海洋遥感▏高海况海洋遥感信息提取技术研究进展
一、星载SAR 高海况海浪遥感
星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）能够全天时、全天候、以多种成像模式，在中等海况和复杂海况下对海观测，获取高空间分辨率图像。自20世纪90年代起，各种SAR海面波浪遥感探测方法，如初猜谱方法、交叉谱方法、半参数化方法、参数化方法、经验方法等已经逐渐应用于ERS-1&2，RADARSAT-1，ENVISAT ASAR等卫星监测中等海况下的海面波浪。与浮标观测比较，中等海况下SAR反演的海浪有效波高的均方根误差小于0.5m。此外，新型微波传感器如沿轨迹干涉SAR（AT-InSAR）和全极化SAR（AIRSAR、RADARSAT-2）也逐渐应用于海面波浪遥感研究。相对于传统SAR，AT-InSAR海浪成像机制较为直接，其相位图像对真实孔径雷达调制传递函数不敏感。极化SAR海浪遥感的优势在于可以避免计算水动力调制传递函数。
早在20世纪70年代，机载SAR就已经成功获取了飓风产生的海面波浪图像。随着卫星技术的快速发展，星载ERS-2 SAR波模式图像被用于分析全球巨浪（Extreme Wave）概率和平均海况之间的关系。然而，在高海况下，星载SAR海浪成像非线性较强，在SAR图像上较难看到清晰的波浪条纹。
因此，传统SAR成像模型下的简单假设和标准参数化不再适用。给定高海况下的海浪谱，如完全成长的风浪谱，利用SAR图像谱与海浪谱非线性映射关系模拟的SAR图像谱变形较为严重，从而导致提取的波浪特征参数误差较大。此外，与高海况有关的海面泡沫、空气中的飞雾、水中的空气泡、降雨等都会对SAR 海浪信息提取造成影响。
高海况下SAR海浪遥感面临许多挑战性的难题。例如，台风海况下会发生波浪破碎，破碎的波浪产生白冠，将水滴送入空气中，进而产生湍流和与大气发生交换的气体。在这种形式下，海面微波散射机制较为复杂。此外，研究表明，台风引起的波浪场以涌浪占主体地位，体现为单峰海浪谱，但有时也会出现双峰谱。因此，需要进一步研究高海况下巨浪方向谱的参数化形式。最近，参考卫星散射计海面风速反演的地球物理模式函数，科学家利用RADARSAT-1&2台风宽幅SAR图像发展了一种提取高海况下有效波高的经验方法，并且和海浪数值模式SWAN的模拟结果做了定量比较。个例（台风Malakas，2010年9月22日20:31GMT）比较结果显示经验方法反演的最大有效波高与SWAN模拟的有效波高分别为10m 和7.8m。另外一个研究个例（台风Malakas，2010年9月24日08:48 GMT）比较结果显示经验方法反演的最大有效波高与SWAN 模拟的有效波高分别为6.7m和10.4m。该经验方法存在两个问题：⑴不适合反演较小的有效波高；⑵在小入射角位置处，经验方法反演的有效波高偏大。
上述反演台风海况下有效波高的经验算法虽然利用海浪数值模式结果做了初步比较，但是方法需要利用大量现场观测进行统计验证。在高海况下，波浪骑士浮标较难观测巨浪。因此，如何验证高海况下SAR反演的有效波高和其他波浪参数也是一个亟待解决的问题。
二、星载SAR高海况海面风场遥感
在中等海况下，利用星载SAR观测和垂直极化地球物理模式函数可以反演海面风场，其风速反演均方根误差小于2m/s，风向反演的均方根误差小于20°。然而，在高海况下，尤其是当风速大于25m/s，垂直极化SAR后向散射系数不再随风速的增加而增大，进而导致多个高风速对应于同一个后向散射系数，即出现所谓的风速多解现象。最近，研究发现交叉极化SAR后向散射系数在高海况下对雷达入射角和风向不敏感，并呈现出与风速线性相关的趋势。在此基础上，研究学者建立了交叉极化SAR高风速反演模型，结合双极化飓风SAR 图像反演了海面高风速，并与机载步进频率微波辐射计（SFMR）飓风观测以及传统垂直极化地球物理模式函数反演结果做了定量比较，发现高风速反演精度有较大提高。与SFMR观测定量比较结果显示：交叉极化高风速反演模型计算的风速均方根误差为3.23m/s，而垂直极化地球物理模式函数计算的风速均方根误差为6.24m/s。此外，利用参数化台风流入角模型，成功消除了风向模糊解，得到了风速和风向唯一解。与卫星散射计QuikSCAT观测定量比较显示：交叉极化高风速反演模型计算的风速均方根误差为2.75m/s，风向均方根误差为27.59°；垂直极化地球物理模式函数计算的风速均方根误差为4.33m/s。
