微波遥感海洋应用(高度计)

据1978年Seasat三个月飞行后已发表的科学论文的数量判断， 星载雷达高度计取得的观测资料吸引了许多海洋科学家的注意 力，高度计可以测量卫星和海面之间的距离，测量误差在10cm 以内。测量距离约800km，准确度为800万分之一，这不能不说 是一项了不起的成就。高度计带给海洋学工作者的机会，即实 现了海面绝对斜率的测量，正是他们百年来梦寐以求的事情。 高度计测量成就的重要意义越来越明显。还应该补充一点，高 度计还具有准确地测量有效波高，同时估算海面风速的能力。 我们有充分的依据可以解释为什么主要的航天大国的空间部门 都在规划后续的卫星高度计（ERS-1/2，T/P，GFO，JASON， ENVISAT）。

– Ocean surface waveform retracking－－为了获得精度更
高的产品 – Non-ocean surface waveform retracking －－为了获得非 海洋表面对应的参数
回波模型

雷达高度计接受海面回波平均能量可以表示 成三个量的的卷积形式（Barrick, 1972，Brown,1977;
Hayne,1980; Rodriguez, 1988 ）
其中
W (t ) PFS (t )* qs (t )* p (t )
平均的回波能量 平面的雷达脉冲相应（average flat sea surface respon se） 海面散射面分布的概率密度函数(surface elevation prob ability density of sacttering elements) 雷达点脉冲相应(radar point target response)
q 2海面散射面的概率密度函数(t )
s
1 1 t 2 qs (t ) exp[ ( ) ] 2 s 2 s
s 1 1 t 2 t qs (t ) exp[ ( ) ][1 H 3 ( )] 2 s 6 s 2 s
其中
s -surface rms waveheight(1 4 of SWH) s -skewness H 3 -Hermite polynomial
海面测高--卫星雷达高度计
2010年
卫星雷达高度计
卫星测高是一门涉及到不同学科和不同专业的综合学科。它利 用卫星上安装的微波雷达高度计，实时的测量卫星到海面的高 度、有效波高、和后向散射系数，通过对数据的处理和分析， 进行地球物理学和海洋动力学的研究。对于卫星高度计的研究 已经有三、四十年的历史。早在1973年，美国就发射了Skylab， 飞船载有微波遥感器S-193，兼有高度计和散射计功能，可以 观测海面风速等环境参数。1975年美国又在Geos-3卫星上装载 了一台卫星高度计，Geos-3是高度计专用卫星，用于观测海洋 大地水准面、海面风速及有效波高。
海况的影响(SWH)
Mean Sea level Mean Scattering Surface Median Scattering Surface
是高度计距离测量中最大的误差来源 （5cm）。 都是海面的非高斯分布造成的。

– Electromagnetic(EM) bias(2%- 5% of SWH)
Skewness bias的校正

Skewness Bias是平均散射面和中值散射面 之间的高度差。 直接影响到回波波形上升沿的形状。可以 通过波形重构去除。
Rskew
H1/ 3 24
大气传输的订正
假设雷达信号以光速传播，根据测量的脉冲传 输时间t可计算高度。然而，脉冲传播速度通过 大气层和对流层时降低，造成距离（即高度） 过高估算。 如果令C为光在真空中的传播速度，Cm为脉冲 在介质中传播的速度，那么，过高估算的距离 为
1978年美国发射了世界上第一颗海洋专用遥感卫星Seasat-1，其 中卫星高度计是主要载荷之一，可实现对海面风速的观测。美 国海军1985年发射的测地卫星Geosat也是一颗高度计专业卫星。 进入90年代以来，随着技术的不断进步，高度计整体性能有很 大的提高。1991年7月欧空局发射了第一颗欧洲遥感卫星(ERS1)，同Seasat-1一样，微波遥感器是该星的主要载荷，其中雷达 高度计(RA)有两种模式：海洋模式和海冰模式，海洋模式可测 量海洋风速等参数。

SWH的定义
1有效波高（SWH）的测量
Searly (m), Slate (m), S mid (m), S agc , S noise m 1, 2, 3, 4, 5, 6
2海面高度（SSH）的校正
2海面高度(SSH)的测量





Range Corrected Range = Range + Wet Troposphere Correction + Dry Troposphere Correction + Ionosphere Correction + Sea State Bias Sea Surface Height = Altitude - Corrected Range Sea Surface Height Anomaly = Sea Surface Height - Mean Sea Surface - Tide Effects Inverse Barometer - High Frequency Wind Response
0 式中，T为海面气温，单位为K， 为海面部分水汽压，单位为 pa。假设了水汽的垂直分布，但是这种分布也可以根据地面观 测的气象要素进行计算。
另一种方法是利用卫星被动式微波探测器，测量22.3GHz频率 水汽发射的辐射，从而测量大气柱可降水的总量。为此目的， Seasat 采用了SMMR，取得了比利用内插气象资料，应用 (10.5)式进行计算所取得的更为满意的订正结果。Tapley等人 （1982b）给出了一个直接利用SMMR亮度湿度的 表达式，而 且还给出：
Hale Waihona Puke Baidu EM bias的校正


