卫星海洋学复习课件

卫星海洋学复星海洋学复习PPT电磁波谱遥感类型遥感类型1 1被动遥感：可见光被动遥感：可见光可见光和近红外波段可见光和近红外波段多波段（多波段（detects colour）扫描方式（扫描方式（generates images)不能透过云层不能透过云层受大气影响严重受大气影响严重Measure water properties which color the seaAlso measure light reflected at the surface数据类型数据类型1 1：水色数据：水色数据全球海表面叶绿素浓度分布（SeaWiFS：28/8-04/09/2004）遥感类型遥感类型2 2被动遥感：自发辐射被动遥感：自发辐射热红外辐射热红外辐射多波段多波段受云影响受云影响需要大气校正需要大气校正反演海表面温度反演海表面温度微波辐射计微波辐射计多频段多频段可穿透云层可穿透云层几乎不受大气影响几乎不受大气影响反演反演SST反演海面粗糙度反演海面粗糙度反演盐度反演盐度Why Use Microwave？Clouds!Two-days of InfraredTwo-days of Microwave遥感类型遥感类型3 3主动遥感主动遥感雷达脉冲雷达脉冲散射计（散射计（course resolution）反演风速和风向反演风速和风向成像雷达成像雷达-SAR（fine resolution)反演海面粗糙度反演海面粗糙度Ocean Surface Wind Speed遥感类型遥感类型3 3主动遥感主动遥感雷达脉冲雷达脉冲散射计（散射计（course resolution）反演风速和风向反演风速和风向成像雷达成像雷达-SAR（fine resolution)反演海面粗糙度反演海面粗糙度 垂直发射垂直发射高度计高度计测量返回时间测量返回时间反演距海面距离反演距海面距离测量回波形状和强度测量回波形状和强度反演波高和风场反演波高和风场Satellite ocean datasets,4:from altimetrySSH Anomaly(from Altimeter)Height 16-26 Sep,2003-mean height over several years第四章 卫星轨道与分辨率（Satellite Orbit&Resolution）太阳同步太阳同步近圆形极轨气象卫星（近圆形极轨气象卫星（meteorological satellite with Sun-meteorological satellite with Sun-synchronous,polar and near-circular orbitsynchronous,polar and near-circular orbit）可以在大约）可以在大约八百公里八百公里的高空巡视全球表面，缺点是对某一地区每天只能的高空巡视全球表面，缺点是对某一地区每天只能观测两次观测两次。地球静止地球静止气象卫星（气象卫星（geostationary meteorological satellitegeostationary meteorological satellite）可以在大约）可以在大约三三万五千公里万五千公里的高空对地球表面近五分之一的地区连续地进行气象观测，实时将的高空对地球表面近五分之一的地区连续地进行气象观测，实时将资料送回地面；用四颗卫星均匀地布置在赤道上空，就能对全球的中，低纬度资料送回地面；用四颗卫星均匀地布置在赤道上空，就能对全球的中，低纬度地区天气系统的形成和发展进行地区天气系统的形成和发展进行连续监测连续监测。缺点是不能观测纬度大于。缺点是不能观测纬度大于5555的地的地区。区。无论是光学装置还是微波雷达，它们的角分辨率由无论是光学装置还是微波雷达，它们的角分辨率由DD唯一确定；它们的空间分唯一确定；它们的空间分辨率由辨率由、D D和和H H三个参数确定。三个参数确定。见光的波长比微波要小的多，它们的比值是见光的波长比微波要小的多，它们的比值是1010-5-5 的量级，所以可见光波段的相机的的量级，所以可见光波段的相机的分辨率一般要远远高于真实孔径雷达。分辨率一般要远远高于真实孔径雷达。请注意，合成孔径雷达的分辨率原理不同于此。请注意，合成孔径雷达的分辨率原理不同于此。