海洋表面动力地形卫星测量课件

卫星海洋遥感导论卫星海洋遥感导论An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing第三部分第三部分 海洋参数的遥感反演海洋参数的遥感反演第九章第九章 海洋表面动力地形卫星测量海洋表面动力地形卫星测量武汉大学武汉大学 遥感信息工程学院遥感信息工程学院卫星海洋遥感导论第三部分 海洋参数的遥感反演武汉大学 遥感信1卫星高度计测量：卫星高度计测量：优点体现在与传统的测量方法的比较上优点体现在与传统的测量方法的比较上第九章第九章 海洋表面动力地形卫星测量海洋表面动力地形卫星测量Satellite Oceanic Remote Sensing 1为什么要进行海洋表面动力地形卫星测量？为什么要进行海洋表面动力地形卫星测量？海洋地形海洋地形 海岸地形：海岸地形：海岸、海岸带、海岸线、海滩、海滨、潮间带海岸、海岸带、海岸线、海滩、海滨、潮间带 海底地形：海底地形：大陆边缘、大陆架、大陆坡、大陆裾、大洋盆大陆边缘、大陆架、大陆坡、大陆裾、大洋盆地、海槽海盆、海脊、隆起地、海底山与平顶山、海底高原地、海槽海盆、海脊、隆起地、海底山与平顶山、海底高原 海表地形：海表地形：重要属性，四大动力系统之一（海气界面、海重要属性，四大动力系统之一（海气界面、海表、内波、环流）表、内波、环流）波高、波谱波高、波谱 漩涡、锋面漩涡、锋面 海面地形海面地形 地形异常、表面流地形异常、表面流 大地水准面大地水准面 大地测量大地测量 海底地形海底地形 军事、海底作业军事、海底作业卫星高度计测量：优点体现在与传统的测量方法的比较上第九章 海2讲述安排讲述安排讲述安排讲述安排高度计测高史（高度计测高史（高度计测高史（高度计测高史（1 1 1 1学时）学时）学时）学时）高度计测高原理（高度计测高原理（高度计测高原理（高度计测高原理（1 1 1 1学时）学时）学时）学时）高度计测浪原理（高度计测浪原理（高度计测浪原理（高度计测浪原理（0.50.50.50.5学时）学时）学时）学时）高度计的主要观测对象（高度计的主要观测对象（高度计的主要观测对象（高度计的主要观测对象（0.50.50.50.5学时）学时）学时）学时）有效波高有效波高有效波高有效波高海面地形及海洋表面流海面地形及海洋表面流海面地形及海洋表面流海面地形及海洋表面流大地水准面大地水准面大地水准面大地水准面海底地形海底地形海底地形海底地形第九章第九章 海洋表面动力地形卫星测量海洋表面动力地形卫星测量Satellite Oceanic Remote Sensing 2讲述安排第九章 海洋表面动力地形卫星测量Satellite 3第九章第九章 海洋表面动力地形卫星测量海洋表面动力地形卫星测量Satellite Oceanic Remote Sensing 39.1 9.1 高度计测高回顾高度计测高回顾19641964年在美国年在美国Woods HoleWoods Hole举行的一次举行的一次“空间海空间海洋学洋学”研讨会，当时为高度计确定了研讨会，当时为高度计确定了10cm10cm的测的测距技术指标。距技术指标。19731973年在美国宇航局（年在美国宇航局（NASANASA）发射的天空实验）发射的天空实验室（室（SkylabSkylab）上进行卫星高度计的首次原理性）上进行卫星高度计的首次原理性实验。为后续的卫星高度计的设计积累了宝贵实验。为后续的卫星高度计的设计积累了宝贵的经验。的经验。第九章 海洋表面动力地形卫星测量Satellite Ocea419751975年由美国年由美国NASANASA发射的发射的GEOS-3GEOS-3卫星所载高度计在其三卫星所载高度计在其三年半飞行中获取超过五百万个海面测量数据，其中包括年半飞行中获取超过五百万个海面测量数据，其中包括SchiwiderskiSchiwiderski海洋潮汐模式和海洋潮汐模式和CartwrightCartwright固体潮汐模式固体潮汐模式修正参数。修正参数。19781978年，美国年，美国NASANASA又发射了又发射了Seasat-ASeasat-A，所载高度计的测，所载高度计的测距精度为距精度为10cm10cm，有效波高测量准确度为，有效波高测量准确度为10%10%，海面风速测，海面风速测量准确度为量准确度为2m/s2m/s，并在其最后，并在其最后2525天运行期内首次实现重天运行期内首次实现重复地面轨迹运行模式。复地面轨迹运行模式。9.1 高度计测高回顾高度计测高回顾Satellite Oceanic Remote Sensing 41975年由美国NASA发射的GEOS-3卫星所载高度计在其519851985年，美国海军发射地球重力卫星年，美国海军发射地球重力卫星(Geosat)(Geosat)，卫星高度，卫星高度计开始业务化运行。计开始业务化运行。19911991年欧空局年欧空局(ESA)(ESA)发射了第一颗欧洲遥感卫星发射了第一颗欧洲遥感卫星(ERS-1)(ERS-1)，其上所载高度计测距精度为其上所载高度计测距精度为10cm10cm，重复轨迹偏离、范围缩，重复轨迹偏离、范围缩小到小到1km1km以内。以内。19921992年，美国年，美国NASANASA和法国空间局和法国空间局(CNES)(CNES)联合发射联合发射TOPEX/POSEIDONTOPEX/POSEIDON卫星，装载了卫星，装载了TOPEXTOPEX和和POSEIDONPOSEIDON两颗高度两颗高度计。