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基于无人投饲船动态特性的海浪参数检测及航线规划研究

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基于无人投饲船动态特性的海浪参数检测及航线规划研究

作者：刘婷婷华南农业大学

学位级别：硕士

随着我国海洋资源开发力度不断增加,近年来海水网箱养殖产业得到了快速发展,由于经济和环境因素,海洋网箱由浅海域向深海域发展。深海域网箱在人工养殖过程中,养殖基地距离陆地较远,海况复杂,人工投喂风险高、效率低、作业环境艰苦。我... 详细信息

随着我国海洋资源开发力度不断增加,近年来海水网箱养殖产业得到了快速发展,由于经济和环境因素,海洋网箱由浅海域向深海域发展。深海域网箱在人工养殖过程中,养殖基地距离陆地较远,海况复杂,人工投喂风险高、效率低、作业环境艰苦。我国目前小型海产品养殖户占比例较大,养殖户对设备投入能力较弱,对小型无人投饲船有较强的需求。结合实际工况,小型无人投饲船采用海浪发电补充动力方式具有较强的可行性,其对海浪方向、浪高等参数有技术需求,同时也为海浪较大时避免侧翻调整小型无人投饲船姿态提供数据信息。此外,小型无人投饲船航线规划也是关键技术之一,以最短路径完成作业有助于提高作业效率,节省能源。基于以上分析,本文将重点研究利用小型无人投饲船动态参数进行海浪参数检测,以及小型无人投饲船在投饲作业模式内的路径规划问题。本文主要研究内容如下:(1)小型无人投饲船的设计,主要包括:小型无人投饲船的结构和功能设计,小型无人投饲船动力系统和控制系统设计,通过实物现场试验,监测小型无人投饲船运动轨迹从而测量其运动参数,得到小型无人投饲船最大速度、最大加速度、最小转弯半径等运动参数,为后续研究提供数据支撑。(2)提出一种通过小型无人投饲船在海浪激励下动态参数变化进行海浪参数检测的新方法。利用船载九轴IMU(Inertial Measurement Unit)传感器获取小型无人投饲船动态参数,通过小型无人投饲船动态特性与海浪参数关联验证实验证明通过船身姿态变化推测海浪参数具有可行性,通过小型无人船动态参数实测实验获取船身在标准浪作用下真实的动态参数变化,分段分析与总结得到加速度平均值变化指标(?)为0.02、加速度标准差变化指标(?)为0、特殊加速度标准差变化指标(?)为3、频率常数k为0.9375、幅值变化指标(?)为3,结合指标总结得小型无人投饲船动态参数与海浪参数模型表,根据该表能准确推算出海浪的方向、浪高、频率及周期等参数,通过小型无人投饲船动态参数与海浪参数模型表验证实验证明该模型表能准确检测海浪参数。(3)小型无人投饲船航迹规划,基于小型无人投饲船航行路径的规划要求,充分考虑船在水中行驶时的惯性约束条件和转弯半径约束条件,以最短路径为优化目标,得到最优路径,对改进的插值算法进行优化,利用MATLAB软件进行仿真验证。仿真结果证明,通过动态设置插值算法边界条件的终点时刻斜率k变化区间为[k-│2k│,k+│2k│],k变化梯度Δ为0.01,优化后的算法节省约96%的计算时间,算法性能得到显著提高。

关键词：小型无人投饲船海浪参数航线规划动态特性

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基于智能学习的X波段海浪信息参数反演算法

基于智能学习的X波段海浪信息参数反演算法

作者：宋萌瑞电子科技大学

学位级别：硕士

21世纪是人类海洋开发利用的新时代,对海洋资源的开发利用是人类经济进一步发展的重要方向。海洋对于一个国家的国防安全至关重要,特别是近些年来我国海洋权益不断遭受挑衅。同时,海洋也在不断经受人类的各种污染,海洋环境日益恶化。对... 详细信息

