标准化雷达后向散射截面normalizedradarcrosssection

§8.1 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 8-1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
R
PT G T G R 2
0dA 0 A
A
单位面积的雷达后向散射截面σ0 是无量纲的，它的定义是 (8-5) σ0 可由接收功率和发射功率比值表示；将（8-5）代入（8-4）获得σ0的表达式 (8-6) 3 4
►
0
Pr (4) R Pt G t G r 2 A
式中A是海面被探测的面积，R是 卫星与被探测点之间的距离。
NASA
NASA
图8-1显示美国宇航局JPL给出的“QuikSCAT每日风况报道”的一个例子
该图显示了在西北太平洋日本附近海域有一个逆时针旋转的气旋，最大风速达 到约50节（knots）。借助于风的近实时卫星遥感数据，并利用大气及海洋数 值预报模型，可以改进全球和近海天气预报，改进风暴预警和监测水平。
算法
ADEOS –II (2002/12～2003/10) ADEOS –I (1996/9～1997/6) ERS1 (1991～) ERS2 (1995～) Seasat-A (78/7～78/10) Skylab (1973～1974)
JAPAN JAPAN
ESA
CMOD3 CMOD4 CMOD5 SASS-Ⅰ SASS-Ⅱ
卫星 QuikSCAT (1999～)
资助者 NASA
散射计 SeaWinds (“海风”) 美国宇航局最新设计的双幅侧扫描的Ku-波段 /13.4GHz散射计，刈幅为1800km，每天能覆盖 地球90%的面积。 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 SASS (Seasat-A Satellite Scatterometer) 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
►
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 (8-2) 4
GR

2
AE
式中 λ 是电磁波的波长。将（8-2）代入到（8-1），公式（8-1）变为 ► 雷达方程的一般形式 (8-3) PT GT GR 2 PR (4 )3 R 4
►

►
根据公式（8-3），对应被探测面积元的雷达后向散射截面 σ（单位m2 ）可表为 (8-4) P ( 4 ) 3 R 4
雷达方程（Radar Equation）
►
雷达方程的基本形式是
PG AE PR T T σ 4πR 2 4πR 2
(8-1)
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 ）。
第九章 风场遥感
§8.1 卫星和散射计（Satellite & Scatterometer） §8.2 标准化雷达后向散射截面 （Normalized Radar Backscatter Cross Section） §8.3 电磁波在粗糙海面的散射 （Scatter of EM Waves ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱt a Rough Sea Surface） §8.4 经验模型（Empirical Model）
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45o、90o和135o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18o到 58o。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。
►
（Normalized Radar Backscatter Cross Section）
►
§8.2 标准化雷达后向散射截面
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8-2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。
因为σ0 是无量纲的，故一般地被称为标准化雷达后向散射截面NRCS，通俗地也被称为散 射系数（ scattering coefficient）。研究表明，这个系数与海面粗糙度（ sea surface roughness）有关，海面粗糙度由海面风（sea surface wind）决定，所以对σ0 的观测 可以间接地计算获得海面风。
卫星散射计反演风速会出现多组解
►
►
►
一般地，卫星地面站数据处理中心给出的散射计海面风的产 品不限于一组解。例如，欧空局ERS1/2卫星AMI-SCAT散 射计海表面风的产品一般给出有四组解。 这是因为散射计测量的直接要素并不是风，而是海面上风诱 导的重力–毛细波。在这些风诱导的短波与电磁波的布喇格 共振（Bragg-resonance）表现上，逆风和顺风方向的差 别不明显。其次，风速和风向不是一个未知量，它们构成两 个未知量。第三，风和海表面波浪的随机性和湍流使得波浪 能量分布并不总是沿风向对称分布的。当然，还有其他各种 原因例如大气的稳定性问题、影响波浪的风区问题以及反演 模式的优劣等问题。 上述原因造成散射计遥感风速的一个普遍问题是，风速和风 向的反演结果经常是多解的和模棱两可的（amphibolous）。