角分辨率：角分辨率：空间分辨率：空间分辨率：l角分辨率：角分辨率：=1.22/Dl空间分辨率：空间分辨率：d=1.22H/Dl光学分辨率光学分辨率l微波雷达的分辨率微波雷达的分辨率第五章第五章 电磁辐射电磁辐射(Electromagnetic Radiation)极化状态是根据电场方向与参考平面的关系来定义的；极化状态是根据电场方向与参考平面的关系来定义的；究竟是水平极化还是垂直极化涉及到电场方向与参考平面的关系。究竟是水平极化还是垂直极化涉及到电场方向与参考平面的关系。水平极化和垂直极化水平极化和垂直极化水平极化水平极化horizontal polarization垂直极化垂直极化vertical polarization辐射术语（辐射术语（Radiation Terms）l辐亮度辐亮度（Radiance）沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量射通量l亮度亮度B（brightness)：接收（：接收（incident）-微波波段微波波段l光谱辐亮度光谱辐亮度L()（Spectral Radiance）单位波段内沿辐射方向单位面积和单位单位波段内沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量立体角的辐射通量 From“An Introduction to Ocean Remote Sensing”朗伯表面朗伯表面（Lambert surface）辐亮度辐亮度L L不是不是和和 的函数，这样的表面被称为朗伯表面（的函数，这样的表面被称为朗伯表面（Lamber Lamber surfacesurface）。朗伯定理表达的事实是：朗伯表面在不同方向看是一样亮的。）。朗伯定理表达的事实是：朗伯表面在不同方向看是一样亮的。对应于面积是对应于面积是A A的朗伯表面辐射通量是的朗伯表面辐射通量是考虑到：考虑到：朗伯表面朗伯表面（Lambert surface）朗伯表面的辐亮度朗伯表面的辐亮度朗伯表面的辐照度朗伯表面的辐照度l只有黑体才是完全理想的余弦辐射体。太阳似圆盘而不象球，说明它近似只有黑体才是完全理想的余弦辐射体。太阳似圆盘而不象球，说明它近似于朗伯表面。于朗伯表面。l在在可见光和近红外波段，可见光和近红外波段，具有具有粗糙表面的粗糙表面的自身发射体和被照射的散射体接自身发射体和被照射的散射体接近于余弦辐射体，这是海洋遥感的基本理论依据之一。近于余弦辐射体，这是海洋遥感的基本理论依据之一。基尔霍夫定律（基尔霍夫定律（Kirchoff Law）q基尔霍夫定律（基尔霍夫定律（Kirchoff LawKirchoff Law）在海洋遥感中是极其重要的定律，它是）在海洋遥感中是极其重要的定律，它是海表面物理量遥感机理的基础之一。海表面物理量遥感机理的基础之一。q地球表面温度变化的时间尺度远大于遥感仪器的一次测量需要的时间区地球表面温度变化的时间尺度远大于遥感仪器的一次测量需要的时间区间，因此，在遥感计算中地球表面的局部热力学平衡条件得到普遍满足。间，因此，在遥感计算中地球表面的局部热力学平衡条件得到普遍满足。推广公式推广公式-I：l用菲涅耳反射率用菲涅耳反射率(,)(,)代替反射率代替反射率r()r()，则，则l此公式是仅适用于两此公式是仅适用于两介质界面处介质界面处的基尔霍夫定律表达式，它表达在局部热的基尔霍夫定律表达式，它表达在局部热力学平衡条件下，除掉反射的部分以外，所有吸收的能量都被发射出去了力学平衡条件下，除掉反射的部分以外，所有吸收的能量都被发射出去了l在海表面温度、海表面盐度和海面风的遥感中，人们经常使用这个公式。在海表面温度、海表面盐度和海面风的遥感中，人们经常使用这个公式。推广公式推广公式-II：q大气某些成分对于某些波段的电磁波具有较强吸收能力，形成了大气吸收大气某些成分对于某些波段的电磁波具有较强吸收能力，形成了大气吸收带。带。忽略大气的漫反射率，大气发射率等于大气吸收率，大气发射率忽略大气的漫反射率，大气发射率等于大气吸收率，大气发射率e eA A（,）等）等 于于1 1减去大气透射率减去大气透射率t t（,），即），即p该公式是仅适用于该公式是仅适用于介质内部介质内部的基尔霍夫定律表达式，表现了大气吸收的基尔霍夫定律表达式，表现了大气吸收带的发射率特征，它可应用于大气垂直剖面温度和湿度的遥感。带的发射率特征，它可应用于大气垂直剖面温度和湿度的遥感。