海洋遥感之-海面风场概述
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2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（3）实际应用的风矢量反演模式
0 U , , a0 U , a1U , cos a2 U , cos2
由以上可见，模式函数是风速、风向、入射角、天 线极化方式等参数的非线性函数，加上后向散射系数 测量噪声的影响使得无法利用模式函数直接获得风矢 量信息。
2020/5/6
6.3 SAR获取海面风场信息
2.SAR获取海面风场的原理
SAR在波束入射角20～70的情况下，所接收来自 海面的后向散射主要为Bragg散射，其中风是影响后向 散射的主要因素之一。
根据风速与雷达后向散射系数之间的关系，可进 行风速的反演；利用SAR图像上与风向有关的“风条纹” 结合气象预报模式结果或者现场测量数据，可获得风向 信息。
对此，技术上主要采用中值滤波方法进行多解消 除处理。
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（5）风向多解消除-矢量中值滤波
Eijk
1 Lij k
ih jh
p
Wm'n' Aij k U mn
mih n jh
对于每个窗口，计算中心点的滤波函数值，用最小值Uij所对应的 风矢量代替方程中的Umn，重复计算滑动窗口，直到Uij=Umn。
微波散射计的入射角一般大于20度，散射计测量 海面风场以Bragg共振散射模型和双尺度模型为主。
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
2.测风原理
（1）雷达后向散射系数的计算：
0
(4 )3 R4 G022 Awp
( Pr ) Pt 0
（2）单位面积后向散射系数的Bragg表达：
0
22
cos
2020/5/6
6.3 SAR获取海面风场信息
3.SAR获取海面风场的流程
校准
CMOD模式函数
SAR图像
SAR后向散射 系数
海面风矢量
风向信息
模式风场
2020/5/6
（1）图像辐射定标
• ERS SAR数据
雷达后向散射系数与雷达亮度的关系： 0 0 sin
DN值与雷达亮度和后向散射系数的关系：
a1 0u 0d / 2
a2 0u 0d 2 0c / 4
风速、入射角和极 化方式的函数。
下标0u、0d和0c分别表示逆风、顺风和横风时观 2020测/5/6 的后向散射系数。
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（2）风矢量反演模式
2020/5/6
入射角和风向固定时，后向散射截面随风速的变化
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（2）风矢量反演模式
2020/5/6
风速固定时，后向散射系数随相对方位角的变化
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（3）实际应用的风矢量反演模式
• Ku波段 - Morre模式
0 a1U 1 a2U 2 cos a3U 3 cos 2
（2）CMOD模式函数
CMOD-IFR2 模式函数较为常用-只适合于VV极化：
0 VV
10 log(10ab
U10 [1 b1 cos(
) b2 cos 2( )])
0 - 后向散射系数； U10 - 海面上10米高度处风速； , - 风向和雷达天线方位角； VV - 垂直极化；
1/ 2
sin1/ 2
cos4
gij ( ) 1/ 2 (ug 1k )1/ 2
可见，后向散射系数随摩擦风速u线性增长。
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
2.测风原理
（3）海面高度z处风速的计算：（Monin-Obukhow方程）
U (z)
us
u ka
[ln(
z z0
)
( z
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（4）实际求解中的最大似然反演法
• 首先取风向为0度，给定一个起始风速(如7m/s)，在风速 区间范围内(如0-50m/s)按一定间隔寻找使目标函数式取 得最大值的风速，记录风速值和相应的目标函数值；
• 风向增加一个间隔，以上一个风向下找到的风速为起点， 重复上步，直到整个风向区间(0-360°)搜索完毕为止；
0 10 log 10[(DN 2 A1 ) / A2 ]
雷达后向散射系数与雷达亮度的关系为：
0 0 10 log 10 (sin )
arccos( h2 R2 2rh )
2rR
为雷达入射角；A2 为输出定标增益； A1为偏移量
h为卫星轨道高度；r为地球半径；R为斜距。
2020/5/6
响风速反演精度。
2020/5/6
6.4 其它方法测量海面风速
1.微波辐射计测量海面风速
（1）基本原理 基于海面微波辐射率与海面粗糙度之间具有高相
可通过其它方式如模式风场、现场观测数据、浮标数 据等来配合风向的确定。
2020/5/6
图像
风矢量
图像谱
2000/11/15 UTC 09:44 RADARSAT SAR反演的海面风场
2020/5/6
（4）SAR反演海面风速误差分析
