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1、卫星海洋遥感导论卫星海洋遥感导论An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing第八章第八章 散射计散射计武汉大学武汉大学 遥感信息工程学院遥感信息工程学院第八章第八章 散射计散射计LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing散射计主要是利用后向散射系数与方位角之间的关系散射计主要是利用后向散射系数与方位角之间的关系反演全球的海面风场。反演全球的海面风场。 能够驱动海洋环流，通过调节海能够驱动海洋环流，通过调节海/ /气之间的热通量、气之间的热通量、 水汽通量以及二氧化碳等气体能量来影响地区和全水汽通量以及二
2、氧化碳等气体能量来影响地区和全 球的气候。球的气候。 风速的分布决定着波高的分布以及海洋涌浪的传播风速的分布决定着波高的分布以及海洋涌浪的传播 方向，并能够预测涌浪对船只、近岸建筑以及海岸方向，并能够预测涌浪对船只、近岸建筑以及海岸 带的影响。带的影响。第八章第八章 散射计散射计Satellite Oceanic Remote Sensing 8.1 散射计测量风场回顾散射计测量风场回顾8.2 几种主要的散射计几种主要的散射计8.3 散射计测风原理散射计测风原理8.4 风场的反演精度风场的反演精度8.5 应用举例应用举例 1966 1966年年 Moore Moore 教授最早提出了星载散射计
3、测量海面教授最早提出了星载散射计测量海面 风场的概念。风场的概念。 1973 1973 年至年至19741974年，年，SkylabSkylab实验室试用了第一个太空实验室试用了第一个太空 携带式的散射计携带式的散射计S-193S-193， 证明了在理论上还是技术上证明了在理论上还是技术上 都是可行的都是可行的 。 19781978年发射的年发射的 SeasatSeasat-A -A 海洋卫星上装载雷达散射计海洋卫星上装载雷达散射计 SASSSASS，提供了以往常规方法无法获得的时空分布相对，提供了以往常规方法无法获得的时空分布相对 均匀、精度可比性较强的海面风速资料。均匀、精度可比性较强的海
4、面风速资料。8.1 散射计测量风场的回顾散射计测量风场的回顾LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 1991 1991年发射的年发射的ERS-1 ERS-1 和和19951995年发射的年发射的ERS-2 ERS-2 卫星上装卫星上装 载了载了C C波段的波段的AMIAMI散射计，该散射计是迄今为止历时最散射计，该散射计是迄今为止历时最 长的业务化遥感传感器。长的业务化遥感传感器。 19961996年发射的年发射的 ADEOSADEOS卫星上搭载的卫星上搭载的KuKu波段波段NSCATNSCAT散射散射 计，该卫星获得的风矢量数据的时间、空间分辨率及测计，
5、该卫星获得的风矢量数据的时间、空间分辨率及测量量 精度都超过了以往传感器的设计标准。精度都超过了以往传感器的设计标准。 19991999年年5 5月发射了载有月发射了载有 SeaWindsSeaWinds 散射计的散射计的 QuikSCATQuikSCAT 卫星。该散射计也是工作在卫星。该散射计也是工作在KuKu波段。波段。8.1 散射计测量风场的回顾散射计测量风场的回顾LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing8.1 散射计测量风场的回顾散射计测量风场的回顾LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing散射计可分为散射计可分为3
6、 3种类型：种类型：1. 1. 主要是利用棒状天线以及多普勒分辨技术的散射计；主要是利用棒状天线以及多普勒分辨技术的散射计；8.2 几种主要的散射计几种主要的散射计LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing2. 2. 主要是利用主要是利用3 3根长的矩形天线以及距离分辨技术的散根长的矩形天线以及距离分辨技术的散射计；射计；8.2 几种主要的散射计几种主要的散射计LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing3. 3. 利用旋转的蝶形天线以不同入射角产生圆锥扫描的笔利用旋转的蝶形天线以不同入射角产生圆锥扫描的笔形波束，并采用距离分辨
7、技术。形波束，并采用距离分辨技术。8.2 几种主要的散射计几种主要的散射计LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing8.2 几种主要的散射计几种主要的散射计LiuLM Satellite Oceanic Remote SensingNSCATNSCAT散射计散射计 (ADEOS-1)(ADEOS-1)8.2 几种主要的散射计几种主要的散射计LiuLM Satellite Oceanic Remote SensingNSCAT散射计具有散射计具有6根相同的双极化棒状天线，天线的根相同的双极化棒状天线，天线的长度约为长度约为3m，宽度为，宽度为6cm，厚度约为，厚
8、度约为10-12cm。每一根。每一根天线都向海面发射扇形波束，波束的入射角在天线都向海面发射扇形波束，波束的入射角在20- 55之之间，波束宽度为间，波束宽度为0.40.4。在距离向上，刈幅宽度为在距离向上，刈幅宽度为600km。在星下点，有一宽度。在星下点，有一宽度为为330km的区域。该区域的回波信号主要是通过镜面反的区域。该区域的回波信号主要是通过镜面反射得到的，因此无法反演得到风向信息。在卫星轨道每射得到的，因此无法反演得到风向信息。在卫星轨道每一侧的刈幅可以分成一侧的刈幅可以分成24个多普勒单元，每一个单元的空个多普勒单元，每一个单元的空间分辨率为间分辨率为25km。8.2 几种主要