q与基尔霍夫定律相结合，此公式能够解释许多海洋大气的遥感理论问题与基尔霍夫定律相结合，此公式能够解释许多海洋大气的遥感理论问题普朗克辐射定律普朗克辐射定律瑞利瑞利-金斯定律金斯定律斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律维恩位移定律维恩位移定律极点极点积积分分“低频低频”如果已知海面发射的辐亮度，那么直接如果已知海面发射的辐亮度，那么直接代入普朗克辐射定律经过计算可以获得一代入普朗克辐射定律经过计算可以获得一个黑体等效辐射温度。这样获得的温度不个黑体等效辐射温度。这样获得的温度不是真实的海表面温度，它被称为是真实的海表面温度，它被称为海表面亮海表面亮温（温（brightness temperaturebrightness temperature）T TB B，或称，或称为黑体温度（为黑体温度（blackbody blackbody temperaturetemperature）T TB B。亮温亮温（Brightness Temperature）欲获得真实的海表面温度，除了从卫星遥感获得的辐亮度要经过大气校正欲获得真实的海表面温度，除了从卫星遥感获得的辐亮度要经过大气校正以外，还要在计算中考虑到海水的灰度，即海面发射率以外，还要在计算中考虑到海水的灰度，即海面发射率;微波辐射计探测的亮温与海表面温度微波辐射计探测的亮温与海表面温度SSTSST的关系的关系微波波段微波波段，普朗克定律变为，普朗克定律变为瑞利瑞利-金斯定律金斯定律根据根据海面发射率的定义海面发射率的定义亮温亮温（Brightness Temperature）l微波辐射计探测的亮温与海表面温度微波辐射计探测的亮温与海表面温度SSTSST的关系的关系T T（,T,TSSTSST）代表海表面之上的传感器能够探测到的亮温，）代表海表面之上的传感器能够探测到的亮温，它可能是波长、海表面的热力学温度和立体角的函数；它可能是波长、海表面的热力学温度和立体角的函数；T TSSTSST是海表面一个薄层海水的温度，它代表海表面的物理温度或是海表面一个薄层海水的温度，它代表海表面的物理温度或热力学温度，当然它与常规水桶采水法在一定深度取水测得的海热力学温度，当然它与常规水桶采水法在一定深度取水测得的海表面温度略有差别。表面温度略有差别。亮温亮温（Brightness Temperature）l什么是海面亮温（什么是海面亮温（Sea Surface Brightness TemperatureSea Surface Brightness Temperature）TB TB？l在不考虑大气效应的情况下，微波辐射计探测到的在不考虑大气效应的情况下，微波辐射计探测到的“海面亮温海面亮温”与海面与海面真实温度之间有什么关系？真实温度之间有什么关系？l普朗克定律和瑞利金斯定律分别适用于热红外、可见光、微波波段三个普朗克定律和瑞利金斯定律分别适用于热红外、可见光、微波波段三个波段中哪些波段的辐亮度计算？波段中哪些波段的辐亮度计算？l哪个波段的辐射计适于探测海表面温度，为什么？哪个波段的辐射计适于探测海表面温度，为什么？Klein and Swift(1977)1-2 GHz1-2 GHz的频率范围内不同的盐度导致不同的的频率范围内不同的盐度导致不同的海面发射率海面发射率e e，海表面盐度海表面盐度的微波遥的微波遥感正是利用了这个特性。感正是利用了这个特性。在在1-2 GHz1-2 GHz的频率范围内，的频率范围内，复相对电容率随盐度不同而有复相对电容率随盐度不同而有明显差异；不同的相对电容率明显差异；不同的相对电容率导致不同的菲涅耳反射率导致不同的菲涅耳反射率。第六章第六章 散射和吸收散射和吸收-PART1-PART1（Scatter and Absorption）6.1 6.1 描述衰减的术语（描述衰减的术语（描述衰减的术语（描述衰减的术语（Terms Describing AttenuationTerms Describing Attenuation）6.2 6.2 辐射传输方程辐射传输方程辐射传输方程辐射传输方程（Radiative Transfer EquationRadiative Transfer Equation）6.3 6.3 大气层和大气窗（大气层和大气窗（大气层和大气窗（大气层和大气窗（Aerosphere&Atmospheric WindowsAerosphere&Atmospheric Windows）6.4 6.4 辐射传输方程辐射传输方程辐射传输方程辐射传输方程（Radiative Transfer EquationRadiative Transfer Equation）复折射率的虚部的物理意义？