碩士答辯開題報(bào)告撰寫樣本.doc

中國海洋大學(xué) 碩士研究生學(xué)位論文開題報(bào)告學(xué) 院 信息科學(xué)與工程學(xué)院專 業(yè) 光學(xué)工程 學(xué) 號 21090211040 研 究 生 周曉光 指導(dǎo)教師 苗洪利 論文題目 雷達(dá)高度計(jì)海況偏差校正參數(shù)模型的優(yōu)化研究入學(xué)時間 2009 年 9 月 一、立論依據(jù)課題來源、選題依據(jù)和背景情況、課題研究目的、理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值1、 課題來源本課題以“海洋二號衛(wèi)星地面處理系統(tǒng)高度計(jì)數(shù)據(jù)處理軟件研發(fā)項(xiàng)目”為依托，開展對海洋二號衛(wèi)星高度計(jì)海況偏差校正方法的研究。2、 選題依據(jù)和背景情況星載雷達(dá)高度計(jì)是微波遙感的主要載荷之一，它以幾個厘米的精度對全球海面高度進(jìn)行測量，同時可以得到海面有效波高和風(fēng)速等信息。無論在科學(xué)研究、國防建設(shè)還是經(jīng)濟(jì)生活中都有著重要的價(jià)值。目前雷達(dá)高度計(jì)已經(jīng)成為測量能力最強(qiáng)、最有應(yīng)用前景的海洋微波遙感器之一。雷達(dá)高度計(jì)是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)，在各個環(huán)節(jié)中存在著多種誤差。主要分為幾大類：儀器誤差、海況偏差、傳輸誤差、軌道誤差、地球物理誤差。其中海況偏差有三個公認(rèn)的部分：電磁偏差、斜偏差和跟蹤偏差。電磁偏差是指海表面鏡面散射體平均高度（平均散射面）和海平面平均高度之間的差值（如圖1）。現(xiàn)場觀測和理論研究表明鏡面散射體的平均高度低于平均海平面，該差值與有效波高（SWH）成比例。電磁偏差的典型值位于SWH的-1%和-4%之間。斜偏差和跟蹤偏差是由高度計(jì)跟蹤器對鏡面散射體平均高度的不準(zhǔn)確跟蹤造成的【2】。電磁偏差是海況偏差的主要部分，斜偏差和跟蹤偏差通常小于電磁偏差。圖1 粗造海表面下，平均海平面、平均散射面和中值散射面示意圖。高度計(jì)各類誤差中，有些誤差雖然量級很大，但是它們比較穩(wěn)定其機(jī)理也比較簡單，全球范圍內(nèi)殘差的RMS較小，對高度計(jì)測高精度的影響相對較小，例如在Jason-1衛(wèi)星高度計(jì)中，傳輸誤差中干對流層對電磁波的延遲可達(dá)1米以上，但是其殘差的RMS僅為0.7cm；但是海況偏差雖然只有分米量級，但是殘差的RMS卻達(dá)到了2cm；在Jason-1高度計(jì)中測高精度可達(dá)4cm，可見海況偏差在其中所占比重之大。在JASON-1高度計(jì)中，由于精密定軌技術(shù)的提高，海況偏差已經(jīng)取代軌道誤差成為最大的誤差源。因此研究海況偏差并利用它對測高誤差進(jìn)行精確補(bǔ)償是十分有意義的。3課題研究目的結(jié)合高度計(jì)交叉點(diǎn)和共線數(shù)據(jù)各自優(yōu)點(diǎn)建立適于海況偏差參數(shù)模型建立的新型數(shù)據(jù)集，利用此數(shù)據(jù)集并在模型構(gòu)建過程中引入數(shù)據(jù)平滑和加權(quán)的方法得到新型的海況偏差加權(quán)參數(shù)模型。4、 理論意義及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值現(xiàn)階段對海況偏差的研究主要集中在理論研究和數(shù)值分析兩個方向，理論研究是在幾何光學(xué)和物理光學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合海洋波普理論推導(dǎo)得出海況偏差理論模型；數(shù)值分析則是利用高度計(jì)自身的有效波高，風(fēng)速以及海表面高度等高度計(jì)參量，采用合理的數(shù)據(jù)處理方法，得到海況偏差經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。目前通過理論模型無法得到精確的海況偏差值，且理論模型中用到的參量（偏斜系數(shù)，統(tǒng)計(jì)動差和波譜）并不能直接從高度計(jì)數(shù)據(jù)或其它遙感數(shù)據(jù)中迅速得到，因此理論模型并不實(shí)用。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒灰蕾囉趶?fù)雜的理論推導(dǎo)，所需要的主要參量都可以從高度計(jì)數(shù)據(jù)中直接獲得，所以研究海況偏差經(jīng)驗(yàn)方法具有很高的實(shí)用價(jià)值。我國決定在2011年發(fā)射搭載雷達(dá)高度計(jì)的海洋2號（HY-2）衛(wèi)星，急需研究適用于HY-2衛(wèi)星高度計(jì)測高補(bǔ)償?shù)暮r偏差模型。