遙感第八章 散射計

1、第八章散射計（Scatteromete） 8.1衛(wèi)星和散射計 （Scatterometer）表8-1顯示了目前世界已發(fā)射的衛(wèi)星上裝載的散射計信息。美國宇航局的散射計SeaWinds是 安裝在QuikSCAT上的一種測量海面風的速度和方向的散射計（見“QuikSCAT每日風況報道”的 網(wǎng)頁 HYPERLINK /index.html /index.html。美國宇航局的散射計 NSCAT 被裝載在日本衛(wèi)星 ADEOS上，關于更多的信息，我們可以訪問宇航局網(wǎng)頁 HYPERLINK /cdrom/nscat/ /cdrom/nscat/。圖 8-1顯示了“QuikSCAT每日風況報道”的一個例子。圖

2、8-2給出了歐空局ERS1/2衛(wèi)星AMI-SCAT 散射計掃描的示意圖。表8-1:衛(wèi)星和散射計衛(wèi)星資助者散射計算法QuikSCAT (1999-)NASA （美國航空 航天局）SeaWindsKu-波段：13.4GHz 刈幅：1800kmADEOS (1996-1997)JAPAN/US-NASANSCATKu-波段：14GHzERSERS1 (1991-)ERS2 (1995-)ESA （歐洲航天 局）AMI-SCAT 模式 C-波段：5.3GHz 極化：VVCMOD3CMOD4CMOD5SeaSAT-A (78/7-78/10)NASASASS （SeaSAT-1 衛(wèi)星散射 計）極化：VV

3、, HHSASS- ISASS- IISkylab (1973-1974)NASA散射計圖8-1： “QuikSCAT每日風況報道”顯示的海洋風區(qū)的一個例子（弓I 自 HYPERLINK /index.html /index.html圖8-2：歐空局ERS1/2衛(wèi)星圖8-2：歐空局ERS1/2衛(wèi)星AMI-SCAT散射計掃描的示意圖242016128460120180240300360圖8-3:風速和風向的計算（引自Liu和Pierson, 1994），圖中風向由橫坐標表示，風速由縱坐標表示。8.2 單位面積雷達后向散射截面（Radar Backscatter Cross Section per

4、 unit）are衛(wèi)星發(fā)出的電磁波（E-M波）向下傳播，由海面返回的后向散射攜帶著海面的信息。這些信息 連同噪音被雷達接收。圖8-4是描述海面散射的示意圖，其中0是入射角，A是雷達波束照射到 海表面的面積圖8-4：描述海面散射的示意圖，其中0是入射角，A是雷達波束照射到海表面的面積。雷達方程（radar equation）的基本形式是P =衛(wèi) r 4 兀R2 4 兀R2式中P是接收的雷達功率（Watt瓦特），P是發(fā)射的雷達功率（Watt瓦特），G是天線傳輸能量的 增益，Rr是雷達到海面的距離（m），a是散射截面的面積A（m2）；A是天線接收能量的有效面積（m2）。 天線接收能量的增益Gr與天線

5、接收能量的有效面積Ae的關系是G 危 A 1 r X2 e式中人是電磁波的波數(shù)。因此，（8-1）變?yōu)?8-1)(8-2)P = PtG 處r(4 兀)3R4(8-3)這是雷達方程的一般形式?？紤]到照射到海面的雷達波束（見圖8-3），在面積A上的雷達后向散 射截面a （單位m2）可表示為_ P （4兀）3R4_ p GGX2單位面積雷達后向散射截面a 0是無量綱的，定義為 = j dA AA可由接收功率和發(fā)射功率的比值計算得到(8-4)(8-5)P （4兀）3R4 0 Pr GGKA又稱為標準化雷達后向散射截面（normalized radar cross section : NRCS）。這個系