利用合成孔径雷达SAR图像反演高分辨率的海面风 矢量的误差主要与经验模式函数、风向、入射角和后 向散射系数有关。 • 入射角可准确计算，其影响较小； • 误差随风速的增大而增大； • 图像上的噪声造成后向散射系数的误差，从而影
所以，需要其它方法的配合进行风矢量求解。
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（4）实际求解中的最大似然反演法
最大似然估计的目标函数：
J
N
i 1
oi m w,i 2
Var
m
i
ln Var m i
oi 后向散射系数的测量值
m w,i 后向散射系数的模式预测结果
海洋遥感之——海面风场 概述
The Oceanic Remote Sensing
2020/5/6
目录
概述 微波散射计测量海面风场 SAR获取海面风场信息 其它方法测量海面风速
2020/5/6
6.1 概述
1.海面风场测量的意义
海面风场测量对于海洋环境数值预报、海洋灾害监 测、海气相互作用、气象预报、气候研究等都具有重要 意义。
3.海面风场微波遥感测量的原理
• 风速测量- 微波传感器不能直接测量海面风矢量，
微波测量海面风速是基于海面的后向散射或亮温与海 面的粗糙度有关，而海面粗糙度与海面风速之间具有 一定的经验关系而进行的。
• 风向测量- 对同一海域不同入射角的资料进行分析，
可获得风向分布信息。
用于描述雷达后向散射系数与海面风矢量(风速和风向) 之间的经验关系称为风场反演的地球物理模式函数。
[DN]2
Costant
0
Costant
0 sin
Costant( ) 0
后向散射系数与DN值之间的关系为：
0
[DN]2 K
sin sin ref
K为校准常数
2020/5/6
ref 为参考入射角23° 为入射角
（1）图像辐射定标
• RadarSat SAR数据
雷达亮度与DN值的的关系为：
• 将局部最大值按从大到小的顺序排列,取出前四个对应的风 速、风向作为模糊解。
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（4）实际求解中的最大似然反演法
研究表明，在绝大数情况下，真实的海面风矢量 就是最大似然意义上的第一或第二解，而且这两 个解之间存在180度的方向差。一般情况下，有 60%的最可能风矢量解接近真实风速和风向，大 约30%的最可能解与实际真实风向相反。
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
※ 模式函数研究进展
• SASS-1模式函数 • SASS-2模式函数 • NSCAT-1模式函数 • NSCAT-2模式函数 • QSCAT-1模式函数 • Ku-2001模式函数
• CMOD1-12模式函数 • CMOD-IFR2模式函数
模式函数一般采用统计 的方法经验获得。
z0 L
)]
us为海面风速，ka为Karman常数（常取0.4），z0可用 经验关系式表达，ψ为考虑大气稳定性的修正值，L为M-O 长度。
可见，后向散射系数与海面风速具有较大相关性。
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
2.测风原理
（4）后向散射系数与风向之间的关系：
在风速固定的条件下，后向散射系数在逆风观测 时最大，顺风其次，而横风最小。
• 1999年QuikSCAT卫星的SeaWinds散射计提高了测量 精度。
目前测量风速范围在4～24m/s，精度为±2m/s或10％，风向 范围0～360°，精度±20 °。
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
2.测风原理
微波散射计（Ku波段和C波段的微波散射计）通 过测量海面微波后向散射系数，根据它与海面风矢量 的经验模式函数来反演海面风场。
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（2）风矢量反演模式 一般情况下，风矢量反演模式表达为：
Φ为相对方位角，与风向
0 f (U ,,...,,i) 和雷达观测方位角有关。
试验基础上，已获得后向散射截面与风矢量之 间具有如下关系：
AU r (1 a cos b cos 2) 式中系数根据经验确定，取决于入射角θ。
常规资料主要通过船舶、海上浮标、沿岸和岛屿气 象台站来测量获得，难以满足宏观、实时海洋监测的需 要，卫星遥感技术起到了非常重要的补充作用。
2020/5/6
6.1 概述
2.海面风场遥感测量的波段与传感器
• 可见光、红外遥感方法 • 微波散射计 • 微波辐射计 • 高度计 • SAR
2020/5/6
6.1 概述
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
1.发展历史
• 1966年Morre教授提出散射计测量海面风场的概念。
• 1973年Skylab卫星S-193散射计和1978年Seasat-A卫星 SASS散射计的成功经验证实了该技术的有效性。
• 1991年ESA的ERS-1卫星上装载了主动微波探测仪，使 卫星散射计风场测量进入业务化监测的新纪元。
工作于HH极化的SAR，需要描述HH和VV极化关系的极化率模型。
如：
2020/5/6
（3）风向的确定
通常情况下，SAR图像上存在与海面局部风向平行的 条纹，称为风条纹。由此，可通过SAR图像的低波数谱 来确定风向。
