星载微波散射计技术及其在极地的应用

星载微波散射计技术及其在极地的应用

提要简要介绍了微波散射计的原理、星载微波散射计的发展状况及用于提高散射计图像空间 分辨率的图像滤波重建算法。在此基础上结合几种星载微波散射计数据简要介绍了微波散射 计在南北两极的应用情况(海冰图测绘、海冰运动监测、海冰分类、极地冰盖研究等)及其未来 研究展望。
关键词散射计冰盖海冰极地 1 微波散射计的原理 微波散射计是一种非成像雷达传感器。微波散射计产生的高频极化能量脉冲发射至 地表，脉冲到达地面后，部分人射波经散射返回至散射计，散射回波的比例依赖于所照射 之地表的特性，故能够提供被天线照射表面的后向散射截面。散射计接到回波后，后向散 射信号被转化为数字形式。由雷达方程(式1)可以计算得到归一化的雷达后向散射截 面。 P，=P ×[G2h。／(4,rr) ]×(叮。A)／R (1) 式中P，为后向散射信号的能量，P 为发射脉冲的能量，c为天线增益，A为波长，A 为天线面积，R为散射源与目标表面之间的距离。 微波散射计的测量方式有很多种，见图1。侧视扇形波束散射计(见图la)可以探测 较宽的范围，前视扇形波束散射计(见图1b)只能沿着飞行轨迹测量，但对于表面上的每 一点，后向散射回波可以在很多人射角下测量。斜扇形波束散射计(见图1C)测量范围很 宽，并且可以进行多波束、多方向测量。分析仪| 溶氧计| 电导度计| PH计| 酸碱计| 糖度计| 盐度计| 酸碱度计| 电导计| 水分测定仪| 浊度计|扫描式笔形波束散射计(见图1d)以恒定的观测 角对很宽的区域进行双向观测(Elachi，1987)。星载散射计的运行足迹很大，一般用于研究大空间尺度的平均后向散射特性。 图1 散射计的各种观测方式(a)侧视扇形波束；(b)前视扇形波束；(C)倾斜扇形波束；(d)扫 描式铅笔形波束 Fig．1．Diferent scatterometer configurations．(a)side looking fan beam；(b)forward looking fan beam； (c)mted fan beam；(d)scanning pencil beam 散射计对于观测海洋的后向散射截面非常有效，原理是雷达散射强度与海面上的表 面张力波和重力波(Bragg散射)的振幅成正比，而这些波又与海面附近的风速有关。根 据从不同方向角上测得的雷达后向散射还可以确定风向，故可以推算全球近海面风矢量， 这是散射计设计的最初目的。同时散射计对于大尺度的冰和陆地应用研究也非有用，因 为不同的地物对雷达波具有不同的散射特性，通过测量经过精确定标后的雷达后向散射 可以确定陆地地表的植被覆盖类型和沙漠化情况；在极地可以区分海冰与海水和不同类 型的冰雪特征，通过散射特性长时间序列变化来确定季节、年度变化与气候之间的关系， 进行全球变化方面的研究(Long，2001)。

