复合雷达后向散射模型与合成孔径雷达、散射计和高度计海面雷达后向散射观测的比较分析

海洋微波散射模型相比于以经验统计建立的地球物理模式函数具有不受特定微波频率限制的优势。组合布拉格散射模型和几何光学模型形成了复合雷达后向散射模型。利用南海北部气象浮标2014年海面风速风向实测值作为散射模型输入，分别比较了复合雷达后向散射模型与RADARSAT-2卫星C波段SAR、HY-2A卫星Ku波段微波散射计的海面后向散射系数，偏差分别为(?0.22±1.88) dB (SAR)、(0.33±2.71) dB (散射计VV极化）和(?1.35±2.88) dB (散射计HH极化)；以美国浮标数据中心(NDBC)浮标2011年10月1日至2014年9月30日共3年的海面风速、风向实测值作为散射模型输入，分别比较了复合雷达后向散射模型与Jason-2、HY-2A卫星Ku波段高度计海面后向散射系数，偏差分别为(1.01±1.15) dB和(1.12±1.29) dB。中等入射角和垂直入射下的卫星传感器后向散射系数观测值与复合雷达后向散射模型模拟值比较，具有不同的偏差，但具有相同的海面风速检验精度，均方根误差小于1.71 m/s。结果表明，复合雷达后向散射模型可模拟计算星载SAR、散射计和高度计观测条件下的海面雷达后向散射系数，且与CMOD5、NSCAT-2、高度计业务化海面风速反演的地球物理模式函数的计算结果具有一致性；复合雷达后向散射模型可用于微波遥感器的定标与检验、海面雷达后向散射的模拟。     

星载全极化微波散射计仿真与海面风场反演研究

通过建立全极化微波散射计系统仿真模型,探索全极化微波散射计的风场反演方法;通过对比不同仪器测量精度下全极化和同极化微波散射计风场反演结果,分析评价全极化微波散射计系统反演海面风场的性能.全极化微波散射计通过增加测量信息来减少模糊解出现的概率,进一步提升风场反演精度.结果表明全极化微波散射计相比同极化微波散射计具有更好的风场反演性能,对于风向结果的改善较为明显:在仿真实验中,全极化仿真反演的风速误差结果优于同极化10°以上,证明了全极化微波散射计能够提升风场反演性能.该仿真结果对我国后续海洋卫星的研发具有一定的借鉴作用.     

基于Aquarius数据的粗糙海面L波段辐射模型研究

Aquarius是NASA于2011年6月发射的基于主被动遥感技术的盐度观测卫星,其主要载荷是一个工作于L波段的微波辐射计。Aquarius天线三波束扫描刈幅可达390km,在7d内完成对全球海域的盐度观测。海面风浪导致海面粗糙度的变化,进而影响海面微波辐射特性。粗糙海面辐射亮温是盐度信息提取的重要误差源,需要发展相应的海面辐射模型进行修正。本文利用Aquarius观测的海表亮温数据,与扫描微波辐射计WindSat测量数据进行时空匹配,建立了一个描述粗糙海面L波段辐射特性的参数化模型,进而利用该模型进行了海表盐度反演,并将反演结果与Argo实测盐度数据进行了比较。结果表明,本文发天展的参数化模型可以准确描述中低风速条件下的粗糙海面辐射,在12m/s以上高风速条件下对粗糙海面亮温存在高估;采用此模型反演的盐度误差优于0.5,在高风速条件下盐度反演误差可超过1。     

海面风速微波散射测量与分析

为了深入研究海面风的微波散射特性 ,利用海洋石油平台和飞机作为仪器的工作平台 ,对海面微波散射特性进行了测量 ,并应用统计分析方法 ,对测量数据作处理分析。结果表明 ,海面微波后向散射系数 (σ°)值与海面风速成线性关系 ,随风速增大而增大。同时 ,σ°值与夹角及散射计天线入射角、极化方式有关。结合对海面微波散射算法中 Phillips模式的分析比较 ,得到 Phillips模式的计算值与实测值变化趋势一致的结果     

针对C波段组网SAR卫星的风场优化反演方法研究

地球物理模型函数是一种常被用于同极化合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）的风场反演方法。在使用该方法提取SAR数据的风速时,需要将风向作为输入信息,这导致反演风速的精度受风向精度的影响,且使SAR风场反演无法独立完成。为了解决这些问题,通过数值模拟获取仿真的组网SAR卫星数据,3颗SAR同时以不同的入射角观测同一海面。针对仿真的组网SAR卫星数据,发展了一种风场优化反演方法,可以在不输入风向的前提下反演风速,提供参考风向还可以进一步提高风场反演的精度。     

