星載微波散射計技術(shù)及其在極地的應(yīng)用

提要簡要介紹了微波散射計的原理、星載微波散射計的發(fā)展?fàn)顩r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(chǔ)上結(jié)合幾種星載微波散射計數(shù)據(jù)簡要介紹了微波散射 計在南北兩極的應(yīng)用情況(海冰圖測繪、海冰運(yùn)動監(jiān)測、海冰分類、極地冰蓋研究等)及其未來 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(dá)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(dá)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于所照射 之地表的特性，故能夠提供被天線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(zhuǎn)化為數(shù)字形式。由雷達(dá)方程(式1)可以計算得到歸一化的雷達(dá)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為天線增益，A為波長，A 為天線面積，R為散射源與目標(biāo)表面之間的距離。 微波散射計的測量方式有很多種，見圖1。側(cè)視扇形波束散射計(見圖la)可以探測 較寬的范圍，前視扇形波束散射計(見圖1b)只能沿著飛行軌跡測量，但對于表面上的每 一點，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(dǎo)度計| PH計| 酸堿計| 糖度計| 鹽度計| 酸堿度計| 電導(dǎo)計| 水分測定儀| 濁度計|掃描式筆形波束散射計(見圖1d)以恒定的觀測 角對很寬的區(qū)域進(jìn)行雙向觀測(Elachi，1987)。星載散射計的運(yùn)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 散射計的各種觀測方式(a)側(cè)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 散射計對于觀測海洋的后向散射截面非常有效，原理是雷達(dá)散射強(qiáng)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(jù)從不同方向角上測得的雷達(dá)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(shè)計的最初目的。同時散射計對于大尺度的冰和陸地應(yīng)用研究也非有用，因 為不同的地物對雷達(dá)波具有不同的散射特性，通過測量經(jīng)過精確定標(biāo)后的雷達(dá)后向散射 可以確定陸地地表的植被覆蓋類型和沙漠化情況；在極地可以區(qū)分海冰與海水和不同類 型的冰雪特征，通過散射特性長時間序列變化來確定季節(jié)、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)展時間順序介紹幾種星載微波散射計(SAAS、ESCAT、NSCAT、SeaWinds／ QSCAT)。詳細(xì)的參數(shù)對比見表1。 1978年海洋衛(wèi)星SEASAT上搭載的散射計SAAS使用的是雙扇形束斜觀測方式。 SAAS每側(cè)具有兩個傾斜的扇形波束天線，當(dāng)衛(wèi)星移動時，目標(biāo)表面上的每一點被觀測兩 次，一次用向前的天線觀測，另一次用向后的天線觀測，這就獲得了來自兩個不同觀測方 向的測量資料。SAAS傳感器的工作頻率為14．6GHz(對應(yīng)波長為2cm)，Ku波段，包括4 個雙極化扇形波束天線，它能在表面上形成呈現(xiàn)“x”形的照射圖(Elachi，1987)。 ESCAT風(fēng)散射計為搭載在ERS．1／2衛(wèi)星上的c波段(5．3GHz)垂直極化散射計，具 有3副天線，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(cè)發(fā)射脈沖，在約500kin的觀測幅度里，每個測量節(jié)點間距為25kin，沿軌向節(jié)點間距 為25kin，入射角變化范圍為l8。_59。。自1991年ERS—l發(fā)射以來，ERS-2又于1996年 升空運(yùn)行，ESCAT已經(jīng)連續(xù)獲取全球散射數(shù)據(jù)達(dá)lO余年，提供了進(jìn)行長時間序列全球變 化研究的最佳數(shù)據(jù)。 表1 四種星載微波散射計參數(shù)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 ’ 天線方位取向／＼ < 《 ：● ， 《 ●- - I-● HH 1 ，． Ij | V’ ) )oppler Pa nI e 、 _ Ie 【 q 【1 r ● 目 模式 SA D _門 ， 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(wèi)星上的微波散射計，其運(yùn)行時段為 l996年9月至l997年6月，后因ADEOs—I太陽能板故障而終止。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(qū)日覆蓋數(shù)次，其密集的極區(qū)覆蓋率非常有利 于極地研究( ng，l999) seaWinds(也稱QscAT)l999年隨QuikscAT衛(wèi)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進(jìn)行HH和w 極化方式測量。與NSCAT不同的是， QscAT采用兩個固定入射角(46。和54。)，分別對應(yīng)內(nèi)外波束，內(nèi)外波束分別又是HH和 w 極化方式。QSCAT測量數(shù)據(jù)產(chǎn)品有兩種形式，分別稱為“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(dá)散射計。所以散射計的研究與應(yīng)用前景非常廣闊。