2 星载微波散射计的发展
2．1 几种星载微波散射计介绍 下面按发展时间顺序介绍几种星载微波散射计(SAAS、ESCAT、NSCAT、SeaWinds／ QSCAT)。详细的参数对比见表1。 1978年海洋卫星SEASAT上搭载的散射计SAAS使用的是双扇形束斜观测方式。 SAAS每侧具有两个倾斜的扇形波束天线，当卫星移动时，目标表面上的每一点被观测两 次，一次用向前的天线观测，另一次用向后的天线观测，这就获得了来自两个不同观测方 向的测量资料。SAAS传感器的工作频率为14．6GHz(对应波长为2cm)，Ku波段，包括4 个双极化扇形波束天线，它能在表面上形成呈现“x”形的照射图(Elachi，1987)。 ESCAT风散射计为搭载在ERS．1／2卫星上的c波段(5．3GHz)垂直极化散射计，具 有3副天线，分别与轨道方向呈45。(前束)、90。(中束)、135。(后束)交角，向飞行方向的右侧发射脉冲，在约500kin的观测幅度里，每个测量节点间距为25kin，沿轨向节点间距 为25kin，入射角变化范围为l8。_59。。自1991年ERS—l发射以来，ERS-2又于1996年 升空运行，ESCAT已经连续获取全球散射数据达lO余年，提供了进行长时间序列全球变 化研究的最佳数据。 表1 四种星载微波散射计参数与特性比较 Table 1．Characteristics of four spacebome 8catterometers flown on Seasat(SASS)。ERS一1／2(ESCAT)。 ADEOS(NSCAT)and QuikSCAT(SeaWinds or QSCAT) SAAS ESCAT NSCAT Se Winds sat E 唾 O I l 0 ：： ● ’ l GHz 5 ’ 天线方位取向／＼ < 《 ：● ， 《 ●- - I-● HH 1 ，． Ij | V’ ) )oppler Pa nI e 、 _ Ie 【 q 【1 r ● 目 模式 SA D _门 ， n ： ’ L _ _ )Okm 2 | - 扫描带宽 I I _ 750 c E ) _ 70o ] 。 t O ， I996 J 8 -1 5 ’ 定 S． 5一 1978．10 ERS— ER NscAT是由NAsA研制的搭载在日本ADEOs—I卫星上的微波散射计，其运行时段为 l996年9月至l997年6月，后因ADEOs—I太阳能板故障而终止。工作频率为l4．6GHz， Ku波段，HH和VV极化方式，具有不同的方位和入射角(17。—6o。)。分辨率约为25km， 航带600km宽，重叠带宽为20oknl，极地地区日覆盖数次，其密集的极区覆盖率非常有利 于极地研究( ng，l999) seaWinds(也称QscAT)l999年随QuikscAT卫星发射上天，其工作频率为l3．4GHz， Ku波段，使用圆锥扫描式笔形天线进行HH和w 极化方式测量。与NSCAT不同的是， QscAT采用两个固定入射角(46。和54。)，分别对应内外波束，内外波束分别又是HH和 w 极化方式。QSCAT测量数据产品有两种形式，分别称为“卵式”和“切片式”，两者的 主要差别在于它们的空间大小和形状(【加g，20o0)。 继ADEOs—I之后，ADEOs—II也已于2oo2年l2月成功发射，其上搭载seawinds散射 计；我国用于“神舟”四号飞船的多模态微波遥感器中也包含有雷达散射计。所以散射计的研究与应用前景非常广阔。
2．2 散射计图像滤波重建技术 低空问分辨率、高时间分辨率的散射计数据适于大尺度的海洋研究，然而在陆地和海 冰研究方面，低分辨率却降低了数据的可用性。一种称为散射计图像滤波重建(Scatterometer Image Reconstruction with Filter，简称SIRF)的算法技术应运而生。该算法通过 将卫星连续几天内的多次和多个角度测量数据合成起来而达到提高分辨率的效果(Long， 1993)。 散射计图像滤波重建算法SIRF的定义如下： 在一个限定的入射角范围内[20。，55。]，雷达后向散射系数 。(单位为dB)近似为人 射角0的线性函数： 。 = A+B(0—40。) (2) 式中A和B是地表特征、方位角和极化方式的函数。A是中扫描带宽即人射角为 4o。时的仃。值，B表征了在一定入射角范围内后向散射系数的梯度，反映了后向散射系数 仃。与入射角0之间的关系。使用SIRF算法可以从间隔数天的cro测量数据中同时产生A 和 影像。 图2 两极地区NSCAT散射的6天数据合成A，B影像。上两幅为北极地区、下两幅为南极地区，极点处 黑圈为卫星照射盲区，无冰海面均设为黑色该算法最初设计应用于SAAS卫星数据，因其效果很好而在后续的散射计数据处理 中得到了广泛的运用。以NSCAT为例，在极地地区取每6天的数据来处理，经过SIRF处 理后分辨率可以由25km提高至8—10km。图2所示为北极和南极地区NSCAT的A和 影像。另外，ESCAT数据经SIRF处理后分辨率约为25km，SAAS为8—10km，QSCAT为 8—10km或5__6km。由于QSCAT是以两个固定的入射角进行测量，故在其产品中没有 影像。