该卫星被认为是不再需要进行轨道误差修正的首颗卫计。该卫星被认为是不再需要进行轨道误差修正的首颗卫星，其测距精度为星，其测距精度为2cm2cm。9.1 高度计测高回顾高度计测高回顾Satellite Oceanic Remote Sensing 51985年，美国海军发射地球重力卫星(Geosat)，卫星高619951995年年,第二颗欧洲卫星第二颗欧洲卫星(ERS-2)(ERS-2)发射发射,其上所载高度其上所载高度计的设计与计的设计与ERS-1ERS-1基本相同，重复周期为基本相同，重复周期为3535天。天。19981998年，美国海军发射了年，美国海军发射了GeosatGeosat的后续卫星高度计的后续卫星高度计（Geosat-Follow-OnGeosat-Follow-On，GFOGFO）。）。GFOGFO重复周期重复周期1717天，完天，完全沿全沿GeosatGeosat轨道运行。轨道运行。20012001年底年底,NASA,NASA和和CNESCNES发射发射TOPEX/POSEIDONTOPEX/POSEIDON的后续卫的后续卫星星Jason-1,Jason-1,所搭载的高度计所搭载的高度计POSEIDON-2POSEIDON-2是由是由POSEIDON-1POSEIDON-1发展而来，但增加了一个发展而来，但增加了一个C C波段，因此也波段，因此也是双频高度计。是双频高度计。9.1 高度计测高回顾高度计测高回顾Satellite Oceanic Remote Sensing 61995年,第二颗欧洲卫星(ERS-2)发射,其上所载高度计720022002年，年，ESAESA成功发射大型海洋观测卫星成功发射大型海洋观测卫星Envisat-1Envisat-1。它。它是是ERSERS系列的后续卫星，其上也搭载了一台双频高度计系列的后续卫星，其上也搭载了一台双频高度计（Advances Radar AltimeterAdvances Radar Altimeter，简称，简称RA-2RA-2），可工作于），可工作于3.2GHz3.2GHz（S S波段）和波段）和13.6GHz13.6GHz（KuKu波段）。波段）。从二十世纪七十年代至今，卫星高度计已经积累了时从二十世纪七十年代至今，卫星高度计已经积累了时间跨度达三十多年的全球海洋卫星观测数据。间跨度达三十多年的全球海洋卫星观测数据。9.1 高度计测高回顾高度计测高回顾Satellite Oceanic Remote Sensing 72002年，ESA成功发射大型海洋观测卫星Envisat-1819731973年年 天空实验室天空实验室SkylabSkylab9.1 高度计测高回顾高度计测高回顾Satellite Oceanic Remote Sensing 81973年 天空实验室Skylab9.1 高度计测高回顾Sa919751975年年 GEOS-3 GEOS-39.1 高度计测高回顾高度计测高回顾Satellite Oceanic Remote Sensing 91975年 GEOS-39.1 高度计测高回顾Satell1019781978年年 Seasat-A Seasat-A 及及 1985 1985年年 Geosat Geosat9.1 高度计测高回顾高度计测高回顾Satellite Oceanic Remote Sensing 101978年 Seasat-A 及 1985年 Geosat91119911991年年 ERS-1 ERS-1 及及 1995 1995年年 ERS-2 ERS-29.1 高度计测高回顾高度计测高回顾Satellite Oceanic Remote Sensing 111991年 ERS-1 及 1995年 ERS-29.1 高12TOPEX/POSEIDON(1992)TOPEX/POSEIDON(1992)及其后续卫星及其后续卫星Jason-1(2001)Jason-1(2001)9.1 高度计测高回顾高度计测高回顾Satellite Oceanic Remote Sensing 12TOPEX/POSEIDON(1992)及其后续卫星Jaso1319981998年年GeosatGeosat的后续卫星高度计的后续卫星高度计 GFO GFO 及及 20022002年年ERSERS系列的后续卫星系列的后续卫星 Envisat-1 Envisat-19.1 高度计测高回顾高度计测高回顾Satellite Oceanic Remote Sensing 131998年Geosat的后续卫星高度计 GFO 及 9.1 14以卫星为载体，以海面作为遥测靶，由卫星上装载的以卫星为载体，以海面作为遥测靶，由卫星上装载的微波雷达测高仪向海面发射微波信号，该雷达脉冲传微波雷达测高仪向海面发射微波信号，该雷达脉冲传播到达海面后，经过海面反射再返回到雷达测高仪。播到达海面后，经过海面反射再返回到雷达测高仪。