遥感第八章-散射计

第八章散射计(Scatterometer)§8.1卫星和散射计(Scatterometer)表8-1显示了目前世界已发射的卫星上装载的散射计信息。美国宇航局的散射计SeaWinds是安装在QuikSCAT上的一种测量海面风的速度和方向的散射计（见“QuikSCAT每日风况报道”的网页。美国宇航局的散射计NSCAT被装载在日本卫星ADEOS上，关于更多的信息，我们可以访问宇航局网页。图8-1显示了“QuikSCAT每日风况报道”的一个例子。图8-2给出了欧空局ERS1/2卫星AMI-SCAT散射计扫描的示意图。表8-1:卫星和散射计卫星资助者散射计算法QuikSCAT(1999-)NASA（美国航空航天局）SeaWindsKu-波段:13.4GHz刈幅:1800kmADEOS(1996-1997)JAPAN/US-NASANSCATKu-波段:14GHzERSERS1(1991-)ERS2(1995-)ESA（欧洲航天局）AMI-SCAT模式C-波段:5.3GHz极化:VVCMOD3CMOD4CMOD5SeaSAT-A(78/7-78/10)NASASASS(SeaSAT-1卫星散射计)极化:VV,HHSASS-ⅠSASS-ⅡSkylab(1973-1974)NASA散射计图8-1：“QuikSCAT每日风况报道”显示的海洋风区的一个例子（引自）2中后前θ3θ2θ1刈幅500kmθ从18º-58º变化400km图8-2：欧空局ERS1/2卫星AMI-SCAT散射计扫描的示意图散射计海表面风产品一般有四组解。图8-3显示了为什么在卫星散射计测风上有两组解。24后侧波束20前侧波束161284中间波束60120180240300360图8-3：风速和风向的计算(引自Liu和Pierson,1994)，图中风向由横坐标表示，风速由纵坐标表示。§8.2单位面积雷达后向散射截面（RadarBackscatterCrossSectionperunitarea）σ0卫星发出的电磁波(E-M波)向下传播，由海面返回的后向散射携带着海面的信息。这些信息连同噪音被雷达接收。图8-4是描述海面散射的示意图，其中θ是入射角，A是雷达波束照射到海表面的面积3卫星天线垂直方向θRA(面积)图8-4：描述海面散射的示意图，其中θ是入射角，A是雷达波束照射到海表面的面积。雷达方程(radarequation)的基本形式是2e2ttrR4AR4GPP(8-1)式中Pr是接收的雷达功率(Watt瓦特)，Pt是发射的雷达功率(Watt瓦特)，Gt是天线传输能量的增益，R是雷达到海面的距离(m)，σ是散射截面的面积A(m2)；Ae是天线接收能量的有效面积(m2)。天线接收能量的增益Gr与天线接收能量的有效面积Ae的关系是e2rA4G(8-2)式中是电磁波的波数。因此，(8-1)变为432rttrR)4(GGPP(8-3)这是雷达方程的一般形式。考虑到照射到海面的雷达波束（见图8-3），在面积A上的雷达后向散射截面σ（单位m2）可表示为2rt43trGGR)4(PP(8-4)单位面积雷达后向散射截面σ0是无量纲的，定义为A00AdA(8-5)σ0可由接收功率和发射功率的比值计算得到AGGR)4(PP2rt43tr0(8-6)σ0又称为标准化雷达后向散射截面(normalizedradarcrosssection:NRCS)。这个系数与海面的粗糙程度有关，粗糙程度又由海面风决定，所以对σ0的观测可得到海面风的情况。由于σ0变化范围太大，我们经常用σ0(单位：分贝)表示单位面积雷达后向散射截面)log(10]dB[00(8-7)4如果σ0是100，σ0[dB]就是20；如果σ0是0.001，σ0[dB]就是–30。雷达后向散射包括两部分，镜面反射(specularreflection)和布喇格共振散射(Bragg-resonantscatter)：Bra0Spe00a(8-8)式中Spe0来自镜面反射的贡献，Bra0来自布喇格共振散射的贡献，a是校准系数(Apel1994；Wu1994)。§8.3镜面反射（SpecularReflectance）或镜点散射（Specular-PointScatter）镜面反射是海面上许多像镜子似的小平面（mirror-likefacets）的反射产生的。由镜面反射产生的雷达后向散射截面(RBCS)σ0可运用物理光学方法得到(Barrich,1968))0()0,(tanfsec)0(R)0,(tanfsec4240(8-9)式中θ是入射角，R(0)是垂直入射时的菲涅耳反射系数，ρ(0)是垂直入射时的菲涅耳反射率，f(ζx,ζy)是x方向斜率ζx和y方向斜率ζy的联合概率密度函数(jointprobabilitydensityfunction：PDF)，并且yxyx(8-10)式中ζ是海面高度（seasurfaceelevation）。海面斜率（seasurfaceslope）近似地符合高斯分布（Gaussiandistributio）或称为正态分布。在极坐标下，对于逆风方向的雷达辐射，我们有)]tan(21exp[21)0,(tanf2u2cu(8-11)式中2u和2c分别是在逆风方向和侧风方向（upwindandcrosswinddirections）的均方斜率(meansquareslopesMSS)。