海洋微波遥感.docx
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海洋微波遥感
中国地质大学
研究生课程论文封面
课程名称遥感图像处置原理及应用
教师姓名高伟
研究生姓名黄永威
研究生学号2
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:
2020年1月9日
评语
对课程论文的评语:
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课程论文成绩:
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海洋微波遥感
黄永威地球科学学院
1.微涉及微波遥感
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,通过判读处置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专门大不同。
可见光-红外遥感用的是光学技术,通过摄影或扫描来获取信息;而微波遥感要求不同的设备和技术,它利用有源或无源系统,搜集和记录目标、背景在微波波段内的电磁波辐射、散射能量,经信号处置来识别目标物体或现象的有效信息。
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。
主动微波遥感特点是,由微波遥感器发出探测用的微波照射被测目标物体,与被测目标物体彼此作用,发生反射、散射或穿透必然深度,然后接收被测目标物体散射的微波信号,通过监测、分析回波信号来确信目标物体的各类特性。
经常使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。
经常使用的被动式微波传感器:
微波辐射计。
2.水体微波辐射特点
海洋的微波辐射取决于两个要紧因素:
一是海面及必然深度的复介电常数
。
它反映海水的电学性质,由表层物质组成及温度所决定。
海水是由各类盐类、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。
因此海洋微波遥感能够测得海面及水下必然深度的温度和含盐度等信息。
二是海面粗糙度――海面至必然深度内的几何形状结构。
从这一角度可将海面分成4类:
1)安静海面:
海面无风或风速很小,可用物理光学处置,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。
现在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)。
它的特点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:
一样指油污染等形成两层介质,引发亮度温度的显著不同。
油膜使海面趋于滑腻,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,引发亮度温度的明显不同。
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,本地表被云层遮盖时,不管是可见光遥感仍是红外遥感均无能为力。
地球表面有40%-60%的地域常年被云层覆盖,平均日照时刻不足一半,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,因此散射要小得多,因此与红外波相较,微波在大气中衰减较少,对云层、雨区的穿透能力较强,大体上不受烟、云、雨、雾的限制。
例如,波长的微波束穿过4km含有液态水的浓云,其强度只衰减1dB,几乎能够忽略不计。
因此说具有全天候、全天时的特点。
对某些地物具有特殊的波谱特点许多地物间,微波辐射能力不同较大,关于可见光和红外遥感所不能区别的某些目标物的特性,微波遥感能够较容易地分辨出。
例如,在微波波段中,水的比辐射率为,而冰的比辐射率为,在常温下二者的亮度温度相差100k,很容易区别,而在红外波段,水的比辐射率为,冰的比辐射率为,二者相差甚微,不易区别。
对冰、雪、丛林、土壤等具有必然穿透力
该特性可用来探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事目标,和埋藏于地下的工程、矿藏、地下水等。
对海洋遥感具有特殊意义微波对海水专门灵敏,其波长很适合于海面动态情形(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样都比较低,这是因为其波长较长,衍射现象较显著。
要提高分辨率必需加大天线尺寸。
第二,观测精度和取样速度往往不能和谐。
比起可见光-红外遥感,微波遥感起步较晚。
1954年后,美国军方利用了第一台侧视机载雷达(SLAR-Side-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腕,和可见光、红外等遥感器一路对地球进行全天候的观测。
1957年,美国密执安大学为陆军第一研制了第一部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进展。
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、红外遥感缺点的实现。
20世纪90年代以来,各国接踵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和加拿大的Radarsat等,微波遥感取得了专门大的进展。
4.各类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)
一个雷达到像系统,大体包括发射器、雷达天线、接收器、记录器等四个部份。
雷达依照微波传播、接收的时差和多普勒转变和回波的振幅、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。
这都直接阻碍到雷达回波的强弱。
因此,关于不同雷达波长,同一目标的阻碍特点不一样。
下表列出了遥感经常使用的微波和它们的波长、频率范围。
------------------------
波段波长(cm)
频率(MHz)
Ka~40000~26500
K~26500~18000
Ku~18000~12500
X~12500~8000
C~8000~4000
S~154000~2000
L15~302000~1000
P30~1001000~30
------------------------
雷达遥感系统的极化方式,阻碍到回波强度和对不同方位信息的表现能力。
经常使用的有四种:
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)。
前二者为同向极化,后二者为异向极化。
不同极化方向会致使目标对电磁波的不同响应,使雷达回波强度不同,并阻碍到对不同范围信息的表现能力。
利用不同极化方式图像的不同,能够更好地观测和确信目标的特性和结构,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,那么方位分辨率值越小,分辩能力越强。
要提高分辨力的两种途径为:
一是采纳脉冲紧缩技术,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,采纳了"合成天线"
技术。
即以必然的时刻距离发射一个脉冲信号,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置,取得与真实天线接收同一目标回波信号相同的结果。
如此,就使一个小孔径天线,起到了大孔径天线的作用,也确实是合成孔径雷达。
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()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(L-Band)
极化方式HH
空间分辨率25m*25m
扫描刈幅100km
天线尺寸*
天线类型相位阵列
----------------------
这以后,NASA、前苏联、欧空局、日本、加拿多数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。
关于航天遥感,它第一次利用较短的C波段,第一次用VV极化,第一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100~400km。
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,依照入射角、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)的打算,在仅仅11天的全世界性作业中,利用单通道C波段的干与成像雷达系统,取得了地球60°N至56°S间陆地表面80%面积的三维雷达数据。
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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
SeasatSARUSALHH25100
SIR-ASARUSALHH4050
SIR-BSARUSALHH2530
SIR-C/X-SARSIR-C
X-SARUSA
Germany/ItalyL,C
X全极化
HH3010-200
SRTMC-SAR
X-SARUSA
Germany/ItalyC
XVV,HH
HH3050-225
Kosmos-1870SARRussiaSHH2520-35
Almaz-1SARRussiaSHH132×172
ERS-1AMIEuropeCVV30100
ERS-2AMIEuropeCVV30100
ENVISATASAREuropeC双极化30100
JERS-1SARJapanLHH1875
RADARSAT-1SARCanadaCHH10100-170
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SAR通过对海面的二维测量,能够取得海面电磁波散射特性的几何散布图像。
通过度析这些图像,能够取得海浪、海流、海冰和海洋内波的散布。
Seasat的SAR图像第一次最普遍地揭露了许多海洋现象,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要紧学科核心,但后来专门快发此刻影像形成进程中,波的运动是非线性的。
通过进一步的了解,并充分利用SIR-B的因低轨而不受线性阻碍的影像,最终排除其非线性特性。
ERS-1/2SAR和ENVISATASAR的波浪模型结果,也都进行了纠正。
以下图为我国南海东沙群岛周围海域SIR-C/X-SAR图像,成像时刻为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能够直达东沙群岛东部海域,使得该海域成为我国闻名的长浪区。
4月份南海仍是冷空气侵袭和阻碍的时期,东北风经台湾海峡"窄管效应"的增强掀起的风浪抵达东沙群岛周围海域组成大浪和巨浪。
因此,东沙群岛周围海域是我国少数几个高海情海域之一。
从上图能够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。
内波阻碍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滑腻或更粗糙,海表面的微波散射信号也就会有强弱,雷达影像那么会显示出明暗不同。
上升流区域的水要比周围的冷,如此由于较为稳固的大气边界层,上升流区域水面会比周围滑腻。
依照此原理,ERS-1/2的SAR图像被用来研究中国东海和台湾海域的内波特性(以下图),在台湾东北部海域,内波场超级复杂,其产生机理包括潮汐跟黑潮过境引发的上升流的阻碍,Kortweg-deVries(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.TheblackblocknortheastofTaiwanisthe
locationsofupwelling.TheSARimageis100km×100kminsizeandthescenecenteris25°20′N,121°57′E.(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效的,弥补了散射计风速在离陆地25Km海域无效的缺点。
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。
此刻用来评估油污的SAR资料要紧来自加拿大的RADARSAT-1和欧空局的ENVISAT。
2002年11月19日,一艘装载近7万吨的已出事的油轮--Prestige在西班牙西北海岸100Km处出事沉没,11月17日由ENVISAT搭载的ASAR资料取得其油污扩散情形(以下图)。
由于风的作用,油污已扩散到周围。
Envisat'sASARimageacquired17November2002showsadouble-headedoilspilloriginatingfromthestrickenPrestigetanker,lying100kmofftheSpanishcoast.