返回到卫星后可以得到三种观测量：返回到卫星后可以得到三种观测量：回波时间回波时间 海面高海面高回波信号的波形回波信号的波形 海面倾斜、海流、波高等海面倾斜、海流、波高等回波信号的幅度回波信号的幅度 后向散射系数、风场等后向散射系数、风场等9.2 高度计测高原理高度计测高原理Satellite Oceanic Remote Sensing 14以卫星为载体，以海面作为遥测靶，由卫星上装载的微波雷达测高仪159.2 高度计测高原理高度计测高原理Satellite Oceanic Remote Sensing 159.2.1 9.2.1 高度计测高原理高度计测高原理卫星高度计测量海平面高度的原理卫星高度计测量海平面高度的原理9.2 高度计测高原理Satellite Oceanic R16理想情况下，卫星高度计的测量结果为卫星到瞬时理想情况下，卫星高度计的测量结果为卫星到瞬时海面的距离，即有：海面的距离，即有：卫星高度计测量海平面高度的实际过程受许多因素卫星高度计测量海平面高度的实际过程受许多因素的影响，例如大气、海况和海洋潮汐等的影响，必的影响，例如大气、海况和海洋潮汐等的影响，必须在上式消除这些影响。须在上式消除这些影响。9.2.1 高度计测高原理高度计测高原理Satellite Oceanic Remote Sensing 16理想情况下，卫星高度计的测量结果为卫星到瞬时海面的距离，即有17卫星相对于参考椭球面的高度卫星相对于参考椭球面的高度大气压引起海面的变化大气压引起海面的变化潮汐修正项潮汐修正项基于参考椭球面的瞬时海面高度基于参考椭球面的瞬时海面高度测量噪声测量噪声测距偏差测距偏差大气电离层大气电离层大气干对流层大气干对流层大气湿对流层大气湿对流层海浪引起的电磁偏差海浪引起的电磁偏差9.2.1 高度计测高原理高度计测高原理Satellite Oceanic Remote Sensing 17卫星相对于参考椭球面的高度大气压引起海面的变化潮汐修正项基于189.2.1 高度计测高原理高度计测高原理Satellite Oceanic Remote Sensing 18卫星测高的误差修正卫星测高的误差修正9.2.1 高度计测高原理Satellite Oceanic19如果卫星在椭球面上的高如果卫星在椭球面上的高h horbitorbit通过精密定轨通过精密定轨方法已经知道方法已经知道,则海面高则海面高h hsshssh可表示为：可表示为：大地水准面大地水准面海洋动力高度海洋动力高度9.2.1 高度计测高原理高度计测高原理Satellite Oceanic Remote Sensing 19如果卫星在椭球面上的高horbit通过精密定轨方法已经知道,20假设假设h horbit-corbit-c为卫星高度计轨道高度的模式计算值，为卫星高度计轨道高度的模式计算值，hhorbitorbit 为其计算误差，为其计算误差，h halt-calt-c为为h halt alt 计算值，计算值，hhaltalt为其为其计算误差，即：计算误差，即：由高度计数据计算出的瞬时海平面高度由高度计数据计算出的瞬时海平面高度h hssh-cssh-c为：为：h hssh-c ssh-c=h horbit-corbit-ch halt-calt-c =(=(h horbitorbith horbitorbit)(h haltalth haltalt)=h horbitorbith haltalt h horbitorbit h haltalt =h hsshsshh horbitorbit h haltalt9.2.1 高度计测高原理高度计测高原理Satellite Oceanic Remote Sensing 20假设horbit-c为卫星高度计轨道高度的模式计算值，ho21其中其中hhaltalt 主要由主要由MM和和两部分组成：两部分组成：MM为各种误差源进行模式计算后的剩余误差，可表示为为各种误差源进行模式计算后的剩余误差，可表示为:9.2.1 高度计测高原理高度计测高原理Satellite Oceanic Remote Sensing 21其中halt 主要由M和两部分组成：M为各种误差源22因此，有：因此，有：因卫星高度计的运行轨道是精确重复的，重复周期为因卫星高度计的运行轨道是精确重复的，重复周期为T T，NTNT时间后即可得到对该点测量的时间后即可得到对该点测量的N N个个h hssh-cssh-c，求这，求这N N个值的平均值，个值的平均值，即可得到平均海平面即可得到平均海平面h hmssh-cmssh-c：9.2.1 高度计测高原理高度计测高原理Satellite Oceanic Remote Sensing 22因此，有：因卫星高度计的运行轨道是精确重复的，重复周期为T23将将h hmssh-cmssh-c从每个测量的从每个测量的h hssh-cssh-c中减去，即可得每次测量的海中减去，即可得每次测量的海平面高度距平值平面高度距平值h hssassa ：这里将这里将hssahssa称为海面高度异常，通过海面高度异常可以称为海面高度异常，通过海面高度异常可以观测海洋动力高度的变化量。观测海洋动力高度的变化量。