二、文獻(xiàn)綜述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)；所閱文獻(xiàn)的查閱范圍及手段1、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)海況偏差中的電磁偏差是Yaplee 等（1971）首次在塔基雷達(dá)實(shí)驗(yàn)中注意到的。海面的浪尖更容易受到風(fēng)速的影響，波峰把高度計(jì)脈沖向遠(yuǎn)離入射輻射的方向散射，這樣，高度計(jì)測量的后向散射能量在波谷處比在波峰處要強(qiáng)烈，散射點(diǎn)的平均高度在平均海面高度之下，產(chǎn)生了電磁偏差。電磁偏差的理論研究是從Jackson（1979）開始的，他從幾何光學(xué)的角度描述天底入射時微波后向散射，形成關(guān)于散射點(diǎn)高度和迎風(fēng)向斜率的二維聯(lián)合概率密度函數(shù)。Barrick和Lipa（1985）及Srokosz（1986），在Longuet-Higgins的弱非線性假設(shè)下，把Jackson的分析拓展到了二維波場，并推算出了電磁偏差系數(shù)的更精確的理論表達(dá)式。在Elfouhaily等人（2000）所發(fā)展的理論中，短波和長波的統(tǒng)計(jì)是分別進(jìn)行的。在這個理論中，電磁散射是基于幾何光學(xué)的。因而后向散射系數(shù)與被長波所調(diào)整的短波斜率的概率密度函數(shù)是成比例的，得到了理論預(yù)測的電磁偏差公式。以上都是基于幾何光學(xué)的研究，在電磁偏差研究中幾何光學(xué)實(shí)際上是不準(zhǔn)確的。Arnold等人（1991）開始用物理光學(xué)對電磁偏差進(jìn)行研究。最新的電磁偏差理論模型為Warnick等人（2005）提出的基于物理光學(xué)的理論。指出幾何光學(xué)理論只能解釋電磁偏差的一部分，小尺度的水動力調(diào)制是電磁偏差的另一個主要來源。目前通過理論模型無法得到精確的電磁偏差值，且理論公式中用到的參數(shù)（偏斜系數(shù)，統(tǒng)計(jì)動差和波譜）并不能直接從高度計(jì)數(shù)據(jù)或其它遙感數(shù)據(jù)中迅速得到，所以理論模型并不實(shí)用。目前國外最新高度計(jì)（T/P、JASON-1/2）所用的電磁偏差模型都是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。Gaspar等人（1994）對TOPEX/ POSEIDON衛(wèi)星高度計(jì)的海況偏差（SSB）進(jìn)行了研究和分析，提出了基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮r偏差參數(shù)模型算法。利用同一地理位置的交叉點(diǎn)測量不符值有效地消除大地水準(zhǔn)面誤差和動力地形信號誤差的影響，提取出所需要的海況偏差信號。他們使用TOPEX交叉點(diǎn)數(shù)據(jù)，得出了TOPEX的平均海況偏差的大小接近2%SWH。擬合得出的二參數(shù)模型表明SSB會隨著SWH的增大逐漸遞減；三參數(shù)模型很好地揭示了風(fēng)速對于SSB的影響；四參數(shù)模型則更好地體現(xiàn)出風(fēng)速和有效波高（SWH）對SSB的共同影響。同時，還研究了同一參數(shù)模型適合不同的緯度區(qū)域，并建立了針對不同緯度的最佳參數(shù)模型。Chelton（1994）利用TOPEX高度計(jì)同一地理位置的共線測量點(diǎn)數(shù)據(jù)的不符值，對Gaspar提出的海況偏差參數(shù)法進(jìn)行了分析和研究，得到了與Gaspar相同的結(jié)論：并指出TOPEX海況偏差殘差的RMS的大小為1%SWH，成為最大的測高誤差源，已經(jīng)與軌道誤差十分接近。Gaspar等人（1998）提出了一種計(jì)算海況偏差（SSB）新的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头菂?shù)模型。傳統(tǒng)的計(jì)算海況偏差的參數(shù)算法是基于海表面高度(SSH)的交叉點(diǎn)或共線不符值，但經(jīng)論證，如此校正并非真正應(yīng)用了最小二乘法原理來估計(jì)SSB，因?yàn)槟Ｐ蛥?shù)的具體確定需要使用SSH的不符值，并非SSH本身測量值，故參數(shù)法實(shí)際上并不完美。因此，他們提出了基于核平滑技術(shù)的非參數(shù)法可以很好的避免上述問題。他們首次將非參數(shù)法應(yīng)用在分析TOPEX高度計(jì)的SSB上，通過與參數(shù)算法比對，非參數(shù)算法精度更高，更符合最小二乘法原理。特別在中、高緯度海域非參數(shù)法較參數(shù)模型法估計(jì)SSB精度有顯著的提高。