遥感第八章 散射计

1、第八章散射计（Scatteromete） 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 HYPERLINK /index.html /index.html。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 HYPERLINK /cdrom/nscat/ /cdrom/nscat/。图 8-1显示了“QuikSCAT每日风况报道”的一个例子。图

2、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

3、, 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（弓I 自 HYPERLINK /index.html /index.html图8-2：欧空局ERS1/2卫星图8-2：欧空局ERS1/2卫星AMI-SCAT散射计扫描的示意图242016128460120180240300360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（Radar Backscatter Cross Section per

4、 unit）are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0是入射角，A是雷达波束照射到 海表面的面积图8-4：描述海面散射的示意图，其中0是入射角，A是雷达波束照射到海表面的面积。雷达方程（radar equation）的基本形式是P =卫 r 4 兀R2 4 兀R2式中P是接收的雷达功率（Watt瓦特），P是发射的雷达功率（Watt瓦特），G是天线传输能量的 增益，Rr是雷达到海面的距离（m），a是散射截面的面积A（m2）；A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

5、接收能量的有效面积Ae的关系是G 危 A 1 r X2 e式中人是电磁波的波数。因此，（8-1）变为(8-1)(8-2)P = PtG 处r(4 兀)3R4(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a （单位m2）可表示为_ P （4兀）3R4_ p GGX2单位面积雷达后向散射截面a 0是无量纲的，定义为 = j dA AA可由接收功率和发射功率的比值计算得到(8-4)(8-5)P （4兀）3R4 0 Pr GGKA又称为标准化雷达后向散射截面（normalized radar cross section : NRCS）。这个系

6、数与海面的粗由于a 0变化a0糙程度有关，粗糙程度又由海面风决定，所以对a 0的观测可得到海面风的情况。范围太大，我们经常用a 0 （单位：分贝）表示单位面积雷达后向散射截面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。雷达后向散射包括两 部分，镜面反射(specular reflection)和布喇格共振散射(Bragg-resonant scatter):b = ab Spe + b Bra(8-8)000式中b0pe来自镜面反射的贡献，bBra来自布喇格共振散射的贡献，a是校准系数(Apel

7、 1994； Wu 1994)。 8.3 镜面反射(Specular Reflectance)或镜点散射(Specular-Point Scatter)镜面反射是海面上许多像镜子似的小平面(mirror-like facets)的反射产生的。由镜面反射产 生的雷达后向散射截面(RBCS) %可运用物理光学方法得到(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)是垂直入射时的菲涅耳反射系数，p(0)是垂直入射时的菲涅耳反射率，f(Zx ,Zy ) 是x方向斜率Zx和y方向斜

8、率Z的联合概率密度函数(joint probability density function： PDF)，并 且yQx 8x义(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11 ztan2 O、_,f(tan O,0) = exp- ()(8-11)2兀b b2b 2式中b2和b2分别是在逆风方向和侧风方向(upwind and crosswind directions)的均方斜率(m

9、ean square slopes MSS)。一般的，我们有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是风向方位角(azimuth angle )，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是峰度系数(peaknedness coefficient)o他们发现在U1015m/s的条件下，对于C波段高度 计，峰度系数n5。上式中的bu和b2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bu和b2的值。8.4 布喇格共振散射(Bragg-Resonant Scatter)由图 8-5，布喇格共振条件(condition of Bragg-resonance )是k = 2k - sin 0(8-14)或X d = 2人 -sin 0

11、(8-15)式中 k 是波数(wavenumber),入 是波长()wavelength， 0 是入射角(incident angle )。当 2Xwater sin0 = 2ABsin0 = 2BC等于入函迎时，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。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做出的贡 献气(匕,0) = 16兀k;|g(0)|2w(2kR sin 0,0)(8-16)式中kR是雷达波波数，甲(kw，们是在极坐标下重力毛细波的波数谱，kw=2kRsin0是与电磁波产生 共振的海面波浪的波数，

12、0是入射角，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(0)是g(0) = g (0) = R cos2 0 + Lt2(1-乙)sin2 0(8-17)vvv2 v(=对于水平极化发射和接收的雷达，g(0)是g(0) = ghh(0) = Rh cos2 0(8-18)式中Tv =1 + Rv，Rv和Rh是菲涅耳反射系数，下标“v”和“h”表示极化的方式，e0是真空的 电容率，e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)对于海气界面，式中n=1.0和口 =：v。进一步，如果我们使用近似公式(n2n七)-1.0, (8-19)12 rn1 n2和(8-20)可变为g =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-Surface Scattering或 Two-Scale Scattering)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)。在垂直极化条件下，o 0是b vv(0.)=。 , /侦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在水平极化条件下，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。对整个斜面进行积分，对应于入射角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在更简单的近似中，Liu和Yan(1995)只考虑一个背景长波的影响。定义甲b和0 =0为背景重力波在迎风和背风方向的平均斜率，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)是重力波斜率的联合概率密度函数。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。背景波前后两面通过布喇格共振机制产生的雷达回波总和是(8-30)b b leeward + b windward(8-30)02 02 0式中1/2=5 0%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。/eward和 。0windward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

18、(Empirical Model)散射计测风的经验模型包括C波段的ERS1/2 (AMI-SCAT mode)CMOD1. CMOD2、CMOD3、CMOD4和 CMOD5 等五个模型以及 Ku 波段的 SeaSAT-1 (Scatterometer)SASS I 和 SASS II。首先介绍欧空局发展的经验模型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 当 30 e 58(度)Q 40A = c () + 0.42 当 20 e 30(度)2025e-40e-40A = c () + 0.42 + c () + 0.82 当 18 e 20(度)I 20252125式中匕,(22都是常数。另介绍美

20、国宇航局发展的经验模型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)是常数。8.7 模型比较(Comparison)图8-6显示了 Liu等人(1997)的物理模型与C-band经验模型的比较。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 怛码 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 怛码 rH)图8-6(a):表示在逆风方向上5.3 GHz波段在垂直极化条件下的雷达后向散射截面(RBCS，用分贝 表示)随入射角变化的曲线，其中风速是参数。实线表示布喇格共振和镜面反射共同效果产生的 RBCS，虚线表示只有镜面反射效果产生的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)图8-6 (b)：表示在侧风方向上5.3 GHz波段在垂直极化条件下的雷达后向散射截面(RBCS，用分 贝表示)随入射角变化的曲线10Riorrtxjfi-CMOD3Scpare-CMOMFlue- CMODS-30-35图 8-6(c):在垂直极化条件下，入射角是38 ,kicldenceane

24、- 38dsyM-30-35图 8-6(c):在垂直极化条件下，入射角是38 ,kicldenceane- 38dsyM5.3 GHz波段的雷穴后向散射截面(RBCS)的计算、加号表示用CMOD3、CMOD4和CMOD5公式计算得到的RBCS观测值。从下至僧表示海面上10m处的风速分别是3 m/s、10 m/s、 17 m/s 和 24 m/so8.8 阅读材料：SeaWinds日本国家航天发展局(NASDA)所属地球观测中心(Earth Observation Center)的网页 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 对 SeaWinds 的介绍是：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阅读材料：NSCAT日本国家航天发展 局(NASDA)所属地球观测中 心(Earth Observation Center)的网页 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 对 NSCAT 第一幅全球风速图 像的介绍是：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