整体误差整体误差9.2.1 高度计测高原理高度计测高原理Satellite Oceanic Remote Sensing 23将hmssh-c从每个测量的hssh-c中减去，即可得每次测24测高数据的误差源主要有三类：测高数据的误差源主要有三类：径向轨道误差径向轨道误差仪器误差仪器误差地球物理环境校正误差地球物理环境校正误差 9.2 高度计测高原理高度计测高原理Satellite Oceanic Remote Sensing 249.2.2 9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法高度计测高误差的原因及消除方法测高数据的误差源主要有三类：径向轨道误差9.2 高度计测高原25轨道误差处理方法有：轨道误差处理方法有：单星交叠平差：单星交叠平差：即主要针对单一卫星，采用最小二乘技术使即主要针对单一卫星，采用最小二乘技术使得卫星轨迹交叠点处的高度计测量值之间的不符值最小；得卫星轨迹交叠点处的高度计测量值之间的不符值最小；双星或多星联合平差：双星或多星联合平差：即在处理两颗以上卫星测高数据时，即在处理两颗以上卫星测高数据时，可用较高精度的卫星轨道作控制，将较低精度的卫星轨道通可用较高精度的卫星轨道作控制，将较低精度的卫星轨道通过多卫星交叠平差法符合到较高精度的卫星轨道上，使低精过多卫星交叠平差法符合到较高精度的卫星轨道上，使低精度的卫星轨道与高精度的卫星轨道具有大致相同的精度；度的卫星轨道与高精度的卫星轨道具有大致相同的精度；共线平差：共线平差：它与交叠平差类似，只不过平差对象是共线轨迹它与交叠平差类似，只不过平差对象是共线轨迹上正常点之间的不符值。上正常点之间的不符值。9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法高度计测高误差的原因及消除方法Satellite Oceanic Remote Sensing 251.1.轨道误差轨道误差轨道误差处理方法有：单星交叠平差：即主要针对单一卫星，采用26对于对于TOPEX/POSEIDONTOPEX/POSEIDON卫星，其修正公式为：卫星，其修正公式为：H H1/31/3为有效波高，为有效波高，U U为海面风速，为海面风速，a a、b b、c c、d d为常系数。为常系数。9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法高度计测高误差的原因及消除方法Satellite Oceanic Remote Sensing 262.2.电磁偏差电磁偏差对于TOPEX/POSEIDON卫星，其修正公式为：H1/27TOPEX/POSEIDONTOPEX/POSEIDON卫星上，卫星上，NASANASA的双频高度计采用了的双频高度计采用了C C和和KuKu两个波两个波段同时进行测量，可对电离层误差进行校正。在有效波高是段同时进行测量，可对电离层误差进行校正。在有效波高是2m2m时，时，1 1次次/s/s的数据采集下，经过双频校正后的电离层误差小于的数据采集下，经过双频校正后的电离层误差小于1cm1cm。经验的修正。经验的修正hiono hiono 的方法为：的方法为：TECTEC表示每平方米电子含量，可通过模式计算得到，表示每平方米电子含量，可通过模式计算得到，f f为为高度计工作频率。高度计工作频率。9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法高度计测高误差的原因及消除方法Satellite Oceanic Remote Sensing 273.3.电离层误差电离层误差TOPEX/POSEIDON卫星上，NASA的双频高度计采用28对流层中的水汽会引起雷达脉冲信号传播的延迟，由此产对流层中的水汽会引起雷达脉冲信号传播的延迟，由此产生的高度计测量误差称为湿对流层误差生的高度计测量误差称为湿对流层误差(h(hWet-tropWet-trop)，对流层，对流层中的干空气也对雷达信号产生延迟作用，称为干对流层误中的干空气也对雷达信号产生延迟作用，称为干对流层误差差(h(hDry_tropDry_trop)。它们的表达式为：。它们的表达式为：9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法高度计测高误差的原因及消除方法Satellite Oceanic Remote Sensing 284.4.干干/湿对流层误差湿对流层误差对流层中的水汽会引起雷达脉冲信号传播的延迟，由此产生的高度计29当大气压增加或减小时，海面会产生相应的上升和下当大气压增加或减小时，海面会产生相应的上升和下降，一般情况下，大气压增加降，一般情况下，大气压增加1mbar1mbar，海面下降，海面下降1cm1cm。气压引起的海面起伏可以表示为大气压气压引起的海面起伏可以表示为大气压p p的函数：的函数：h hinv-barinv-bar=9.948=9.948（p p1013.31013.3）9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法高度计测高误差的原因及消除方法Satellite Oceanic Remote Sensing 295.5.