基于C-2PO模型和CMOD5.N地球物理模式函数的SAR风速反演性能评估

本文选取142幅RADARSAT-2全极化合成孔径雷达（SAR）影像，在没有入射角输入的情况下，首先利用C-2PO模型进行海面风速反演。随后，将同一时空下的ASCAT散射计风向作为初始风向，提取相应雷达入射角，利用地球物理模式函数（GMF） CMOD5.N对142幅SAR影像进行风速计算。反演结果与美国国家资料浮标中心海洋浮标风速数据对比，结果显示:CMOD5.N GMF和C-2PO模型均可反演出较高精确度的海面风速，其均方根误差分别为1.68 m/s和1.74 m/s。此外，研究发现，在低风速段，CMOD5.N GMF的风速反演精度要明显优于C-2PO模型。针对这一现象，本文以SAR系统成像机理为基础，以低风速SAR图像为具体案例，给出了3种造成这一现象的原因。     

一种温度相关的HY-2A散射计地球物理模型函数

利用散射计测量海面后向散射系数, 并通过地球物理模型函数(geophysical model function, GMF)反演得到海面风场。目前散射计风场反演所采用的GMF一般只考虑雷达极化方式、雷达入射角、风速和相对风向对海面后向散射系数的影响, 而相关研究表明海表温度(sea surface temperature, SST)对Ku波段散射计风场反演具有不可忽略的影响。文章利用海洋二号A卫星散射计(Haiyang-2A Scatterometer, HY2A-SCAT)后向散射系数观测值、欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF )再分析风矢量和SST数据, 采用人工神经网络方法, 建立起一种SST相关的GMF (TNGMF)。对TNGMF进行分析后发现, 海面后向散射系数随着SST的增加而增加, 并且其增加幅度与雷达极化方式、风速有关。为了对比, 文章使用相同数据集和相同方法建立了不包含SST的GMF (NGMF), 将美国国家航天航空局散射计-2 (National Aeronautics and Space Administration Scatterometer-2, NSCAT2) GMF、TNGMF和NGMF分别用于HY2A-SCAT风场反演实验。试验结果表明, 采用NSCAT2 GMF、NGMF反演得到的风速在低温时系统性偏小, 在高温时系统性偏大; 而TNGMF可较好地纠正SST对风速偏差均值的影响, 从而提高反演风场质量。     

海浪微波散射理论模式

在假设海面白帽为球形气泡层的基础上,利用白帽海面的矢量辐射传输方程各随机粗糙面散射模型建立了海面的微波散射模型。辐射传输方程利用迭代法求解,随机粗糙面散射模型采用双尺度散射模型,利用白帽覆盖率的经验公式计算海面的微波散射特性。数值计算结果表明,随着气泡厚度的增加球形气泡散射系数越来越接近球形粒子散射系数;白帽对散射同的贡献随风速增大而增大;侧风情况比逆风和顺风情况影响均大;水平极化比垂直极化影响大     

一维综合孔径微波辐射计遥感海面温度的敏感性分析

一维综合孔径微波辐射计能够有效提高观测的空间分辨率，其观测入射角通常在0°~55°范围内变化。为了开发适用于一维综合孔径微波辐射计的海面温度反演算法，需要评估其观测亮温对海洋大气环境要素的敏感性。利用海面发射率模型和大气辐射传输模型，构建了适用于一维综合孔径微波辐射计的微波海洋大气辐射传输模式，研究了C波段垂直和水平极化微波辐射亮温在不同入射角下对海洋大气环境要素的敏感性变化情况，并定量计算了相应的敏感系数。结果表明:垂直和水平极化亮温对海洋大气环境要素的敏感性表现出不同的特性。随着入射角的增大，垂直极化亮温对海面温度的敏感性增强，对海面风场的敏感性相对减弱；水平极化亮温则相反。由大气水汽含量和云液态水含量误差引入的垂直和水平极化亮温误差随入射角增大而增大，但是，即使在55°的大入射角下垂直和水平极化亮温误差仍小于0.12 K。对于海面温度反演精度优于1 K的要求，一维综合孔径微波辐射计的测温精度需优于0.6 K。研究结果对于一维综合孔径微波辐射计海面温度反演算法的研究和载荷设计具有一定的理论指导意义。     

