第10章课件 第十章 散射计(Scatterometer) 卫星海洋学 PPT
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Surface）
► §10.3.1 镜面反射理论（Specular Reflection Theory） ► §10.3.2 海表面斜率的概率密度函数 ► §10.3.3 布喇格共振散射（Bragg Resonant Scattering） ► §10.3.4 两尺度散射模型（Two-Scale Scattering Model） ► §10.4 经验模型（Empirical Model） ► §10.4.1 海洋风反演的经验模型（Empirical Model of Oceanic Wind Retrieval） ► §10.4.2 两个模型之间的比较（Comparison between Two Models） ► §10.5 风浪的方向谱（Directional Spectrum of the Wind Waves） ► §10.5.1 深水风浪方向谱（Directional Spectrum of the Wind Waves for Deep Water） ► §10.5.2 重力毛细波谱（Spectrum of Gravity-Capillary Waves） ► §10.5.3 风浪的全方向曲率谱
ERS1 (1991～)
ESA
ERS2 (1995～)
Seasatቤተ መጻሕፍቲ ባይዱA (78/7～78/10)
NASA
Skylab (1973～1974) NASA
SeaWinds
NSCAT 美国宇航局的第一部双幅侧扫描的Ku-波段 /13.995GHz散射计
AMI-SCAT 模式 属于单幅侧扫描的C-波段/5.3GHz垂直发射 垂直接收(VV)雷达，刈幅为500km
► 天线接收电磁波的能量增益GR与天线的有效面积AE的关系是
GR
4 2
AE
(10-2)
式中 λ 是电磁波的波长。将（10-2）代入到（10-1），公式（10-1）变为 ► 雷达方程的一般形式
(10-3)
PR
PTGTGR2 (4)3 R4
► 根据公式（10-3），对应被探测面积元的雷达后向散射截面σ（单位 m2 ）可表为
§10.1 卫星和散射计 （Satellite & Scatterometer）
► 散射计（scatterometer）是一种专门监测全球海表面风的 主动微波雷达（active microwave radar）。使用卫星携 带的散射计可获得全天候、高分辨率的全球海洋近表面风资 料。
表 10-1显示目前世界各国已经发射的卫星及其携带的散射计名称
雷达方程（Radar Equation）
► 雷达方程的基本形式是
PR 4PTπGRT2 σ4πAER2
(10-1)
式中PR是接收的雷达功率（单位Watt），PT是发射的雷达功率（单位Watt）， GT是天线传输能量的增益，AE是天线的有效面积（单位m2）。σ是对应被探测 元的雷达后向散射截面（单位m2 ）。
第十章 散射计（Scatterometer）
► §10.1 卫星和散射计（Satellites & Scatterometers） ► §10.2 标准化雷达后向散射截面（Normalized Radar Backscatter Cross
Section） ► §10.3 电磁波在粗糙海面的散射（Scatter of EM Waves at a Rough Sea
SASS 属于单幅侧扫描的Ku-波段垂直发射垂直接 收(VV)和水平发射水平接收(HH)雷达
散射计
CMOD3 CMOD4 CMOD5
SASS-Ⅰ SASS-Ⅱ
► 欧空局ERS1/2卫星采用前、中、后三个天线依次探测海洋 上同一个25km×25km的面积元，即同一个面积元被连续 探测三次，三个天线发出的电磁波束在海面的投影与卫星在 海面的轨迹分别有45度、90度和135度的夹角。对同一个 点元，三个天线探测的入射角也各不相同，入射角的分布范 围是18度到58度。依据反演的算法，每个天线的测量给出 一个方程，三个天线的测量给出的三个方程组成一个方程组。
