星載微波散射計技術(shù)及其在極地的應用

提要簡(jiǎn)要介紹了微波散射計的原理、星載微波散射計的發(fā)展狀況及用于提高散射計圖像空間 分辨率的圖像濾波重建算法。在此基礎上結合幾種星載微波散射計數據簡(jiǎn)要介紹了微波散射 計在南北兩極的應用情況(海冰圖測繪、海冰運動(dòng)監測、海冰分類(lèi)、極地冰蓋研究等)及其未來(lái) 研究展望。
關(guān)鍵詞散射計冰蓋海冰極地 1 微波散射計的原理 微波散射計是一種非成像雷達傳感器。微波散射計產(chǎn)生的高頻極化能量脈沖發(fā)射至 地表，脈沖到達地面后，部分人射波經(jīng)散射返回至散射計，散射回波的比例依賴(lài)于所照射 之地表的特性，故能夠提供被天線(xiàn)照射表面的后向散射截面。散射計接到回波后，后向散 射信號被轉化為數字形式。由雷達方程(式1)可以計算得到歸一化的雷達后向散射截 面。 P，=P ×[G2h。／(4,rr) ]×(叮。A)／R (1) 式中P，為后向散射信號的能量，P 為發(fā)射脈沖的能量，c為天線(xiàn)增益，A為波長(cháng)，A 為天線(xiàn)面積，R為散射源與目標表面之間的距離。 微波散射計的測量方式有很多種，見(jiàn)圖1。側視扇形波束散射計(見(jiàn)圖la)可以探測 較寬的范圍，前視扇形波束散射計(見(jiàn)圖1b)只能沿著(zhù)飛行軌跡測量，但對于表面上的每 一點(diǎn)，后向散射回波可以在很多人射角下測量。斜扇形波束散射計(見(jiàn)圖1C)測量范圍很 寬，并且可以進(jìn)行多波束、多方向測量。分析儀| 溶氧計| 電導度計| PH計| 酸堿計| 糖度計| 鹽度計| 酸堿度計| 電導計| 水分測定儀| 濁度計|掃描式筆形波束散射計(見(jiàn)圖1d)以恒定的觀(guān)測 角對很寬的區域進(jìn)行雙向觀(guān)測(Elachi，1987)。星載散射計的運行足跡很大，一般用于研究大空間尺度的平均后向散射特性。 圖1 散射計的各種觀(guān)測方式(a)側視扇形波束；(b)前視扇形波束；(C)傾斜扇形波束；(d)掃 描式鉛筆形波束 Fig．1．Diferent scatterometer configurations．(a)side looking fan beam；(b)forward looking fan beam； (c)mted fan beam；(d)scanning pencil beam 散射計對于觀(guān)測海洋的后向散射截面非常有效，原理是雷達散射強度與海面上的表 面張力波和重力波(Bragg散射)的振幅成正比，而這些波又與海面附近的風(fēng)速有關(guān)。根 據從不同方向角上測得的雷達后向散射還可以確定風(fēng)向，故可以推算全球近海面風(fēng)矢量， 這是散射計設計的最初目的。同時(shí)散射計對于大尺度的冰和陸地應用研究也非有用，因 為不同的地物對雷達波具有不同的散射特性，通過(guò)測量經(jīng)過(guò)精確定標后的雷達后向散射 可以確定陸地地表的植被覆蓋類(lèi)型和沙漠化情況；在極地可以區分海冰與海水和不同類(lèi) 型的冰雪特征，通過(guò)散射特性長(cháng)時(shí)間序列變化來(lái)確定季節、年度變化與氣候之間的關(guān)系， 進(jìn)行全球變化方面的研究(Long，2001)。

2 星載微波散射計的發(fā)展
2．1 幾種星載微波散射計介紹 下面按發(fā)展時(shí)間順序介紹幾種星載微波散射計(SAAS、ESCAT、NSCAT、SeaWinds／ QSCAT)。詳細的參數對比見(jiàn)表1。 1978年海洋衛星SEASAT上搭載的散射計SAAS使用的是雙扇形束斜觀(guān)測方式。 SAAS每側具有兩個(gè)傾斜的扇形波束天線(xiàn)，當衛星移動(dòng)時(shí)，目標表面上的每一點(diǎn)被觀(guān)測兩 次，一次用向前的天線(xiàn)觀(guān)測，另一次用向后的天線(xiàn)觀(guān)測，這就獲得了來(lái)自?xún)蓚�(gè)不同觀(guān)測方 向的測量資料。