复折射率的虚部的物理意义？复折射率的虚部的物理意义？复折射率的虚部的物理意义？l l上式表明了电场强度的衰减系数上式表明了电场强度的衰减系数上式表明了电场强度的衰减系数上式表明了电场强度的衰减系数 k ke e（）与复折射率的虚部与复折射率的虚部与复折射率的虚部与复折射率的虚部n n二者二者二者二者之间的关系之间的关系之间的关系之间的关系l l这个公式这个公式这个公式这个公式直接地揭示了直接地揭示了直接地揭示了直接地揭示了n n的物理意义的物理意义的物理意义的物理意义：复折射率的虚部复折射率的虚部复折射率的虚部复折射率的虚部n n是描述电是描述电是描述电是描述电磁波在传播过程中能量衰减快慢程度的物理量。磁波在传播过程中能量衰减快慢程度的物理量。磁波在传播过程中能量衰减快慢程度的物理量。磁波在传播过程中能量衰减快慢程度的物理量。l lk k k ke e e e是电场强度的衰减系数是电场强度的衰减系数是电场强度的衰减系数是电场强度的衰减系数，代表电场强度，代表电场强度，代表电场强度，代表电场强度ExExExEx（,z,z,z,z）的衰减项）的衰减项）的衰减项）的衰减项1.2 1.2 皮层深度（皮层深度（皮层深度（皮层深度（skin depthskin depth）如果在如果在如果在如果在z=dz=d处的电场强度处的电场强度处的电场强度处的电场强度E Ex x（,d,d）衰减为初始值衰减为初始值衰减为初始值衰减为初始值ExEx（,0,0）的）的）的）的1/e1/e，那，那，那，那么我们定义从么我们定义从么我们定义从么我们定义从z=0 z=0 到到到到 z=dz=d的距离为皮层深度（的距离为皮层深度（的距离为皮层深度（的距离为皮层深度（skin depthskin depth）电场强度（电场强度（电场强度（电场强度（electric field intensityelectric field intensityelectric field intensityelectric field intensity）的表达公式）的表达公式）的表达公式）的表达公式 辐亮度与电场强度的平方成比例。电场强度衰减为初始值的辐亮度与电场强度的平方成比例。电场强度衰减为初始值的辐亮度与电场强度的平方成比例。电场强度衰减为初始值的辐亮度与电场强度的平方成比例。电场强度衰减为初始值的1/e1/e1/e1/e，这意味，这意味，这意味，这意味着辐亮度衰减为初始值的着辐亮度衰减为初始值的着辐亮度衰减为初始值的着辐亮度衰减为初始值的(1/e)(1/e)(1/e)(1/e)2 2 2 20.1350.1350.1350.135。这里。这里。这里。这里e e e e是自然数，是自然数，是自然数，是自然数，e2.71828e2.71828e2.71828e2.71828皮层深度有多大？皮层深度有多大？皮层深度有多大？皮层深度有多大？在如此短的距离内，电场强度衰减为初始值的在如此短的距离内，电场强度衰减为初始值的在如此短的距离内，电场强度衰减为初始值的在如此短的距离内，电场强度衰减为初始值的1/e1/e1/e1/e，辐亮度就已衰减到初，辐亮度就已衰减到初，辐亮度就已衰减到初，辐亮度就已衰减到初始值的始值的始值的始值的 (1/e)(1/e)(1/e)(1/e)2 2 2 2 0.135 0.135 0.135 0.135。只有接近海面非常薄的水层的水分子发射的电磁波能够溢出水面！只有接近海面非常薄的水层的水分子发射的电磁波能够溢出水面！只有接近海面非常薄的水层的水分子发射的电磁波能够溢出水面！只有接近海面非常薄的水层的水分子发射的电磁波能够溢出水面！对于频率为对于频率为10GHZ，波长为，波长为3cm的微波的微波，20oC，35psu的海水的海水d d=1.96 mm=1.96 mm左图左图表示无论夜间还是白天，当表示无论夜间还是白天，当强风强风（U U1010 6 m/s6 m/s）时）时充分混合充分混合的上表层温度剖面；的上表层温度剖面；右图右图表示在白天强日照和表示在白天强日照和弱风弱风条件下条件下层化层化的上表层温度剖面。