大气压引起的误差大气压引起的误差当大气压增加或减小时，海面会产生相应的上升和下降，一般情况下30ERS-1ERS-1卫星高度计针对以下卫星高度计针对以下1313种分潮：种分潮：M M2 2、S S2 2、N N2 2、K K2 2、O O1 1、P P1 1、Q Q1 1、L L2 2、T T2 2、2N2N2 2、v v2 2和和2 2，采用调和分析模式：，采用调和分析模式：TOPEX/POSEIDONTOPEX/POSEIDON采用美国采用美国TexasTexas大学大学CSR3.0CSR3.0模式，表达式为模式，表达式为:9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法高度计测高误差的原因及消除方法Satellite Oceanic Remote Sensing 306.6.潮汐引起的误差潮汐引起的误差ERS-1卫星高度计针对以下13种分潮：M2、S2、N2、K31雷达高度计海面后向散射回波模型是高度计工雷达高度计海面后向散射回波模型是高度计工作的理论基础。作的理论基础。卫星高度计的测波原理依据海洋表面回波的基卫星高度计的测波原理依据海洋表面回波的基本散射理论。本散射理论。微波脉冲与粗糙海面之间相互作用的机理是准微波脉冲与粗糙海面之间相互作用的机理是准镜面点散射机理和镜面点散射机理和BraggBragg绕射散射机理。绕射散射机理。9.3 高度计测波（或浪）原理高度计测波（或浪）原理Satellite Oceanic Remote Sensing 31雷达高度计海面后向散射回波模型是高度计工作的理论基础。9.332按照按照BrownBrown的观点，可以认为：的观点，可以认为：散射过程的变化只与海面的后向散射和入射角有关；散射过程的变化只与海面的后向散射和入射角有关；与发射脉冲信号的频率相比，多谱勒频移的影响可以忽略；与发射脉冲信号的频率相比，多谱勒频移的影响可以忽略；在高度计信号处理的带宽内，散射过程是独立的，不受极化的影响。在高度计信号处理的带宽内，散射过程是独立的，不受极化的影响。9.3 高度计测波（或浪）原理高度计测波（或浪）原理Satellite Oceanic Remote Sensing 32按照Brown的观点，可以认为：9.3 高度计测波（或浪）原33高度计平均返回波形可用三项的卷积表示：高度计平均返回波形可用三项的卷积表示：对于星载雷达高度计，其平坦海面的冲激响应为：对于星载雷达高度计，其平坦海面的冲激响应为：接受回波的功率接受回波的功率平均海面平均脉冲响应函数平均海面平均脉冲响应函数镜点概率密度函数镜点概率密度函数雷达系统点目标响应函数雷达系统点目标响应函数单位阶跃函数单位阶跃函数改进的改进的BesselBessel函数函数天线偏离天底点指向角天线偏离天底点指向角天线波束宽度参数天线波束宽度参数9.3 高度计测波（或浪）原理高度计测波（或浪）原理Satellite Oceanic Remote Sensing 33高度计平均返回波形可用三项的卷积表示：对于星载雷达高度计，34对于偏离天线轴的角度对于偏离天线轴的角度来说，用假设天线增益近似来说，用假设天线增益近似为高斯分布来定义为高斯分布来定义 ：如果如果 是天线是天线3dB3dB带宽，前面两式可写为：带宽，前面两式可写为：9.3 高度计测波（或浪）原理高度计测波（或浪）原理Satellite Oceanic Remote Sensing 34对于偏离天线轴的角度来说，用假设天线增益近似为高斯分布来定35幅度项幅度项A A包括其它一些常数量，如下式：包括其它一些常数量，如下式：当雷达高度计观测海面镜像点概率密度函数当雷达高度计观测海面镜像点概率密度函数q qs s（t t）和窄脉冲雷）和窄脉冲雷达系统点目标响应函数达系统点目标响应函数p pr r（t t）都可视为高斯分布时，得出海面）都可视为高斯分布时，得出海面回波波形为：回波波形为：9.3 高度计测波（或浪）原理高度计测波（或浪）原理Satellite Oceanic Remote Sensing 35幅度项A包括其它一些常数量，如下式：当雷达高度计观测海面镜36海洋回波的卷积过程如图所示，其中横轴代表时间，纵轴代表功率。海洋回波的卷积过程如图所示，其中横轴代表时间，纵轴代表功率。海洋回波的卷积过程示意图海洋回波的卷积过程示意图 9.3 高度计测波（或浪）原理高度计测波（或浪）原理Satellite Oceanic Remote Sensing 36海洋回波的卷积过程如图所示，其中横轴代表时间，纵轴代表功率。37卫星高度计的脉冲与海面的相互作用及其回波功率示意图卫星高度计的脉冲与海面的相互作用及其回波功率示意图 :平静海面平静海面轻微起伏海面轻微起伏海面起伏海面反射信号的形状起伏海面反射信号的形状9.3 高度计测波（或浪）原理高度计测波（或浪）原理Satellite Oceanic Remote Sensing 37卫星高度计的脉冲与海面的相互作用及其回波功率示意图:平静38根据物理光学原理，反射回波信号的平均强度随时间的变化关系：根据物理光学原理，反射回波信号的平均强度随时间的变化关系：将上式进行归一化得到：将上式进行归一化得到：9.3 高度计测波（或浪）原理高度计测波（或浪）原理Satellite Oceanic Remote Sensing 38根据物理光学原理，反射回波信号的平均强度随时间的变化关系：39将上式的时间原点设为将上式的时间原点设为t t0 0，则，则W W（t t）为）为:由上面由上面 和和tp tp 的表达式可求得的表达式可求得h hk k为：为：常系数常系数海面均方根波高海面均方根波高时间常数时间常数发射脉冲的半功率宽度发射脉冲的半功率宽度9.3 高度计测波（或浪）原理高度计测波（或浪）原理Satellite Oceanic Remote Sensing 39将上式的时间原点设为t0，则W（t）为:由上面 和t40有人根据实验得出了海面均方根波高有人根据实验得出了海面均方根波高h hk k的经验表达式为：的经验表达式为：根据上式可求得有效波高（根据上式可求得有效波高（SWHSWH）。）