Gaspar等人（2002）就海況偏差（SSB）的非參數(shù)算法進(jìn)行了優(yōu)化：用Log-Likelihood-Ratio估計(jì)量取代Nadaraya-Watson估計(jì)量，從而消除數(shù)據(jù)密度大的區(qū)域給SSB帶來的誤差。用Epanechnikov核平滑技術(shù)取代Gaussian核平滑處理方式，這種方法本身雖然對于SSB估計(jì)沒有改善，但它能將巨大的線性矩陣轉(zhuǎn)換為稀疏矩陣，大大提高了計(jì)算效率，使對全周期的SSB估計(jì)成為了可能。利用局部帶寬取代了先前的全局帶寬，使得可以依據(jù)區(qū)域的數(shù)據(jù)密度來改造平滑的數(shù)量，這在數(shù)據(jù)相對稀少的區(qū)域優(yōu)勢明顯。他們利用改善后的非參數(shù)法對TOPEX衛(wèi)星的SSB重新做了估計(jì)，結(jié)果比改進(jìn)之間有較大提高。但是非參數(shù)方法原理較參數(shù)方法復(fù)雜，每一個測量點(diǎn)海況偏差的計(jì)算都需要經(jīng)過大量的矩陣運(yùn)算，所以無法直接應(yīng)用到高度計(jì)數(shù)據(jù)的實(shí)時處理中，為了解決這個問題，計(jì)算出了一些指定值的海況偏差，并利用這些特定值制表，最后用線性插值的方法計(jì)算任意測量點(diǎn)的海況偏差，但是這樣又降低了精度。Vandemark等人（2002）提出了直接計(jì)算的方法，他們研究了平均海平面的性質(zhì)，將高度計(jì)數(shù)據(jù)按照有效波高和風(fēng)速值的分布特征劃分為若干數(shù)據(jù)域，在每個數(shù)據(jù)域內(nèi)求解順時海平面與平均海平面差值的平均值，并將此平均值直接作為在此數(shù)據(jù)域內(nèi)所有測量點(diǎn)的海況偏差值。此方法較為簡單，但是思路與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法并不一致，在高度計(jì)實(shí)際應(yīng)用沒有采納。Labroue和Gaspar等人（2004）利用模擬數(shù)據(jù)研究了共線和交叉點(diǎn)不符值以及海表面高度異常數(shù)據(jù)中的徑向軌道誤差、時標(biāo)誤差等信號對海況非參數(shù)算法結(jié)果的影響，指出共線和交叉點(diǎn)數(shù)據(jù)都可以用于海況偏差算法的研究中，但是二者各有優(yōu)缺點(diǎn)，海表面高度異常數(shù)據(jù)應(yīng)用于海況偏差算法研究的效果仍值得商榷，并同時指出對共線或者交叉點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑等處理之后再應(yīng)用到海況偏差算法研究中效果更好。借鑒了Vandemark等人（2002）的思路，結(jié)合非參數(shù)法，提出了基于海表面異常值的直接算法。翟國君等人針對衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)在全球的分布不均勻，在低緯度地區(qū)比較稀疏而在高緯度地區(qū)卻非常密集，如果所有的點(diǎn)都賦以等權(quán)的話會造成整個權(quán)重偏向于高緯度地區(qū)這個問題，為非交叉點(diǎn)數(shù)據(jù)提供了解析定權(quán)公式，對交叉點(diǎn)數(shù)據(jù)提出了經(jīng)驗(yàn)定權(quán)公式。國內(nèi)研究海況偏差的人極少，只有徐曦煜等人（2008）從幾何光學(xué)的觀點(diǎn)討論了電磁偏差模型，但要把其應(yīng)用于電磁偏差的實(shí)際計(jì)算還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。2、 所閱文獻(xiàn)的查閱范圍及手段文獻(xiàn)查閱主要通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)上查新，主要包括維普科技期刊網(wǎng)，中國知網(wǎng)(CNKI)，以及Spring Link、Elsevier online、AMS Online Journals、Wiley InterScience、Science Direct等外文網(wǎng)站。還借閱了衛(wèi)星測高原理、海洋遙感與應(yīng)用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)處理的理論與方法、C語言程序設(shè)計(jì)、現(xiàn)代海洋測繪等書籍，輔助學(xué)習(xí)和研究。主要參考文獻(xiàn)：1 Yaplee BS, Shapiro A, Hammond DL et, al. 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