CN104698460A - 一种双频共面合成孔径雷达海面风场反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双频共面合成孔径雷达海面风场反演方法。它涉及遥感技术领域，其目的在于针对双频共面SAR对海探测特点研究一种新的海面风场反演方法。首先，对SAR图像进行辐射定标，获得定标后的SAR图像；其次，分别利用L、C波段地球物理模型函数模拟计算后向散射系数；再次，将L、C波段地球物理模型函数联立并构最小造代价函数，通过对其进行求解直接得到海面风速和风向；最后，对模糊风向进行去除。该方法有效的解决了SAR海面风场反演依赖背景场风向资料和风条纹的问题，能够直接从雷达后向散射系数本身反演出精度较高的海面风速和风向，为SAR海面风场探测的业务化应用提供支持。

Description

一种双频共面合成孔径雷达海面风场反演方法

技术领域

本发明属于遥感技术领域，特别是一种双频共面合成孔径雷达海面风场反演方法。

背景技术

合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)是一种主动式微波成像雷达，具有全天候、全天时、高空间分辨率等特点，通过测量海面后向散射信号获取海面图像，可用于提取高精度的海面风场。目前，利用SAR探测数据反演海面风场，通常需先获取海面风向，再将已知相对风向、定标的后向散射系数以及入射角作为不同波段地球物理模型函数(GMF,Geophysical Model Function)的输入，通过迭代计算得到海面风速。通常利用数值预报值、散射计的海面风向、SAR图像的风条纹反演风向等作为地球物理模型函数的相对风向输入，通过分析解算得到SAR海面风场。其中数值预报值和散射计的海面风向空间分辨率相对较低，且与SAR探测时间不一致，影响SAR海面风场反演的精度；SAR图像上黑白相间的风条纹轴线方向与海面风矢量的方向基本一致，借助二维FFT法、局部梯度法、小波分析法、正则化等方法，通过提取SAR图像上的风条纹信息获取海面风向；但据统计，大约仅有60％左右SAR图像可利用风条纹等信息反演出海面风向，该方法应用于海面风场反演时，尤其是业务化应用时存在较大的局限性。因此，需针对SAR对海探测特点研究一种新的海面风场反演方法。

艾未华等[艾未华，严卫，赵现斌，等.C波段机载合成孔径雷达海面风场反演新方法[J].物理学报，2013，62(6)：068401.]提出一种适用于C波段机载SAR的海面风场反演新方法，不依赖背景风向和风条纹同时反演出海面风向和风速，但是该方法仅适用于刈幅较窄的机载SAR探测数据，并不适于刈幅较宽、海况变化幅度较大的星载SAR探测数据。赵现斌等[赵现斌,严卫,孔毅,等.机载C波段全极化SAR海面风矢量反演理论研究及实验验证[J].物理学报,2013,62(13):138402-138402.]提出采用交叉极化数据进行海面风场反演，该方法实现了不借助辅助信息，直接从SAR图像反演海面风场，但全极化SAR的通道串扰校准优于-45dB，对交叉极化后向散射系数辐射定标精度的要求较高。多波段、多极化是未来SAR发展的重要方向，通过发射多个波长的电磁波对目标进行探测，测量目标每一个分辨单元内的不同频度的散射回波，获得与目标散射相关的极化散射矩阵。双频共面合成孔径雷达可获取同一探测海域L、C波段的后向散射系数，为SAR海面风场反演新方法的提出，进一步解决传统SAR海面风场反演中存在的固有问题，提高海面风速、风向反演精度提供了基础。

从上面的分析可以看出，目前尚没有一种可以有效的不需要依赖数值预报值、散射计等背景风向以及风条纹，并可以适用于各种平台的海面风场反演方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双频共面合成孔径雷达海面风场反演方法，从而有效的解决了SAR海面风场反演依赖背景场风向资料和风条纹的问题，能够直接从雷达后向散射系数本身反演出精度较高海面风速和风向，该方法不受刈幅宽度的限制以及通道串扰校准和交叉极化辐射定标精度的影响，可搭载于各种探测平台，为SAR海面风场探测的业务化提供支持。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种双频共面合成孔径雷达海面风场反演方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、对SAR图像进行辐射定标；