流场调制下的海面对全极化雷达双站散射的影响研究

从波作用量守恒方程出发,在积分方程模型的基础上,通过特征线法对守恒方程进行求解,推导建立了受波流调制的海面雷达双站散射模型,进行了受流场调制下的海面上半空间散射系数的仿真,分析了全极化下双站散射系数受流速变化的影响,以及风场与雷达参数(雷达波频率、雷达波入射角)对流场调制作用的影响。结果表明,随着流速的增大,海面后向散射空间半球区域的散射系数逐渐减小,在前向散射空间半球区域中,交叉极化下的散射系数变化较为明显。风速的增大和风向与流向的夹角增大会导致流场调制所引起的散射系数变化减弱。入射角变化会导致调制作用最明显区域的散射角度改变。随着频率的增大,流场调制作用增大。     

基于海面多普勒谱模型的海浪反演精度分析

Microwave remote sensing is one of the most useful methods for observing the ocean parameters. The Doppler frequency or interferometric phase of the radar echoes can be used for an ocean surface current speed retrieval,which is widely used in spaceborne and airborne radars. While the effect of the ocean currents and waves is interactional. It is impossible to retrieve the ocean surface current speed from Doppler frequency shift directly. In order to study the relationship between the ocean surface current speed and the Doppler frequency shift, a numerical ocean surface Doppler spectrum model is established and validated with a reference. The input parameters of ocean Doppler spectrum include an ocean wave elevation model, a directional distribution function, and wind speed and direction. The suitable ocean wave elevation spectrum and the directional distribution function are selected by comparing the ocean Doppler spectrum in C band with an empirical geophysical model function(CDOP). What is more, the error sensitivities of ocean surface current speed to the wind speed and direction are analyzed. All these simulations are in Ku band. The simulation results show that the ocean surface current speed error is sensitive to the wind speed and direction errors. With VV polarization, the ocean surface current speed error is about 0.15 m/s when the wind speed error is 2 m/s, and the ocean surface current speed error is smaller than 0.3 m/s when the wind direction error is within 20° in the cross wind direction.     

高海况海洋遥感信息提取技术研究进展

中等海况下,星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)已经广泛应用于海洋动力环境要素的监测(风场、波浪、流场)。近年来,SAR高海况遥感,尤其是探测台风海面风场、巨浪、流场已经成为国内外研究热点,并突破了一些关键技术。利用SAR多极化成像模式对海观测和新发展的地球物理模式函数,可以提取高海况下的海面风速、风向、有效波高、流速和流向等海洋表面关键物理参数。这些环境要素可以用于海洋灾害监测预警;为海洋和大气数值模式提供准确的初始场和同化源,改进模式预报精度;为研究全球气候变化提供有力的观测依据。     

基于浮标实测数据的WindSat海洋反演产品精度分析

To evaluate the ocean surface wind vector and the sea surface temperature obtained from Wind Sat, we compare these quantities over the time period from January 2004 to December 2013 with moored buoy measurements. The mean bias between the Wind Sat wind speed and the buoy wind speed is low for the low frequency wind speed product(WSPD_LF), ranging from –0.07 to 0.08 m/s in different selected areas. The overall RMS error is 0.98 m/s for WSPD_LF, ranging from 0.82 to 1.16 m/s in different selected regions. The wind speed retrieval result in the tropical Ocean is better than that of the coastal and offshore waters of the United States. In addition, the wind speed retrieval accuracy of WSPD_LF is better than that of the medium frequency wind speed product. The crosstalk analysis indicates that the Wind Sat wind speed retrieval contains some cross influences from the other geophysical parameters, such as sea surface temperature, water vapor and cloud liquid water. The mean bias between the Wind Sat wind direction and the buoy wind direction ranges from –0.46° to 1.19° in different selected regions. The overall RMS error is 19.59° when the wind speed is greater than 6 m/s. Measurements of the tropical ocean region have a better accuracy than those of the US west and east coasts. Very good agreement is obtained between sea surface temperatures of Wind Sat and buoy measurements in the tropical Pacific Ocean; the overall RMS error is only 0.36°C, and the retrieval accuracy of the low latitudes is better than that of the middle and high latitudes.     

蒸发波导环境中微波传播敏感性分析

海洋蒸发波导是微波通信的优良天然信道,但微波信号在波导中传播时容易受气海环境因素变化的影响。本文采用扩展傅里叶幅度敏感性分析法（Extended Fourier Amplitude Sensitivity Test,EFAST）,分析了蒸发波导环境中微波传播路径损失对空气温度、海表温度、近海面风和相对湿度等气海环境因素变化的敏感性特点。敏感性分析结果呈现一种频率相关的频散特性,而信号极化方式影响较小。这4种环境因素中,相对湿度对路径损失的整体影响最大;在传播距离较近且高度较高的范围内近海面风速对传播的影响占据主导;空气温度和海表温度的敏感性大致相当;风速的影响是4种环境因素中最为复杂的,这也是在实际分析中需要额外重视的。本文对蒸发波导环境参数的敏感性分析结果对现场波导观测试验具有重要的参考意义,对敏感度高的环境参数可以考虑优先进行高时空分辨率观测。此外,在运用中尺度数值天气预报模式进行蒸发波导预报时,优先发展与敏感度高的气海参数有关的物理过程参数化方案,可以节约计算时间和资源。     

