海洋微波遥感.doc

中 国 地 质 大 学研究生课程论文封面课程名称 遥感图像处理原理及应用 教师姓名 高伟 研究生姓名 黄永威 研究生学号 120080232 研究生专业 地图制图学与地理信息工程 所在院系 地球科学学院 类别: B.硕士 日期: 2009年 1月 9 日 评 语对课程论文的评语:平时成绩：课程论文成绩：总 成 绩：评阅人签名：注：1、无评阅人签名成绩无效；2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效；3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。海洋微波遥感 12080232 黄永威 地球科学学院1.微波及微波遥感电磁波谱中，波长在1mm-1m的波段范围称微波，对应频率从300MHz到300GHz，占据了电磁波段的三个数量级。微波比可见光红外波长要大得多。微波遥感即通过微波传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射，经过判读处理来识别地物及其特性的技术。微波遥感与可见光红外遥感在技术上有很大差别。可见光红外遥感用的是光学技术，通过摄影或者扫描来获取信息；而微波遥感要求不同的设备和技术，它使用有源或者无源系统，收集和记录目标、背景在微波波段内的电磁波辐射、散射能量，经信号处理来识别目标物体或现象的有用信息。微波遥感分为主动微波遥感和被动微波遥感两类。主动式微波遥感器，又称有源微波遥感器。主动微波遥感特征是，由微波遥感器发出探测用的微波照射被测目标物体，与被测目标物体相互作用，发生反射、散射或穿透一定深度，然后接收被测目标物体散射的微波信号，通过监测、分析回波信号来确定目标物体的各种特性。常用的主动微波传感器有：真实孔径雷达、合成孔径雷达、雷达高度计和微波散射计。被动式微波遥感器本身不发射电磁波，只接收被测目标、背景辐射的微波能量来探测目标物体特性。被动式微波遥感器，也称无源微波遥感器。常用的被动式微波传感器：微波辐射计。2.水体微波辐射特征海洋的微波辐射取决于两个主要因素：一是海面及一定深度的复介电常数。它反映海水的电学性质，由表层物质组成及温度所决定。海水是由各种盐类、有机质、悬浮粒等组成的复杂水体。从微波辐射角度，海水可视为含NaCl等盐类的导电溶液。海水的介电常数是海水温度、盐度的函数。因而海洋微波遥感可以测得海面及水下一定深度的温度和含盐度等信息。二是海面粗糙度海面至一定深度内的几何形状结构。从这一角度可将海面分成4类：1）平静海面：海面无风或风速很小，可用物理光学处理，当水面粗糙度较微波波长小得多时，可视为平坦海面，以静面反射为主。2）风浪海面：海面有波浪而成为一个随机起伏得粗糙面。此时电磁波在界面上产生复杂多变的反射和散射，散射回波增强。同时，大风浪海面往往伴有泡沫带（含大量气泡和水滴）。它的特征除与辐射亮度温度有关外，还与海浪谱、海面风速等有关。3）污染海面：一般指油污染等形成两层介质，引起亮度温度的显著差异。油膜使海面趋于平滑，减弱回波强度，而呈黑色。4）冻结海面。海面有海冰、冰山等，由于冰雪的介电常数较水体小，引起亮度温度的明显差异。3.微波遥感特点能全天候、全天时工作可见光遥感只能在白天工作，红外遥感虽可在夜晚工作，但不能穿透云雾。因此，当地表被云层遮盖时，无论是可见光遥感还是红外遥感均无能为力。地球表面有40%-60%的地区常年被云层覆盖，平均日照时间不足一半，尤其是占地表70%的海洋上更是如此。按瑞丽散射原理，散射的强度与波长的四次方成反比。由于微波的波长比红外波要长得多，因而散射要小得多，所以与红外波相比，微波在大气中衰减较少，对云层、雨区的穿透能力较强，基本上不受烟、云、雨、雾的限制。例如，3.2cm波长的微波束穿过4km含有液态水的浓云，其强度只衰减1dB，几乎可以忽略不计。所以说具有全天候、全天时的特点。对某些地物具有特殊的波谱特征许多地物间，微波辐射能力差别较大，对于可见光和红外遥感所不能区别的某些目标物的特性，微波遥感可以较容易地分辨出。