的上表层温度剖面。T11m：波长为：波长为11 m的热红外光辐射计的热红外光辐射计T10GHz：频率为：频率为10 GHz的微波辐射计的微波辐射计Tb、：浮标测量的温度：浮标测量的温度Ts ：海表面温度：海表面温度T ：|Ts-Tb|三条黑色线段分别代表对以上三个测量温三条黑色线段分别代表对以上三个测量温度有贡献的海水厚度层；度有贡献的海水厚度层；T11m和和T10GHz的两条黑色线段的下端分别对的两条黑色线段的下端分别对应着两个不同波段的应着两个不同波段的皮层深度皮层深度。皮层深度有多深？卫星遥感观测的皮层深度有多深？卫星遥感观测的SSTSST代表什么？代表什么？风速风速5m/s5m/s时，时，skinskin和和sub-skinsub-skin的典型温差为的典型温差为0.170.17o oC C吸收和散射都引起衰减吸收和散射都引起衰减吸收和散射都引起衰减吸收和散射都引起衰减;衰减系数衰减系数衰减系数衰减系数（attenuation coefficientattenuation coefficient）k ka a()()=吸收系数吸收系数吸收系数吸收系数（absorption coefficientabsorption coefficient）k kabab()()+散射系数散射系数散射系数散射系数（scattering coefficientscattering coefficient）k kscsc（)衰减系数沿传播路径上的积分衰减系数沿传播路径上的积分衰减系数沿传播路径上的积分衰减系数沿传播路径上的积分2.2 2.2 光学厚度光学厚度光学厚度光学厚度称为从位置称为从位置称为从位置称为从位置z z0 0 到到到到 z z的的的的光学厚度光学厚度光学厚度光学厚度(optical thickness)(optical thickness)。式中衰减系数式中衰减系数式中衰减系数式中衰减系数k ka a、吸收系、吸收系、吸收系、吸收系数数数数k kabab和散射系数和散射系数和散射系数和散射系数k kscsc的单位是的单位是的单位是的单位是mm-1-1，光学厚度，光学厚度，光学厚度，光学厚度 a a 没有量纲，没有量纲，没有量纲，没有量纲，z z0 0 和和和和 z z 是介质中电是介质中电是介质中电是介质中电磁波传播路径的边界。磁波传播路径的边界。磁波传播路径的边界。磁波传播路径的边界。朗伯朗伯朗伯朗伯-比尔透射定律的积分形式和透射率？比尔透射定律的积分形式和透射率？比尔透射定律的积分形式和透射率？比尔透射定律的积分形式和透射率？衰减系数衰减系数衰减系数衰减系数积积分分透射率透射率t（）等于在位置等于在位置z和位置和位置z0的辐的辐亮度之比，将该定义代入到以上公式，亮度之比，将该定义代入到以上公式，可知可知该式是该式是该式是该式是朗伯朗伯朗伯朗伯-比尔透射定律（比尔透射定律（比尔透射定律（比尔透射定律（Lamber-Beer Transmittance LawLamber-Beer Transmittance LawLamber-Beer Transmittance LawLamber-Beer Transmittance Law）的积分形式）的积分形式）的积分形式）的积分形式。6.1 米氏散射和瑞利散射米氏散射和瑞利散射（Mie Scatter&Rayleigh Scatter）无量纲的粒子尺度无量纲的粒子尺度q q11，米氏散射和瑞利散射的微观，米氏散射和瑞利散射的微观理论都不适用。理论都不适用。米氏散射（米氏散射（Mie ScatterMie Scatter）理论适用于描述）理论适用于描述q q（即粒子（即粒子的周长与电磁波波长之比）的周长与电磁波波长之比）小于小于1 1的球形粒子对电磁波的球形粒子对电磁波的散射现象。的散射现象。瑞利散射理论适用于描述瑞利散射理论适用于描述q q远小于远小于1 1的球形粒子对电磁的球形粒子对电磁波的散射现象。波的散射现象。