SAAS傳感器的工作頻率為14．6GHz(對應波長(cháng)為2cm)，Ku波段，包括4 個(gè)雙極化扇形波束天線(xiàn)，它能在表面上形成呈現“x”形的照射圖(Elachi，1987)。 ESCAT風(fēng)散射計為搭載在ERS．1／2衛星上的c波段(5．3GHz)垂直極化散射計，具 有3副天線(xiàn)，分別與軌道方向呈45。(前束)、90。(中束)、135。(后束)交角，向飛行方向的右側發(fā)射脈沖，在約500kin的觀(guān)測幅度里，每個(gè)測量節點(diǎn)間距為25kin，沿軌向節點(diǎn)間距 為25kin，入射角變化范圍為l8。_59。。自1991年ERS—l發(fā)射以來(lái)，ERS-2又于1996年 升空運行，ESCAT已經(jīng)連續獲取全球散射數據達lO余年，提供了進(jìn)行長(cháng)時(shí)間序列全球變 化研究的最佳數據。 表1 四種星載微波散射計參數與特性比較 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 ’ 天線(xiàn)方位取向／＼ < 《 ：● ， 《 ●- - I-● HH 1 ，． Ij | V’ ) )oppler Pa nI e 、 _ Ie 【 q 【1 r ● 目 模式 SA D _門(mén) ， n ： ’ L _ _ )Okm 2 | - 掃描帶寬 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研制的搭載在日本ADEOs—I衛星上的微波散射計，其運行時(shí)段為 l996年9月至l997年6月，后因ADEOs—I太陽(yáng)能板故障而終止。工作頻率為l4．6GHz， Ku波段，HH和VV極化方式，具有不同的方位和入射角(17�！�6o。)。分辨率約為25km， 航帶600km寬，重疊帶寬為20oknl，極地地區日覆蓋數次，其密集的極區覆蓋率非常有利 于極地研究( ng，l999) seaWinds(也稱(chēng)QscAT)l999年隨QuikscAT衛星發(fā)射上天，其工作頻率為l3．4GHz， Ku波段，使用圓錐掃描式筆形天線(xiàn)進(jìn)行HH和w 極化方式測量。與NSCAT不同的是， QscAT采用兩個(gè)固定入射角(46。和54。)，分別對應內外波束，內外波束分別又是HH和 w 極化方式。QSCAT測量數據產(chǎn)品有兩種形式，分別稱(chēng)為“卵式”和“切片式”，兩者的 主要差別在于它們的空間大小和形狀(【加g，20o0)。 繼ADEOs—I之后，ADEOs—II也已于2oo2年l2月成功發(fā)射，其上搭載seawinds散射 計；我國用于“神舟”四號飛船的多模態(tài)微波遙感器中也包含有雷達散射計。所以散射計的研究與應用前景非常廣闊。
2．2 散射計圖像濾波重建技術(shù) 低空問(wèn)分辨率、高時(shí)間分辨率的散射計數據適于大尺度的海洋研究，然而在陸地和海 冰研究方面，低分辨率卻降低了數據的可用性。一種稱(chēng)為散射計圖像濾波重建(Scatterometer Image Reconstruction with Filter，簡(jiǎn)稱(chēng)SIRF)的算法技術(shù)應運而生。該算法通過(guò) 將衛星連續幾天內的多次和多個(gè)角度測量數據合成起來(lái)而達到提高分辨率的效果(Long， 1993)。 散射計圖像濾波重建算法SIRF的定義如下： 在一個(gè)限定的入射角范圍內[20。，55。]，雷達后向散射系數 。(單位為dB)近似為人 射角0的線(xiàn)性函數： 。 = A+B(0—40。) (2) 式中A和B是地表特征、方位角和極化方式的函數。A是中掃描帶寬即人射角為 4o。時(shí)的仃。值，B表征了在一定入射角范圍內后向散射系數的梯度，反映了后向散射系數 仃。與入射角0之間的關(guān)系。