例如，在微波波段中，水的比辐射率为0.4,而冰的比辐射率为0.99,在常温下两者的亮度温度相差100k，很容易区别，而在红外波段，水的比辐射率为0.96，冰的比辐射率为0.92,两者相差甚微，不易区别。对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透力该特性可用来探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事目标，以及埋藏于地下的工程、矿藏、地下水等。对海洋遥感具有特殊意义微波对海水特别敏感，其波长很适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测。分辨率较低，但特性明显微波传感器分辨率一般都比较低，这是因为其波长较长，衍射现象较显著。要提高分辨率必须加大天线尺寸。其次，观测精度和取样速度往往不能协调。比起可见光红外遥感，微波遥感起步较晚。1954年后，美国军方使用了第一台侧视机载雷达（SLARSide-lookingAirborneRadar）。60年代，SLAR系统开始用于地质勘测和测量地球资源，并作为一种重要遥感手段，和可见光、红外等遥感器一起对地球进行全天候的观测。1957年，美国密执安大学为陆军首先研制了第一部SAR（合成孔径雷达）系统，到70年代也开始用于地球遥感。由于微波遥感技术的全天候、全天时工作能力，世界上许多国家都很重视微波遥感技术的研究和发展。研制成功的多种微波遥感器已用于美、苏发射的多种气象卫星和飞行器。1978年美国发射的Seasat海洋卫星和1981年发射的SIR（航天飞机成像雷达），标志着微波遥感技术克服可见光、红外遥感缺陷的实现。20世纪90年代以来，各国相继发射了已系列的星载雷达，如前苏联的Almaz-1、欧空局的ERS-1、日本的JERS-1以及加拿大的Radarsat等，微波遥感得到了很大的发展。4.各种微波传感器及其海洋学应用1）雷达遥感及合成孔径雷达（SAR）一个雷达成像系统，基本包含发射器、雷达天线、接收器、记录器等四个部分。雷达根据微波传播、接收的时差和多普勒变化以及回波的振幅、相位和极化方式来探测目标的物理性质。由雷达方程可知，雷达回波强度与入射波长直接相关。雷达遥感系统所选择的波长长短，一方面决定了表面粗糙度的大小和入射波穿透深度的能力；另一方面波长不同，地物目标的复介电常数不同。这都直接影响到雷达回波的强弱。因此，对于不同雷达波长，同一目标的影响特征不一样。下表列出了遥感常用的微波以及它们的波长、频率范围。波段波长（cm）频率(MHz)Ka0.811.11.72650018000Ku1.72.41800012500X2.43.8125008000C3.87.580004000S7.51540002000L153020001000P30100100030雷达遥感系统的极化方式，影响到回波强度和对不同方位信息的表现能力。常用的有四种：水平发射、水平接收（HH），垂直发射、垂直接收（VV），水平发射、垂直接收（HV），垂直发射、水平接收（VH）。前两者为同向极化，后两者为异向极化。不同极化方向会导致目标对电磁波的不同响应，使雷达回波强度不同，并影响到对不同范围信息的表现能力。利用不同极化方式图像的差异，可以更好地观测和确定目标的特性和结构，提高图像的识别能力和精度。雷达可分为真实孔径雷达和合成孔径雷达。雷达图像分辩单元面积为（距离分辨率方位分辨率），距离分辨率公式为：方位分辨率为：可见，发射波长越短，天线孔径越大，距离目标地物越近，则方位分辨率值越小，分辩能力越强。要提高分辨力的两种途径为：一是采用脉冲压缩技术，以缩短发射波长；二是加大天线孔径。当考虑到技术上的实际问题，采用了“合成天线”技术。即以一定的时间间隔发射一个脉冲信号，天线在不同位置上接收回波信号，并记录存储下来，将这些回波信号进行合成处理，得到与真实天线接收同一目标回波信号相同的结果。这样，就使一个小孔径天线，起到了大孔径天线的作用，也就是合成孔径雷达。