2．2 散射計圖像濾波重建技術(shù) 低空問分辨率、高時間分辨率的散射計數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的可用性。一種稱為散射計圖像濾波重建(Scatterometer Image Reconstruction with Filter，簡稱SIRF)的算法技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該算法通過 將衛(wèi)星連續(xù)幾天內(nèi)的多次和多個角度測量數(shù)據(jù)合成起來而達(dá)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： 在一個限定的入射角范圍內(nèi)[20。，55。]，雷達(dá)后向散射系數(shù) 。(單位為dB)近似為人 射角0的線性函數(shù)： 。 = 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(shù)。A是中掃描帶寬即人射角為 4o。時的仃。值，B表征了在一定入射角范圍內(nèi)后向散射系數(shù)的梯度，反映了后向散射系數(shù) 仃。與入射角0之間的關(guān)系。使用SIRF算法可以從間隔數(shù)天的cro測量數(shù)據(jù)中同時產(chǎn)生A 和 影像。 圖2 兩極地區(qū)NSCAT散射的6天數(shù)據(jù)合成A，B影像。上兩幅為北極地區(qū)、下兩幅為南極地區(qū)，極點處 黑圈為衛(wèi)星照射盲區(qū)，無冰海面均設(shè)為黑色該算法最初設(shè)計應(yīng)用于SAAS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，因其效果很好而在后續(xù)的散射計數(shù)據(jù)處理 中得到了廣泛的運(yùn)用。以NSCAT為例，在極地地區(qū)取每6天的數(shù)據(jù)來處理，經(jīng)過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(qū)NSCAT的A和 影像。另外，ESCAT數(shù)據(jù)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是以兩個固定的入射角進(jìn)行測量，故在其產(chǎn)品中沒有 影像。

 3 星載微波散射計在極地的應(yīng)用研究 對于兩極的海冰和陸地冰蓋，由于不同冰面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異，后向散射特性也不 同。后向散射特性與冰的結(jié)構(gòu)特性和組成成分密切相關(guān)(包括介電常數(shù)、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(shù)與冰的類型和冰齡以及外界氣 候變化有關(guān))，同時也與入射電磁波的類型有關(guān)(方向、極化方式、波長、入射角等)。不同 海冰的雷達(dá)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 不同類型冰面的雷達(dá)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(jù)上述冰的雷達(dá)后向散射特性，散射計數(shù)據(jù)在極地可以有如下的應(yīng)用：
3．1 海冰圖測繪 Yueh等經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)Ku波段的散射特征非常適合用于區(qū)分海冰和海水(Yueh， 1997)。Remund和 ng( ng，1999)提出了一種實用的基于增強(qiáng)分辨率NSCAT數(shù)據(jù)的 海冰分類算法，稱為RL算法。RL算法對NSCAT產(chǎn)品A、 影像數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，生成 類似于圖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 作為主要分類參數(shù)，因為這二者對于海冰最為敏感。兩種參數(shù)的規(guī)律是：在 海水表面y值大而海冰表面y值則較小；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算法分類得到的海冰范圍與被動微波輻射計SSM／I數(shù)據(jù)和現(xiàn)場觀測的結(jié)果 進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)兩者比較符合。而且在海冰快速消漲時利用SSM／I進(jìn)行海冰分類誤差往往很大，有時甚至還會發(fā)生錯誤。所以散射計為海冰范圍動態(tài)監(jiān)測提供了一個高效準(zhǔn) 確的手段�，F(xiàn)在散射計海冰制圖應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入常規(guī)的實用階段，SCP有準(zhǔn)實時的數(shù)日合成的兩極 地區(qū)散射計海冰圖發(fā)布。