► 通过与现场浮标测量比较，人们发现：遵照最小二乘法计算 出的方程组的解并不总是真实的物理解，具有第二、第三或 者第四小误差的解可能符合真实的物理条件。从散射计海面 风产品的多组解挑选最佳解是用户的工作；当然，第一组解 一般情况下是最佳解。当用户发现问题时，需要从其它备选 解中寻找真实解。
§10.2 标准化雷达后向散射截面
PR PT
( 4 )3R4 GTGR2
0dA0A
A
► σ达0后是向单散位射面截积面的N雷RC达S后，向通散俗射地截也面被,称无为量散纲射的系，数一.般这地个被系称数为与标海准面化粗雷糙 度获得有海关面，风海。面粗糙度由海面风决定，所以对σ0 的观测可以间接地计算
► 可由接收功率和发射功率比值表示
卫星
资助者
散射计
算法
QuikSCAT (1999～)
NASA
SeaWinds (“海风”) Ku-波段/13.4GHz散射计，刈幅为 1800km，每天能覆盖地球90%的面积。
ADEOS –II (2002/12～ 2003/10)
ADEOS –I (1996/9～1997/6)
JAPAN JAPAN
0
Pr Pt
(4)3R4 GtGr2A
►由于σ0变化范围太大，我们经常用σ0（dB） 表示标准化雷达后向散射截面NRCS，即
0[d]B 1l0o g0)( 式中左侧代表用dB（分贝）表达的σ0 [dB]，
右侧代表原始定义的σ0。如果σ0是100，σ0 [dB]就是20；如果σ0是0.001，σ0 [dB]就 是–30。分贝（dB）仅仅是数学单位，它不 代表物理上的量纲。
► 散射计接收的标准化雷达后向散射截面NRCS包括两 个部分。一部分由电磁波在海面上由镜面反射机制 产生，另一部分由电磁波与海表面短波之间的布喇 格共振散射机制产生。
（Normalized Radar Backscatter Cross Section）
► 卫星发出的电磁波向下传播，遇 海面后向散射的电磁波携带着海 面的信息，这些信息连同噪音被 雷达接收。
► 图10-2是描述散射计的雷达波束 在海面投射的几何示意图，其中 θ是入射角，R是天线到被探测 元的距离，A是雷达波束照射到 海表面的面积。
► §10.3.1 镜面反射理论（Specular Reflection Theory） ► §10.3.2 海表面斜率的概率密度函数 ► §10.3.3 布喇格共振散射（Bragg Resonant Scattering） ► §10.3.4 两尺度散射模型（Two-Scale Scattering Model） ► §10.4 经验模型（Empirical Model） ► §10.4.1 海洋风反演的经验模型（Empirical Model of Oceanic Wind Retrieval） ► §10.4.2 两个模型之间的比较（Comparison between Two Models） ► §10.5 风浪的方向谱（Directional Spectrum of the Wind Waves） ► §10.5.1 深水风浪方向谱（Directional Spectrum of the Wind Waves for Deep Water） ► §10.5.2 重力毛细波谱（Spectrum of Gravity-Capillary Waves） ► §10.5.3 风浪的全方向曲率谱
ERS1 (1991～)
ESA
ERS2 (1995～)
Seasatቤተ መጻሕፍቲ ባይዱA (78/7～78/10)
NASA
Skylab (1973～1974) NASA
SeaWinds
NSCAT 美国宇航局的第一部双幅侧扫描的Ku-波段 /13.995GHz散射计
AMI-SCAT 模式 属于单幅侧扫描的C-波段/5.3GHz垂直发射 垂直接收(VV)雷达，刈幅为500km
► 天线接收电磁波的能量增益GR与天线的有效面积AE的关系是
GR
4 2
AE
(10-2)
式中 λ 是电磁波的波长。将（10-2）代入到（10-1），公式（10-1）变为 ► 雷达方程的一般形式
(10-3)
PR
PTGTGR2 (4)3 R4