一般的，我们有]tan)sincos(21exp[21),(tanf22c22u2cu(8-12)式中是风向方位角（azimuthangle），定义为雷达波束在海面上的投影与风向的夹角。Gram-Charlier分布(Cox和Munk,1954)比高斯分布有较高的精确度。Liu等(1997)给出了一个更适合的概率密度函数2/)2n(2c222u22cu])1n(sintan)1n(costan1[)1n(2n),(tanf(8-13)式中n是峰度系数（peaknednesscoefficient）。他们发现在U1015m/s的条件下，对于C波段高度计，峰度系数n≈5。上式中的2u和2c指海面上那些波长大于雷达波长的波浪在逆风方向和侧风方向的均方斜率，那些波长小于雷达波长的波浪对镜面反射不做出贡献。Liu等(2000)给出了不同波段雷达对应的海面斜率2u和2c的值。5§8.4布喇格共振散射(Bragg-ResonantScatter)由图8-5，布喇格共振条件（conditionofBragg-resonance）是sink2kradarwater（8-14）或sin2waterradar(8-15)式中k是波数（wavenumber），λ是波长（）wavelength，θ是入射角（incidentangle）。当BC2sinAB2sin2water等于λradar时，从海面上后向散射的电磁波有相同的位相。具有相同位相的电磁波相遇产生布喇格共振。θθCθBAλw图8-5：布喇格共振条件Wright(1966,1968)根据电磁波散射理论，计算出在一阶近似条件下布喇格共振对σ0做出的贡献)0,sink2()(gk16),U(R24R100(8-16)式中kR是雷达波波数，Ψ(kw,φ)是在极坐标下重力毛细波的波数谱，kw=2kRsinθ是与电磁波产生共振的海面波浪的波数，θ是入射角，φ是风向方位角，U10是在中性大气条件下10m高度的风速。对于垂直极化发射和接收的雷达，g(θ)是202v2vvvsin)1(T21cosR)(g)(g(8-17)对于水平极化发射和接收的雷达，g(θ)是2hhhcosR)(g)(g(8-18)式中Tv=1+Rv，Rv和Rh是菲涅耳反射系数，下标“v”和“h”表示极化的方式，0是真空的电容率，是海水的电容率。利用菲涅耳反射系数的公式消去Rv，Tv和Rh，(8-17)和(8-18)可变为6222221122122122122211221222212212vvcossin)'n'nnn()nn(cos)nn(1)nn()'n'nnn()nn(sin)sin1()nn(]1)nn[(g(8-19)和222221122122221122212hhcossin)'n'nnn()nn(cossin)'n'nnn(cos)nn(g(8-20)对于海气界面，式中n1=1.0和r2n。进一步，如果我们使用近似公式0.1)'n'nnn(2112，(8-19)和(8-20)可变为222rr22rrvvcos]sincos[]sin)sin1()[1(g(8-21)和222rrhhcos]sin[cos)1(g(8-22)上述近似结果和Donelan和Pierson(1987)，Liu和Yan(1995)的结果一致。§8.5组合表面散射或两尺度散射模型(Composite-SurfaceScattering或Two-ScaleScattering)考虑到海面的两个尺度，可以计算在长波影响下短波的散射。先计算出局地微小面积的布喇格散射，再利用长波海面斜率的概率密度函数计算长波的影响。对应于入射角θi的局地的σ0可由下式得出(Valenzuela,1978;DonelanandPierson,1987;LiuandYan,1995)。在垂直极化条件下，σ0是)]sin(tan,sink2[)(g)sin()(g)cos(k16)(1iR2ihh2iivv2i4Rivv0(8-23)在水平极化条件下，σ0是)]sin(tan,sink2[)(g)sin()(g)cos(k16)(1iR2ivv2iihh2i4Rihh0(8-24)式中(Valenzuela，1978；LiuandYan,1995)7)cos()sin(sinii(8-25)和cos)cos(cosi(8-26)式中ψ和δ是局地海面斜率。对整个斜面进行积分，对应于入射角θ的σ0可由下式得到)(tand)(tand)tan,(tanf)()(i00(8-27)在更简单的近似中，Liu和Yan(1995)只考虑一个背景长波的影响。定义ψb和δ=0为背景重力波在迎风和背风方向的平均斜率，ψb可由下式得到)6/tan(0bdy)y,x(fxdxtan(8-28)式中f(x,y)是重力波斜率的联合概率密度函数。在(8-25)和(8-26)中的局地海面斜率ψ和δ可由下式得到costantansinsinsinbb(8-29)背景波前后两面通过布喇格共振机制产生的雷达回波总和是windward0leeward002121(8-30)式中1/2＝５０％是在迎风和背风方向的概率。这是一个简单的两尺度模型，其中σ0leeward和σ0windward是背景波背风面和迎风面上通过布喇格共振产生的雷达回波，他们可通过(8-23)和(8-24)计算得到。§8.6经验模型（EmpiricalModel）散射计测风的经验模型包括C波段的ERS1/2(AMI-SCATmode)—CMOD1、CMOD2、CMOD3、CMOD4和CMOD5