星载合成孔径雷达遥感海洋风场波浪场

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星载合成孔径雷达遥感海洋风场波浪场

星载合成孔径雷达(SAR)能够全天时、全天候、高空间分辨率、宽刈幅观测海洋表面，是获取海面风场和波浪信息的重要微波传感器。文章主要综述了多极化SAR海面风场遥感原理、地球物理模式参数，以及潜在应用SAR海浪遥感方法和技术。随着雷达卫星编队飞行技术的逐步成熟，未来海洋卫星组网将成为全球海洋和极地观测新趋势，合成孔径雷达海面风场和波浪场定量遥感将从科学研究向业务化海洋动力环境监测发展。
在中低风速下，风场演化是基于同极化(VV或者HH)海面归一化雷达横截面的地球物理模式函数模型，此类模型是风速、风向以及SAR视线方向和入射角函数。在高风速条件下(>25m/s)，同极化海面后向散射信号趋于饱和，基于交叉极化(HV或VH)海面后向散射信号的海面风场反演成为发展方向。
早期海浪信息的提取是基于经典的海浪方向谱与雷达谱非线性积分映射模型。利用SAR图像获取海浪方向谱，然后计算有效波高、主波波长、主波波向和周期等特征参数。然而传统星载SAR海浪谱反演方法存在一定的局限性：
(1)海浪谱的反演结果依赖于海浪数值模式提供的先验波谱信息；
(2)海浪方向谱与雷达图像谱非线性积分映射模型中涉及的水动力调制传递函数计算并不准确；
(3)无法有效解决反演的海浪谱中固有的180°方向模糊问题。随着新型雷达卫星干涉和极化成像模式的出现，双天线SAR测量的干涉相位和全极化SAR测量的目标散射矩阵信息，逐渐应用于发展海浪遥感新理论和新方法，有望解决传统星载合成孔径雷达遥感面临的瓶颈问题。

SAR海面风场反演的基本原理

在微波波段，海面微波后向散射信号的强度与海面风场的强度存在明显的正相关关系。在无风或极低风速条件下，海面可以视为准镜面，SAR作为侧视雷达接收到的海面回波信号非常小；随着风速的增加，海面粗糙度变大，海面回波信号也逐渐增强。后向散射信号在雷达入射方向与风向平行时达到最大值，并且风吹向雷达时的回波信号强度稍强于风背离雷达方向的强度。海面雷达回波信号随着风速和风向存在规律变化，是海面风场定量遥感的基础。
注意：海面短波主要是由海面风产生的，并随着风速的改变而快速变化。因此，不同的雷达频段对风速的变化的敏感性是不同的，更高频段(更短波长)的雷达接收到的海面回波信号会更快的随风速的变化而改变，对风场更加敏感。因此，业务化的气象海洋卫星通常使用频率更高的Ku或者C剥蒜进行海面风场遥感。

展望

合成孔径雷达海面风场反演已经在多国气象海洋部门实现了业务化运行。与微波散射计和微波辐射计等同样具备海面风场监测能力的微波遥感器相比，SAR风场反演精度已到达与之相近的水平，并且具有更高的空间分辨率和近岸海域观测能力。随着各国SAR卫星计算的陆续，以及SAR卫星组网和编队技术的发展，SAR海面风场资料的空间覆盖能力和连续观测能力也将进一步提升，有望实现对全球海域的动态连续观测。
在SAR风场技术方面，存在一些需要攻克的前沿技术：
(1)35m/s以上的高风速反演仍存在较大的不确定性；
(2)降雨等强对流天气对海面雷达后向散射信号干扰很大 ，能否实现降雨和风场的协同反演？
(3)海面风场、浪场和流场是相互耦合的，但是当前SAR业务系统仍然将3个参量分别反演，应该建立海面风浪流场的综合反演系统，实现对海面动力环境的最优监测；
(4)SAR卫星技术发展迅速，极化干涉SAR、MIMOSAR、多频段SAR等新体制雷达卫星均已纳入躲过的卫星发展规划，为海面动力参数反演提供了新的机遇和挑战。
注：文章选自《星载合成孔径雷达遥感海洋风场波浪场》李晓峰等