步骤2、利用C波段地球物理模型函数计算C波段后向散射系数；

步骤3、利用L波段地球物理模型函数计算L波段后向散射系数；

步骤4、在步骤2获取的C波段后向散射系数、步骤3获取的C波段后向散射系数的基础上，联立L、C波段地球物理模型函数，构造最小代价函数，通过最小代价函数的求解得到海面风速和相对风向；

步骤5、去除风向180°模糊。

较优地，步骤2C波段地球物理模型函数为：

${\mathrm{\σ}}_C({\mathrm{\θ}}_C,\mathrm{\φ},u)={10}^{A(u,{\mathrm{\θ}}_C)}(1+B(u,{\mathrm{\θ}}_C)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+C(u,{\mathrm{\θ}}_C)\cos 2\mathrm{\φ})---\left(1\right)$

式中，σ_C表示VV极化雷达后向散射系数，φ表示风向相对于雷达视向的相对风向，θ_C表示C波段地球物理模型中雷达天线入射角，u表示海面风速，A(u,θ_C)、B(u,θ_C)和C(u,θ_C)表示C波段地球物理模型中由海面十米高度处风速、相对风向、极化方式、雷达频率和入射角决定的C波段地球物理模型的系数(式1中的系数)。

较优地，步骤3具体包括以下步骤：

301，L波段地球物理模型函数为：

σ_L(θ_L,φ,u)＝A₀(u,θ_L)(1+A₁(u,θ_L)cos(φ)+A₂(u,θ_L)cos2φ)    (2)

式中，σ_L表示HH极化雷达后向散射系数，u表示海面风速，φ表示风向相对于雷达视向的相对风向，θ_L表示L波段地球物理模型中雷达天线入射角，A₀(u,θ_L)、A₁(u,θ_L)和A₂(u,θ_L)表示L波段地球物理模型中由海面十米高度处风速、相对风向、极化方式、雷达频率和雷达入射角θ_L决定L波段地球物理模型的系数。

302，由于L波段地球物理模型函数计算得到的为HH极化后向散射系数，当所述HH极化后向散射系数与C波段地球物理模型函数计算得到的VV极化后向散射系数进行联立计算时，需利用极化率模型将HH极化后向散射系数转化为VV极化后向散射系数；

极化率模型表达式为：

$\mathrm{PR}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{VV}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{HH}}}$

PR为极化率比值，σ_VV指垂直(VV)极化后向散射系数，σ_HH指水平(HH)极化后向散射系数。

较优地，步骤4具体包括以下步骤：

401，C波段后向散射系数、L波段后向散射系数联立：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_L({\mathrm{\θ}}_L,\mathrm{\φ},u)=A_0(u,{\mathrm{\θ}}_L)(1+A_1(u,{\mathrm{\θ}}_L)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+A_2(u,{\mathrm{\θ}}_L)\cos 2\mathrm{\φ})\\ {\mathrm{\σ}}_C({\mathrm{\θ}}_C,\mathrm{\φ},u)={10}^{A(u,{\mathrm{\θ}}_C)}(1+B(u,{\mathrm{\θ}}_C)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+C(u,{\mathrm{\θ}}_C)\cos 2\mathrm{\φ})\end{array}\right.,$

θ_L、θ_C分别表示C波段、L波段雷达天线入射角，φ表示风向相对于雷达视向的相对风向，u表示海面风速；402，构造代价函数，令代价函数值最小，并求解：

代价函数为：

$J_{\mathrm{Cost}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ},u)={({\mathrm{\σ}}_L^m({\mathrm{\θ}}_L,\mathrm{\φ},u)-{\mathrm{\σ}}_L^0({\mathrm{\θ}}_L,\mathrm{\φ},u))}^2+{({\mathrm{\σ}}_C^m({\mathrm{\θ}}_C,\mathrm{\φ},u)-{\mathrm{\σ}}_C^0({\mathrm{\θ}}_C,\mathrm{\φ},u))}^2---\left(3\right)$

