星载微波散射计系统仿真、性能评估与优化

论文摘要

星载微波散射计是同时测量海面风速和风向的非常有效的遥感手段,可提供全球、全天候、高精度、高分辨率和短周期的海面风场数据。本文主要论述了笔形波束圆锥扫描散射计的系统仿真和影响后向散射系数测量精度的因素,探索了改善散射计系统性能的途径。本文详细论述了微波散射计仿真系统的结构,定义了各模块功能。根据散射计的测量原理,选择后向散射系数的标准差K p为散射计测量精度的度量,并总结了K p的算法。本文对微波散射计测量精度模型主要从两个角度进行了仿真与分析。一方面是改变散射计系统的信号带宽,得出在分辨单元不变的情况下,笔形波束圆锥扫描散射计对于不同输入风场的表现。并分析了有效采样点与信噪比在低速、中等风速、高速风场中对后向散射系数测量精度的影响。此外,还引入了风场反演的评价参数——品质因子(FoM)来进一步分析后向散射系数测量精度对风场反演的影响。之后,根据仿真结果,选出表现最优的散射计系统与SeaWinds散射计进行比较,分析两种系统的优劣。另一方面是改变空间分辨率,得到散射计系统测量精度与反演精度随不同分辨率的变化。上述结论可以为新一代微波散射计的系统设计与实现提供参考和依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 星载微波散射计简介
• 1.2 星载微波散射计测量
• 1.2.1 星载微波散射计的发展
• 1.2.2 未来散射计设计的挑战
• 1.3 散射计的基本形式及其特点
• 1.3.1 扇形波束雷达散射计
• 1.3.2 笔形波束雷达散射计
• 1.4 本文结构
• 第二章 星载微波散射计系统及测量原理
• 2.1 概述
• 2.2 微波散射计的基本原理
• 2.2.1 后向散射系数的定义及其内涵
• 2.2.2 海面回波特性与测量精度的关系
• 2.2.3 微波散射计的基本构成
• 2.3 微波散射计的测风原理及海面风场反演
• 2.3.1 镜面反射和散射
• 2.3.2 布拉格谐振散射
• 2.3.3 海面风场反演
• 2.4 雷达散射计的系统设计和定标
• 2.5 雷达散射系数测量精度的提高途径
• 2.6 HY-2 星载微波散射计系统简介
• 2.6.1 性能指标
• 2.6.2 系统概述
• 第三章 微波散射计仿真系统
• 3.1 仿真系统概述
• 3.2 散射计测量模型
• 3.3 风场反演模型
• 3.4 其它模块
• 3.4.1 风场仿真场景
• 3.4.2 测量几何条件
• 3.4.3 地球物理噪声
• 3.4.4 地球物理模式函数（GMF）
• 3.4.5 散射计仪器参数
• 3.4.6 Level 1 分析
• 3.4.7 Level 2 分析
• 3.4.8 风场比较
• 3.4.9 优化模型
• 3.5 仿真算法的流程
• 第四章 微波散射计的测量精度模型
• 4.1 后向散射系数测量精度的基本理论
• 4.2 微波散射计扫描参数的几何关系
• 4.3 重要的参数定义
• 4.3.1 空间分辨单元
• 4.3.2 采样点
• 4.3.3 观测场景
• 4.3.4 地固坐标系
• 4.3.5 星固坐标系
• 4.4 微波散射计测量参数几何位置矢量的计算
• 4.4.1 空间分辨单元的几何位置矢量
• 4.4.2 计算一个平面与地球的相交面
• 4.4.3 微波散射计发射脉冲的几何位置矢量
• 4.4.4 采样点的几何位置矢量
• 4.4.5 采样点的多普勒频移
• 4.5 微波散射计测量模型仿真结果的计算
• 4.5.1 计算有效采样点
• 4.5.2 计算所有采样点的归一化信噪比
• 4.5.3 计算权重系数
• 4.5.4 计算仿真结果
• 4.6 关于后向散射系数的计算
• 第五章 仿真结果及系统的性能优化
• 5.1 概述
• 5.2 不同信号带宽的散射计系统仿真
• 5.2.1 低速风场的仿真
• 5.2.2 中等风速风场的仿真
• 5.2.3 高速风场的仿真
• 5.2.4 结论
• 5.3 与SeaWinds的比较
• 5.3.1 低速风场的比较
• 5.3.2 中等风速风场的比较
• 5.3.3 高速风场的比较
• 5.4 全球风场的仿真
• 5.5 均匀风场的仿真
• 5.6 不同空间分辨单元的散射计系统仿真
• 第六章 结束语
• 6.1 全文总结
• 6.2 后续工作
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