9、的散射计几种主要的散射计LiuLM Satellite Oceanic Remote SensingAMI AMI 散射计散射计 (ERS-12)(ERS-12)8.2 几种主要的散射计几种主要的散射计LiuLM Satellite Oceanic Remote SensingAMI散射计属于垂直极化的散射计属于垂直极化的C C波段散射计。波段散射计。3 3根矩形天线根矩形天线在卫星轨道的右侧以方位角在卫星轨道的右侧以方位角45、90、135向海面发射向海面发射脉冲波束。脉冲波束。散射计的刈幅宽度为散射计的刈幅宽度为475km，距离星下点约，距离星下点约275km。利。利用距离分辨技术测量用距
10、离分辨技术测量50km面元的后向散射系数。面元的后向散射系数。8.2 几种主要的散射计几种主要的散射计LiuLM Satellite Oceanic Remote SensingSea Winds 散射计散射计 (QuikSCAT)8.2 几种主要的散射计几种主要的散射计LiuLM Satellite Oceanic Remote SensingSeaWinds散射计由一根长约散射计由一根长约1m的旋转抛物天线组成，具的旋转抛物天线组成，具有两个馈元，分别以两个不同的入射角产生两个有两个馈元，分别以两个不同的入射角产生两个13.4GHz笔形波束。内波束采用笔形波束。内波束采用HH极化，入射角为
11、极化，入射角为47；外波束采用；外波束采用VV极化，入射角为极化，入射角为55；天线每分钟转动天线每分钟转动18圈；地面足印的直径约为圈；地面足印的直径约为25km。SeaWinds散射计的刈幅宽度为散射计的刈幅宽度为1800km1800km，并且星下点没有，并且星下点没有任何盲区。任何盲区。8.2 几种主要的散射计几种主要的散射计LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing每一根天线的足印成椭圆形，在方位方向长每一根天线的足印成椭圆形，在方位方向长25km25km，距离，距离方向上约方向上约35km35km。卵形足印可分为。卵形足印可分为1212个不同的距离单
12、元，个不同的距离单元，称之为切片。称之为切片。8.2 几种主要的散射计几种主要的散射计LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing各种不同散射计的特性比较各种不同散射计的特性比较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，经过地之变化。根据后向散射与风矢量之间的相关模
13、式，经过地球物理定标后就能得出海面风场。球物理定标后就能得出海面风场。8.3 散射计测风原理散射计测风原理LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 散射计接收到的回波脉冲功率等于：散射计接收到的回波脉冲功率等于： 其中，其中，P PS+NS+N是回波信号与噪声的混合等效功率；是回波信号与噪声的混合等效功率；P PN N是在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。声平均功率。根据根据P Pr r，由下式可估算出雷达后向散射系数，由下式可估算出雷达后向散射系数：8.3 散射计测风原理散射计测
14、风原理LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing雷达后向散射系数雷达后向散射系数估算估算 8.3 散射计测风原理散射计测风原理LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing散射计以不同的方位角和极化方式对同一视场区域测量散射计以不同的方位角和极化方式对同一视场区域测量2-42-4个不同时刻的后向散射。个不同时刻的后向散射。为了反演海面风矢量，散射计天线的入射角必须大于为了反演海面风矢量，散射计天线的入射角必须大于15 20，使得散射计发射的电磁波与海面毛细波发生，使得散射计发射的电磁波与海面毛细波发生布拉格散射。布拉格散射。利用后
15、向散射系数的多次测量反演海面风矢量时，利用后向散射系数的多次测量反演海面风矢量时，后向散后向散射系数与海面风场的函数关系，称之为射系数与海面风场的函数关系，称之为地球物理模式函数地球物理模式函数，简称为模式函数。简称为模式函数。模式函数的一般形式为模式函数的一般形式为0 0与极化方式与极化方式P (VVP (VV、HH)HH)、入射角、入射角、风速、风速u u和风向的相对方位角和风向的相对方位角R R的函数关系，可表示为的函数关系，可表示为8.3 散射计测风原理散射计测风原理LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing地球物理模式函数地球物理模式函数基于机载和星
16、载散射计数据，得出在固定的风速、入射基于机载和星载散射计数据，得出在固定的风速、入射角和极化方式条件下，角和极化方式条件下，0 0与与R R的关系可以通过经验获得，的关系可以通过经验获得，描述为傅里叶级数展开的形式描述为傅里叶级数展开的形式8.3 散射计测风原理散射计测风原理LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing方程中的系数是通过将散射计的测量数据域实测或者其方程中的系数是通过将散射计的测量数据域实测或者其他卫星传感器数据比较而获得。他卫星传感器数据比较而获得。散射计反演的海面风速是指散射计反演的海面风速是指海面海面10m10m的中性稳定风速的中性稳定风速