和分别是利用L波段风场反演模型和CMOD5计算得到的后向散射系数值，和分别表示双频多极化SAR的L波段和C波段后向散射系数的实际观测值，θ表示雷达天线入射角；

403，求代价函数关于海面风速和相对风向φ的梯度，令梯度值为零从而使代价函数获得最小值，得到满足条件的海面风速u和相对风向φ，如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂J_{\mathrm{Cost}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ},u)}{\∂u}=2({\mathrm{\σ}}_L^m-{\mathrm{\σ}}_L^0)\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_L^m}{\∂u}+2({\mathrm{\σ}}_C^m-{\mathrm{\σ}}_C^0)\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_C^m}{\∂u}=0\\ \frac{\∂J_{\mathrm{Cost}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ},u)}{\∂\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}=2({\mathrm{\σ}}_L^m-{\mathrm{\σ}}_L^0)\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_L^m}{\∂\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}+2({\mathrm{\σ}}_C^m-{\mathrm{\σ}}_C^0)\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_C^m}{\∂\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}=0\end{array}\right.$

较优地，步骤5基于数值天气预报值、海上浮标或落山风现象去除模糊风向。

与现有技术相比，本发明包括以下有益效果：

本发明有效的解决了SAR海面风场反演依赖背景场风向资料和风条纹的问题，能够直接从雷达后向散射系数本身反演出精度较高海面风速和风向，该方法不受刈幅宽度的限制以及通道串扰校准和交叉极化辐射定标精度的影响，可搭载于各种探测平台，为SAR海面风场探测的业务化提供支持。

本发明有益效果包括：本发明提供了一种双频共面合成孔径雷达海面风场反演方法，利用双频合成孔径雷达对海探测优势，有效的解决了SAR海面风场反演依赖背景场风向资料和风条纹的问题，能够直接从雷达后向散射系数本身反演出精度较高海面风速和风向，为SAR海面风场探测的业务化应用提供支持。

附图说明

图1是本发明的实现流程图。

图2是L/C双频共面SAR对海观测示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示，一种双频共面合成孔径雷达海面风场反演方法，包括以下步骤：

1、对SAR图像进行辐射定标

辐射定标是指标定SAR***端到端性能，建立SAR图像与目标后向散射截面精确关系的过程，以便通过地球物理处理方法来分析目标区域的性质(如风矢量、海浪高度和土壤湿度等)。

2、利用C波段地球物理模型函数计算后向散射系数

CMOD(C-band models)系列模式根据雷达对海探测的基本原理设计，CMOD模式以实际测量值为基础确定相关系数，明确了VV极化的SAR后向散射系数与相对风向、风速和入射角之间的定量函数关系。CMOD5模式针对已有C波段VV极化微波散射计改进提出的经验公式，其形式如下：

C波段地球物理模型函数为：

${\mathrm{\σ}}_C({\mathrm{\θ}}_C,\mathrm{\φ},u)={10}^{A(u,{\mathrm{\θ}}_C)}(1+B(u,{\mathrm{\θ}}_C)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+C(u,{\mathrm{\θ}}_C)\cos 2\mathrm{\φ})---\left(1\right)$

式中，σ_C表示VV极化雷达后向散射系数，φ表示风向相对于雷达视向的相对风向，θ_C表示C波段地球物理模型中雷达天线入射角，u表示海面风速，A(u,θ_C)、B(u,θ_C)和C(u,θ_C)表示C波段地球物理模型中由海面十米高度处风速、相对风向、极化方式、雷达频率和入射角决定的C波段地球物理模型的系数。

3、利用L波段地球物理模型函数计算后向散射系数

L波段地球物理模型函数应用于L波段HH极化JERS-1SAR。L波段地球物理模型函数通过美国国家航空航天局散射仪的风场数据与日本气象厅的浮标数据为基础拟合出了HH极化的SAR后向散射系数与相对风向、风速和入射角之间的定量函数关系，其形式如下：

σ_L(θ_L,φ,u)＝A₀(u,θ_L)(1+A₁(u,θ_L)cos(φ)+A₂(u,θ_L)cos2φ)    (2)

式中，σ_L表示HH极化雷达后向散射系数，u表示海面风速，φ表示风向相对于雷达视向的相对风向，θ_L表示L波段地球物理模型中雷达天线入射角，A₀(u,θ_L)、A₁(u,θ_L)和A₂(u,θ_L)表示L波段地球物理模型中由海面十米高度处风速、相对风向、极化方式、雷达频率和雷达入射角θ_L决定L波段地球物理模型的系数。

由于LMOD模式适用于L波段HH极化JERS-1SAR，而HH极化雷达后向散射的计算同样依赖VV极化地球物理模型函数，因此需对其进行转换。通常将风向、风速和雷达入射角输入CMOD地球物理模型函数计算VV极化雷达后向散射系数，再利用极化率模型将VV转化为HH极化。极化率模型一般表达式为：

