高度为519公里。该卫星选择了一个13天的周期以确保在这个时间尺度上实现方向波谱的全球覆盖，并且SCAT仪器采用了更大的观测宽度，可以实现在三天内完成全球范围的覆盖。法国分部的两个极地台站和中国的三个中纬度台站将不断地收集和下载卫星的数据。其中归属法国的两个极地台站将在获得数据后不到3小时内完成数据的传输和处理，为大气或海洋预报提供接近实时的数据。中国和法国的两个任务中心将各自独立处理来自于卫星的所有数据。CFOSAT将计划在2018年年中发射。

本文主要介绍了SWIM测量波浪参数的原理以及L1B产品的制作步骤与计算方法，目的在于通过程序将模拟的L1A卫星数据处理成L1B产品所需要的数据，处理SWIM 6°，8°和10°入射角每个观测方向的数据，估算每个波束每个周期波浪的雷达截面调制及其谱密度，脉冲响应谱以及斑点噪声谱。并且将计算结果与法国的模拟数据进行对比，以获得程序计算结果的准确性，为地面数据处理系统提供算法参考。

2 SWIM测量原理

SWIM的理论在上个世纪80年代就已经提出了[7]-[8]，而这个理论经过多年以来的机载系统任务已经的到验证，确认这个理论确实可以作为观测海浪波谱的一项有效的手段。最近的一个Ku波段的机载雷达KuROS[10]专门为了准备CFOSAT任务而设计，其配置与SWIM基本相同。该机载雷达的测量结果表明，这个理论已经足够成熟。这个理论是普遍适用的，并不会取决于平台类型，因此可以直接利用到卫星观测平台上去，而SWIM将成为首个基于这个原理的星载仪器。

SWIM的测量原理基于在近地表入射角，即距离天底点约8°-10°时，归一化雷达后向散射截面对于海面的局部倾斜比较敏感，而对于风产生的小尺度粗糙度改变以及波浪短波与长波之间相互作用导致的流体动力学调制几乎不敏感[6]。

表面长波产生的倾斜调制为

(1)

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