瑞利散射的适用范围瑞利散射的适用范围:q0.05(满足q1条件)频率为频率为3 GHz 的微波波长约为的微波波长约为10 cm，无量纲的粒子尺寸，无量纲的粒子尺寸q0.05要要求对应的粒子半径求对应的粒子半径r0.8 mm，只有小雨点满足该条件；比小雨点，只有小雨点满足该条件；比小雨点还小的气溶胶粒子和空气分子对微波的散射属于瑞利散射，但由还小的气溶胶粒子和空气分子对微波的散射属于瑞利散射，但由于它们引起的衰减太小，可以忽略不计于它们引起的衰减太小，可以忽略不计 热红外波段，若热红外波段，若=10 m=10 m，无量纲的粒子尺寸，无量纲的粒子尺寸q q0.050.05要求粒子半要求粒子半径径r r0.08 m10GHZ,H-pol 风速、风向lBut for many parameters,the effect is across a broad spectral rangelSo retrieval algorithms tend to extract all parameters together.经验模型(大量卫星遥感和浮标同步测量数据)第十章第十章 散射计（散射计（Scatterometer）10.1 卫星和散射计（卫星和散射计（Satellite&Scatterometer）10.2 标准化雷达后向散射截面标准化雷达后向散射截面 （Normalized Radar Backscatter Cross Section）10.3 电磁波在粗糙海面的散射电磁波在粗糙海面的散射 （Scatter of EM Waves at a Rough Sea Surface）10.4 经验模型（经验模型（Empirical Model）雷达雷达：利用电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收：利用电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息；方位、高度等信息；主要有三类主要有三类l散射计散射计侧视扫描侧视扫描测量来自毛细重力波的布拉格散射测量来自毛细重力波的布拉格散射主要参数：回波能量主要参数：回波能量l高度计高度计垂直探测垂直探测主要参数：返回时间主要参数：返回时间l合成孔径雷达合成孔径雷达侧视扫描侧视扫描主要参数：回波能量主要参数：回波能量10.1 卫星和散射计卫星和散射计（Satellite&Scatterometer）NASA/JPLl29 April 1999lSun-Synchronous,Polar-orbiting satellite at 803kmlKu-band(13.4Ghz)lSwath width of 1800kmlHorizontal resolution of 25 and 12.5kmQuikSCAT Scatterometer标准化雷达后向散射截面标准化雷达后向散射截面NRCS（Normalized Radar-backscatter Cross Section，通俗地也被称为散射系数（，通俗地也被称为散射系数（scattering coefficient）用来度量后向散射能量的强弱，是一个虚拟的面积；用来度量后向散射能量的强弱，是一个虚拟的面积；研究表明，这个系数与海面粗糙度（研究表明，这个系数与海面粗糙度（sea surface roughness）有关，海）有关，海面粗糙度由海面风（面粗糙度由海面风（sea surface wind）决定，所以对）决定，所以对0 的观测可以间的观测可以间接地计算获得海面风。接地计算获得海面风。由于由于0变化范围较大，通常使用变化范围较大，通常使用dB分贝来表示：分贝来表示：0dB=10lg 0 如果如果0 是是100，就是，就是20分贝，如果分贝，如果0 是是0.001就是就是-30分贝分贝散射计接收的散射计接收的NRCSNRCS主要包括两部分：主要包括两部分：一部分电磁波在海面上由镜面反射机制产生一部分电磁波在海面上由镜面反射机制产生另一部分有电磁波与海表面波浪之间的布拉格共振散射另一部分有电磁波与海表面波浪之间的布拉格共振散射机制产生机制产生10.3.3 布喇格散射布喇格散射（Bragg Scattering）Scattering by gravity-capillary waves,“not”ocean wavesGravity-capillary wavesRespond to strength of local windAlign perpendicular to wind direction从海面上后向散射的电磁波有相同的相从海面上后向散射的电磁波有相同的相位（位（phase），具有相同相位的电磁波相），具有相同相位的电磁波相遇产生布喇格共振。