$\mathrm{PR}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{VV}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{HH}}}$

PR为极化率比值，σ_VV指垂直(VV)极化后向散射系数，σ_HH指水平(HH)极化后向散射系数。

4、联立L、C波段地球物理模型函数，构造最小代价函数并求解

4.1对L波段和C波段地球物理模型函数进行联立

由于SARL波段和C波段天线是共面的，两个频段的后向散射系数是对同一海面区域的探测回波，如图2所示，可以联立两个模型的地球物理模型函数，通过求解下式所示的非线性方程组同时得到海面风速和风向，而不依赖于背景风向。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_L({\mathrm{\θ}}_L,\mathrm{\φ},u)=A_0(u,{\mathrm{\θ}}_L)(1+A_1(u,{\mathrm{\θ}}_L)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+A_2(u,{\mathrm{\θ}}_L)\cos 2\mathrm{\φ})\\ {\mathrm{\σ}}_C({\mathrm{\θ}}_C,\mathrm{\φ},u)={10}^{A(u,{\mathrm{\θ}}_C)}(1+B(u,{\mathrm{\θ}}_C)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+C(u,{\mathrm{\θ}}_C)\cos 2\mathrm{\φ})\end{array}\right.,$

θ_L、θ_C分别表示C波段、L波段雷达天线入射角，φ表示风向相对于雷达视向的相对风向，u表示海面风速。

4.2构造最小代价函数并求解

为求解上式的不同地球物理模型函数的方程组，由于方程组中各等式的风速和风向相同，即在双频SAR观测刈幅宽度范围内同一海域的海面风场，构建如下式所示的最小代价函数，通过代价函数的求解直接得到海面风速和风向。

$J_{\mathrm{Cost}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ},u)={({\mathrm{\σ}}_L^m({\mathrm{\θ}}_L,\mathrm{\φ},u)-{\mathrm{\σ}}_L^0({\mathrm{\θ}}_L,\mathrm{\φ},u))}^2+{({\mathrm{\σ}}_C^m({\mathrm{\θ}}_C,\mathrm{\φ},u)-{\mathrm{\σ}}_C^0({\mathrm{\θ}}_C,\mathrm{\φ},u))}^2---\left(3\right)$

和分别是利用L波段风场反演模型和CMOD5模拟计算得到的后向散射系数值，和分别表示双频多极化SAR的L波段和C波段后向散射系数的实际观测值；

403，求代价函数关于海面风速和相对风向φ的梯度，令梯度值为零从而使代价函数获得最小值，得到满足条件的海面风速u和相对风向φ，如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂J_{\mathrm{Cost}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ},u)}{\∂u}=2({\mathrm{\σ}}_L^m-{\mathrm{\σ}}_L^0)\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_L^m}{\∂u}+2({\mathrm{\σ}}_C^m-{\mathrm{\σ}}_C^0)\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_C^m}{\∂u}=0\\ \frac{\∂J_{\mathrm{Cost}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ},u)}{\∂\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}=2({\mathrm{\σ}}_L^m-{\mathrm{\σ}}_L^0)\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_L^m}{\∂\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}+2({\mathrm{\σ}}_C^m-{\mathrm{\σ}}_C^0)\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_C^m}{\∂\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}=0\end{array}\right.$

在实际风场反演中，目标代价函数(4)式一般存在2或4个局部最小值。每个局部最小值对应风速和风向为一个模糊解，因此要得到唯一的真实解，需进行风向去模糊处理。实际上对于(3)式和(4)式的非线性方程组的求解复杂度较高，通常采用数值方法求解。传统的数值方法理论上要求求解过程必须在整个风速、风向二维空间内按一定的搜索间隔逐点计算目标函数值并进行比较，寻找局部极小值点。此过程目标代价函数的计算较为复杂，致使整个反演过程运算量大。本发明在梯度表示(3)式和(4)式基础上，运用双精度搜索法进行最优化求解，求取目标代价函数极小值，从而得到海面风速和风向模糊解，分为粗搜索和精搜索两个主要步骤。粗搜索在风矢量二维空间中以较大的步长搜索到目标函数的几个局部极小值，实现模糊解的粗略定位，并按目标函数值由小到大截取前若干个模糊值。在每个模糊解的附近区域，以较小的步长精搜索到目标函数的极小值点，实现模糊解的精确定位。对精搜索得到的几个模糊解按目标函数值从小到大进行排列，截取前几个模糊解，作为风矢量的最终模糊解.