NN
l,m
X e2 ( jlkm) / N j,k
j1 k 1
通过该方法可直接利用SAR图像反演风向，不需要辅 助信息。但得到的风向有180度的风向模糊，而且SAR 图像上的线性特征不总是存在。
Ku波段的模式函数
C波段的模式函数
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（2）风矢量反演模式-常用：
Φ为相对方位角，为风 向和雷达方位角之差。
0 U , , a0 U , a1U , cos a2 U , cos2
a0 0u 0d 2 0c / 4
主要针对ERS系列卫星的模型，相继开发出了CMOD1-12模型。
CMOD-4（欧空局采用的标准算法）：
0 b0(1 b1cos b3 tan( b2) cos(2 ))1.6
CMOD5-12：
0 10 U10 (1 b1 cos b2 cos2)
2020/5/6
后向散射系数随风速和风向的变化(CMOD4)
矢量中值滤波初始场的确定：最可能的风矢量解作为初 始场、模式风场作为初始场。
2020/5/6
另外，还有一种场方式模型的多解消除方法。
6.3 SAR获取海面风场信息
1.SAR获取海面风场的意义
尽管微波散射计具有全天候条件下获得全球海 面风场的能力，但其分辨率不能满足近岸带观测的 需要， 高空间分辨率的合成孔径雷达可以弥补散射 计测风的不足。
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（1）反演步骤
• 计算归一化后向散射系数，并获得不同视角天线 对同一区域的观测；
• 利用风矢量与归一化后向散射系数之间的关系， 进行风速和风向估计；
• 多个可能风矢量解模糊性的消除。
2020ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ5/6
海面风场微波散射计测量流程
2020/5/6
• Ku波段 - Wentz（SASS-II模式）
0 A0 A1 cos A2 cos 2
A0 a0U a0 A1 (a1 a1 logU ) A0
2020/5/6
A2 (a2 a2 log U ) A0
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（3）实际应用的风矢量反演模式 • C波段 – 本质是简化的Morre模型
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（3）实际应用的风矢量反演模式
0 U , , a0 U , a1U , cos a2 U , cos2
由以上可见，模式函数是风速、风向、入射角、天 线极化方式等参数的非线性函数，加上后向散射系数 测量噪声的影响使得无法利用模式函数直接获得风矢 量信息。
2020/5/6
6.3 SAR获取海面风场信息
2.SAR获取海面风场的原理
SAR在波束入射角20～70的情况下，所接收来自 海面的后向散射主要为Bragg散射，其中风是影响后向 散射的主要因素之一。
根据风速与雷达后向散射系数之间的关系，可进 行风速的反演；利用SAR图像上与风向有关的“风条纹” 结合气象预报模式结果或者现场测量数据，可获得风向 信息。
对此，技术上主要采用中值滤波方法进行多解消 除处理。
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（5）风向多解消除-矢量中值滤波
Eijk
1 Lij k
ih jh
p
Wm'n' Aij k U mn
mih n jh
对于每个窗口，计算中心点的滤波函数值，用最小值Uij所对应的 风矢量代替方程中的Umn，重复计算滑动窗口，直到Uij=Umn。
微波散射计的入射角一般大于20度，散射计测量 海面风场以Bragg共振散射模型和双尺度模型为主。
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
2.测风原理
（1）雷达后向散射系数的计算：
0
(4 )3 R4 G022 Awp
( Pr ) Pt 0
（2）单位面积后向散射系数的Bragg表达：
0
22
cos
2020/5/6
6.3 SAR获取海面风场信息
3.SAR获取海面风场的流程
校准
CMOD模式函数
SAR图像
SAR后向散射 系数
海面风矢量
风向信息
模式风场
2020/5/6
（1）图像辐射定标
• ERS SAR数据
雷达后向散射系数与雷达亮度的关系： 0 0 sin
DN值与雷达亮度和后向散射系数的关系：
a1 0u 0d / 2
a2 0u 0d 2 0c / 4
风速、入射角和极 化方式的函数。
下标0u、0d和0c分别表示逆风、顺风和横风时观 2020测/5/6 的后向散射系数。
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（2）风矢量反演模式
2020/5/6
入射角和风向固定时，后向散射截面随风速的变化
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（2）风矢量反演模式
2020/5/6
风速固定时，后向散射系数随相对方位角的变化
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（3）实际应用的风矢量反演模式