21世纪是人类海洋开发利用的新时代,对海洋资源的开发利用是人类经济进一步发展的重要方向。海洋对于一个国家的国防安全至关重要,特别是近些年来我国海洋权益不断遭受挑衅。同时,海洋也在不断经受人类的各种污染,海洋环境日益恶化。对于海洋的了解和研究一直是各种学科领域的热点,特别是对海洋物理环境的监测,关系到诸多关键领域,对于社会经济的发展意义重大。总之,只有更好的研究和了解海洋,海洋才能提供给我们无尽的资源。X波段雷达,具有时间空间分辨率高,成本低廉,工作稳定,安装方便等优点。人们使用该设备进行海洋探测预警已有很长时间,由于其自动运行,无需值守,能够24小时全天候工作,X波段雷达对于浪流监测也非常方便快捷。本论文,首先回顾了已经成熟的几种海面浪流参数监测方法,以及这些年来利用X波段雷达进行海面参数监测的发展现状。了解了雷达在海面成像以及调制原理后,初步介绍了人工神经网络的概念以及发展现状。之后,针对海面表层流参数的反演,分别采用了最小二乘算法(Least Squares Method)、迭代最小二乘算法(Iterative LSM)、NSP(Normalized Scalar Product)算法。现实中海浪并不是理想的线性谱叠加的关系,特别是在复杂海况下,根据线性关系得到的反演算法并不能非常精确的表征雷达图像与海面浪流参数的关系。我们在计算有效波高时使用的调制传递函数为线性拟合的关系,所以计算精度有限。因此,针对有效波高,本文搭建调试一个广义回归神经网络来进行海谱的拟合以及参数的反演,建立雷达图像一维频谱与浮标谱之间的映射关系。海面雷达图像的数值模拟,可以帮助我们了解后向散射信号形成机理,同时对模拟图像的计算可以验证三种算法的优劣。在阐述了海浪谱的表达形式以及拟合雷达谱与模拟海谱后。针对不同算法进行表层流以及海浪参数的模拟反演,证明了相应算法的准确可靠。利用已经测量得到的大量海面雷达图像数据以及对应浮标海流计数据,本文最后进行了实测雷达数据的参数反演,得到结果后与相对应的浮标或者海流计数据进行对比分析。针对有效波高的反演,分别采用传统线性拟合参数定标的算法和广义回归神经网络的算法进行横向对比。经计算分析,各种算法对于相应的海面浪流参数反演结果都比较好,有效波高的计算结果表明,神经网络算法能够取得更好的结果。对比浮标和海流计参数,各参数计算结果相关系数均在0.75之上。

关键词： X波段雷达海浪参数神经网络表层流一维频谱有效波高

星载高级合成孔径雷达波模式算法及其反演数据精度验证

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海洋科学 2022年第9期46卷 1-11页

作者：于海涛唐泽艳魏永亮刘笑丫上海海洋大学海洋科学学院上海201306 国家海洋局东海预报中心上海200081 上海河口海洋测绘工程技术研究中心上海201306 上海海洋大学国际海洋研究中心上海201306

搭载在欧洲环境卫星(ENVISAT)上的高级合成孔径雷达(Advanced Synthetic Aperture Radar,ASAR)二级波模式数据提供了诸多海浪信息包括有效波高、波向、波长和二维海浪谱等,在海浪预报模式中具有重要作用。本文拟利用浮标观测数据对ASAR... 详细信息

搭载在欧洲环境卫星(ENVISAT)上的高级合成孔径雷达(Advanced Synthetic Aperture Radar,ASAR)二级波模式数据提供了诸多海浪信息包括有效波高、波向、波长和二维海浪谱等,在海浪预报模式中具有重要作用。本文拟利用浮标观测数据对ASAR波模式算法及其反演数据精度进行对比验证。由于SAR卫星在海面的特殊成像机制,不同海况下会有不同的测量结果,通过与美国国家浮标中心(NDBC)的浮标数据对比,显示ASAR有效波高在高海况下低估和在低海况下高估的现象,在中等海况下的测量结果较优。通过研究ASAR数据集中对应的海浪谱,按照能量与方向分布可分为四种类型:单一方向海浪谱(Ⅰ类谱),180°方向模糊海浪谱(Ⅱ类谱),海浪两个方向且能量分布杂乱(Ⅲ类谱),多个传播方向且谱型杂乱海浪谱(Ⅳ类谱)。探究在不同类型下的海浪参数的精度,结果表明在单一波向正常海浪谱情况下,有效波高、波向与浮标数据一致性较好,存在180°方向模糊的对称海浪谱仅有效波高精度较高,谱型杂乱的海浪谱海浪有效波高和波向反演结果均较差。