遇产生布喇格共振。风速的观测（风速的观测（Observation of Wind Speed）高高度度计计测测量量的的后后向向散散射射截截面面0 0和和海海面面风风速速之之间间存存在在着着一一种种非非线线性性反反比关系比关系。风风速速增增加加，海海面面粗粗糙糙度度随随之之增增加加，使使得得雷雷达达脉脉冲冲的的侧侧向向散散射射能能量量增增加，从而导致加，从而导致0 0下降。下降。散射计测风原理：散射计测风原理：侧视扫描侧视扫描，镜面反射镜面反射+布拉格共振散射布拉格共振散射台风过境前后的水面状态和水体特征都会发生很大变化，如果想查看台风过境前后的风场、海表面温度和叶绿素浓度分布变化，可以使用的卫星/传感器资料有哪些？第十一章第十一章 高度计（高度计（Altimeter）Altimeters emit pulses straight down and receive the returned signal垂直发射脉冲并回收垂直发射脉冲并回收The returned pulse is used to estimatelSea surface height(SSH)from the round trip(RT)travel time往返时间反演往返时间反演SSHlSignificant wave height H1/3 from the shape of the returned pulse回波脉冲的形状反演有效波高回波脉冲的形状反演有效波高lWind speed from the amplitude of the returned pulse回波脉冲的振幅反演风速回波脉冲的振幅反演风速Altimeter data have also been used to improve estimates of:lSea floor topography from large changes in the geoid海底地形海底地形lTides潮汐潮汐11.1.1 高度计（高度计（Altimeter）In orbitApprovedPlanned/Pending Approval979899000102030405060708091011122-f MR&66-deg,10-day,315-km98-deg,35-day,80-km failure of on-board recordingERS-2ENVISATJASON 131415 Sentinel 3 3-sat seriesJason 108-deg,17-day,160-km Jason-3 AltiKa on SARALTOPEX-PoseidonAltimeter MissionsGEOSAT Follow-onOSTM(Jason-2)HY-2 seriesSWOT Timely data access?pastTOPEX/POSEIDONl美国宇航局（美国宇航局（NASA）与法国国家空间研究）与法国国家空间研究中心（中心（CNES）联合发射了高度计专用卫星）联合发射了高度计专用卫星l高度计专用轨道高度计专用轨道 南北纬南北纬66o轨道高度轨道高度1336km，周期，周期112分钟分钟热带区域，轨道交角约热带区域，轨道交角约90o重复周期重复周期9.916天天赤道处的最大轨道间距是赤道处的最大轨道间距是320km 1.Sea Surface Height:大地水准面大地水准面(geoid)与平均海表面最接近的地球等势面（与平均海表面最接近的地球等势面（geop），它反映了地球内部质量和密），它反映了地球内部质量和密度分布的不均匀特性。如果在海洋中没有潮汐、海流和涡旋等运动，在大度分布的不均匀特性。如果在海洋中没有潮汐、海流和涡旋等运动，在大气中没有气压的变化，那么，气中没有气压的变化，那么，大地水准面应和平均海表面一致。大地水准面应和平均海表面一致。The sea surface height that would exist without any motion.This surface is not“flat”because of gravity variations around the planet due to mass and density differences associated with the seafloor.