使用SIRF算法可以從間隔數天的cro測量數據中同時(shí)產(chǎn)生A 和 影像。 圖2 兩極地區NSCAT散射的6天數據合成A，B影像。上兩幅為北極地區、下兩幅為南極地區，極點(diǎn)處 黑圈為衛星照射盲區，無(wú)冰海面均設為黑色該算法最初設計應用于SAAS衛星數據，因其效果很好而在后續的散射計數據處理 中得到了廣泛的運用。以NSCAT為例，在極地地區取每6天的數據來(lái)處理，經(jīng)過(guò)SIRF處 理后分辨率可以由25km提高至8—10km。圖2所示為北極和南極地區NSCAT的A和 影像。另外，ESCAT數據經(jīng)SIRF處理后分辨率約為25km，SAAS為8—10km，QSCAT為 8—10km或5__6km。由于QSCAT是以?xún)蓚�(gè)固定的入射角進(jìn)行測量，故在其產(chǎn)品中沒(méi)有 影像。

 3 星載微波散射計在極地的應用研究 對于兩極的海冰和陸地冰蓋，由于不同冰面和內部結構的差異，后向散射特性也不 同。后向散射特性與冰的結構特性和組成成分密切相關(guān)(包括介電常數、冰厚度、溫度、 鹽度、雪層厚度、濕度、鹽度、氣泡大小與分布等，這些參數與冰的類(lèi)型和冰齡以及外界氣 候變化有關(guān))，同時(shí)也與入射電磁波的類(lèi)型有關(guān)(方向、極化方式、波長(cháng)、入射角等)。不同 海冰的雷達后向散射特性如圖3所示( ng，2001)： 多年冰 低鹽度 多年冰 高鹽度 水面 圖3 不同類(lèi)型冰面的雷達后向散射特性 Fig．3．Backscatter for diferent type of ice surfaces(multiyear ice，first year ice and smooth open water) 根據上述冰的雷達后向散射特性，散射計數據在極地可以有如下的應用：
3．1 海冰圖測繪 Yueh等經(jīng)過(guò)研究發(fā)現Ku波段的散射特征非常適合用于區分海冰和海水(Yueh， 1997)。Remund和 ng( ng，1999)提出了一種實(shí)用的基于增強分辨率NSCAT數據的 海冰分類(lèi)算法，稱(chēng)為RL算法。RL算法對NSCAT產(chǎn)品A、 影像數據進(jìn)行二次處理，生成 類(lèi)似于圖2的僅包含海冰與陸地冰蓋的影像。RL算法使用極化比y(y=A ／A )和入射 角相關(guān)性 作為主要分類(lèi)參數，因為這二者對于海冰最為敏感。兩種參數的規律是：在 海水表面y值大而海冰表面y值則較��；而在海冰表面由于表面粗糙和體散射的原因 值較海水表面要大。 利用RL算法分類(lèi)得到的海冰范圍與被動(dòng)微波輻射計SSM／I數據和現場(chǎng)觀(guān)測的結果 進(jìn)行比較后，發(fā)現兩者比較符合。而且在海冰快速消漲時(shí)利用SSM／I進(jìn)行海冰分類(lèi)誤差往往很大，有時(shí)甚至還會(huì )發(fā)生錯誤。所以散射計為海冰范圍動(dòng)態(tài)監測提供了一個(gè)高效準 確的手段�，F在散射計海冰制圖應用已經(jīng)進(jìn)入常規的實(shí)用階段，SCP有準實(shí)時(shí)的數日合成的兩極 地區散射計海冰圖發(fā)布。
3．2 海冰與冰山運動(dòng)監測 衛星遙感監測到的海冰運動(dòng)情況將有助于研究氣候變化與海冰變化的關(guān)系，并為航 運提供海冰的運動(dòng)和厚度資料，防止海冰與船舶發(fā)生相撞等。目前已經(jīng)發(fā)展了使用高分 辨率微波和可見(jiàn)光數據進(jìn)行自動(dòng)海冰監測的技術(shù)并已經(jīng)應用于跟蹤監測北極海冰。這些 成功應用于北極海冰的算法經(jīng)過(guò)一些調整，就可以在后向散射特性方面與北極具有很大 差異的南極海冰中進(jìn)行運用。 Drinkwater等成功地利用NSCAT的數據對南極Weddell海海冰進(jìn)行了運動(dòng)矢量場(chǎng)提 取，并且發(fā)現了該地區海冰運動(dòng)的順時(shí)針環(huán)流模式。