卫星海洋遥感导论 an introduction to satellite oceanic remote sensing

卫星海洋遥感导论An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

第三部分 海洋参数的遥感反演第十章 海面风场遥感

武汉大学 遥感信息工程学院刘良明 教授

lm_liu69@sohu.com

1. 常规观测系统 ：船舶、海上浮标及沿岸和岛屿气象台站；

2. 测量海面风场的传感器：微波散射计、微波辐射计、高度计和合成孔径雷达。

海面实测风场资料获取方法

第十章 海面风场遥感

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1.1973 年至 1974 年， Skylab 实验室试用了第一个太空携带式的散射计 S-193 － 证明了在理论上还是技术上都是可行的 。

2. 1978 年发射的 Seasat-A 海洋卫星载有散射计用于测量海面风场。

3. ESCAT 散射计 (ERS-1 和 ERS-2 卫星 ) 、 Ku 波段 NSCAT 散射计 (ADEOS 卫星 ) 、 SeaWinds 散射计 (QuikSCAT 卫星 ) 的应用。

第十章 海面风场遥感

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10.1 微波散射计测量海面风场10.1.1 微波散射计的发展历程

微波散射计通过测量风引起的粗糙海面对微波的后向散射特性来推算风场。在海面上，毛细波叠加在重力波上，风的变化引起海表面粗糙度的变化，使接收到的后向散射随之变化。根据后向散射与风矢量之间的相关模式，经过地球物理定标后就能得出海面风场。

从散射计截面反演风场参数包括正反演两个问题。正演问题是建立雷达截面与入射角、风速、风向关系的精确地球物理模型，反演问题则是从模型反演风速和风向。

10.1 微波散射计测量海面风场

LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 3

10.1.2 微波散射计的测风原理

散射计接收到的回波脉冲功率等于： 其中， PS+N 是回波信号与噪声的混合等效功率； PN是在脉冲间对噪声单独积分后，测出的接收机噪声和无线噪声平均功率。

根据 Pr ，由下式可估算出雷达后向散射系数 б° ：

022

0

430 4

t

r

wp P

P

AG

R

NNSr PPP

10.1.2 微波散射计的测风原理

LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 4

雷达后向散射系数 б° 估算

散射计发射脉冲的后向散射主要来源于那些满足 Bragg 共振条件的表面小尺度波，后向散射截面取决于这些小尺度波的功率谱密度。例如，相对于海面以上 10 米处的风速有：

根据风速与小尺度波的功率谱的关系：

导出单位面积后向散射系数的 Bragg 表达式为：

)0,sin2()(cos4),(244

100 RijR kgkU

272121cos

kguk

2112421210 cossincos22

kgugij

10.1.2 微波散射计的测风原理

LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 5

功率谱密度

由（ 10-1-5 ） 式可知 , 海面后向散射 б° 随摩擦风速 u. 线性增长。而摩檫风速与海面以上高度为 z 的风速 U （ z ）的关系可通过 Monin-Obukhow 方程式来确定。

L 是 Monin-Obukhow 长度，表示稳定性效应十分重要的高度。

L

zz

z

z

k

uuzU s

0

0ln

.

，不稳定大气

稳定大气

L

zz

L

zzL

L

zz

L

zzL

00

00

8.3:0

,7.4:0

10.1.2 微波散射计的测风原理

LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 5

后向散射系数与海面风速关系

10.1.2 微波散射计的测风原理

LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 7

对于 13.9Ghz 的微波，在入射角 40° 时海洋单位面积的散射截面为相对于平均反射率的角度的函数。并且还可以看出后向散射系数对观测方向和雷达极化方式的灵敏响应。当观测方向与风向一致时，后向散射系数为最大值；当观测方向处于横风方向时，后向散射系数为最小值。顺风观测和逆风观测相比，后向散射系数略微减少。这种各向异性正是微波散射计获得风向数据的依据。