1978年6月，美国NASA发射了Seasat卫星，它是第一颗搭载了四个微波传感设备的地球观测卫星。包括：测量海表地形的雷达高度计（ALT）；测量海上风速和风向的Seasat-A卫星散射计（SASS）；测量海表风速、海表温度、大气水汽、降雨、冰盖的多通道扫描微波辐射计（SMMR）；测量海表信息、极地冰盖、海岸区域的合成孔径雷达（SAR）。该合成孔径雷达在L波段（1.275GHz）运作，极化方式为同向极化，水平发射，水平接收。倾斜角在20o到26o范围内。相关参数见下表：卫星高度800km频率1.28GHz(L-Band)极化方式HH空间分辨率25m*25m扫描刈幅100km天线尺寸10.74*2.16m天线类型相位阵列这以后，NASA、前苏联、欧空局、日本、加拿大都发射过搭载合成孔径雷达的卫星（见下表）。前苏联发射的Kosmos卫星的雷达运作波段为S波段，极化方式为HH极化。1991年欧空局发射了ERS-1，搭载了C波段、VV极化的主动微波仪。对于航天遥感，它首次使用较短的C波段，首次用VV极化，首次选用较陡的入射角（23o）。1995年，又成功发射ERS-2。欧空局后继卫星ENVISAT于2002年3月发射，搭载的雷达运作波段为C波段，双极化，扫描刈幅100400km。加拿大1995年发射了RADARSAT-1，搭载了C波段、HH极化、入射角和扫描刈幅可变的雷达，其突出特点是，按照入射角、覆盖宽度、空间分辨率不同的组合，可有8种不同工作模式，一直提供资料到2004年。日本在1992年发射了JERS-1，搭载雷达为L波段、HH极化方式。2000年2月，美国“奋进号”航天飞机执行了一项称为SRTM（ShuttleRadarTopographyMission）的计划，在仅仅11天的全球性作业中，利用单通道C波段的干涉成像雷达系统，获得了地球60N至56S间陆地表面80%面积的三维雷达数据。平台设备国家（机构）波段极化空间分辨率(m)扫描刈幅(km)发射日期SeasatSARUSALHH251001978.6SIR-ASARUSALHH40501981.11SIR-BSARUSALHH25301984.10SIR-C/X-SARSIR-CX-SARUSAGermany/ItalyL,CX全极化HH3010-2001994.41994.9SRTMC-SARX-SARUSAGermany/ItalyCXVV,HHHH3050-2252000.2Kosmos-1870SARRussiaSHH2520-351987.7Almaz-1SARRussiaSHH1321721991.3ERS-1AMIEuropeCVV301001991.7ERS-2AMIEuropeCVV301001995.4ENVISATASAREuropeC双极化301002002.3JERS-1SARJapanLHH18751992.2RADARSAT-1SARCanadaCHH10100-1701995.11SAR通过对海面的二维测量，可以获得海面电磁波散射特性的几何分布图像。通过分析这些图像，可以获得海浪、海流、海冰以及海洋内波的分布。Seasat的SAR图像首次最广泛地揭示了许多海洋现象，包括边界流、尺度范围在10-400Km的涡旋、温度峰面、浅海深度测量、与风暴相关的大气模式、雨团等。海表面波浪的观测是一个主要学科焦点，但后来很快发现在影像形成过程中，波的运动是非线性的。经过进一步的了解，并充分利用SIR-B的因低轨而不受线性影响的影像，最终消除了其非线性特性。ERS-1/2SAR以及ENVISATASAR的波浪模型结果，也都进行了纠正。下图为我国南海东沙群岛附近海域SIRC/X-SAR图像，成像时间为1994年4月18日，图像空间分辨率为90m.东沙群岛位于南海东北部的大陆坡底部，东为巴士海峡和巴林塘海峡，东北为台湾海峡。来自太平洋的东向浪可以直达东沙群岛东部海域，使得该海域成为我国著名的长浪区。4月份南海仍是冷空气侵袭和影响的时期，东北风经台湾海峡“窄管效应”的加强掀起的风浪到达东沙群岛附近海域构成大浪和巨浪。