在其東部邊緣沿著(zhù)南極海岸線(xiàn)，海冰 流入，而在其北部卻沿著(zhù)南極半島流出(1ong，1999)。 Long等(Long，2001)利用QSCAT監測跟蹤于1992年從Thwaites冰川崩塌下并于 1995年6月一分為二的BIOA冰山(50kin×100kin)沿德雷克海峽“逃離”南極大陸，并最 終于2000年3月在南喬治亞島融化的過(guò)程，如圖4所示�？梢�(jiàn)散射計可以通過(guò)區分海冰 與海水追蹤崩塌冰山的運動(dòng)路徑，為航船和冰蓋冰量損失監測等提供有用的信息。 圖4 QSCAT散射計影像中的BIOA冰山 Fig．4．Iceberg BIOA in QSCAT image
3．3 海冰分類(lèi) 最新研究發(fā)現，歸一化至4O度入射角的散射計后向散射對于海冰大尺度的形變、表 面粗糙度和物理特征非常敏感。 Drinkwater等(Long，1999)對現場(chǎng)觀(guān)測冰的特征和船載雷達、SAR和散射計觀(guān)測結果 進(jìn)行了比較，將冰分為四類(lèi)：MY(Multi Year，多年冰)、RFY(Rough First Year，粗糙當年冰)、SFY(Soft First Year，光滑當年冰)和NL(Nilas，尼羅冰)。不同的冰形態(tài)具有顯著(zhù)不 同的后向散射特性。Remund等推出了一種使用k均值聚類(lèi)方法對增強的A和B影像進(jìn) 行最大似然分類(lèi)的方法，取得了較好的分類(lèi)效果(Remund，1998)。
3．4 極地冰蓋研究 在夏季，當冰蓋表面溫度升高、融水成分增多時(shí)，冰蓋表面濕雪的前向散射增加，使得 A值減小。這種由于溫度升高導致表面后向散射發(fā)生顯著(zhù)變化的特征使得散射計可以用 于監測夏季冰蓋表面的融化狀況，與氣候資料結合通過(guò)年度比較分析得出全球變化與冰 蓋融化的關(guān)系。 Drinkwater和Long(Drinkwater，1994)發(fā)現，利用SAAS Ku波段散射計數據從冰蓋雪 冰散射特征可以測定冰蓋表面各成冰帶的分布情況。如圖5所示，以北極格陵蘭冰蓋為 例，冰蓋低海拔地區由于受夏季融化影響較多，當年積雪融化，下層冰出露，形成濕雪帶， 再向上則是表面發(fā)生較少融化的滲浸帶和即使在夏季也不發(fā)生融化的干雪帶。 圖5 冰蓋表面積累區各成冰帶示意圖(Paterson，1981) Fig．5．Zones in accumulation area 研究這些區域的分布和季節、年度變化對于了解極冰蓋與全球氣候變化之間的關(guān)系 非常有意義。

4 展望 星載微波散射計為科學(xué)家研究極地提供了一個(gè)新的研究手段，雖然其空間分辨率低， 但是其在南北極地區的高時(shí)間分辨率覆蓋和精確定標特性卻對大尺度的研究非常有意 義。隨著(zhù)ADEOS—II等一系列搭載新型散射計的衛星升空，加上原有的十數年的散射計 數據積累，南北極冰蓋長(cháng)時(shí)間序列變化分析研究成為可能。 星載散射計的發(fā)展趨勢是極化方式和頻率越來(lái)越多，采樣頻率逐步提高。今后的研 究方向在于如何將散射計與高分辨率的合成孔徑雷達影像和被動(dòng)微波數據結合起來(lái)開(kāi)展研究�！澳蠘O冰蓋物質(zhì)平衡和海平面變化”是國際科聯(lián)南極研究科學(xué)委員會(huì )(SCAR)推出 的《全球變化與南極地區》(GLOCHANT)計劃明確提出南極地區在全球變化中的6個(gè)核 心科學(xué)問(wèn)題之一。散射計在海冰監測方面的研究應用有利于研究海冰變異及其與氣候變 化的關(guān)系。國際上利用散射計數據開(kāi)展的進(jìn)一步研究在于利用散射計數據進(jìn)行冰蓋表層 雪積累量和消融速率監測，建立相關(guān)數學(xué)和物理模型，進(jìn)行冰蓋總量損失增益的估算，并 據此推算冰蓋的物質(zhì)平衡狀況。