论文总字数：27177字

目 录

1．前言 1

1.1选题目的和意义 1

1.2星载海浪波谱仪简介 1

1.3国内外研究现状 2

1.4本文的研究内容 3

2. 法国模拟数据介绍 3

2.1天底点产品 3

2.2近天底点产品 3

3．L2数据产品制作原理 3

3.1 BOX文件生成 5

3.1.1 BOX文件介绍 5

3.1.2 Box文件制作原理 5

3.1.2.1 Box的划分 6

3.1.2.1.1 n_box的确定 6

3.1.2.1.2 Box[][]起始、结束点的确定 6

3.1.2.2 数据预处理 7

3.1.3 BOX文件生成结果 7

3.2 SIG文件生成 7

3.2.1 SIG文件介绍 7

3.2.2 SIG文件制作原理 8

3.2.3 SIG文件生成结果 8

3.3 海浪谱分区 8

3.3.1 分区背景 8

3.3.2 分区方法 9

4．L2产品结果比较 11

5．结论与展望 14

参考文献 15

致谢 16

附录 17

星载海浪波谱仪L2级数据处理系统的研究与制作

顾经纬，何宜军，李秀仲

,China

Abstract: The monitoring of the marine environment is of great significance to the development and utilization of marine resources.The China-France Ocean Satellite was developed by China and France,it will be launched in August 2018. The Ku-band spectrometer, Surface Wave Investigation and Monitoring (SWIM), is the world's first spaceborne sensor specifically designed to measure ocean wave spectra. SWIM is a multi-beam real aperture radar which has six beams of different incident angles to the sea. One of the beams is a pulsed beam with an incident angle of 0 °. It is designed to measure significant wave height and wind speed. The other beams are 5 pencil beams centered at 2 °, 4 °, 6 °, 8 °, 10 ° deviating from nadir. Each beam’s antenna aperture is 2 °. The beams rotate at 5.6 rpm to obtain two-dimensional directional spectrum of ocean waves. In this paper, the boxes are derived from L1A data along the track of the spectrometer according to the operating mode of SWIM and the demand of related products. Based on that, two-dimensional Normalized Radar Cross-Section (NRCS) profiles and related products are generated. And we use the watershed algorithm based on the underlying data to generate the final product. Finally, we compare our products with French sample products to verify the reliability of our algorithm and find out the lack of modifications.

Key words：Micro-cycles;Wave spectrum;BOX;SIG;L2;Watershed algorithm

1．前言

1.1选题目的和意义

海浪是海洋动力环境中重要的参数，海浪信息的获取对于海洋工程建设、海上安全航行、海洋科学研究、海浪数值预报初始场提供等诸多方面有很大的帮助。

中法海洋卫星（China France Oceanography SATellite，以下简称CFOSAT）由中国-法国双方合作研制，CFOSAT项目由法国国家太空研究中心（Centre National d’Etudes Spatiales）和中国国家航天局（China National Space Administration）合作进行。该卫星上将搭载一个Ku波段的散射计测量风速，Ku波段的波谱仪SWIM来测量海面浪场。搭载的SWIM雷达是一个Ku波段（13.6GHz）的多波束真实孔径雷达，能向海面发射6个不同入射角的波束：0°、2°、4°、6°、8°和10°，每个波束天线孔径都是2°。其中的一个波束为入射角为0°的脉冲有限波束，用于进行有效波高和风速测量，另外的波束为中心视轴偏离天底方向2°、4°、6°、8°、10°的5个笔形波束，通过以5.6rpm（每分钟5.6转）的速度旋转用于获得海洋波浪的二维方向谱。

波谱仪数据处理软件功能是利用6个波束的回波信号，通过一系列反演流程，反演出二维海浪谱、二维的0-10°入射角海面后向散射系数以及海面风速和有效波高等参数，并生成具有固定格式的L1B级6°、8°和10°波束产品、标准二级数据产品，数据格式为netCDF4.0。本软件生成的产品可以直接提供给相关用户使用，也可以进行存档。为了完成这些既定的任务，波谱仪数据处理子系统将由计算机系统和应用软件构成。其中，计算机系统由网络硬件系统和计算机系统软件组成，为应用软件提供开发和运行环境。