因此，东沙群岛附近海域是我国少数几个高海情海域之一。从上图可以看到明暗相间的波纹。他们是波长为440m左右、周期约为17m的海浪。内波影响着海面波浪的粗糙度，它的作用有正有负，在靠近内波处的表面波显得比周围波浪更光滑或更粗糙，海表面的微波散射信号也就会有强弱，雷达影像则会显示出明暗差别。上升流区域的水要比周围的冷，这样由于较为稳定的大气边界层，上升流区域水面会比周围平滑。根据此原理，ERS-1/2的SAR图像被用来研究中国东海以及台湾海域的内波特性（下图），在台湾东北部海域，内波场非常复杂，其产生机理包括潮汐跟黑潮过境引起的上升流的影响，KortwegdeVries(KdV)公式被用来研究上升流区域产生的内波波包。(a)ERS-1SARimage(CopyrightESA)ofnortheastofTaiwancollectedonJuly23,1994,at02:26UTCshowinginternalwavepacketsintheupwellingarea.TheblackblocknortheastofTaiwanisthelocationsofupwelling.TheSARimageis100km100kminsizeandthescenecenteris2520N,12157E.(b)NOAA-11AVHRRseasurfacetemperatureimageonJuly22,1994at08:03UTCshowingacoldeddyintheupwellingareaandanarrowbandconnectingacolderpoolofwaternearthewesternKuroshioboundary.SAR资料也用来测量海面风。SAR资料得出的高精度风速在沿海区域是很有用的，弥补了散射计风速在离陆地25Km海域无效的缺陷。除海浪和海面风外，SAR资料还用来监测海洋油污染。如上所述，合成孔径雷达获取的是二维影像，影像的亮度即反映了海表微波散射信号的特性。由于微波的全天候、全天时、高分辨率的特点，人们通常就用微波来监测油污。现在用来评估油污的SAR资料主要来自加拿大的RADARSAT-1和欧空局的ENVISAT。2002年11月19日，一艘装载近7万吨的已失事的油轮Prestige在西班牙西北海岸100Km处失事沉没，11月17日由ENVISAT搭载的ASAR资料得到其油污扩散情况（下图）。由于风的作用，油污已扩散到周围。EnvisatsASARimageacquired17November2002showsadouble-headedoilspilloriginatingfromthestrickenPrestigetanker,lying100kmofftheSpanishcoast.油污监测最大的障碍就是准确地分辨出油膜跟影像里看起来类似的因素，包括风速、海面的天然膜、油脂状冰、内波、雨团等造成的干扰。因为这些因素都会对微波散射造成一定影响，致使在SAR影像上也会出现类似油膜的明暗带。分辨出这些干扰因素是油污自动监测算法的关键，成为很多研究人员关注的步骤。对于油污的持续观测，继续发射更高性能的SAR是至关重要的，并且已经有一些SAR业务计划在实施了。日本的ALOS（AdvancedLand-ObservingSatellite）和欧空局的TerraSAR-L都是搭载了L波段SAR的卫星。TerraSAR-X和COSMO/SkyMed是德国和意大利的X波段的卫星，TerraSAR-X最高分辨率可达1m。油污监测最有前景的是计划2005年发射的RADARSAT-2搭载的C波段SAR。合成孔径雷达也对海岸带及陆地环境监测。2005年3月，美国NASA的JPL（JetPropulsionLaboratory）实施了一项研究，用SAR资料来评估南加州的沿岸污染情况。该研究描述了南加州三大污染来源：暴雨径流、废水排放及天然碳氢化合物渗漏。研究人员也表示，由于风、海浪等环境因素都会影响SAR监测效果，因此，对海洋的长期、实时地油污监测非常重要。