6、數(shù)與海面的粗由于a 0變化a0糙程度有關，粗糙程度又由海面風決定，所以對a 0的觀測可得到海面風的情況。范圍太大，我們經(jīng)常用a 0 （單位：分貝）表示單位面積雷達后向散射截面0 dB = 10log（0）(8-6)(8-7)如果O 0是100, O 0 dB就是20；如果O 0是0.001, O 0 dB就是-30。雷達后向散射包括兩 部分，鏡面反射(specular reflection)和布喇格共振散射(Bragg-resonant scatter):b = ab Spe + b Bra(8-8)000式中b0pe來自鏡面反射的貢獻，bBra來自布喇格共振散射的貢獻，a是校準系數(shù)(Apel

7、 1994； Wu 1994)。 8.3 鏡面反射(Specular Reflectance)或鏡點散射(Specular-Point Scatter)鏡面反射是海面上許多像鏡子似的小平面(mirror-like facets)的反射產(chǎn)生的。由鏡面反射產(chǎn) 生的雷達后向散射截面(RBCS) %可運用物理光學方法得到(Barrich, 1968)b =兀 sec4 Of (tan O,0)|R(0)|2 =兀 sec4 Of (tan 0,0)p(0)(8-9)式中0是入射角，R(0)是垂直入射時的菲涅耳反射系數(shù)，p(0)是垂直入射時的菲涅耳反射率，f(Zx ,Zy ) 是x方向斜率Zx和y方向斜

8、率Z的聯(lián)合概率密度函數(shù)(joint probability density function： PDF)，并 且yQx 8x義(8-10)c = fycy式中Z是海面高度(sea surface elevation)0海面斜率(sea surface slope)近似地符合高斯分布(Gaussian distributio)或稱為正態(tài)分布。在極坐標下，對于逆風方向的雷達輻射，我們有11 ztan2 O、_,f(tan O,0) = exp- ()(8-11)2兀b b2b 2式中b2和b2分別是在逆風方向和側(cè)風方向(upwind and crosswind directions)的均方斜率(m

9、ean square slopes MSS)。一般的，我們有1 r 1 ,cos2 e . sin2 e、，f (tanO,e) =exp- (+) tan2 O(8-12)2兀b b2 b 2 b 2式中e是風向方位角(azimuth angle )，定義為雷達波束在海面上的投影與風向的夾角。 Gram-Charlier分布(Cox和Munk, 1954)比高斯分布有較高的精確度。Liu等(1997)給出了一個更適 合的概率密度函數(shù)n - tan2 O-cos2 e tan2 O-sin2 e-.f(tan O, eN-1+-(n+2)/2(8-13)2兀(n - 1)b b (n - 1)

10、b2 (n - 1)b2式中n是峰度系數(shù)(peaknedness coefficient)o他們發(fā)現(xiàn)在U1015m/s的條件下，對于C波段高度 計，峰度系數(shù)n5。上式中的bu和b2指海面上那些波長大于雷達波長的波浪在逆風方向和側(cè)風 方向的均方斜率，那些波長小于雷達波長的波浪對鏡面反射不做出貢獻。Liu等(2000)給出了不同 波段雷達對應的海面斜率bu和b2的值。8.4 布喇格共振散射(Bragg-Resonant Scatter)由圖 8-5，布喇格共振條件(condition of Bragg-resonance )是k = 2k - sin 0(8-14)或X d = 2人 -sin 0

11、(8-15)式中 k 是波數(shù)(wavenumber),入 是波長()wavelength， 0 是入射角(incident angle )。當 2Xwater sin0 = 2ABsin0 = 2BC等于入函迎時，從海面上后向散射的電磁波有相同的位相。具有 相同位相的電磁波相遇產(chǎn)生布喇格共振。Wright(1966,1968)根據(jù)電磁波散射理論，計算出在一階近似條件下布喇格共振對做出的貢 獻氣(匕,0) = 16兀k;|g(0)|2w(2kR sin 0,0)(8-16)式中kR是雷達波波數(shù)，甲(kw，們是在極坐標下重力毛細波的波數(shù)譜，kw=2kRsin0是與電磁波產(chǎn)生 共振的海面波浪的波數(shù)，