。对于工作方式为脉宽有限方式的雷达高度计，理想的脉宽对于工作方式为脉宽有限方式的雷达高度计，理想的脉宽有限足迹面积有限足迹面积S SF F为：为：9.3 高度计测波（或浪）原理高度计测波（或浪）原理Satellite Oceanic Remote Sensing 40有人根据实验得出了海面均方根波高hk的经验表达式为：根据上41上式中上式中D DF F为理想的脉宽有限足迹为理想的脉宽有限足迹(PLF)(PLF)直径，如图所示直径，如图所示:9.3 高度计测波（或浪）原理高度计测波（或浪）原理Satellite Oceanic Remote Sensing 41脉冲有限足迹直径和最大照亮区域直径示意图脉冲有限足迹直径和最大照亮区域直径示意图上式中DF为理想的脉宽有限足迹(PLF)直径，如图所示:942对于照亮的最大圆形区域的直径为：对于照亮的最大圆形区域的直径为：当海面为粗糙表面时，粗糙海面受照圆形区域的直径当海面为粗糙表面时，粗糙海面受照圆形区域的直径D DF F为：为：9.3 高度计测波（或浪）原理高度计测波（或浪）原理Satellite Oceanic Remote Sensing 42均方根波高，如果波高越大，回波信均方根波高，如果波高越大，回波信号达到最大值的时间会越长，因此可号达到最大值的时间会越长，因此可以从回波波形中研究有效波高。以从回波波形中研究有效波高。风速与回波的幅值有关，风速越大幅风速与回波的幅值有关，风速越大幅值越小，幅值与海面的后向散射系数值越小，幅值与海面的后向散射系数有关，从而可以确定风速。有关，从而可以确定风速。对于照亮的最大圆形区域的直径为：当海面为粗糙表面时，粗糙海43图为接收机接收到的回波波形：图为接收机接收到的回波波形：高度计接收的回波信号随时间的变化高度计接收的回波信号随时间的变化 9.3 高度计测波（或浪）原理高度计测波（或浪）原理Satellite Oceanic Remote Sensing 43图为接收机接收到的回波波形：高度计接收的回波信号随时间的变44卫星高度计可以测量三个基本观测量：卫星高度计可以测量三个基本观测量：海面高度的信息海面高度的信息海面有效波高的信息海面有效波高的信息海面风速的信息海面风速的信息因此高度计测高数据的应用主要包括：因此高度计测高数据的应用主要包括：测量有效波高测量有效波高海面地形和表面流的研究海面地形和表面流的研究大地水准面和重力异常的研究大地水准面和重力异常的研究9.4 高度计的主要观测对象高度计的主要观测对象Satellite Oceanic Remote Sensing 44卫星高度计可以测量三个基本观测量：9.4 高度计的主要观测对45卫星高度计可以测量有效波高，这对于研究海浪波谱、海况变卫星高度计可以测量有效波高，这对于研究海浪波谱、海况变化、海洋预报模型等有重要意义。化、海洋预报模型等有重要意义。通过检验分析卫星高度计回波信号的前沿可以推知海面波浪的通过检验分析卫星高度计回波信号的前沿可以推知海面波浪的情况。前沿的斜率是海面波高标准偏差的函数，从而通过计算情况。前沿的斜率是海面波高标准偏差的函数，从而通过计算可以得到海面的有效波高（可以得到海面的有效波高（SWHSWH，记为，记为H H1/31/3）。）。9.4 高度计的主要观测对象高度计的主要观测对象Satellite Oceanic Remote Sensing 459.4.1 9.4.1 卫星高度计测量有效波高卫星高度计测量有效波高卫星高度计可以测量有效波高，这对于研究海浪波谱、海况变化、海46有效波高指的是在一次给定的观测中所测得的占波浪总个数有效波高指的是在一次给定的观测中所测得的占波浪总个数三分之一的大波波高的平均值。有效波高是海面波高标准偏三分之一的大波波高的平均值。有效波高是海面波高标准偏差的差的4 4倍，即波高均方根的倍，即波高均方根的4 4倍。倍。有效波高是由卫星高度计上的逻辑电路按公式（下）在星上有效波高是由卫星高度计上的逻辑电路按公式（下）在星上自动实时计算完成。自动实时计算完成。9.4.1 卫星高度计测量有效波高卫星高度计测量有效波高Satellite Oceanic Remote Sensing 46有效波高指的是在一次给定的观测中所测得的占波浪总个数三分之一47对应于不同有效波高的卫星高度计回波信号对应于不同有效波高的卫星高度计回波信号 9.4.1 卫星高度计测量有效波高卫星高度计测量有效波高Satellite Oceanic Remote Sensing 47对应于不同有效波高的卫星高度计回波信号 9.4.1 卫星高度48对于海面上的某一点，其海面地形高度对于海面上的某一点，其海面地形高度 可通过下式计算：可通过下式计算：在考虑大面积海面高度时，通常都是选用球谐函数来表示海在考虑大面积海面高度时，通常都是选用球谐函数来表示海面地形，即：面地形，即：9.4 高度计的主要观测对象高度计的主要观测对象Satellite Oceanic Remote Sensing 489.4.2 9.4.2 高度计测量海面地形及海洋表面流高度计测量海面地形及海洋表面流1.1.