星载全极化微波散射计仿真与海面风场反演研究

Ｔｓａｉ等通过理论推导认为极化后向散射系数具
有如下函数形式［７］：
σ０ｐｍｑｎ（Ｕ，χ，θ） ＝α１（Ｕ，θ，ｐｍｑｎ）·ｓｉｎχ
＋α２（Ｕ，θ，ｐｍｑｎ）·ｓｉｎ２χ
（１）
式（１）中：σ０ｐｍｑｎ表示相关散射系数，其中下标 ｐｍｑｎ
代表“ｈｖｖｖ”或“ｖｈｈｈ”两种极化方式，Ｕ、χ和 θ分别
为风速（ｍ／ｓ）、相对方位角和入射角，系数 α１ 和 α２ 是风速、入射角和极化方式的函数．
ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｅｒｓｙｓｔｅｍ
收稿日期：２０１７１１２１ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１５７６１７７） 作者简介：杨晟（１９９３～），男，硕士研究生；Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｇｓｈｅｎｇ＠ｍａｉｌ．ｎｓｏａｓ．ｏｒｇ．ｃｎ 通讯作者：邹巨洪（１９８１～），男，副研究员；Ｅｍａｉｌ：ｚｏｕｊｕｈｏｎｇ＠ｍａｉｌ．ｎｓｏａｓ．ｏｒｇ．ｃｎ
比不同仪器测量精度下全极化和同极化微波散射计风场反演结果，分析评价全极化微波散射计系
统反演海面风场的性能．全极化微波散射计通过增加测量信息来减少模糊解出现的概率，进一步提
升风场反演精度．结果表明全极化微波散射计相比同极化微波散射计具有更好的风场反演性能，对
于风向结果的改善较为明显：在仿真实验中，全极化仿真反演的风速误差结果优于同极化 １０°以
微波散射计是目前主要的能够在短时间内获 取全天候、高 精 度 的 全 球 海 面 风 场 数 据 的 星 载 传 感 器 ［１］．但 传 统 同 极 化 微 波 散 射 计 由 于 自 身 缺 陷 ， 在反演风矢 量 时 可 能 出 现 模 糊 解，而 全 极 化 微 波 散射计通过 增 加 对 交 叉 极 化 分 量 的 测 量，能 够 降 低模糊解出 现 的 概 率，从 而 进 一 步 提 高 海 面 风 场 反 演 精 度 ．截 至 目 前 ，全 极 化 微 波 散 射 计 仍 处 于 研 制阶段，２０００年 和 ２００２年 美 国 喷 气 推 进 实 验 室 （ＪＰＬ）对 Ｋｕ波段（频率 １３９ＧＨｚ）笔形波束圆锥 扫描体制 全 极 化 微 波 散 射 计 系 统 ＰＯＬＳＣＡＴ开 展 了机载实验［２］．２０１１年 ６月 ＮＡＳＡ和 ＣＯＮＡＥ发射 的 Ａｑｕａｒｉｕｓ／ＳＡＣＤ卫星上载有 Ｌ波段扇形波束扫 描全极化微波散射计用来修正风场对海面亮温的 影响，同时 具 有 海 面 风 场 测 量 的 性 能［３］．在 国 内， 中国科学 院 国 家 空 间 科 学 中 心 于 ２０１２年 进 行 了 机载设备的飞行实验．２０１６年 ５月，航天 ５０４所在 烟台开展了 Ｋｕ波段全极化微波 散 射 计 系 统 机 载 实验．全极化 微 波 散 射 计 技 术 的 研 究 已 成 为 国 际 上微波遥 感 技 术 发 展 重 要 的 新 方 向［４］，在 当 前 国 内外均无业务化运行的测风全极化微波散射计的 情况下，有必 要 对 其 进 行 风 场 反 演 仿 真 研 究 以 验 证全极化微 波 散 射 计 测 量 风 场 的 性 能，为 我 国 后
图 ２给出了根据 Ｔｓａｉ等计算极化后向散射系
数的方法［７］得到的极化散射系数模型曲线图．图中
不同曲线代表了不同风速取值，极化散射系数绝对
值随风速的增大而增大，风速范围为 ２～２４ｍ／ｓ，风
速间隔为 ２ｍ／ｓ．图 ２表明，模型曲线呈现出关于顺
风向或 １８０°相对方位角的奇对称特性．
图 ２ 极化散射系数模型曲线 Ｆｉｇ．２ Ｐｌｏｔｓｏｆｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｕｎｃｔｉｏｎ
１２ 全极化后向散射系数模拟算法
全极化后向散射系数模拟算法主要分为两部
分：首先，输入各星下点的 ＨＹ２Ａ微波散射计实测
的空间几何参数，将数值天气预报（ＮＷＰ）的真实风
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应用海洋学学报
３７卷
１１ 地球物理模型函数 １１１ 同极化地球物理模型函数 地球物理模型 函数对微波与海面之间的相互作用机制进行刻画和 描述，模拟和计算不同海况和观测条件下的后向散 射系数［５］．本研究仿真所使用的同极化地球物理模 型函数为 ＮＳＣＡＴ２． １．１２ 极化 地 球 物 理 模 型 函 数 极 化 地 球 物 理 模型函数（ＰＧＭＦ）是全极化微波散射计海面风 场 反演 的 基 础 ．Ｙｕｅｈ等 （１９９４）通 过 引 入 相 应 的 物 理 作用机制并考虑全极化海洋辐射测量原理建立了 全极化散射理 论 模 型［６］．Ｔｓａｉ等 （２０００）对 该 模 型 在低 风 速 和 高 风 速 情 况 下 进 行 了 扩 展，并 以 ＮＳＣＡＴ２模型方 位 向 调 制 特 性 为 基 础，建 立 了 半 理论半经验 模 型，也 是 目 前 唯 一 覆 盖 不 同 风 速 区 间的 ＰＧＭＦ［７］．
上，证明了全极化微波散射计能够提升风场反演性能．该仿真结果对我国后续海洋卫星的研发具有
一定的借鉴作用．
关键词：海洋遥感学；散射计；全极化；风场反演
ＤＯＩ：１０３９６９／Ｊ．ＩＳＳＮ．２０９５４９７２２０１８０２００４
中图分类号：Ｐ７３３
文献标识码：Ａ
文章编号：２０９５４９７２（２０１８）０２０１７９０６
续海洋卫星的发展提供技术储备．
１ 全极化微波散射计系统仿真
全极化微波散射计系统仿真流程如图 １所示， 其中空间几何参数使用 ＨＹ２Ａ微波散射计实测数 据，系统输入“真实风场”为美国国家环境预报中心 （ＮＣＥＰ）提供的数值天气预报（ＮＷＰ）．
图 １ 全极化微波散射计系统仿真流程 Ｆｉｇ．１ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｆｕｌｌｐｏｌａｒｉｚｅｄｍｉｃｒｏｗａｖｅ
第 ３７卷 第 ２期 ２０１８年 ５月
应用海洋学学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄ Ｏｃｅａｎｏｇｒａｐｈｙ
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Ｖｏｌ３７，Ｎｏ２ Ｍａｙ，２０１８
星载全极化微波散射计仿真与海面风场反演研究
杨 晟，邹巨洪，林明森
（国家卫星海洋应用中心，北京 １０００８１）
摘要：通过建立全极化微波散射计系统仿真模型，探索全极化微波散射计的风场反演方法；通过对