发展微波遥感探测的海洋应用研究

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        摘要：介绍了微波遥感探测在海洋应用的重要性和基本特点，并利用电子所研制的机载合成孔径雷达和国外星载合成孔径雷达获取的雷达图像列举了一些主要应用。

关键词：微波遥感探测，合成孔径雷达，微波散射，顺轨干涉

海洋是人类生存发展的第二空间，地球上未充分开发利用的最主要资源宝库。21世纪被誉为海洋世纪，标志着人类和平利用海洋新时代的到来。另一方面海洋主权的权益问题一直是国际社会关注的热点，中国海周边的海洋权益争端更是格外激烈，我国海洋安全战略地位更加突出。我们注意到，在国家中长期科学和技术发展规划纲要部署中，全方位地涵盖了有关海洋利用的基础研究和技术开发，专项重点支持体现了海洋强国强军的战略思想。

一、微波遥感探测的重要性

我国有960万平方公里的陆地，同时还有约300万平方公里的海疆，中国海纵跨42个纬度，自北而南有渤海、黄海、东海和南海，沿海岸线约为1800公里，有6500多个岛屿，星罗棋布地分布于中国海域。突破第一岛链和第二岛链的限制，捍卫祖国主权，采用遥感手段是必不可少的。

全球海洋占地球总面积的四分之三，且上空经常有云层覆盖，海洋现象的发生和海洋目标活动持续不断具有很大的不确定性。因此，具有全天时、全天候、大面积和远距离观测的微波成像卫星就具有不可比拟的优势。

二、微波遥感探测特点

海洋遥感探测可以利用不同物理原理的多种传感器来实现。例如无源的光学成像系统、红外成像系统、微波辐射计系统以及有源的微波散射计系统和合成孔径成像雷达系统等。然而星载合成孔径雷达系统具有不受天时、不受云雾烟尘遮蔽、大面积高分辨率连续成像的能力，是一种高效的对地球表面观测手段。图1所示为合成孔径雷达的电磁波谱范围。　

图1 电磁波谱

微波波长：1毫米——30厘米

频率范围：300吉赫——1吉赫

高频：3-30兆赫    

甚高频：30-300兆赫    

超高频：300兆赫-3吉赫

P-波段：0.225-0.390吉赫    

L-波段：0.390-1.55吉赫

S-波段：1.550-4.200吉赫      

C-波段：4.200-5.75吉赫

X-波段：5.750-10.90吉赫      

K-波段：10.90-36.0吉赫

Ku波段：10.90-22.00吉赫     

Ka波段：22.00-36.00吉赫

利用微波遥感设备进行探测是海洋遥感的最佳手段。从空间穿过大气窗口观测海洋，唯独微波不受云雨影响，对于微波，大气几乎全部透明。见图2：　　

图2 显示电磁波长在大气传播中衰减关系

因而星载雷达工作应在：

波段范围2cm--30cm

频率范围15GHz-1GHz

采用微波手段对海洋探测依据于雷达信号照射的海面区域的微波散射特性，海表面散射特性的定量测量可采用成像雷达(包括合成孔径雷达、实孔径雷达)或微波散射计，雷达高度计，微波辐射计。

海表面高度定量测量可采用雷达高度计。

海表面温度定量测量可采用红外或微波辐射计。

海色测量可采用成像光谱仪等。

图3显示在平静海面(顶图)状态，微波散射很小，雷达几乎收不到回波信号，因而雷达图像上表现的是一片漆黑。反之，粗糙度大时（底图），微波散射很强，图像上表现比较亮。

图3 海面散射状态(弱，中，强)

合成孔径雷达(SAR)是一种可用于测量海表面散射微弱变化的超灵敏度仪器，甚至有人认为它是‘海洋遥感最有效的传感器’。

海表面散射变化由海洋现象和大气现象造成，包括：油膜影响、长波倾斜调制，水动力调制，海表面变化流场(内波、浅滩上潮夕流、漩涡)等等。

微波对海洋几乎没有穿透能力，SAR图像描述的是海表面二维散射场，因而可以反映海面纹理特征----即表现海波、浪、流、涌和海洋目标在海表面上的微尺度空间分布。

此外星载SAR也是重要的遥感测量全球海面风场的传感器。利用测量微波后向散射系数，反演海面风向和风速，提供大范围、高空间精度的海面风场信息，因而SAR对风场的测量具有很大优势。

海底地形改变了海洋流场分布，会间接地对海面散射产生影响，从而在SAR图像上显示亮暗间隔灰度不同的图像，SAR还能反映浅海海底地形态如图4所示：

图4 海底地形映射在图像上强度分布

尽管SAR对海洋研究是种非常有价值的仪器，但仍然需要同步或准同步地结合其它遥感卫星图像、实地数据和数值模型才能对涉及的主要的海洋环境物理要素进行有效地定性或定量度量。

三、SAR的海洋遥感应用

1.反映发生典型的海洋现象

利用电子所研制的机载X波段SAR在我国南海域进行了海上飞行试验，获得了下图，图5中显示了大气与海洋互作用看到的海洋峰面以及海洋内波现象。　　

图5 海洋峰面及海洋内波现象

2．人造水面物体检测、油膜污染、舰船检测

利用电子所机载L波段SAR在我国黄海域进行了飞行试验，捕获了下列图像。给出了较多信息。

图6中间8-10条波浪为大气海浪，非内波，波长150m；　　

图6 小岛四邻

岛屿东南的黑色纹理为油膜；

岛屿南侧和北侧有沿方位向运动的船只及其尾迹；

岛屿的西侧有人工养殖场的痕迹。　

图7 行进中的船油泄漏

图7利用ERS-2星载雷达图像，发现航行中的船在漏油，并可测量污染范围，船行进中方向和速度。

3.利用顺轨干涉SAR测量河流速和流向

图8是德国宇航院的一次顺轨干涉试验，推算河流速和流向的示意图，载荷平台是航天飞机。　　

图8 流速和流向的推算示意

尽管海洋的随机性、时变性和复杂性使得微波海洋探测具有极大的挑战，但随着星载SAR技术和性能大大提高，SAR已经成为海洋卫星的主要载荷，标志着SAR的海洋应用日渐广泛，空间微波遥感将会在海底地形、浅海水深、浅海大陆架地貌、海浪、内波、表面波、洋流、海洋状态预报以及海运交通、非法捕鱼、非法走私、遇难船只救助等方面发挥越来越大作用。

作者简介

朱敏慧，研究员，博士生导师，曾任中国科学院电子学研究所所长，现为中国科学院电子学研究所学术委员会主任。

来源：中国科学院电子学研究所科普论文集第一期(版权归原作者及刊载媒体所有）

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编辑 / 盛兆阳    审核 / 付航   

指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129)