高度计对海面地形的观测高度计对海面地形的观测对于海面上的某一点，其海面地形高度 可通过下式计算：49选用球谐函数来表示海面地形的选用球谐函数来表示海面地形的最大优点最大优点是分解不同的频率分是分解不同的频率分量较为容易。目前，海面地形的长波分量较易确定，但短波分量较为容易。目前，海面地形的长波分量较易确定，但短波分量的确定却受到了大地水准面的短波长部分不精确的限制。量的确定却受到了大地水准面的短波长部分不精确的限制。球谐函数的球谐函数的最大缺点最大缺点是，球谐函数的每一个系数反映的都是全是，球谐函数的每一个系数反映的都是全球特性，而海面地形仅在海域部分存在。因此，为了保证海面球特性，而海面地形仅在海域部分存在。因此，为了保证海面地形模型的正确性和稳定性，除了应用测高数据外，还得附加地形模型的正确性和稳定性，除了应用测高数据外，还得附加一定的约束条件。一定的约束条件。9.4.2 高度计测量海面地形及海洋表面流高度计测量海面地形及海洋表面流Satellite Oceanic Remote Sensing 49选用球谐函数来表示海面地形的最大优点是分解不同的频率分量较为50右图是用球谐函数计算得到右图是用球谐函数计算得到的中国近海及邻域完整到的中国近海及邻域完整到2020阶次的海面地形图。阶次的海面地形图。计算海面地形通常有两种方法：计算海面地形通常有两种方法：1.1.整体求解法、整体求解法、2.2.直接求解直接求解法法 9.4.2 高度计测量海面地形及海洋表面流高度计测量海面地形及海洋表面流Satellite Oceanic Remote Sensing 50右图是用球谐函数计算得到的中国近海及邻域完整到20阶次的海面51许多动力学过程都对海面地形有影响。该影响虽然很小许多动力学过程都对海面地形有影响。该影响虽然很小（大约为（大约为1 1米），但是包含了海面的所有动力信息：米），但是包含了海面的所有动力信息：1.1.潮汐对陆地和海洋都产生作用。潮汐对陆地和海洋都产生作用。2.2.海流和海面风使海平面远离大地水准面。海流和海面风使海平面远离大地水准面。3.3.大气压的变化可以引起海面几厘米的变化，两者变大气压的变化可以引起海面几厘米的变化，两者变化的位相相反。化的位相相反。9.4.2 高度计测量海面地形及海洋表面流高度计测量海面地形及海洋表面流Satellite Oceanic Remote Sensing 51许多动力学过程都对海面地形有影响。该影响虽然很小（大约为1米52海面地形异常（海面地形异常（Topography AnomalyTopography Anomaly）h hssassa被定义为海表被定义为海表面与平均海表面的高度差，也称为海表面异常（面与平均海表面的高度差，也称为海表面异常（Sea Sea surface Anomalysurface Anomaly），它可由下式计算：），它可由下式计算：9.4.2 高度计测量海面地形及海洋表面流高度计测量海面地形及海洋表面流Satellite Oceanic Remote Sensing 522.2.高度计测量海面异常高度计测量海面异常海面地形异常（Topography Anomaly）hssa53在大洋中，设在直角坐标系（在大洋中，设在直角坐标系（x,y,zx,y,z）下，）下，x x方向指向东，方向指向东，y y方向指向北，方向指向北，z z方向垂直向上。在水平面（方向垂直向上。在水平面（x,yx,y）上，海）上，海流速度分量（流速度分量（u,vu,v）与压强）与压强p p的关系如下：的关系如下：9.4.2 高度计测量海面地形及海洋表面流高度计测量海面地形及海洋表面流LiuLM Satellite Oceanic Remote Sensing 533.3.高度计测量海洋表面流高度计测量海洋表面流在大洋中，设在直角坐标系（x,y,z）下，x方向指向东，54确定大地水准面与重力异常是大地测量的基本任务。确定大地水准面与重力异常是大地测量的基本任务。卫星高度计最初的成果就是测量地球形状及大地水准面，卫星高度计最初的成果就是测量地球形状及大地水准面，进而计算全球重力场。进而计算全球重力场。ERS-1ERS-1卫星卫星168168天重复周期的运行就是为大地水准面测量天重复周期的运行就是为大地水准面测量而设计。而设计。9.4 高度计的主要观测对象高度计的主要观测对象Satellite Oceanic Remote Sensing 549.4.3 9.4.3 高度计测量大地水准面高度计测量大地水准面确定大地水准面与重力异常是大地测量的基本任务。9.4 高度计55在大地水准面上，尺度不同，提供的地球信息也不同。在大地水准面上，尺度不同，提供的地球信息也不同。在几千公里的范围内，大地水准面的起伏与地球内部引起在几千公里的范围内，大地水准面的起伏与地球内部引起大陆漂移的运动有关。大陆漂移的运动有关。对于大于几百公里的尺度，板块下沉产生的浮力抵消了引对于大于几百公里的尺度，板块下沉产生的浮力抵消了引起海深变化的其它因素的作用。起海深变化的其它因素的作用。在几百公里或更小的尺度内，主要是海底深度差别引起的在几百公里或更小的尺度内，主要是海底深度差别引起的大地水准面起伏。