2）雷达高度计雷达高度计是不成像主动式微波遥感器。它通过测量仪器向星下点发射脉冲经海面回波反射后的往返时间，可测得卫星平台（高度计天线）至星下点（范围约10Km）海面的垂直距离，推导海面大地水准面与海面形态参数等。雷达高度计测得的是卫星到海面的距离H。若卫星轨道相对于地球参考椭球面（这里指平均海平面）已知，也就是若卫星高度已知，则海面相对于地球参考椭球面的高度，可表示为式中：为海面高度（海面相对参考椭球面）；为大地水准面高度（相对于参考椭球面）；为海面动力高度（海面相对于大地）。海洋动力高度为海面高度与大地水准面高度之差值，含有海洋动力现象的有关信息，如洋流、波浪、潮汐等；大地水准面为平静海面相对于参考椭球面的高度，它是地球重力势的等势面，由于地球内部质量分布不均匀，导致大地水准面与参考椭球面之间存在差距。由大地水准面高度可以反演得到海脊和海沟，也可反演得到海洋重力场等海床地层结构信息。此外，雷达高度计还可以测量海面风速和有效波高。第一台星载雷达高度计于1973年搭载在Skylab发射，GEOS-3的高度计于1975-1978年提供了丰富的重复观测数据，其测高精度达到0.5m；SeaSat雷达高度计于1978年开始，进行了3个月的观测，以其前所未有的性能测高精度达到0.1m，它是第一个详细提供海表信息的高度计，它首次在几周内不仅观测到了西边界流区域的中尺度变化，也观测到了全球的变化（下图）。Seasat(top)providedthefirstglobalviewoftheoceandynamics.TOPEX/Poseidonsea-surfacetopographyisshowninthebottompanel.Seasat雷达高度计是在平均海流描述、潮汐模式、有效波高和风速观测、海浪传播以及一些其它领域方面的先驱。自此开始，雷达高度计成了观测海表地形、不同时空尺度海洋变化的必要工具。而雷达高度计反演海面风速，是依据海面在风的作用下能产生厘米尺度的波浪，从而引起海面粗糙度的变化。雷达高度计对于大于或等于其工作波长（一般为2cm左右）的海面粗糙度变化有敏感的响应。美国军方1985年又发射了专用于卫星测高的GeoSat卫星，该卫星延续了SeaSat的观测，在轨运行至1989年11月；欧空局的ERS-1从1992-1996间又提供了大量的地表和海洋观测数据。后来陆续发射的星载高度计包括ERS-2，美法合作的1992年发射的TOPEX/Poseidon(T/P)，1998年美国发射的GFO，2002年3月28日发射的欧洲环境卫星ENVISAT2001年发射的Jason-1卫星是Topex/Poseidon卫星的后继星，它将接替已经运行了9年的Topex/Poseidon卫星，为国际科学界迅速提供几个小时或几天内海洋状态的有关情况，科学家们对收集到的大量的测高数据进行了广泛而深入地研究工作，发表并出版了大量的有关卫星测高技术及其在地球物理学和海洋学等方面应用的文献和专集。这些研究成果不仅大大地丰富和扩展了人们对地球物理学、大地测量学以及海洋科学等学科的认识，而且为进一步发展和应用卫星高技术奠定了基础。除在这些方面应用外，雷达高度计也用来测量极地冰盖。我国科学家通过对南极东南部地区1978年SeaSat和1986年GeoSat高度计数据的研究表明，在1978-1986年间，Lambert冰川Amery冰架西面部分(68o-70oE)冰面平均高度上升0.92m，东面部分(72o-85oE)冰面平均高度上升0.47m。整个研究区内，在研究时间尺度内冰面高度呈上升趋势，西部地区上升幅度较大，东部地区上升幅度相对较小（下图）1978年和1986年不同经度方向上表面高度剖面对比3）微波散射计微波散射计是不成像主动式（斜视观测）微波遥感器。散射计对于观测海洋的后向散射截面非常有效，原理是雷达散射强度与海面上的表面张力波和重力波(相干散射)的振幅成正比，而这些波又与海面附近的风速有关。根据从不同方向角上测得的雷达后向散射还可以确定风向，故可以推算全球近海面风矢量，这是散射计设计的最初目的。