12、0是入射角，是風向方位角，U10是在中性大氣條件下10m高度的風速。 對于垂直極化發(fā)射和接收的雷達，g(0)是g(0) = g (0) = R cos2 0 + Lt2(1-乙)sin2 0(8-17)vvv2 v(=對于水平極化發(fā)射和接收的雷達，g(0)是g(0) = ghh(0) = Rh cos2 0(8-18)式中Tv =1 + Rv，Rv和Rh是菲涅耳反射系數(shù)，下標“v”和“h”表示極化的方式，e0是真空的 電容率，e是海水的電容率。利用菲涅耳反射系數(shù)的公式消去Rv，Tv和Rh，(8-17)和(8-18)可變 為gvvghhJ-】ni(土)2-(&上)2(土)2(1 + sin2 0

13、) -sin2 04i n2nn1( 2)2 -1n1(n2)2 C0s 0+ ,，(n2)2 - (n2)2 sin2 0n七 n n n C0S2 0(8-19)n2niC0S 0 + .(2)2 一 ()2sin2 0n n 12n(2 )2 - cos2 0 + ( n1ni )2 sin2 0 nvn-C0S2 02(8-20)對于海氣界面，式中n=1.0和口 =：v。進一步，如果我們使用近似公式(n2n七)-1.0, (8-19)12 rn1 n2和(8-20)可變?yōu)間 =仁L院(1 +加2 0) 一加2 0 C0s2 0 vv g C0s 0+,e - sin2 0 2(8-21

14、)g = r C0s2 0hhC0s 0 + Jg - sin2 02(8-22)上述近似結(jié)果和Donelan和Pierson (1987)，Liu和Yan (1995)的結(jié)果一致。 8.5組合表面散射或兩尺度散射模型(Composite-Surface Scattering或 Two-Scale Scattering)考慮到海面的兩個尺度，可以計算在長波影響下短波的散射。先計算出局地微小面積的布喇格散射，再利用長波海面斜率的概率密度函數(shù)計算長波的影響。對應于入射角e的局地的o 0可 由下式得出(Valenzuela, 1978; Donelan and Pierson, 1987; Liu

15、and Yan, 1995)。在垂直極化條件下，o 0是b vv(0.)=。 , /偵C0s8、小、 ,sin 8、 小、2 .八 izy sin 8、=16兀k4 ()2g (0 ) + ()2g (0 ) w2k sin 0 ,。+ tan-1()R a vv i a hh ir ia在水平極化條件下，o 0是(8-23)bhh (0.)=16 兀k4Ra C0s 8sin 82v sin 8C0ssH丫 sA_L_l.()2g (0 ) + ()2g (0 ) W2k sin0 ,。+ tan-i()a hh i a vv iR ia(8-24)式中(Valenzuela，1978； L

16、iu and Yan, 1995)a = sin 6.(8-25)a = sin(6 + w)(8-25)y = cos(6 + w)和cos 6. = cos 6. = cos(6 + w) cos 8式中甲和0是局地海面斜率。對整個斜面進行積分，對應于入射角e的O0可由下式得到b (6)=卜 卜 (6)f (tan w，tan 8)d(tan w)d(tan 8) 0 0 i在更簡單的近似中，Liu和Yan(1995)只考慮一個背景長波的影響。定義甲b和0 =0為背景重力波在迎風和背風方向的平均斜率，甲b可由下式得到tan wb =jtan(”/6)xdx8 f(x,y)dy(8-26)(