大地水准面起伏。在几十公里的尺度内，海洋山脉和次海洋山脉可以引起大在几十公里的尺度内，海洋山脉和次海洋山脉可以引起大地水准面地水准面1-10m1-10m的起伏。的起伏。9.4.3 高度计测量大地水准面高度计测量大地水准面Satellite Oceanic Remote Sensing 55在大地水准面上，尺度不同，提供的地球信息也不同。9.4.3 56相对于低阶大地水准面的平均海表面相对于低阶大地水准面的平均海表面 9.4.3 高度计测量大地水准面高度计测量大地水准面Satellite Oceanic Remote Sensing 56这张图是由这张图是由GEOSATGEOSAT，ERS-1ERS-1和和TOPEX/PoseidonTOPEX/Poseidon三颗三颗卫星收集的高度计数卫星收集的高度计数据合成计算得到的，据合成计算得到的，轨道误差由交叉极小轨道误差由交叉极小值法消除。值法消除。相对于低阶大地水准面的平均海表面 9.4.3 高度计测量大地579.4 高度计的主要观测对象高度计的主要观测对象Satellite Oceanic Remote Sensing 579.4.4 9.4.4 利用卫星高度计数据反演海底地形利用卫星高度计数据反演海底地形重力重力重力重力大地水准面大地水准面大地水准面大地水准面地球内部密度异常对重力的地球内部密度异常对重力的地球内部密度异常对重力的地球内部密度异常对重力的影响是距离平方的倒数影响是距离平方的倒数影响是距离平方的倒数影响是距离平方的倒数地球内部密度异常对大地水地球内部密度异常对大地水地球内部密度异常对大地水地球内部密度异常对大地水准面的影响是距离的倒数准面的影响是距离的倒数准面的影响是距离的倒数准面的影响是距离的倒数主要反映的是浅部或短波长主要反映的是浅部或短波长主要反映的是浅部或短波长主要反映的是浅部或短波长的密度异常的密度异常的密度异常的密度异常主要反映了深部和长波长的主要反映了深部和长波长的主要反映了深部和长波长的主要反映了深部和长波长的异常质量的分布异常质量的分布异常质量的分布异常质量的分布重力异常可单独或与其他地重力异常可单独或与其他地重力异常可单独或与其他地重力异常可单独或与其他地球物理观测量联合研究地球球物理观测量联合研究地球球物理观测量联合研究地球球物理观测量联合研究地球浅部的岩石层结构、密度分浅部的岩石层结构、密度分浅部的岩石层结构、密度分浅部的岩石层结构、密度分布和力学特性。布和力学特性。布和力学特性。布和力学特性。大地水准面常常被用来研究大地水准面常常被用来研究大地水准面常常被用来研究大地水准面常常被用来研究地球深部的地幔密度异常地球深部的地幔密度异常地球深部的地幔密度异常地球深部的地幔密度异常9.4 高度计的主要观测对象Satellite Oceani58ParkerParker在在19731973年提出了关于重力异常与地形的著名的年提出了关于重力异常与地形的著名的ParkerParker公式：公式：重力异常与海底地形的线性均衡关系为：重力异常与海底地形的线性均衡关系为：G G（k k）=Z Z（k k）B B（k k）+n n McKenzie McKenzie 和和BowinBowin证明导纳函数的最佳估计可由重力异常与证明导纳函数的最佳估计可由重力异常与海底地形的互谱和功率谱获得，即：海底地形的互谱和功率谱获得，即：9.4.4 利用卫星高度计数据反演海底地形利用卫星高度计数据反演海底地形Satellite Oceanic Remote Sensing 58Parker在1973年提出了关于重力异常与地形的著名的Pa59当由卫星测高数据得到海面重力异常值并通过其他地球物当由卫星测高数据得到海面重力异常值并通过其他地球物理、地质手段得知海洋岩石层的导纳理、地质手段得知海洋岩石层的导纳(响应响应)函数后，就可函数后，就可预报出海底地形的估计值：预报出海底地形的估计值：一种是简单的局部补偿的一种是简单的局部补偿的AiryAiry均衡模型。其导纳函数为：均衡模型。其导纳函数为：另一种是分层区域弹性薄板模型，这里不作介绍。另一种是分层区域弹性薄板模型，这里不作介绍。9.4.4 利用卫星高度计数据反演海底地形利用卫星高度计数据反演海底地形Satellite Oceanic Remote Sensing 59当由卫星测高数据得到海面重力异常值并通过其他地球物理、地质手60由于卫星测高所得的重力数据具有全波段特性，因此，在由于卫星测高所得的重力数据具有全波段特性，因此，在海底地形的反演过程中必须将重力数据进行带通滤波，即海底地形的反演过程中必须将重力数据进行带通滤波，即重力重力地形传输函数地形传输函数Q(k)Q(k)为：为：Q Q（k k）=Z Z（k k）-1-1W W（k k）W(K)W(K)为带通滤波器，在谱域内也称之为窗函数。其作用是使为带通滤波器，在谱域内也称之为窗函数。其作用是使重力重力-地形的反解问题稳定，并迫使地形的反解问题稳定，并迫使Q(k)Q(k)由由FourierFourier变换成变换成HankelHankel变换。变换。9.4.4 利用卫星高度计数据反演海底地形利用卫星高度计数据反演海底地形Satellite Oceanic Remote Sensing 60由于卫星测高所得的重力数据具有全波段特性，因此，在海底地形的61