降雨是影响海面高风速反演精度的重要因素。雨滴降落到海面时产生湍流，衰减表面毛细波和短重力波，并且产生环波。雨滴在大气中会衰减雷达电磁波和后向散射回波，同时产生体散射。在高海况下，降雨净效应会减小海面粗糙度，从而导致传感器接收到的后向散射回波减弱。研究表明：C波段SAR成像的台风眼墙强降雨区域经常表征为螺旋雨带对应的黑暗像元，主要原因是降雨引起的雷达回波信号衰减。数值模拟结果表明如果降雨产生的信号衰减占主体地位，会导致反演的风速偏小。此外，垂直和交叉极化高风速模型结果也进一步证明了强降雨率会引起台风眼墙区域内反演的风速明显偏低。
传统的垂直极化地球物理模式函数是由卫星散射计和浮标观测建立的经验模型，该模型中包含雷达后向散射系数、入射角、海面风速和相对风向，并没有涉及降雨率。最近发展的交叉极化雷达高风速反演模型也没有包含降雨率。因此，如果不考虑降雨对微波信号的影响，直接利用上述两模型结合雷达台风图像实施海面风速反演，必定会导致强降雨区域内的风速小于实际观测值。为了提高降雨区域内高风速反演的精度，必须要定量评估不同风速条件下，不同降雨率对SAR接收到的后向散射信号的影响，从而对受降雨污染的像元进行“降雨修正”。
传统单极化SAR仅能测量来自海面的后向散射回波强度。随着卫星技术的快速发展，星载全极化SAR可以测量海面目标的散射矩阵，即同时获取四个极化通道的回波强度和相位，而不仅仅是简单的回波幅度值。在高海况下，海面风场和波浪存在一定的耦合关系。因此，随着观测量的增多，可以考虑高海况下海面波浪和风场的联合信息提取。利用同极化和交叉极化不同的散射特征，建立风浪联合反演模型，同时获取高海况下的海面波浪和风矢量信息。高海况下，SAR提取的海浪和风场要素需要进行统计验证。利用星-天-地多源数据资料交叉验证是一个重要的途径。例如，可以结合星载微波高度计、散射计、机载步进频率微波辐射计、GPS测风仪、岸基雷达、现场观测浮标，以及大气数值模式结果进行集合验证，从而评价反演模型的适用性和准确性。
三、星载SAR高海况海流遥感
海面流场是海洋动力环境的关键要素。在过去的20a，科学家发展了两种利用星载SAR测量海表面径向速度的技术。一种是利用双天线沿轨迹干涉SAR 观测的相位图像计算海面流速的径向分量。双天线接收到来自海面后向散射信号的相位差与海表散射体速度的径向分量成正比。海表散射体速度包括表面流速、海浪径向轨道速度、布拉格波相速度。因此，要准确计算海表流速，必须要去除海浪轨道速度和布拉格波相速度对海表散射体速度的贡献。另外一种是单天线多普勒频率方法，该方法需要对多普勒频移测量进行准确校正。
上述两种反演海面流速的方法都要求图像中包含陆地，因为需要对相位图像和多普勒频移进行校正。第一种方法中涉及改进的复合表面散射模型，给定初始猜测风场和流场，以及相应的雷达参数，该模型可以模拟沿轨迹干涉SAR相位图像。然而，在高海况下该模型不再适用。因此，需要深入研究高海况下的海面微波散射模型。对于后一种方法，在高海况下，高风速和巨浪会引起较强的多普勒频移，如何利用多普勒质心产品准确提取径向流速是一个亟待解决的关键技术问题。
此外，结合西北太平洋表面漂流浮标和卫星散射计QuikSCAT观测，研究发现在高海况下（风速>20m/s），海面风速和表面流速存在较好的相关性，这一重要发现为获取高海况下的海面流速信息提供了新的思路。星载交叉极化SAR可以较好地反演海面高风速，因此可以考虑高海况风流联合信息提取，利用反演的风速间接计算海面流速，然后与表面漂流浮标进行定量比较。
四、结语
星载SAR对高海况海洋动力环境（风、浪、流）信息提取具有重要的研究意义，具体体现在3个方面：⑴获取的高空间分辨率的海面风场、波浪、流场要素可以为海洋数值模式和台风预报模式提供准确的初始场和同化源，进而改进模式预报精度；⑵为海洋灾害（台风、风暴潮）监测预警以及灾害损失评估提供相应的技术支撑；⑶为研究全球变化背景下的气候变化提供有力的观测依据。
【作者简介】本文作者/张彪 何宜军，南京信息工程大学；第一作者张彪，1979年出生，男，博士，教授，主要从事海洋和大气微波遥感的研究；本文为基金项目，国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2013AA09A505）、国家自然科学基金资助项目（41476158）、江苏省自然科学青年基金资助项目（BK2012467）；来自《海洋技术学报》（2015年第3期），用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。
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