油污监测最大的障碍确实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必然阻碍,致使在SAR影像上也会显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。
关于油污的持续观测,继续发射更高性能的SAR是相当重要的,而且已经有一些SAR业务打算在实施了。
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打算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形。
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阻碍SAR监测成效,因此,对海洋的长期、实时地油污监测超级重要。
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来回时刻,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。
假设卫星轨道相关于地球参考椭球面(那个地址指平均海平面)已知,也确实是假设卫星高度已知,那么海面相关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(相关于参考椭球面);为海面动力高度(海面相关于大地)。
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;大地水准面为安静海面相关于参考椭球面的高度,它是地球重力势的等势面,由于地球内部质量散布不均匀,致使大地水准面与参考椭球面之间存在差距。
由大地水准面高度能够反演取得海脊和海沟,也可反演取得海洋重力场等海床地层结构信息。
另外,雷达高度计还能够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年提供了丰硕的重复观测数据,其测高精度达到;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,它是第一个详细提供海表信息的高度计,它第一次在几周内不仅观测到了西边界流区域的中尺度转变,也观测到了全世界的转变(以下图)。
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、海浪传播和一些其它领域方面的前驱。
自此开始,雷达高度计成了观测海表地形、不同时空尺度海洋转变的必要工具。
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,从而引发海面粗糙度的转变。
雷达高度计关于大于或等于其工作波长(一样为2cm左右)的海面粗糙度转变有灵敏的响应。
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ENVISAT.2001年发射的Jason-1卫星是Topex/Poseidon卫星的后继星,它将代替已经运行了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形,科学家们对搜集到的大量的测高数据进行了普遍而深切地研究工作,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。
这些研究功效不仅大大地丰硕和扩展了人们对地球物理学、大地测量学和海洋科学等学科的熟悉,而且为进一步进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域1978年SeaSat和1986年GeoSat高度计数据的研究说明,在1978-1986年间,Lambert冰川/Amery冰架西脸部份(68o-70oE)冰面平均高度上升,东脸部份(72o-85oE)冰面平均高度上升。
整个研究区内,在研究时刻尺度内冰面高度呈上升趋势,西部地域上升幅度较大,东部地域上升幅度相对较小(以下图).
1978年和1986年不同经度方向上表面高度剖面对照
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。
散射计关于观测海洋的后向散射截面超级有效,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,而这些波又与海面周围的风速有关。
依照从不同方向角上测得的雷达后向散射还能够确信风向,故能够推算全世界近海面风矢量,这是散射计设计的最初目的。
同时散射计关于大尺度的冰和陆地应用研究也超级有效,因为不同的地物对雷达波具有不同的散射特性,通过测量通过精准定标后的雷达后向散射能够确信陆地地表的植被覆盖类型和沙漠化情形;在极地能够区分海冰与海水和不同类型的冰雪特点,通过散射特性长时刻序列转变来确信季节、年度转变与气候之间的关系,进行全世界转变方面的研究。
1973年美国NASA发射的Skylab安装了一台微波散射计,而且是最先的星载散射计。
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(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准地测量出风向。
由欧空局别离于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,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,极地地域日覆盖数次,其密集的极区覆盖率超级有利于极地研究。
由于ADE0S-I过早失效,而后继卫星ADE0S-II打算要到2002年才发射,因此为了弥合这段间隙,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一路能够在6小时对全世界60%覆盖观测,或在12小时对全世界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),覆盖全世界90%海洋只要1~2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
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