► 根据公式（10-3），对应被探测面积元的雷达后向散射截面σ（单位 m2 ）可表为
§10.1 卫星和散射计 （Satellite & Scatterometer）
► 散射计（scatterometer）是一种专门监测全球海表面风的 主动微波雷达（active microwave radar）。使用卫星携 带的散射计可获得全天候、高分辨率的全球海洋近表面风资 料。
表 10-1显示目前世界各国已经发射的卫星及其携带的散射计名称
雷达方程（Radar Equation）
► 雷达方程的基本形式是
PR 4PTπGRT2 σ4πAER2
(10-1)
式中PR是接收的雷达功率（单位Watt），PT是发射的雷达功率（单位Watt）， GT是天线传输能量的增益，AE是天线的有效面积（单位m2）。σ是对应被探测 元的雷达后向散射截面（单位m2 ）。
第十章 散射计（Scatterometer）
► §10.1 卫星和散射计（Satellites & Scatterometers） ► §10.2 标准化雷达后向散射截面（Normalized Radar Backscatter Cross
Section） ► §10.3 电磁波在粗糙海面的散射（Scatter of EM Waves at a Rough Sea
SASS 属于单幅侧扫描的Ku-波段垂直发射垂直接 收(VV)和水平发射水平接收(HH)雷达
散射计
CMOD3 CMOD4 CMOD5
SASS-Ⅰ SASS-Ⅱ
► 欧空局ERS1/2卫星采用前、中、后三个天线依次探测海洋 上同一个25km×25km的面积元，即同一个面积元被连续 探测三次，三个天线发出的电磁波束在海面的投影与卫星在 海面的轨迹分别有45度、90度和135度的夹角。对同一个 点元，三个天线探测的入射角也各不相同，入射角的分布范 围是18度到58度。依据反演的算法，每个天线的测量给出 一个方程，三个天线的测量给出的三个方程组成一个方程组。
► 通过与现场浮标测量比较，人们发现：遵照最小二乘法计算 出的方程组的解并不总是真实的物理解，具有第二、第三或 者第四小误差的解可能符合真实的物理条件。从散射计海面 风产品的多组解挑选最佳解是用户的工作；当然，第一组解 一般情况下是最佳解。当用户发现问题时，需要从其它备选 解中寻找真实解。
§10.2 标准化雷达后向散射截面
PR PT
( 4 )3R4 GTGR2
0dA0A
A
► σ达0后是向单散位射面截积面的N雷RC达S后，向通散俗射地截也面被,称无为量散纲射的系，数一.般这地个被系称数为与标海准面化粗雷糙 度获得有海关面，风海。面粗糙度由海面风决定，所以对σ0 的观测可以间接地计算
► 可由接收功率和发射功率比值表示
卫星
资助者
散射计
算法
QuikSCAT (1999～)
NASA
SeaWinds (“海风”) Ku-波段/13.4GHz散射计，刈幅为 1800km，每天能覆盖地球90%的面积。
ADEOS –II (2002/12～ 2003/10)
ADEOS –I (1996/9～1997/6)
JAPAN JAPAN
0
Pr Pt
(4)3R4 GtGr2A
►由于σ0变化范围太大，我们经常用σ0（dB） 表示标准化雷达后向散射截面NRCS，即
0[d]B 1l0o g0)( 式中左侧代表用dB（分贝）表达的σ0 [dB]，
右侧代表原始定义的σ0。如果σ0是100，σ0 [dB]就是20；如果σ0是0.001，σ0 [dB]就 是–30。分贝（dB）仅仅是数学单位，它不 代表物理上的量纲。
► 散射计接收的标准化雷达后向散射截面NRCS包括两 个部分。一部分由电磁波在海面上由镜面反射机制 产生，另一部分由电磁波与海表面短波之间的布喇 格共振散射机制产生。
（Normalized Radar Backscatter Cross Section）
► 卫星发出的电磁波向下传播，遇 海面后向散射的电磁波携带着海 面的信息，这些信息连同噪音被 雷达接收。
► 图10-2是描述散射计的雷达波束 在海面投射的几何示意图，其中 θ是入射角，R是天线到被探测 元的距离，A是雷达波束照射到 海表面的面积。