Aircraft measurements of the microwave scattering signature of the ocean

Microwave scattering signatures of the ocean have been measured over a range of surface wind speeds from 3 m/s to 23.6 m/s using the AAFE RADSCAT scatterometer in an aircraft. Normalized scattering coefficients are presented for vertical and horizontal polarizations as a function of incidence angle (nadir to55deg) and radar azimuth angle (0degto360deg) relative to surface wind direction. For a given radar polarization, incidence angle, and azimuth angle relative to the wind direction, these scattering data exhibit a power law dependence on surface wind speed. The relation of the scattering coefficient to azimuth angle obtained during aircraft circles (antenna conical scans) is anisotropic and suggests that microwave scatterometers can be used to infer both wind speed and direction. These results have been used for the design of the Seasat-A Satellite Scatterometer (SASS) to be flown in 1978 on this first NASA oceanographic satellite.     

北极海域海面风场和海浪遥感观测能力分析

卫星遥感是开展北极海域海面风场和海浪分布特征与变化规律研究的重要手段。本文基于在轨多源卫星遥感数据，从遥感观测空间覆盖、时间覆盖和多源卫星遥感数据融合等方面开展北极海域海面风场与海浪遥感观测能力分析，研究主要结果为:基于ASCAT和HY-2A散射计可实现北极海域海面风场遥感观测，通过多星联合观测可获取北极海域时空分辨率优于12 h和0.1°的海面风场遥感融合数据；基于HY-2A、CryoSat-2、SARAL和Sentinel-3高度计可实现北极海域海浪遥感观测，同样通过多星联合观测可获取北极海域时空分辨率优于1 d和0.25°的海浪有效波高遥感融合数据；基于2016年北极海面风场和海浪遥感融合数据，分析得出北极海域海面风场和海浪在2月处于极大值，然后逐渐减小，7月最小，随后开始逐渐增大。本研究表明，基于多源散射计和高度计遥感观测可实现北极海域海面风场和海浪的高时空分辨率遥感业务化监测。     

具有A.K.Fung 海谱的粗糙海面电磁散射的微扰法研究

运用微扰法研究了平面电磁波入射随机粗糙面的电磁散射问题,得到了具有A.K.Fung海谱的粗糙海面散射截面的数学表达式,进一步得出了不同极化状态下散射系数的计算公式.通过数值计算得到了双站和单站两种情形下散射系数随散射角、风速、入射波频率变化的曲线,讨论了粗糙面高度起伏均方根、海水温度、风速、入射波频率对散射系数的影响,...     

Assessment of the initial sea surface temperature product of the scanning microwave radiometer aboard on HY-2 satellite

HY-2 satellite is the first satellite for dynamic environmental parameters measurement of China,which was launched on 16th August 2011.A scanning microwave radiometer（RM） is carried for sea surface temperature（SST）,sea surface wind speed,columnar water vapor and columnar cloud liquid water detection.In this paper,the initial SST product of RM was validated with in-situ data of National Data of Buoy Center（NDBC） mooring and Argo buoy.The validation results indicate the accuracy of RM SST is better than 1.7 C.The comparison of RM SST and WindSat SST shows the former is warmer than the latter at high sea surface wind speed and the difference between these SSTs is depend on the sea surface wind speed.Then,the relationship between the errors of RM SST and sea surface wind speed was analyzed using NDBC mooring measurements.Based on the results of assessment and errors analysis,the suggestions of taking account of the affection of sea surface wind speed and using sea surface wind speed and direction derived from the microwave scatteromter aboard on HY-2 for SST product calibration were given for retrieval algorithm improvement.     

On the synthetic aperture radar imaging of ocean surface waves

A process of synthetic aperture radar imaging of ocean surface waves is considered on the basis of the two-scale model of microwave scattering by a disturbed sea surface. Analytical expressions are obtained to relate characteristics of a large-scale wave image, averaged over an ensemble of realizations of the small-scale ripple, with the wave, radar, and viewing scheme as parameters. It is shown that the wave image would be defocused as an image of a target moving in the along-track direction with a speed equal to a half of the wave phase speed projection on the line of flight. The defocusing magnitude was measured experimentally for the ocean swells images, obtained with an airborneS-band radar, and the results are found to be in satisfactory agreement with the model prediction.