关键词：星载高级合成孔径雷达波模式海浪谱海浪参数精度验证

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船载雷达测波仪的设计鉴定试验方法研究

中国测试 2018年第3期44卷 6-10页

作者：邓万红卢志忠卫延波 92493部队98分队哈尔滨工程大学自动化学院

目前国内对船载雷达测波仪的性能评价和研究较少,而且基准仪器误差和雷达测波仪误差通常在一个数量级,所以讨论其设计鉴定方法具有重要作用。该文通过分析国外同类产品的设计鉴定方法以及外场试验开展数据采集的环境要求,提出国内船载... 详细信息

目前国内对船载雷达测波仪的性能评价和研究较少,而且基准仪器误差和雷达测波仪误差通常在一个数量级,所以讨论其设计鉴定方法具有重要作用。该文通过分析国外同类产品的设计鉴定方法以及外场试验开展数据采集的环境要求,提出国内船载雷达测波仪设计鉴定试验的主要技战术指标性能实验安排和数据处理及指标评定方法,并利用设计的鉴定试验来验证该方法的有效性。试验结果表明:试验方案考核的船载雷达测波仪的主要技战术指标能够满足鉴定试验要求,可以为国内船载雷达测波仪设计鉴定试验提供指导和建议。

关键词：数据分析航海雷达图像船载雷达测波仪海浪参数

海浪与近水面爆炸兴波联合作用下舰船运动特性研究

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海浪与近水面爆炸兴波联合作用下舰船运动特性研究

作者：骆霄哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

关于近水面爆炸方面,前人研究大多集中于水下爆炸冲击波和气泡,对于爆炸后期产生的兴波研究的较少。但是在真实海战中,爆炸兴波对于舰船的抨击作用也不容小觑。尤其是在近水面爆炸时,会产生更大的兴波,这对舰船的威胁往往是致命的。因... 详细信息

关于近水面爆炸方面,前人研究大多集中于水下爆炸冲击波和气泡,对于爆炸后期产生的兴波研究的较少。但是在真实海战中,爆炸兴波对于舰船的抨击作用也不容小觑。尤其是在近水面爆炸时,会产生更大的兴波,这对舰船的威胁往往是致命的。因此探究近水面爆炸兴波形成的机理,分析不同参数对兴波的影响规律,这对提高水面舰艇的生命力有重要意义。本文通过数值仿真的方法对近水面爆炸兴波进行模拟分析,主要探究爆炸兴波的形成机理以及爆炸参数对兴波的影响规律。在考虑近水面阵列爆炸的情况下,分析不同的布阵方式对兴波特性的影响,基于以上分析后,选取适当的工况,对兴波作用下的船体运动特性进行探讨,记及海浪的影响,探究爆炸兴波在海浪场中的传播规律,分析海浪与兴波联合作用对船体运动的影响。论文的主要工作有:(1)首先对所使用的S-ALE方法进行介绍,之后基于S-ALE方法对海浪以及近水面爆炸进行模拟计算。对比二阶stokes波的理论结果,包括波形和流体质点速度,进而验证了海浪计算方法的正确性。最后对近水面爆炸兴波模拟方法进行验证,建立水面爆炸仿真模型,通过对比兴波高度预测公式,验证了近水面爆炸模拟方法的正确性。(2)根据建立的近水面爆炸计算模型,对近水面爆炸兴波的生成及演化规律进行分析。针对兴波波面的传递规律,拟使用海浪参数描述兴波特征,对兴波生成的机理和现象进行解释。分析爆炸参数对水面兴波特性的影响,最后选取适当的工况对爆炸兴波作用下的船体运动特征进行分析。(3)针对近水面阵列爆炸,基于单爆源兴波传递规律的基础,进一步考虑同等装药配比的阵列爆炸兴波特性,并探究不同空间参数对于阵列爆炸兴波特性的影响。在得到不同空间参数对其影响规律以后,选取适当的工况,建立简化的船体模型,分析近水面阵列爆源的不同布阵方式对于船体运动特性的影响。(4)考虑海浪场参数(波高、波长、相位)对爆炸兴波的影响,在了解爆炸兴波在海浪场传播特性后,分析海浪参数与兴波的叠加效应。通过探讨海浪参数对兴波威力增益效果,选取适当的工况,分别探究单爆源爆炸兴波以及阵列爆源爆炸兴波与海浪联合作用下对舰船运动响应的影响,揭示海浪场中的近水面爆炸对舰船毁伤规律。