• Ku波段 - Morre模式
0 a1U 1 a2U 2 cos a3U 3 cos 2
（2）CMOD模式函数
CMOD-IFR2 模式函数较为常用-只适合于VV极化：
0 VV
10 log(10ab
U10 [1 b1 cos(
) b2 cos 2( )])
0 - 后向散射系数； U10 - 海面上10米高度处风速； , - 风向和雷达天线方位角； VV - 垂直极化；
1/ 2
sin1/ 2
cos4
gij ( ) 1/ 2 (ug 1k )1/ 2
可见，后向散射系数随摩擦风速u线性增长。
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
2.测风原理
（3）海面高度z处风速的计算：（Monin-Obukhow方程）
U (z)
us
u ka
[ln(
z z0
)
( z
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（4）实际求解中的最大似然反演法
• 首先取风向为0度，给定一个起始风速(如7m/s)，在风速 区间范围内(如0-50m/s)按一定间隔寻找使目标函数式取 得最大值的风速，记录风速值和相应的目标函数值；
• 风向增加一个间隔，以上一个风向下找到的风速为起点， 重复上步，直到整个风向区间(0-360°)搜索完毕为止；
0 10 log 10[(DN 2 A1 ) / A2 ]
雷达后向散射系数与雷达亮度的关系为：
0 0 10 log 10 (sin )
arccos( h2 R2 2rh )
2rR
为雷达入射角；A2 为输出定标增益； A1为偏移量
h为卫星轨道高度；r为地球半径；R为斜距。
2020/5/6
响风速反演精度。
2020/5/6
6.4 其它方法测量海面风速
1.微波辐射计测量海面风速
（1）基本原理 基于海面微波辐射率与海面粗糙度之间具有高相
可通过其它方式如模式风场、现场观测数据、浮标数 据等来配合风向的确定。
2020/5/6
图像
风矢量
图像谱
2000/11/15 UTC 09:44 RADARSAT SAR反演的海面风场
2020/5/6
（4）SAR反演海面风速误差分析
利用合成孔径雷达SAR图像反演高分辨率的海面风 矢量的误差主要与经验模式函数、风向、入射角和后 向散射系数有关。 • 入射角可准确计算，其影响较小； • 误差随风速的增大而增大； • 图像上的噪声造成后向散射系数的误差，从而影
所以，需要其它方法的配合进行风矢量求解。
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（4）实际求解中的最大似然反演法
最大似然估计的目标函数：
J
N
i 1
oi m w,i 2
Var
m
i
ln Var m i
oi 后向散射系数的测量值
m w,i 后向散射系数的模式预测结果
海洋遥感之——海面风场 概述
The Oceanic Remote Sensing
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目录
概述 微波散射计测量海面风场 SAR获取海面风场信息 其它方法测量海面风速
2020/5/6
6.1 概述
1.海面风场测量的意义
海面风场测量对于海洋环境数值预报、海洋灾害监 测、海气相互作用、气象预报、气候研究等都具有重要 意义。
3.海面风场微波遥感测量的原理
• 风速测量- 微波传感器不能直接测量海面风矢量，
微波测量海面风速是基于海面的后向散射或亮温与海 面的粗糙度有关，而海面粗糙度与海面风速之间具有 一定的经验关系而进行的。
• 风向测量- 对同一海域不同入射角的资料进行分析，
可获得风向分布信息。
用于描述雷达后向散射系数与海面风矢量(风速和风向) 之间的经验关系称为风场反演的地球物理模式函数。
[DN]2
Costant
0
Costant
0 sin
Costant( ) 0
后向散射系数与DN值之间的关系为：
0
[DN]2 K
sin sin ref
K为校准常数
2020/5/6
ref 为参考入射角23° 为入射角
（1）图像辐射定标
• RadarSat SAR数据
雷达亮度与DN值的的关系为：
• 将局部最大值按从大到小的顺序排列,取出前四个对应的风 速、风向作为模糊解。
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（4）实际求解中的最大似然反演法
研究表明，在绝大数情况下，真实的海面风矢量 就是最大似然意义上的第一或第二解，而且这两 个解之间存在180度的方向差。一般情况下，有 60%的最可能风矢量解接近真实风速和风向，大 约30%的最可能解与实际真实风向相反。
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6.2 微波散射计测量海面风场
※ 模式函数研究进展
• SASS-1模式函数 • SASS-2模式函数 • NSCAT-1模式函数 • NSCAT-2模式函数 • QSCAT-1模式函数 • Ku-2001模式函数
• CMOD1-12模式函数 • CMOD-IFR2模式函数
模式函数一般采用统计 的方法经验获得。
z0 L
)]