5、去除风向180°模糊。

SAR反演海面风向的模糊问题是利用地球物理函数模型求解风速、风向时存在的固有问题。目前，模糊风向主要利用数值预报值、海上浮标或落山风等特殊海洋现象去除。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

为从理论上分析本方法的有效性以及双频共面SAR辐射定标精度确定时海面风场反演效果，仿真研究各种风速条件下双频共面SAR海面风场反演误差。以海面风速、风向和入射角为输入，利用L/C波段地球物理模型仿真得到多组不同风速、风向的SAR后向散射系数σ⁰，并引入随机噪声利用含噪声的后向散射系数进行海面风场反演，统计分析海面风速和风向的反演误差，其中表示地球物理模型函数计算得到的后向散射系数值。

假设SAR定标精度为1.5dB，入射角取值为35°，风速范围3～24m/s、风向范围0-359°。SAR观测的噪声电平为一个随机值，为分析提出的反演方法在实际业务中的适用性，随机模拟值并统计分析对风速、风向反演精度的影响，其中取[0,1.5]dB范围的随机数。采用仿真数据，计算C/L双频SAR海面风场反演方法在各风速条件下风向、风速的平均误差，结果如下表所示：

表1风速风向仿真反演误差

风速	风向平均误差(°)	风速平均误差(m/s)
			3	23.10	0.50
4	22.01	0.70
			5	21.57	0.79
6	19.95	0.86
			7	19.40	0.93
8	17.57	1.00
			9	16.58	1.00
10	16.63	0.99

11	16.85	1.06
			12	17.03	1.15
13	18.15	1.38
			14	19.32	1.57
15	20.23	1.89
			16	21.30	2.07
17	22.15	2.30
			18	23.13	2.50
19	23.78	2.64
			20	24.57	2.83
21	25.28	2.96
			22	25.92	3.12
23	26.14	3.12
			24	25.75	3.24

从表中可知，噪声的存在直接影响SAR海面风场反演结果，海面风速的反演误差在总体趋势上随着风速的增大而增大，海面风向反演的误差在中等风速条件下较小，在低风速和高风速条件下误差较大，且风向误差与风速的大小无明显相关性。因此，本发明提出的海面风场反演方法比较适用于中等风速的海况，对于高风速情况可能会产生较大的反演误差.这是由于随着海面风速的增大，后向散射系数的值将增大，在相同定标精度情况下则可能产生更大风速反演误差。

由以上仿真分析可知，本方面提出的一种双频共面技术的合成孔径雷达海面风场反演方法，结合L/C波段地球物理模型函数，可不依赖背景场资料，在中低风速条件下反演出高精度的海面风速和风向，且定标精度是影响海面风速、风向反演效果的关键因素。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种双频共面合成孔径雷达海面风场反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对SAR图像进行辐射定标；

步骤2、利用C波段地球物理模型函数计算C波段后向散射系数；

步骤3、利用L波段地球物理模型函数计算L波段后向散射系数；

步骤4、在步骤2获取的C波段后向散射系数、步骤3获取的C波段后向散射系数的基础上，联立L、C波段地球物理模型函数，构造最小代价函数，通过最小代价函数的求解得到海面风速和相对风向；

步骤5、去除风向180°模糊。

2.根据权利要求1所述的一种双频共面合成孔径雷达海面风场反演方法，其特征在于，步骤2所述

C波段地球物理模型函数为：

${\mathrm{\σ}}_C({\mathrm{\θ}}_C,\mathrm{\φ},u)={10}^{A(u,{\mathrm{\θ}}_C)}(1+B(u,{\mathrm{\θ}}_C)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+C(u,{\mathrm{\θ}}_C)\cos 2\mathrm{\φ})---\left(1\right)$

式中，σ_C表示VV极化雷达后向散射系数，φ表示风向相对于雷达视向的相对风向，θ_C表示C波段地球物理模型中雷达天线入射角，u表示海面风速，A(u,θ_C)、B(u,θ_C)和C(u,θ_C)表示C波段地球物理模型中由海面十米高度处风速、相对风向、极化方式、雷达频率和入射角决定的C波段地球物理模型的系数。