关键词：近水面爆炸 ALE方法海浪参数船体运动

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基于X波段相参雷达获取海浪信息的方法研究

基于X波段相参雷达获取海浪信息的方法研究

作者：李美薇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

海洋是一块纯净又蕴藏着大量资源的蓝色宝藏,近现代以来,随着科技的发展,人类逐渐将发展的眼光移向海洋。但大自然带来如此丰厚的“礼物”的同时,也带来灾害与惨剧。为了确保航运、沿海城市以及各种海上作业的安全性,人们尝试用各种方... 详细信息

海洋是一块纯净又蕴藏着大量资源的蓝色宝藏,近现代以来,随着科技的发展,人类逐渐将发展的眼光移向海洋。但大自然带来如此丰厚的“礼物”的同时,也带来灾害与惨剧。为了确保航运、沿海城市以及各种海上作业的安全性,人们尝试用各种方法观测变幻莫测的海况信息。X波段雷达相对于其它的测量手段,具备分辨率较高、观测范围较大、且成本较低等多方面优势,所以本文对基于X波段相参雷达获取海浪参数信息的方法展开研究。本文首先分析了X波段相参雷达获取的两种数据集(雷达海浪图像和多普勒速度场)的形成机理,根据线性波理论,我们对随机海浪波高进行建模,并加入了阴影调制与倾斜调制两种重要调制作用,得到了仿真的雷达海浪图像。而后,通过对大量相关文献的阅读与学习,我们对X波段雷达观测海浪时获得的多普勒速度构成进行分析,并给出了可信的数据仿真方法,得到了仿真的多普勒速度场。这两种仿真数据集为下文的算法研究提供数据支撑。随后,本文对利用多普勒速度场重构海面波高场方法进行了学习与分析。我们利用仿真的多普勒数据重构了波高场,重构波高场与原始波高场在定性和定量的比较中都显示出了算法的有效性。该结论不仅再次证明了我们仿真数据的可信度,同时带给我们改进经典海浪参数获取方法——3D-FFT算法的灵感。基于非相参雷达的3D-FFT算法由于是对雷达图像强度进行频域分析,所以必须使用调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)将图像谱校正为海浪谱。MTF的计算需要使用由实地测量工具测量的真实波高信息,这带来了高昂的工作成本。不仅如此,MTF参数的不确定性对结果的准确度造成影响。本文将重构波高方法与3D-FFT方法结合,提出了两种适用于相参雷达的改进3D-FFT算法以解决上述MTF带来的弊端。第一种方法用重构波高场代替实测数据,大大降低了MTF的获取难度与成本。第二种方法用重构波高场代替了海浪图像作为算法输入,更加彻底的避免了MTF的使用。仿真实验结果表明,两种方法均可以获得较精确的海浪参数值,但第二种方法在复杂度和估计精度上都略优于第一种方法。最后,本文以实际应用为出发点,研究了雷达天线长时间指向主波方向时的有效波高获取方法。考虑到投影效应造成的能量损耗,凝视模式下的多普勒速度场被仿真,然后被用于有效波高的估计。仿真实验获得了令人满意的结果,有效波高的估计值与真实值偏差小于0.16米。

关键词： X波段相参雷达海浪参数 3D-FFT 有效波高

X波段宽带相参雷达海面回波信息反演技术研究

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X波段宽带相参雷达海面回波信息反演技术研究

作者：邹赛哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着人类的不断进步与发展,人的活动范围从陆地延伸到海洋。世界上许多国家对海洋内丰富的资源的进行不断的开发与利用,为本国创造了巨大的财富。海洋监测系统由于能够为各国在海洋上的各项活动提供重要的支持而受到广泛的研究。与其他... 详细信息