本文研究的目的是为CFOSAT项目开发出能业务化运行的海浪波谱仪L2级产品制作组件。

1.2星载海浪波谱仪简介

CFOSAT卫星将搭载两个有效载荷:扇形风速散射计（Wind Fan-beam Scatterometer，以下简称SCAT）和SWIM。其中SWIM海浪波谱仪的使用原理是在低入射角（大约8°-10°）时，归一化雷达横截面对与长波倾斜有关的局部斜率敏感，但对小尺度粗糙度几乎不敏感。这归因于风以及由短波和长波相互作用引起的流体动力学调制，这尤其得到了在0°和18°入射角之间获得的Ku波段热带降雨测量任务（Tropical Rainfall Measuring Mission，以下简称TRMM）测量的证实，这表明在8°到10°的入射角范围内表面的后向散射系数几乎与风无关。此外，对于像SWIM这样的实际孔径雷达，为了只测量沿波束视线传播的表面波，需要对雷达覆盖区域进行方位平均。因此，围绕天底角的圆锥形扫描可以检测波的所有方向。

SWIM是一种Ku波段实孔径雷达，以6种不同的入射角度照射地球表面：0°，2°，4°，6°，8°和10°，波束宽度约为2°。（图1）为了获取所有方位角方向的数据，天线馈源喇叭以5.6rpm连续旋转。使用这种观测系统，SWIM可以测量以下地球物理参数：

• 归一化的雷达截面在0°和10°范围内的入射角（所有波束组合）；
• 有效波高（Significant Wave Height，以下简称SWH）和海面风速（使用天底点波束确定）；
• 二维海浪谱（来自6°，8°和10°波束，以下称为“波谱波束”）。

图1 SWIM波束信号发射示意图

SWIM将获取多个近天底点入射角下的数据。这种方式可以改进方向谱的沿轨道采样，以及0°和10°入射角之间的归一化雷达截面的连续剖面，同时也将为计算倾斜调制传递函数（Modulation Transfer Function，以下简称MTF）和波谱提供数据。这些数据还可以确定风速和（在最佳条件下的）方向，并有助于进一步研究海面坡度概率密度函数。

与基于相同概念的机载设计相比，SWIM的主要难度是要确保轨道的均匀。这要求我们选择一个低地球轨道（距地面519公里），并设计了三个最低偏离（off-nadir）波束用于测量方向波谱。此外，为了根据数据估计倾斜MTF，我们需要10°或更大数量级的入射角覆盖。与机载仪器的情况相反，该入射角范围大于估计波谱本身所需的范围。卫星沿地面轨道的快速运动也会导致我们需要严格降低斑点噪声。它需要在星载降噪（通过平均时间和空间）和后处理（包括散斑密度谱估计和消除）之间适当的权衡。

1.3国内外研究现状

在海浪波谱仪方面，国内外有不少研究。比如1981年，Jackson^[1]-[2]基于准镜面散射理论，提出了波谱仪探测原理。依据小角度入射下，雷达后向散射贡献主要来自长波，长波的贡献表现在对后向散射系数的调制的理论框架，从雷达后向散射的调制信号中提取海面的斜率谱，得到波高谱。1991年，Hauser等^[3]在欧洲空间局（The European Space Agency）和法国国家太空研究中心（Centre National d’Etudes Spatiales）的支持下，开始研制机载海浪波谱仪RESSAC。储小青、何宜军^[4]在2015年的《海浪波谱仪微波散射模型》中建立的海浪波谱仪散射模型利用Kirchhoff近似以及准镜面散射理论，建立从海浪方向谱映射到海浪波谱仪后向散射截面（）的散射模型。

本研究所进行的L2级处理的一般目标是提供地球物理产品，这些产品聚集在SWIM的探测区域内，产品所需结果和数据来自L1a和L1b，以及重建二维观测。为此，我们定义产品单元（box）。这些产品单元覆盖在最低点轨道两边，相邻区域被超过180°的连续完全方位扫描分隔，对应地区约70公里*90公里。一些地球物理参数如，SWH，二维波谱和相关海况分区需要通过这些box计算。海浪波谱仪L2级产品中的主要海浪参数有有效波高，海面风速，NRCS廓线，波长和波向等。这些参数的获取国内也有不少研究，比如李秀仲^[5]-[6]通过Jason-1波形数据对有效波高提取流程进行的研究，还有麦名润^[7]结合用于EOS的先进微波扫描辐射计（The Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS，以下简称AMSR-E）和美国国家浮标数据中心（National Data Buoy Center，以下简称NDBC）匹配数据集反演海面风速和海表温度以及张彪^[8]运用合成孔径雷达对海浪参数获取的研究等。

1.4本文的研究内容

本研究采用IPF调用方式，解析工作单（Joborder）文件获得输入、输出、参数等内容，并采用回调函数方式输出日志，返回退出码，产生产品元数据、快视图、生产报告、产品列表和生成波谱仪L2级数据。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：27177字

相关图片展示：