 3 星载微波散射计在极地的应用研究 对于两极的海冰和陆地冰盖，由于不同冰面和内部结构的差异，后向散射特性也不 同。后向散射特性与冰的结构特性和组成成分密切相关(包括介电常数、冰厚度、温度、 盐度、雪层厚度、湿度、盐度、气泡大小与分布等，这些参数与冰的类型和冰龄以及外界气 候变化有关)，同时也与入射电磁波的类型有关(方向、极化方式、波长、入射角等)。不同 海冰的雷达后向散射特性如图3所示( ng，2001)： 多年冰 低盐度 多年冰 高盐度 水面 图3 不同类型冰面的雷达后向散射特性 Fig．3．Backscatter for diferent type of ice surfaces(multiyear ice，first year ice and smooth open water) 根据上述冰的雷达后向散射特性，散射计数据在极地可以有如下的应用：
3．1 海冰图测绘 Yueh等经过研究发现Ku波段的散射特征非常适合用于区分海冰和海水(Yueh， 1997)。Remund和 ng( ng，1999)提出了一种实用的基于增强分辨率NSCAT数据的 海冰分类算法，称为RL算法。RL算法对NSCAT产品A、 影像数据进行二次处理，生成 类似于图2的仅包含海冰与陆地冰盖的影像。RL算法使用极化比y(y=A ／A )和入射 角相关性 作为主要分类参数，因为这二者对于海冰最为敏感。两种参数的规律是：在 海水表面y值大而海冰表面y值则较小；而在海冰表面由于表面粗糙和体散射的原因 值较海水表面要大。 利用RL算法分类得到的海冰范围与被动微波辐射计SSM／I数据和现场观测的结果 进行比较后，发现两者比较符合。而且在海冰快速消涨时利用SSM／I进行海冰分类误差往往很大，有时甚至还会发生错误。所以散射计为海冰范围动态监测提供了一个高效准 确的手段。现在散射计海冰制图应用已经进入常规的实用阶段，SCP有准实时的数日合成的两极 地区散射计海冰图发布。
3．2 海冰与冰山运动监测 卫星遥感监测到的海冰运动情况将有助于研究气候变化与海冰变化的关系，并为航 运提供海冰的运动和厚度资料，防止海冰与船舶发生相撞等。目前已经发展了使用高分 辨率微波和可见光数据进行自动海冰监测的技术并已经应用于跟踪监测北极海冰。这些 成功应用于北极海冰的算法经过一些调整，就可以在后向散射特性方面与北极具有很大 差异的南极海冰中进行运用。 Drinkwater等成功地利用NSCAT的数据对南极Weddell海海冰进行了运动矢量场提 取，并且发现了该地区海冰运动的顺时针环流模式。在其东部边缘沿着南极海岸线，海冰 流入，而在其北部却沿着南极半岛流出(1ong，1999)。 Long等(Long，2001)利用QSCAT监测跟踪于1992年从Thwaites冰川崩塌下并于 1995年6月一分为二的BIOA冰山(50kin×100kin)沿德雷克海峡“逃离”南极大陆，并最 终于2000年3月在南乔治亚岛融化的过程，如图4所示。可见散射计可以通过区分海冰 与海水追踪崩塌冰山的运动路径，为航船和冰盖冰量损失监测等提供有用的信息。 图4 QSCAT散射计影像中的BIOA冰山 Fig．4．Iceberg BIOA in QSCAT image
3．3 海冰分类 最新研究发现，归一化至4O度入射角的散射计后向散射对于海冰大尺度的形变、表 面粗糙度和物理特征非常敏感。 Drinkwater等(Long，1999)对现场观测冰的特征和船载雷达、SAR和散射计观测结果 进行了比较，将冰分为四类：MY(Multi Year，多年冰)、RFY(Rough First Year，粗糙当年冰)、SFY(Soft First Year，光滑当年冰)和NL(Nilas，尼罗冰)。不同的冰形态具有显著不 同的后向散射特性。Remund等推出了一种使用k均值聚类方法对增强的A和B影像进 行最大似然分类的方法，取得了较好的分类效果(Remund，1998)。
3．4 极地冰盖研究 在夏季，当冰盖表面温度升高、融水成分增多时，冰盖表面湿雪的前向散射增加，使得 A值减小。这种由于温度升高导致表面后向散射发生显著变化的特征使得散射计可以用 于监测夏季冰盖表面的融化状况，与气候资料结合通过年度比较分析得出全球变化与冰 盖融化的关系。 Drinkwater和Long(Drinkwater，1994)发现，利用SAAS Ku波段散射计数据从冰盖雪 冰散射特征可以测定冰盖表面各成冰带的分布情况。如图5所示，以北极格陵兰冰盖为 例，冰盖低海拔地区由于受夏季融化影响较多，当年积雪融化，下层冰出露，形成湿雪带， 再向上则是表面发生较少融化的渗浸带和即使在夏季也不发生融化的干雪带。 图5 冰盖表面积累区各成冰带示意图(Paterson，1981) Fig．5．Zones in accumulation area 研究这些区域的分布和季节、年度变化对于了解极冰盖与全球气候变化之间的关系 非常有意义。

4 展望 星载微波散射计为科学家研究极地提供了一个新的研究手段，虽然其空间分辨率低， 但是其在南北极地区的高时间分辨率覆盖和精确定标特性却对大尺度的研究非常有意 义。随着ADEOS—II等一系列搭载新型散射计的卫星升空，加上原有的十数年的散射计 数据积累，南北极冰盖长时间序列变化分析研究成为可能。 星载散射计的发展趋势是极化方式和频率越来越多，采样频率逐步提高。今后的研 究方向在于如何将散射计与高分辨率的合成孔径雷达影像和被动微波数据结合起来开展研究。“南极冰盖物质平衡和海平面变化”是国际科联南极研究科学委员会(SCAR)推出 的《全球变化与南极地区》(GLOCHANT)计划明确提出南极地区在全球变化中的6个核 心科学问题之一。散射计在海冰监测方面的研究应用有利于研究海冰变异及其与气候变 化的关系。国际上利用散射计数据开展的进一步研究在于利用散射计数据进行冰盖表层 雪积累量和消融速率监测，建立相关数学和物理模型，进行冰盖总量损失增益的估算，并 据此推算冰盖的物质平衡状况。