10.1.2 微波散射计的测风原理

LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 8

后向散射系数与风向的关系

微波散射计风矢量反演过程可以分为三个主要步骤：

1. 计算海面探测单元 (WVC) 的归一化后向散射系数，并获得不同视角上天线的对同一探测单元的观测；

2. 利用风矢量与海面散射系数的关系，也即 Ku 或 C 波段的地球物理模式函数，进行风速、风向估计；由于散射的特性，这个处理会得到多个可能的风矢量解，即风矢量解的模糊性 ;

3. 用模糊性消除算法来确定反演的风矢量场，以确保反演的风场与地球物理学上的风场相一致。

10.1 微波散射计测量海面风场

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10.1.3 微波散射计海面风场反演

主要是通过对海面探测单元的不同观测与地球物理模式函数进行最小均方拟合提取风速和风向。模式函数可以表示为：

在许多实验的基础上，已获得了雷达后向散射截面 б、海面参考高度处的风速 U 和入射波平面与风向之间夹角 θ 三者之间的经验关系，它们用下式表示：

),,...;|,(0 iUf

10.1.3 微波散射计海面风场反演

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1. 风矢量反演模式

2coscos1 baAU

10.1.3 微波散射计海面风场反演

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式（ 10-1-12 ）中参数 a 和 b 可以从下面的不同值的 Φ三组测量结果中推导出来：

baAU

bAU

baAU

1180

190

10

10.1.3 微波散射计海面风场反演

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固定风速时， б 随方位角变化的示意图

10.1.3 微波散射计海面风场反演

LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 13

上图给出了所测后向散射截面与 θ 之间的函数关系，其中 θ 为入射波平面与风向之间的夹角。从这图中可以看出：

①бvv 总是大于 бhh ；

②±Φ 内对称；

③ 以 180° 为周期（ bcos Φ 项）；

④ 顺风和逆风测量时有一点不对称（ acos Φ 项）。

10.1.3 微波散射计海面风场反演

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适用于 Seasat/SASS 资料的 SASS-Ⅰ 模式函数。利用 SASS-Ⅰ 模式函数，可以成功的对 Seasat/SASS 资料进行海面风速和风向的反演，风速精度达到 2m/s 、风向误差在 20° 范围内。

SASS-1 模式函数表示为：

Ku 波段的 Moore 模型，具体形式为：

SASS-Ⅱ 基本表示形式如下：

UHGdB 100 log10 ，，

2coscos 321321

0 UaUaUa

2coscos 2100 AAA

10.1.3 微波散射计海面风场反演

LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 15

2. 实际应用的海面风矢量反演模式Ku 波段的微波散射计模式

主要工作在欧空局发射的 ERS 系列卫星上，与 Ku 波段的散射计相比， C 波段散射计在海面与较长的短尺度重力波产生 Bragg 共振。

一、 1985 年提出了 C 波段的雷达后向散射系数与风矢量关系的第一个经验模型 CMOD-1 ：

二、 ESA 根据卫星发射后所获得的散射计风场与现场资料比较，对算法进行改进和完善，又相继开发了 CMOD-2 、 CMOD-3 、 CMOD-4 、 CMOD5-12 等

21210 1/2coscos1 bbbb

10.1.3 微波散射计海面风场反演

LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 16

C 波段的微波散射计模式

卫星高度计是天底视主动式传感器，海面平静时回波信号最强。海面在风的作用下能够产生厘米尺度的波浪，从而引起海面粗糙度（海面均方斜率）的变化。海面起伏随风增大时，把信号反射回传感器的镜面面积越来越少，回波也就越来越弱。雷达高度计对于大于或等于其工作波长（ 2cm 左右）的海面粗糙度变化有敏感反应。