随着人类的不断进步与发展,人的活动范围从陆地延伸到海洋。世界上许多国家对海洋内丰富的资源的进行不断的开发与利用,为本国创造了巨大的财富。海洋监测系统由于能够为各国在海洋上的各项活动提供重要的支持而受到广泛的研究。与其他海洋监测手段相比,X波段雷达海浪参数测量系统具有灵活、高效以及费用低的特点。本文研究了传统非相参雷达下的海浪参数提取所用的谱分析方法。采用随机海浪的生成方法并结合海面对雷达图像的调制机理,通过采用计算机仿真的方式,我们成功得到特定海浪参数下的雷达海面图像序列。在仿真图像序列的基础上采用传统算法对原图像进行处理,得到了反演的海浪谱,得到了与仿真输入的海浪谱相一致的结果。传统的谱分析方法并没有用到雷达测量的速度信息。本文通过仿真得到海浪轨道速度道与海浪谱的参数的关系。结合国外的关于海浪多普勒信息的相关研究内容和从网上获取的IPIX雷达实测数据,验证了多普勒速度信息、海浪周期这两个参数与海浪有效波高存在很强的相关性,通过轨道速度得到海浪的波高。基于信噪比的波高测量方法需要依据浮标数据进行校正,本文对长期从事X波段雷达海浪信息反演研究的Gangeskar教授2014年提出的利用阴影调制原理,无需校正,直接计算海浪有效波高算法做了分析与验证。上述方法中雷达图像二值化的所用的阈值对波高反演的的果影响最大,通过IPIX雷达实测数据的分析处理,我们提出了该阈值确定的依据和方法。最后为了使海浪检测系统能够在船载平台上有效,对船载平台海浪信息反演做了初步的研究,介绍了船的平动的补偿方法。另外分析了船上下起伏对雷达海面图像的影响,通过仿真,我们得到船载平台的上下起伏会影响海浪谱的信噪比,从而增加海浪有效波高测量误差的重要结论。

关键词： X波段雷达海浪参数多普勒速度有效波高阴影调制船载信噪比

船载X波段宽带相参雷达海浪信息反演技术研究

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船载X波段宽带相参雷达海浪信息反演技术研究

作者：王鹤雷哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

海洋具有丰富的自然资源,随着人类社会经济的发展、科学技术的进步、人口的增长,人类对资源的需求越来越大,开发海洋资源已经成为一种必然趋势。海洋不但提供了丰富自然资源,还是国家的天然屏障,除此之外,交通运输更离不开海洋。海洋监... 详细信息

海洋具有丰富的自然资源,随着人类社会经济的发展、科学技术的进步、人口的增长,人类对资源的需求越来越大,开发海洋资源已经成为一种必然趋势。海洋不但提供了丰富自然资源,还是国家的天然屏障,除此之外,交通运输更离不开海洋。海洋监测系统能够为各种海上作业提供支持与保障,因此得到广泛研究,其中以X波段雷达为核心的海浪监测系统因其价格便宜、分辨率高、可全天候工作、方便灵活的优点受到格外关注。本文对X波段雷达海态参数提取算法的发展历程进行了简要叙述。关于该算法的研究大都集中于传统非相参雷达,很少有关于X波段相参雷达算法的研究。与非相参雷达相比,X波段宽带相参雷达主要有以下两个优势:1.可以获取海浪的径向速度;2.具有更高的径向距离分辨率。为了充分利用它的优势,本文对基于宽带X波段相参雷达的海浪信息反演算法进行了研究,并研究了对算法精度影响的因素。X波段宽带相参雷达的反演算法借鉴了传统方法的部分内容,因此首先对传统的算法进行了研究。研究采用数值仿真的方法生成了随机海浪,在此基础上根据雷达成像调制机理生成了雷达海杂波仿真图像。随后应用传统的X波段雷达反演算法进行了参数的反演,得到的结果与仿真设定值符合得较好。对于相参雷达,可以利用获取的海浪径向速度信息对海面波高图进行重构。对径向速度按径向距离积分,可以得到速度势函数,根据自由海面的边界条件,可由速度势函数重构出海面波高图。对海面波高图进行三维傅里叶变换即可得到海浪谱,进而计算得到各参数。该算法受到距离分辨率的影响,因此仿真研究了不同距离分辨率下波高图的重构效果和反演精度。对于船载雷达而言,雷达测量的多普勒速度会在海浪径向速度的基础上会增加一个船的航行速度在该点投影的径向速度,需要将测得的多普勒速度与船舶径向速度相减才能得到海浪径向速度。但由于船速的测量存在误差,这会对反演精度产生影响,因此对不同测速误差情况下的反演情况做了仿真分析。另外对船载雷达情况下根号信噪比与有效波高的关系进行了仿真,并介绍了船载雷达计算有效波高的方法。