3．2 海冰與冰山運(yùn)動監(jiān)測 衛(wèi)星遙感監(jiān)測到的海冰運(yùn)動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(yùn)提供海冰的運(yùn)動和厚度資料，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 辨率微波和可見光數(shù)據(jù)進(jìn)行自動海冰監(jiān)測的技術(shù)并已經(jīng)應(yīng)用于跟蹤監(jiān)測北極海冰。這些 成功應(yīng)用于北極海冰的算法經(jīng)過一些調(diào)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(yùn)用。 Drinkwater等成功地利用NSCAT的數(shù)據(jù)對南極Weddell海海冰進(jìn)行了運(yùn)動矢量場提 取，并且發(fā)現(xiàn)了該地區(qū)海冰運(yùn)動的順時針環(huán)流模式。在其東部邊緣沿著南極海岸線，海冰 流入，而在其北部卻沿著南極半島流出(1ong，1999)。 Long等(Long，2001)利用QSCAT監(jiān)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程，如圖4所示。可見散射計可以通過區(qū)分海冰 與海水追蹤崩塌冰山的運(yùn)動路徑，為航船和冰蓋冰量損失監(jiān)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 最新研究發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)場觀測冰的特征和船載雷達(dá)、SAR和散射計觀測結(jié)果 進(jìn)行了比較，將冰分為四類：MY(Multi Year，多年冰)、RFY(Rough First Year，粗糙當(dāng)年冰)、SFY(Soft First Year，光滑當(dāng)年冰)和NL(Nilas，尼羅冰)。不同的冰形態(tài)具有顯著不 同的后向散射特性。Remund等推出了一種使用k均值聚類方法對增強(qiáng)的A和B影像進(jìn) 行最大似然分類的方法，取得了較好的分類效果(Remund，1998)。
3．4 極地冰蓋研究 在夏季，當(dāng)冰蓋表面溫度升高、融水成分增多時，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(dǎo)致表面后向散射發(fā)生顯著變化的特征使得散射計可以用 于監(jiān)測夏季冰蓋表面的融化狀況，與氣候資料結(jié)合通過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(xiàn)，利用SAAS Ku波段散射計數(shù)據(jù)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(qū)由于受夏季融化影響較多，當(dāng)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(qū)各成冰帶示意圖(Paterson，1981) Fig．5．Zones in accumulation area 研究這些區(qū)域的分布和季節(jié)、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新的研究手段，雖然其空間分辨率低， 但是其在南北極地區(qū)的高時間分辨率覆蓋和精確定標(biāo)特性卻對大尺度的研究非常有意 義。隨著ADEOS—II等一系列搭載新型散射計的衛(wèi)星升空，加上原有的十?dāng)?shù)年的散射計 數(shù)據(jù)積累，南北極冰蓋長時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(dá)影像和被動微波數(shù)據(jù)結(jié)合起來開展研究�！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(SCAR)推出 的《全球變化與南極地區(qū)》(GLOCHANT)計劃明確提出南極地區(qū)在全球變化中的6個核 心科學(xué)問題之一。散射計在海冰監(jiān)測方面的研究應(yīng)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(shù)據(jù)開展的進(jìn)一步研究在于利用散射計數(shù)據(jù)進(jìn)行冰蓋表層 雪積累量和消融速率監(jiān)測，建立相關(guān)數(shù)學(xué)和物理模型，進(jìn)行冰蓋總量損失增益的估算，并 據(jù)此推算冰蓋的物質(zhì)平衡狀況。