10.2 卫星高度计测量海面风速

LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 17

10.2.1 高度计测量海面风速的原理

当海洋表面粗糙幅度超过发射脉冲宽度时，散射将首先发生在表面波峰处，然后是波谷处，从而导致回波引导沿变大，高度计接收到回波功率区域的面积增加。根据 Walsh 公式，对于粗糙海表面脉冲宽度有限足迹直径为：

由上式公式可知均方根波高 hk 越大，脉冲和海面状态共同决定的有限足迹就越大，因此海洋回波引导沿上升时间就越长。

2

22

2

1

2ln16

2

C

h

hCD

k

F

10.2.1 高度计测量海面风速的原理

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2s

即高度计后向散射截面和海面风速之间存在一种反比关系。

2

24

2

2

0 tanexpsec

0

ss

R

对卫星高度计而言， θ=0 ，则上式可变为较简单的形式： 2

2

0 0

s

R

研究表明， 与海面风速（ U ）近似满足线性关系： 2s

10.2 卫星高度计测量海面风速

LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 19

10.2.2 海面风速模型散射理论表明，雷达后向散射截面（ ）与海面均方斜率（ ）之间存在下列关系：

2s0

Us 2

根据镜面散射理论，高度计接收每个海面微小面元反射的电磁波。相对于这些海面微小面元，雷达波束的入射角 θi =0。运用物理光学和电磁场的方程， Barrick 推导得出 б° :

对于高度计， θ≈0 。 Wu 和 Valenzuela 给出雷达后向散射系数为：

yxPRU ，， 2410

0 0sec

cu

Ra

2

02

0

10.2.2 海面风速模型

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1. 低海况时海面风速模型

当海面风速高于临界风速时，海面会出现泡沫。风速越大，海面泡沫覆盖率越大。在高海况下海面反射率系数总的表达式为：

1 ） Jin Wu 模型，表达式为： 2 ） Monahan 模型，表达式为：

ffw WRWRR222

01

75.310

6107.1 UW f

41.310

61084.3 UW f

10.2.2 海面风速模型

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2. 高海况时海面风速模型

为泡沫覆盖率。关于 的经验模式有以下两种： fW fW

1. BR 模式函数Brown 等人认为，在垂直入射的情况下，光滑海面的后向散射能量与海面的平均斜方谱成反比，根据这个假定，他们得出了下列模式函数，其均方差为 1.74m/s ，适合范围是 1 ～ 18 m/s 。

2. SB 模式函数为了克服分段函数不光滑的缺点， Brown 等建议在 0 ～ 16 m/s范围对上式获得的风速进行多项式拟合，从而给出 SB 模式函数为：

abUBR /10exp 10

1.20

BRSBBR

nBR

nnSBBR

UUsmUsm

UaUsmUsm

:/18/16

:/16/15

1

10.2 卫星高度计测量海面风速

LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 22

10.2.3 高度计测量海面风速的经验模型

3. CM 模式函数

Chelton 和 McCabe 提出了下列形式的模式函数：

4. GD 模式函数

Goldhirsh 和 Dobson 对 BR 模式函数在雷达散射截面 空间进行 5 次多项式拟合，得出了 GD 模式函数：

H

G10

CM

0

10943.0U

nn

na 0

5

0GDU

10.2.3 高度计测量海面风速的经验模型

LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 23

5. WC 模式函数Witter 和 Chelton 在假定风速概率分布函数的年际变化可忽略的前提下对 CW 模式函数进行了进一步改进和推广：一是扩大了高风速部分的动态范围；二是使之适用于 Geosat 高度计。 WC 模式函数绘于 10.2.2 ，其均方差为 1.9m/s 。