17、8-27)(8-28)式中f(x, y)是重力波斜率的聯(lián)合概率密度函數(shù)。在(8-25)和(8-26)中的局地海面斜率甲和0可由下式得到(8-29)sin 8 = sin w sin。(8-29)tan w = tan w cos。背景波前后兩面通過布喇格共振機制產(chǎn)生的雷達回波總和是(8-30)b b leeward + b windward(8-30)02 02 0式中1/2=5 0%是在迎風和背風方向的概率。這是一個簡單的兩尺度模型，其中。/eward和 。0windward是背景波背風面和迎風面上通過布喇格共振產(chǎn)生的雷達回波，他們可通過(8-23)和(8-24) 計算得到。8.6 經(jīng)驗模型

18、(Empirical Model)散射計測風的經(jīng)驗模型包括C波段的ERS1/2 (AMI-SCAT mode)CMOD1. CMOD2、CMOD3、CMOD4和 CMOD5 等五個模型以及 Ku 波段的 SeaSAT-1 (Scatterometer)SASS I 和 SASS II。首先介紹歐空局發(fā)展的經(jīng)驗模型CMOD3，CMOD3公式如下：b b 1 + b (1e 2b2) (2 cos2 中1)c22003 (1 + e-2b2)式中6 40 r TOC o 1-5 h z b2 ci4 + ci5 (1 +)U10,-6 40b = c 1 + c (c + - )(c + U )3

19、191617251810b =10a(U +P + b cos中)b - c + c (6- 40) + c + c (6- 40)U110112512132510片 c + c(3) + c 3(5)2 一 1 TOC o 1-5 h z 78、259 2252a = c + c (0) + c 3()2 i + 12、253 2252A = 0 當 30 e 58(度)Q 40A = c () + 0.42 當 20 e 30(度)2025e-40e-40A = c () + 0.42 + c () + 0.82 當 18 e 20(度)I 20252125式中匕,(22都是常數(shù)。另介紹美

20、國宇航局發(fā)展的經(jīng)驗模型SASSn, SASSn公式如下:b = a U的1 + (a +a logU )coso + (a +a logU )cos(2o)001011102210式中a = s(kk,4) a = s(kk,5) a = s(kk,6)a = 10s(kk,1)/10-0, a = s(kk,2) - a , a = s(kk,3) 一 a a = s(kk,4) a = s(kk,5) a = s(kk,6)2式中s(1:31, 1:6)是常數(shù)。8.7 模型比較(Comparison)圖8-6顯示了 Liu等人(1997)的物理模型與C-band經(jīng)驗模型的比較。stdv3

21、=O.l4dB stdv4 = 0.096 dB stdv = 0.1s dBDiamonds - CMOD3ior U1o = 3, 10, 17. 24 m/sPluses - CMOD4f=5.3GHz; pol=vv, direct io n=upwindlncidnc angt 怛碼 rH)stdv3 =O.l4dB stdv4 = 0.096 dB stdv = 0.1s dBDiamonds - CMOD3ior U1o = 3, 10, 17. 24 m/sPluses - CMOD4f=5.3GHz; pol=vv, direct io n=upwindlncidnc ang

22、t 怛碼 rH)圖8-6(a):表示在逆風方向上5.3 GHz波段在垂直極化條件下的雷達后向散射截面(RBCS，用分貝 表示)隨入射角變化的曲線，其中風速是參數(shù)。實線表示布喇格共振和鏡面反射共同效果產(chǎn)生的 RBCS，虛線表示只有鏡面反射效果產(chǎn)生的RBCS。20Stdv3=0.1+dB stdv4=0.11 dB stdv=o.l5 dB曾SQOEOC1020Diamonds - CMOD3 for U10 = 3. 10. 17. 24 m/sPluses - CMOD+f=5.3GHz; potv. diroctcn=crosswind50708020Stdv3=0.1+dB stdv4=0