EM bias是因为海面的非高斯分布，波谷 比波峰有更大的曲率半径，因此散射更强， 造成测量得到的海平面趋向于波谷。 理论的方法：REM bH1/ 3
1 b (120 2 8 x
2 x L

L
2 x
102
S
2 y

2 x
L

L
2 x
)
S

经验的方法： 2 b a0 a1U a2U a3 H1/ 3
G02 2c 0 (0) 4sin 2 ( / 2) 2 A exp( sin ) 2 3 4(4 ) LP h ln 4
h-altimeter height obove the ocean surface G 0 -antenna brosight gain R-radius of the Earth
W (t ) PFS (t )
qs (t )
p (t )
PFS (t ) A exp( t ) I 0 (t )U (t )
1/ 2
其中
P (t ) 1海面的雷达脉冲响应
FS

ln 4 c 1 cos(2 ) 2 sin ( / 2) h (1 h / R) ln 4 c 1 [ ]1/ 2 sin(2 ) sin 2 ( / 2) h (1 h / R)

1 1 h tT c tT c m 即: 2 2
c cm 1 h tT cm ( ) h(n 1) 2 cm
干燥大气的订正值Δhd,
hd 2.277 10 5 (1 0.0026 cos 2 ) p0
潮湿大气的订正值
hw 2.277 10 5 (1255 / T0 0.05) 0
1 2
A (2hct ' )
'P
其中:
16h12/ 3 In 2 t 'p2 t 2 p c2
脉冲时间τ与平滑海面的相互作用。图的下方表示受照区的轮 状形，右边表示回波信号的强度。
回波波形的产生(Pulse Limited)
海面参数的反演
理论上的回波波形及相应的反演参数
1有效波高（SWH）的测量
hw 6.36 10
3
Sigma 0 wind speed




SB (Smoothed Brown 1981)- SEASAT GEOS-3 altimeter measurements of& 184 coincident buoy observations. MCW (Modified Chelton and Wentz)T/P,ERS – Chelton and McCabe 1985 – Chelton and Wentz 1986 – Witter and Chelton 1991 – Seasat altimeter & Seasat-A Satellite Scatterometer 241，000 data. FC (Freilich and Challenor 1993) use wind speed estimated by numerical weather prediction NWP models E98 (Elfouhaily 1998)
0 (0)-ocean surface backscattering cross section
at normal incidence Lp -two way propagation loss over and obove the free-space loss
-antenna beamwidth -off nadir angle
波形重构--为什么要进行波形重构？
高度计设计用于海洋表面的观测，海面参数是通 过模型拟合得到最优的参数，如距离、有效波高 和雷达后向散射截面。 当波形与预期的形状不同时，这个模型就不适用 了。这会发生在极端的海况（高或者低）和非海 洋的表面上。 为了更有效的使用这些数据，以及或者最准确的 海面参数，需要进行波形重构。
其中
3雷达点脉冲相应 sin( Bt ) 2 pr (t ) [ ] Bt
t pr (t ) exp( 2 ) 2 r
2
r
pr (t )
B- altimeter signal band width,320MHz for Jason-1(same as TOPEX)
其中
1 rt 0.425rt , rt -time resolution 2 2ln 2
海洋的尺度如一张纸
•海面高度SSH （Sea Surface Height） •有效波高SWH (Significant Wave Height) •风速(Wind Speed)
Jason-1 Satellite
高度计测量原理图
雷达高度计观测示意图
雷达高度计观测足印
雷达高度计脉冲前沿首先到达卫星星下点的海洋，然后，以 脉冲圆形波向外移动。 实际效果：圆点-圆形-环形 足印大小： 平静海面: ra=(2hctp)1/2 ， 粗糙海面:
– Skewness bias(10%- 20% of SWH)
海面粗糙度误差

海面随波浪而起伏，这一事实已经根据对扩展回波脉冲锋的 效应，同时也根据对扩大地面有效覆盖区的效应进行了描述。 海面越粗糙，跟踪脉冲前沿斜率的逻辑算法的准确运算就越 难，况且跟踪器还产生一定偏差。此外，大洋波并非是正弦 波形，波谷趋于平缓，波峰趋于陡峭，致使波谷的雷达回波 信号强于波峰的回波，产生一个突出波谷的电磁波偏差，而 且使卫星与平均海平面之间距离估算偏高。海面粗糙度的整 个效应称之为海况偏差，据估计，Seasat海况偏差为有效波高 的7%，应从卫星至海面的距离中减去这一偏差（Born et al .1982 ）。电磁波偏差大约为有效波高1.5%---2%, 对于工作 频率为13.5GHz的所有高度计，都是普遍存在的；而跟踪器误 差，具体对于Seasat 来说，大约是5%至5.5% 。即使偏差订正 达到7%观测资料中仍有为有效波高的3%的离散度，这已根据 不同波浪条件下同一海区的重复轨道进行过检验。