10.2.3 高度计测量海面风速的经验模型

LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 24

6.CC 模式函数Carter 等提出了一个折线的模式函数：

7. WU 模式函数WU 从镜面反射原理出发，利用实测海面斜率数据，并注意到Geosat 高度计的工作波长（约 2.16m ）与对雷达后向散射有贡献的截止波长非常接近，导出了下列模式函数：

00

00

228.0773.5:3.252.2

42.373.44:2.12

CC

CC

U

U

3.6

3.15

10

2.4

0

0

10:/4.2

012.0/009.010exp:/4.2

WU

WU

UsmU

UsmU

10.2.3 高度计测量海面风速的经验模型

LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 25

9. GG 模式Glazman 和 Greysukh 的研究表明，雷达散射截面与海面的成熟度有关。他们通过有效波高引入波龄这一参数，并根据波龄不同分两种情况对海面风速进行反演：

1 ）在低波龄情况下：

2 ）在高波龄情况下：

463.20

310

3

00

110

01

0

10543.2:0.12

:0.125.7

8559.25285.38:5.7

GG

n

nnGG

GG

U

SU

U

965.00

20

3

00

220

179.24:0.15

:0.15

GG

n

nnGG

U

SU

10.2.3 高度计测量海面风速的经验模型

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10. YG 模式函数

Young 通过对理论模式预报的和卫星高度计观测的热带气旋风速进行对比分析，给出了一个适用于高风速（ 20 ～ 40m/s ）条件下的模式函数：

11. LB 模式函数

lefevre 等建立了一个多项式形式的模式函数，包括后向散射截面和有效波高两个参数：

2002

220

011

0011000 ahahaahaaU LB

10.2.3 高度计测量海面风速的经验模型

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2.74.6 0 UYG

12. FC 模式函数Freilich 和 Challenor 提出了一种确定高度计海面风速模式函数的新方法。该方法利用 б° 随风速单值单调变化的特点，只需已知 U 和 б°的独立分布，就可通过统计理论导出高度计海面风速模式函数，而无需采用通常靠同步数据确定回归系数的做法。 FC 模式函数的表达式为：

13. HT 模式函数Hwang 等从散射理论出发提出了一种考虑长波引起的海面倾斜对高度计后向散射截面影响的模式函数。他们假定倾斜海面的斜率呈正态分布，给出了如下形式的模式函数：

)44.1exp(54.112480.054.120 UFCFCU

10.2.3 高度计测量海面风速的经验模型

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7488.42

/101813657.3104195803.255.155212

074

HTU

适合于 U＞ 20m/s 的高度计海面风速模式函数

10.2.3 高度计测量海面风速的经验模型

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辐射计风速反演算法主要有两种：

一种是统计回归分析算法，主要是通过微波辐射亮温与现场风速之间的统计回归的关系；

一种是基于辐射传递的物理算法。

微波辐射计测量海面风速的原理主要是基于海面微波辐射率与海面粗糙度之间的高相关特征，而海面粗糙度又与风速有关。海面粗糙度增加，海面辐射率增加，极化特征变弱。

10.3 微波辐射计测量海面风速

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合成孔径雷达（ SAR ）作为微波雷达也能获取海面风场的信息 . SAR 具有高空间分辨率 ( 数米至数十米 ) 测量海面风场的能力，可弥补散射计测风的不足 , 近年来受到人们的关注。 2002 年发射的欧洲 Envisat 卫星上装载的 ASAR 就兼任测量海面风场的重任，这也推动了SAR 海面风场测量的研究。

SAR 主动式遥感仪器，通过发射微波束、接收来自海面的后向散射获取海面信息。

SAR 图像海面风速反演方法 :

一、根据风速与雷达后向散射截面之间的关系计算海面风速；

二、根据 SAR 图像的方位向模糊原理，利用风与高波数截断波长之间的关系，计算海面风速。

10.4 合成孔径雷达获取海面风场信息

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10.4 合成孔径雷达获取海面风场信息

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风速的反演由 3 个步骤组成：

①对子图像进行辐射定标，得到每个像元的后向散射截面

② 对 进行极化校正，得到

③输入后向散射截面 ，入射角和风向值，由公式 (10-4-1)反演子图像的风速

0VV

0HH

0HH

0VV