3.根据权利要求1所述的一种双频共面合成孔径雷达海面风场反演方法，其特征在于，步骤3具体包括以下步骤：

301，L波段地球物理模型函数为：

σ_L(θ_L,φ,u)＝A₀(u,θ_L)(1+A₁(u,θ_L)cos(φ)+A₂(u,θ_L)cos2φ)      (2)

式中，σ_L表示HH极化雷达后向散射系数，u表示海面风速，φ表示风向相对于雷达视向的相对风向，θ_L表示L波段地球物理模型中雷达天线入射角，A₀(u,θ_L)、A₁(u,θ_L)和A₂(u,θ_L)表示L波段地球物理模型中由海面十米高度处风速、相对风向、极化方式、雷达频率和雷达入射角θ_L决定L波段地球物理模型的系数；

302，由于L波段地球物理模型函数计算得到的为HH极化后向散射系数，当所述HH极化后向散射系数与C波段地球物理模型函数计算得到的VV极化后向散射系数进行联立计算时，需利用极化率模型将HH极化后向散射系数转化为VV极化后向散射系数；

极化率模型表达式为：

$\mathrm{PR}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{VV}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{HH}}}$

PR为极化率比值，σ_VV指VV极化后向散射系数，σ_HH指HH极化后向散射系数。

4.根据权利要求1所述的一种双频共面合成孔径雷达海面风场反演方法，其特征在于，步骤4具体包括以下步骤：

401，C波段后向散射系数、L波段后向散射系数联立：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_L({\mathrm{\θ}}_L,\mathrm{\φ},u)=A_0(u,{\mathrm{\θ}}_L)(1+A_1(u,{\mathrm{\θ}}_L)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+A_2(u,{\mathrm{\θ}}_L)\cos 2\mathrm{\φ})\\ {\mathrm{\σ}}_C({\mathrm{\θ}}_C,\mathrm{\φ},u)={10}^{A(u,{\mathrm{\θ}}_C)}(1+B(u,{\mathrm{\θ}}_C)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+C(u,{\mathrm{\θ}}_C)\cos 2\mathrm{\φ})\end{array}\right.,$

θ_L、θ_C分别表示C波段、L波段雷达天线入射角，φ表示风向相对于雷达视向的相对风向，u表示海面风速；

402，构造代价函数，令代价函数值最小，并求解：

代价函数为：

$J_{\mathrm{Cost}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ},u)={({\mathrm{\σ}}_L^m({\mathrm{\θ}}_L,\mathrm{\φ},u)-{\mathrm{\σ}}_L^0({\mathrm{\θ}}_L,\mathrm{\φ},u))}^2+{({\mathrm{\σ}}_C^m({\mathrm{\θ}}_C,\mathrm{\φ},u)-{\mathrm{\σ}}_C^0({\mathrm{\θ}}_C,\mathrm{\φ},u))}^2---\left(3\right)$

和分别是利用L波段风场反演模型和CMOD5计算得到的后向散射系数值，和分别表示双频多极化SAR的L波段和C波段后向散射系数的实际观测值；

403，求代价函数关于海面风速和相对风向φ的梯度，令梯度值为零从而使代价函数获得最小值，得到满足条件的海面风速u和相对风向φ，如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\∂J}_{\mathrm{Cost}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ},u)}{\∂u}=2({\mathrm{\σ}}_L^m-{\mathrm{\σ}}_L^0)\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_L^m}{\∂u}+2({\mathrm{\σ}}_C^m-{\mathrm{\σ}}_C^0)\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_C^m}{\∂u}=0\\ \frac{{\∂J}_{\mathrm{Cost}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ},u)}{\∂\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}=2({\mathrm{\σ}}_L^m-{\mathrm{\σ}}_L^0)\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_L^m}{\∂\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}+2({\mathrm{\σ}}_C^m-{\mathrm{\σ}}_C^0)\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_C^m}{\∂\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}=0\end{array}\right.---\left(4\right).$

5.根据权利要求1所述的一种双频共面合成孔径雷达海面风场反演方法，其特征在于，步骤5基于数值天气预报值、海上浮标或落山风现象等去除风向180°模糊。