遥感第八章 散射计.doc
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1、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- )
2、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-SASS-Skylab (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
3、自ex.html) 中 后 前 3 2 1 刈幅 500km 从18-58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 16 12 8 4 中间波束 60 120 180 240 300 360 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 unit area)0卫星发出的电
4、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,其中是入射角,A是雷达波束照射到海表面的面积 卫星 天线 垂直方向 R A (面积) 图8-4:描述海面散射的示意图,其中是入射角,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 (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),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
5、量的有效面积Ae的关系是 (8-2)式中是电磁波的波数。因此,(8-1)变为 (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(单位m2 )可表示为 (8-4)单位面积雷达后向散射截面0 是无量纲的,定义为 (8-5)0 可由接收功率和发射功率的比值计算得到 (8-6)0 又称为标准化雷达后向散射截面(normalized radar cross section: 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0 的观测可得到海面风的情况。 由于0 变化范围太大,我们经常用0 (单位:分贝)表示单位面积雷达后向散
6、射截面 (8-7)如果0 是100,0 dB就是20;如果0 是0.001,0 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): (8-8)式中来自镜面反射的贡献,来自布喇格共振散射的贡献,a是校准系数(Apel 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)
7、 0 可运用物理光学方法得到(Barrich, 1968) (8-9)式中是入射角,R(0)是垂直入射时的菲涅耳反射系数,(0)是垂直入射时的菲涅耳反射率,f(x ,y )是x方向斜率x 和y方向斜率y 的联合概率密度函数(joint probability density function:PDF),并且 (8-10)式中是海面高度(sea surface elevation)。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 (8-11)式中和分别是在逆风方向和侧风方向(u
8、pwind and crosswind directions)的均方斜率(mean square slopes MSS)。一般的,我们有 (8-12)式中是风向方位角(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 (8-13)式中n是峰度系数(peaknedness coefficient)。他们发现在U1015m/s 的条件下,对于C波段高度计,峰度系数n5。上式中的和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
9、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和的值。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 (8-14)或 (8-15)式中k是波数(wavenumber),是波长()wavelength,是入射角(incident angle)。当等于radar 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。 C B A w 图8-5:布喇格共振条件 Wright(1966,1968)根据电
10、磁波散射理论,计算出在一阶近似条件下布喇格共振对0 做出的贡献 (8-16)式中kR 是雷达波波数,(kw ,)是在极坐标下重力毛细波的波数谱,kw =2kRsin是与电磁波产生共振的海面波浪的波数,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()是 (8-17)对于水平极化发射和接收的雷达,g()是 (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,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 (8-19)和 (8-
11、20)对于海气界面,式中n1=1.0 和。进一步,如果我们使用近似公式,(8-19)和(8-20)可变为 (8-21)和 (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i 的局地的0 可由下式得出(Valenzuela, 1978; Donelan
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