我国首次微波散射计机载试验数据分析

我国首次微波散射计机载试验数据分析
摘要：微波散射计是目前能有效获得全球海面风场的唯一遥感手段，我国也开展了这方面的研究工作，1999年， 我国自行研制的微波散射计原型样机做了首次机载飞行试验。文中介绍了此次试验的基本情况，对试验数据进行 了分析并和常规观测资料进行了比对。通过分析和比对，我们得出结论，这台仪器测量海面风向性能是十分出色 的，我们提取海面风的算法也是高性能的。但是，由于仪器测量的归一化后向散射系数未作绝对定标，因此，尚 不能获得海面风速。

1 引言 1978年，美国NASA发射了SeaSat—A卫星[ ，上面携 带了世界上第一台业务化运行的星载微波散射计SASS，虽 然SASS仅仅运行了3个月的时间，却得到了大量宝贵的 资料，首次获得了全球海面风场数据。 此后，ESA 发射了SCAT (ERS一1／2卫星)[2]、ASCAT (MET0P系列极轨气象卫星)[3 ；JAXA发射了NSCAT (ADEOS—I卫星). 和Seawinds (ADEOS—II卫星)[ ； NASA发射了Seawinds(QUIKSCAT卫星)[6]，目前，仍有 NASA的Seawinds和ESA 的ASCAT 尚在轨运行。 经过近30 a的运行，微波散射计已被证实是一种有效 的海面风场遥感手段，它为海洋学、大气科学、气象学、气 候学、海一气相互作用等诸多学科起到了推进作用，热像仪| 频闪仪| 测高仪| 测距仪| 金属探测器| 试验机| 扭力计| 流速仪| 粗糙度仪| 流量计| 平衡仪| 为海上 生产生活、军事活动、交通航运、减灾防灾起到了关键的作 用。 我国在此领域虽然开展研究工作较晚，9O年代初正式 开始了星载微波散射计的研制工作，在2002年12月发射 的神舟四号飞船上携带了我国第一台空基试验性的微波散 射计一多模态微波遥感器散射模。多模态微波遥感器包括 三个模态，分别是散射模、辐射模和高度模，分别对应微波 散射计、微波辐射计和微波高度计。国外的散射计在正式上 天之前，其原型样机均要开展机载试验，以检验散射计的性 能，我国也不例外，这就有了我国首次的微波散射计机载飞 行试验的开展。

2 试验过程 1999年11月，在南海开展了我国首次微波散射计测量 海面风场的机载飞行试验。散射计被安装在M一171直升机 上，飞行高度约2 000 m，直升机以逆时针方向作半径约 6 km的圆周飞行，散射计波束与航向成直角，指向航线外 侧，飞行轨迹由机上携带的GPS给出。 与此同时，在直升机圆周飞行轨迹的中心点位置，停泊 一条测量船，同步测量水文和气象要素，尤其是风速和风 向，将为散射计机载飞行试验提供比对数据。 实验从11月17日到11月23日，其中，17日上午、18 日下午、19日上午和下午及23日上午，共飞行了5个架次。 其中，17日为试验飞行，17日和18日的2个架次没有海面 真值，只有国家海洋局南海分局海洋预报台的预报数据，因 此，数据分析的重点是19日的2个架次和23日的1个架 次的数据。

3 数据分析
3．1 试验数据的情况 散射计原型样机能测量的参数是归一化后向散射系数 ( 。)，在直升机作圆周飞行时，散射计就能获得 。的时间 (7’)序列数据，即d。～7’数据。 实验期间，直升机共进行了5个架次的飞行，我们对这 5个架次的数据均进行了处理和分析，下面以11月19日下 午飞行第一圈的数据为例，介绍我们的数据处理方法。而在 与常规观测资料比对这一部分，则将11月19日和11月23 日共3个架次有海面实测比对资料的数据进行了处理。
3．2 试验数据的处理 每一次飞行，我们均可以得到一条高频成分很多的oo ～ T 曲线，首先必须进行低通滤波，去除高频部分，得到光 滑的O"0～7 曲线。 O 一， 一4 2 一6 — 8 — 1O — l2 t13169 225 281 337 393 449 505 561 617 673 729 78E 84t 897 ． ． 。 ． ． 曼 ． ． 图1 1999年11月19日下午飞行 ～了 曲线滤波前后对比 得到r光滑的 ～ ’曲线并不是我们的目的，我们需 要建立的是和相对方位角(波束方位角和风向之间的夹角) 之问的关系，因此，还需要根据圆周飞行轨迹将 ～7 曲线 转换成为 ～p(相对方位角)曲线。 飞行轨迹不可能完全是正圆，且直升机的航速也不是 匀速的，因此不能简单地用 ～了’曲线来代替 ～ 曲线。 0 -2 _4 ^ 号 、， -6 -8 - 10 (‘) 3 3 6 ) 9 ) 1 ：0 l -0 l ；O 2 0 2 0 2 ‘0 3 l0 3 l0 十v¨t化 ● ● ● ● l ●．_ ●● ● — ● j I 1 ． } ● a ● ● - ≈ 唧撮化 } } 图2 】999年11月1 9日下午第1圈飞行 ．．～p曲线 参考文献： 我们首先按照GPS提供的轨迹，找到近似的圆心和大约的 飞行半径，据此就可以得到轨迹上每一点所对应的方位角， 这样就能得到 ～ 曲线了。 根据散射计测风的地球物理模型 ，逆风时(即散射计 波束方位角和风向相反)，散射计所测得的 。出现最大值， 顺风时出现次极大值，横风时出现最小值，根据这样的特 点，我们就可以根据 。～ 曲线出现最大值、次极大值和最 小值的位置来求得风向。
3．3 和真值的比对 由于仪器未经过定标．冈此其所测得的归一化后向散 射系数仅是相对值而非绝对值，因此，只能提取出海面风向 而无法提取到海面风速，所以，我们只就风向测量情况和常 规观测资料进行了比对。 表1 反演结果与实测值的对比 飞行架次 反演风向 实测风向 偏 差 (。) (。) (。) 11月19日上午 46．8 49．3 2．5 11月19日下午 36．3 39．9 3．6 11月23日上午 43．5 49．5

4 结语
此次试验取得了微波散射计的测量资料和同步的常规 观测的海面风资料，是一次成功的空海同步实验。 通过对试验数据的分析及和同步观测的海面风资料的 比对，风向测量误差仅12．8。，大大优于试验之前的预想的 4O。，这证明了此原型样机测量海面风向的性能是十分出色 的，同时也证明了我们利用此仪器的资料提取海面风向的 算法也是高性能的。 遗憾的是，由于这台原型样机未经过绝对定标，因此， 其所测量的归一化后向散射系数数据只是相对值而非绝对 值，没有绝对值是无法提取出海面风速的。这一点也是仪器 最重要的需要改进的方面。