us为海面风速，ka为Karman常数（常取0.4），z0可用 经验关系式表达，ψ为考虑大气稳定性的修正值，L为M-O 长度。
可见，后向散射系数与海面风速具有较大相关性。
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
2.测风原理
（4）后向散射系数与风向之间的关系：
在风速固定的条件下，后向散射系数在逆风观测 时最大，顺风其次，而横风最小。
• 1999年QuikSCAT卫星的SeaWinds散射计提高了测量 精度。
目前测量风速范围在4～24m/s，精度为±2m/s或10％，风向 范围0～360°，精度±20 °。
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6.2 微波散射计测量海面风场
2.测风原理
微波散射计（Ku波段和C波段的微波散射计）通 过测量海面微波后向散射系数，根据它与海面风矢量 的经验模式函数来反演海面风场。
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（2）风矢量反演模式 一般情况下，风矢量反演模式表达为：
Φ为相对方位角，与风向
0 f (U ,,...,,i) 和雷达观测方位角有关。
试验基础上，已获得后向散射截面与风矢量之 间具有如下关系：
AU r (1 a cos b cos 2) 式中系数根据经验确定，取决于入射角θ。
常规资料主要通过船舶、海上浮标、沿岸和岛屿气 象台站来测量获得，难以满足宏观、实时海洋监测的需 要，卫星遥感技术起到了非常重要的补充作用。
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6.1 概述
2.海面风场遥感测量的波段与传感器
• 可见光、红外遥感方法 • 微波散射计 • 微波辐射计 • 高度计 • SAR
2020/5/6
6.1 概述
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
1.发展历史
• 1966年Morre教授提出散射计测量海面风场的概念。
• 1973年Skylab卫星S-193散射计和1978年Seasat-A卫星 SASS散射计的成功经验证实了该技术的有效性。
• 1991年ESA的ERS-1卫星上装载了主动微波探测仪，使 卫星散射计风场测量进入业务化监测的新纪元。
工作于HH极化的SAR，需要描述HH和VV极化关系的极化率模型。
如：
2020/5/6
（3）风向的确定
通常情况下，SAR图像上存在与海面局部风向平行的 条纹，称为风条纹。由此，可通过SAR图像的低波数谱 来确定风向。
NN
l,m
X e2 ( jlkm) / N j,k
j1 k 1
通过该方法可直接利用SAR图像反演风向，不需要辅 助信息。但得到的风向有180度的风向模糊，而且SAR 图像上的线性特征不总是存在。
Ku波段的模式函数
C波段的模式函数
2020/5/6
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（2）风矢量反演模式-常用：
Φ为相对方位角，为风 向和雷达方位角之差。
0 U , , a0 U , a1U , cos a2 U , cos2
a0 0u 0d 2 0c / 4
主要针对ERS系列卫星的模型，相继开发出了CMOD1-12模型。
CMOD-4（欧空局采用的标准算法）：
0 b0(1 b1cos b3 tan( b2) cos(2 ))1.6
CMOD5-12：
0 10 U10 (1 b1 cos b2 cos2)
2020/5/6
后向散射系数随风速和风向的变化(CMOD4)
矢量中值滤波初始场的确定：最可能的风矢量解作为初 始场、模式风场作为初始场。
2020/5/6
另外，还有一种场方式模型的多解消除方法。
6.3 SAR获取海面风场信息
1.SAR获取海面风场的意义
尽管微波散射计具有全天候条件下获得全球海 面风场的能力，但其分辨率不能满足近岸带观测的 需要， 高空间分辨率的合成孔径雷达可以弥补散射 计测风的不足。
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6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（1）反演步骤
• 计算归一化后向散射系数，并获得不同视角天线 对同一区域的观测；
• 利用风矢量与归一化后向散射系数之间的关系， 进行风速和风向估计；
• 多个可能风矢量解模糊性的消除。
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海面风场微波散射计测量流程
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• Ku波段 - Wentz（SASS-II模式）
0 A0 A1 cos A2 cos 2
A0 a0U a0 A1 (a1 a1 logU ) A0
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A2 (a2 a2 log U ) A0
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（3）实际应用的风矢量反演模式 • C波段 – 本质是简化的Morre模型