17、，而，而中性稳定是指没有大气层化。中性稳定是指没有大气层化。层化的重要性在于它能调节穿过表面边界层的动量传输。层化的重要性在于它能调节穿过表面边界层的动量传输。当海样表面的温度比大气的温度高时，边界层不稳定，所当海样表面的温度比大气的温度高时，边界层不稳定，所以动量就很容易从海面以动量就很容易从海面10m10m的风速传到海洋表面。的风速传到海洋表面。固定的风速在不稳定的大气条件下比稳定层化大气更容易固定的风速在不稳定的大气条件下比稳定层化大气更容易产生海面粗糙度和后向散射，因此不稳定层化使得散射计产生海面粗糙度和后向散射，因此不稳定层化使得散射计反演的风速比实测值大，而稳定层化使得散射计反演的
18、风反演的风速比实测值大，而稳定层化使得散射计反演的风速比实测值小。速比实测值小。8.3 散射计测风原理散射计测风原理LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing8.3 散射计测风原理散射计测风原理LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing后向散射系数与风速、风向的关系后向散射系数与风速、风向的关系顺风顺风逆风逆风横风横风模式函数的曲线形状与三个因素有关：模式函数的曲线形状与三个因素有关：后向散射系数随着风速的增加而增大。这意味着随着风后向散射系数随着风速的增加而增大。这意味着随着风速的增大，后向散射系数的测量精度也会提高。速的增
19、大，后向散射系数的测量精度也会提高。后向散射系数在逆风和横风的差异随着风速的增大而减后向散射系数在逆风和横风的差异随着风速的增大而减小。小。后向散射系数在顺风和逆风的不对称性。顺风的后向散后向散射系数在顺风和逆风的不对称性。顺风的后向散射系数比逆风时稍大。射系数比逆风时稍大。8.3 散射计测风原理散射计测风原理LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing8.3 散射计测风原理散射计测风原理LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing利用散射计多次观测的后向散射系数反演海面风场利用散射计多次观测的后向散射系数反演海面风场45(VV)
20、135(VV)65(HH)65(VV)微波散射计风矢量反演过程可以分为三个主要步骤：微波散射计风矢量反演过程可以分为三个主要步骤：1.1.计算海面探测单元计算海面探测单元(WVC)(WVC)的归一化后向散射系数，并获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；得不同视角上天线的对同一探测单元的观测；2.2.利用风矢量与海面散射系数的关系，也即利用风矢量与海面散射系数的关系，也即KuKu或或C C波段的波段的地球物理模式函数，进行风速、风向估计；由于散射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，即风矢量特性，这个处理会得到多个
21、可能的风矢量解，即风矢量解的模糊性解的模糊性; ;3.3.用模糊性消除算法来确定反演的风矢量场，以确保反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。演的风场与地球物理学上的风场相一致。 8.3 散射计测风原理散射计测风原理LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing8.4 风场的反演精度风场的反演精度LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing配对的散射计风速数据和浮标风速数据的比较配对的散射计风速数据和浮标风速数据的比较8.4 风场的反演精度风场的反演精度LiuLM Satellite Oc
22、eanic Remote Sensing 当风速小于当风速小于15m/s时，可以得到很多的配对数据集，时，可以得到很多的配对数据集，风速越大，配对数据集越少。风速越大，配对数据集越少。 当浮标风速小于当浮标风速小于3m/s时，两者的偏差最大。由于在低时，两者的偏差最大。由于在低风速条件下，后向散射主要是由小振幅波决定的，因风速条件下，后向散射主要是由小振幅波决定的，因此散射计测量的风速误差偏大。此散射计测量的风速误差偏大。 当风速大于当风速大于15m/s时，测量的数据明显偏少，并且浮时，测量的数据明显偏少，并且浮标被海浪抬起，受飞溅泡沫的影响。标被海浪抬起，受飞溅泡沫的影响。 8.4 风场的反
23、演精度风场的反演精度LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing在在4种不同的风速条件下，浮标和散射计相对风种不同的风速条件下，浮标和散射计相对风向的发生概率向的发生概率8.4 风场的反演精度风场的反演精度LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 除了在除了在10.5m/s风速条件下，所有的曲线在风速条件下，所有的曲线在180都会都会出现小的峰值，对应着多解误差。出现小的峰值，对应着多解误差。 当风速为当风速为3.5m/s3.5m/s时，曲线具有比较宽的方向分布。时，曲线具有比较宽的方向分布。 风速越小，风向多解的个数越多，标准偏差越大。风速越小，风向多解的个数越多，标准偏差越大。 8.5 应用举例应用举例LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing锋锋 面面8.5 应用举例应用举例LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing半球风场半球风场 太平洋太平洋8.5 应用举例应用举例LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing半球风场半球风场 大西洋大西洋8.5 应用举例应用举例LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing特旺特佩海湾特旺特佩海湾