关键词： X波段雷达海浪参数宽带相参有效波高船载

基于SAR图像的海面风和海浪的反演算法研究

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基于SAR图像的海面风和海浪的反演算法研究

作者：丁莹莹浙江海洋大学

学位级别：硕士

20世纪70年代开始,合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)就被应用到海洋要素的反演当中去,它发射的微波可以穿云透雾,不受白天黑夜地影响,可全天时、全天候对海面的物理动态过程进行成像,且成像的分辨率很高,能实现多极化、多角... 详细信息

20世纪70年代开始,合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)就被应用到海洋要素的反演当中去,它发射的微波可以穿云透雾,不受白天黑夜地影响,可全天时、全天候对海面的物理动态过程进行成像,且成像的分辨率很高,能实现多极化、多角度、多波段的对物观测,提供大范围内有关海洋表面的实时动态信息。因此,本文便利用SAR的这些优点来进行海面风场和海浪参数的反演。在海面风场反演的章节中提出一种基于地球物理模型函数(Geophysical Model Function,GMF)C-SARMOD2的重新调谐算法。在这一章节中搜集了1万多张VV极化和HH极化的全极化条带(QPS)模式和波(WV)模式的GF-3 SAR图像,并将这些数据作为输入项,带入到C-SARMOD2算法当中,拟合出新的系数,调整的算法称作C-SARMOD-GF,然后结合其他三种算法C-SARMOD、C-SARMOD2和CMOD7进行风场反演,再分别与先进散射计(ASCAT)和国家数据浮标中心(NDBC)的风速数据比较。在VV极化下C-SARMOD-GF算法反演风速的均方根误差(RMSE)约为1.7m/s,其他三种算法反演的RMSE为1.86-2.35m/s;在HH极化下C-SARMOD-GF算法反演风速的均方根误差(RMSE)约为1.8m/s,其他三种算法反演的RMSE为1.93-2.28m/s。结果表明,C-SARMOD-GF算法的性能优于其他三种先进的算法,但是仅限于中低风速下,在强风条件下的有效性还有待验证。在海浪参数反演的章节中利用两种方法进行海浪参数的反演,第一种就是基于理论的海浪反演算法,将SAR强度谱反演为基于SAR波映射机制的波谱。在之前的研究中发现海浪反演算法初猜谱法(PFSM)适用于中低海况的C波段和X波段SAR。本文便研究了PFSM算法在气旋条件下应用于超宽测绘带(EW)和干涉宽测绘带(IW)模式下采集的双极化C波段Sentinel-1 SAR的性能。利用C波段交叉极化耦合参数海洋模式(C-3PO)对6幅VH极化Sentinel-1 SAR图像进行了强风反演,然后在VV极化Sentinel-1 SAR图像中得到的海浪参数,即有效波高(SWH)和平均波周期(MWP),将其与WAVEWATCH-III(WW3)模型的模拟结果进行了比较。验证表明,SWH的均方根误差(RMSE)为0.69 m,偏差为–0.01 m;MWP的均方根误差(RMSE)为0.62 s,偏差为–0.17 s。本研究证实了PFSM算法在气旋条件下海浪参数反演中的适用性。此外,在风浪直接影响较强的气旋眼右侧区域,反演结果的精度较低;而在风浪与涌浪相互作用较差的气旋眼左侧和后部区域,PFSM算法效果较好。第二种则是人工智能算法,本文利用在中国海域收集的GF-3 SAR图像资料,研究了台风条件下的海浪反演问题。用两种人工智能方法处理了与4个台风有关的6幅GF-3 SAR图像,并利用WW3数值模式模拟的有效波高和Jason-2高度计获得的有效波高数据对反演结果进行了验证,RMSE的结果分别为0.1m和0.61m,在可允许的误差范围内。结果表明该算法能较好地反演台风条件下的海浪参数。

关键词：合成孔径雷达反演海面风海浪参数