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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（SyntheticApertureRadar，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，ENVISATASAR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-2SAR波模式图像被用于分

析全球巨浪（ExtremeWave）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。

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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

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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