同时散射计对于大尺度的冰和陆地应用研究也非常有用，因为不同的地物对雷达波具有不同的散射特性，通过测量经过精确定标后的雷达后向散射可以确定陆地地表的植被覆盖类型和沙漠化情况；在极地可以区分海冰与海水和不同类型的冰雪特征，通过散射特性长时间序列变化来确定季节、年度变化与气候之间的关系，进行全球变化方面的研究。1973年美国NASA发射的Skylab安装了一台微波散射计，并且是最早的星载散射计。1978年NASA又发射了Seasat，这时微波散射计专门用来测量风场。Seasat搭载的SAAS（Seasat-ASatelliteScatterometer）传感器的工作频率为14.6GHz(对应波长为2cm)，Ku波段，包括4个双极化扇形波束天线，它能在表面上形成呈现“X”形的照射图。由于覆盖范围小及散射信号弱等问题，SASS不能在所有条件下精确地测量出风向。由欧空局分别于1991年和1995年发射的ERS-1/2也都搭载了微波散射计AMI，为数值天气预报和海洋预报提供了近实时的资料。NSCAT是由NASA研制的搭载在日本ADEOS-I卫星上的微波散射计，其运行时段为1996年9月至1997年6月，后因ADEOS-I太阳能板故障而终止。工作频率为14.6Hz，Ku波段，HH和VV极化方式，具有不同的方位和入射角(17o-60o)，分辨率约为25km，刈幅600km，重叠带宽为200km，极地地区日覆盖数次，其密集的极区覆盖率非常有利于极地研究。由于ADE0S-I过早失效，而后继卫星ADE0S-II计划要到2002年才发射，所以为了弥合这段间隙，NASA决定发射了QuickSCAT，它和2002年12月发射的ADEOS-II都搭载了SeaWinds。ADEOS-II卫星因故只运行到了2003年11月。QuickSCAT和ADEOS-II一起可以在6小时对全球60%覆盖观测，或者在12小时对全球90%覆盖观测。目前微波散射计测风精度为2m/s（风速）和20（风向），覆盖全球90%海洋只要12天，如Quickscat为1天，ADEOS-I的NSCAT为2天，已达到业务应用水平。美国NOAA和空军、海军、欧空局已将微波散射计的测风数据用于海洋风场和浪场预报。QuickSCAT用来监测“厄尔尼诺”现象，但是，其上先进的电子仪器并不仅仅局限于调查这些年来经常发生并造成巨大危害的奇怪现象。事实上，QuickSCAT卫星搜集了有关海洋上空的风的相关数据，以便（在其他类似设备的帮助下）确定水与大气间复杂相互作用的机制（从躁动不停的热交换到盐的浓度，从洋流到波浪和旋涡），从而对天气做出准确预报，避免环境灾难。4）微波辐射计微波辐射计是成像被动式微波遥感器，它接收的是地球表面（海面、陆面）物质在微波波段的热辐射亮度。通过测量由海面发射的热辐射温度来反演海面温度、绘制等温线图、研究海面温度场、海冰等。不同波段的微波辐射计有不同的专长和用途。按测量目的区分，微波辐射计可分为探测仪和成像仪。探测仪主要应用在气象卫星上，波段多选择在氧气和水汽吸收带和附近频率，用于测量大气垂直温度和湿度，要求大尺度低分辨率，通常采用横跨轨道扫描方式；成像仪主要应用在海洋卫星上，波段（C、X、K波段）频率通常较低，分辨率要求较高，通常采用圆锥形扫描方式。根据普朗克辐射定律，理想黑体的热辐射功率是波长和温度的函数。当黑体的温度增加时，辐射功率也增强，随着波长的增加辐射量减小。其微波辐射功率与温度基本上呈线性关系。微波辐射计所测得的物体辐射亮度Tb反演物理温度T时，须进行发射率e的修正，即T=eTb。其中发射率e通常为0e1，且随物体的复介电常数、表面粗糙度等物理性质以及频率、极化方式、入射角等参数的变化而变化，因而亮度温度也随这些性质和条件变化。海冰的发射率要大于海水的发射率。星载微波辐射计目前发射最多的微波遥感器（见下表）。SSMR（扫描多通道微波辐射计），5种频率、10个通道，采用反射面机械扫描，它是第一个包括C波段和X波段的影像辐射计，可同时探测海洋、冰层和大气层辐射与