23、.11 dB stdv=o.l5 dB曾SQOEOC1020Diamonds - CMOD3 for U10 = 3. 10. 17. 24 m/sPluses - CMOD+f=5.3GHz; potv. diroctcn=crosswind50708090Incidnc anglo (dogrw)圖8-6 (b)：表示在側(cè)風方向上5.3 GHz波段在垂直極化條件下的雷達后向散射截面(RBCS，用分 貝表示)隨入射角變化的曲線10Riorrtxjfi-CMOD3Scpare-CMOMFlue- CMODS-30-35圖 8-6(c):在垂直極化條件下，入射角是38 ,kicldenceane

24、- 38dsyM-30-35圖 8-6(c):在垂直極化條件下，入射角是38 ,kicldenceane- 38dsyM5.3 GHz波段的雷穴后向散射截面(RBCS)的計算、加號表示用CMOD3、CMOD4和CMOD5公式計算得到的RBCS觀測值。從下至僧表示海面上10m處的風速分別是3 m/s、10 m/s、 17 m/s 和 24 m/so8.8 閱讀材料：SeaWinds日本國家航天發(fā)展局(NASDA)所屬地球觀測中心(Earth Observation Center)的網(wǎng)頁 HYPERLINK http:/www.eoc.nasda.go.jp/guide/satellite/sen

25、data/seawinds_e.html http:/www.eoc.nasda.go.jp/guide/satellite/sendata/seawinds e.html 對 SeaWinds 的介紹是：NASAs SeaWinds Scatterometer will provide high accuracy wind speed and direction measurements over at least 90% of the ice-free global oceans every 2 days. SeaWinds will provide a continuing set of

26、 long term wind data for studies of ocean circulation, climate, air-sea interaction and weather forecasting. SeaWinds is a follow on to the NASA Scatterometer (NSCAT) which is a sensor on ADEOS and will, like NSCAT, provides measurements of ocean surface winds in all weather and cloud conditions. Th

27、e SeaWinds will use a one meter diameter dish antenna with two beams rotated about the satellite nadir axis at 18 RPM. SeaWinds radiates and receives microwave pulses at a frequency of 13.4 GHz across on 1800km wide swath.Scatterometers use a highly indirect technique to measure wind velocity over t

28、he ocean. Changes in the wind velocity cause changes in ocean surface roughness, modifying the radar cross section of the ocean and the magnitude of the backscattered power. Multiple, collocated, measurements acquired from several directions can be used to solve wind speed and direction simultaneous

29、ly8.9閱讀材料：NSCAT日本國家航天發(fā)展 局(NASDA)所屬地球觀測中 心(Earth Observation Center)的網(wǎng)頁 HYPERLINK http:/www.eoc.nasda.go.jp/guide/satellite/firstimage/nscat_first_e.html http:/www.eoc.nasda.go.jp/guide/satellite/firstimage/nscat first e.html 對 NSCAT 第一幅全球風速圖 像的介紹是：First Image (145K)： October 3, 1996， NSCAT Global Wi

30、nd SpeedThis map shows a global three-day average of wind speeds over the worlds oceans, as measured by the NASA Scatterometer onboard Japans Advanced Earth Observing satellite. The uncalibrated data were taken from September 20 to 22, 1996. The color indicates wind speed, with purple and blue being

31、 low winds, green to yellow as moderate winds, and orange to red as high winds. Typhoons Violet and Tom are shown as yellow-orange spirals near Japan. The usual high level of winter storm activity is also shown in yellow in the southern hemisphere near Antarctica in an area sailors refer to as the r

32、oaring forties. NSCAT wind measurements cover 90 percent of the ocean surface each day, achieving nearly 100 percent coverage within three days. NSCAT provides continuous measurements of ocean surface wind speeds from space, which will help meteorologists better predict the behavior of storms. Data

33、like these are being used by the National Weather Service, an agency of the National Oceanic and Atomospheric Administration in their global forecast models. NSCAT was launched August 16, 1996. The mission represents the first major collaboration in Earth remote sensing between the two nations. JPL developed, built and manages the NSCAT instrument for NASAs Mission to Planet Earth program. This first look image is s