大大地地水水准准面面起起伏伏（geoid undulation）指指大大地地水水准准面面（geoid）相相对对于于参参考考椭椭球球面面（reference ellipsoid）的的位位移移。我我们们用用hg表表示示大大地地水水准准面面高高度度。由由于于地地球球质质量量分分布布不不匀匀，hg的的变变化化范范围围在在106m和和83m之之间间，从从现现有有测测量量获得的获得的hg的均方根等于的均方根等于30.6m。Sea Surface Height:大地水准面起伏大地水准面起伏海海面面地地形形定定义义为为海海表表面面相相对对于于大地水准面的位移。大地水准面的位移。To derive the dynamic topography,D,the easiest way would be to subtract the geoid HEIGHT from SSHIn practice,the geoid is not yet known accurately enough for many applications and mean sea level is commonly subtracted instead.This yields the variable part of the ocean signal(but removes the mean ocean circulation)11.2.1 海面地形海面地形海面地形（海面地形（topography）是由于海流、潮汐和中尺度涡等海水运）是由于海流、潮汐和中尺度涡等海水运动引起的，其幅度的量级为动引起的，其幅度的量级为1m，它包含有海流、潮汐和中尺度，它包含有海流、潮汐和中尺度涡等海洋动力学的信息。涡等海洋动力学的信息。请注意，海面地形（请注意，海面地形（topography）不是海底深度）不是海底深度(bathymetry)。因为海面地形（因为海面地形（sea surface topography）是海洋动力过程引起的，）是海洋动力过程引起的，所以在许多文献中也称之为海表面动力高度（所以在许多文献中也称之为海表面动力高度（sea surface dynamic height）或动力地形）或动力地形(dynamic topography)。海面地形（海面地形（sea surface topography）Ocean waves influence the signal received by the altimeter.The time during which the returned signal achieves its maximum indicates the significant wave height(SWH).11.3 有效波高（有效波高（Significant Wave Height）海表面的有效波高代表在一个时间海表面的有效波高代表在一个时间区间内观测到的最高的三分之一大区间内观测到的最高的三分之一大波的平均波高波的平均波高 是由波峰处反射的雷达脉冲和波谷处反射的雷达脉冲到达卫星接是由波峰处反射的雷达脉冲和波谷处反射的雷达脉冲到达卫星接收器的时间区间。我们称这个时间区间为雷达的有效脉冲持续时间收器的时间区间。我们称这个时间区间为雷达的有效脉冲持续时间（effective pulse duration）。有效脉冲持续时间与海表面的有效波）。有效脉冲持续时间与海表面的有效波高是一一对应关系。所以，通过对有效脉冲持续时间的测量，就可高是一一对应关系。所以，通过对有效脉冲持续时间的测量，就可以计算出海表面的有效波高。以计算出海表面的有效波高。第十二章第十二章 合成孔径雷达合成孔径雷达（Synthetic-Aperture Radar）12.1 12.1 合成孔径雷达简介合成孔径雷达简介合成孔径雷达简介合成孔径雷达简介（Introduction to Synthetic Aperture RadarIntroduction to Synthetic Aperture Radar）12.1.1 12.1.1 加拿大的雷达卫星和星载合成孔径雷达加拿大的雷达卫星和星载合成孔径雷达加拿大的雷达卫星和星载合成孔径雷达加拿大的雷达卫星和星载合成孔径雷达 12.1.2 12.1.2 合成孔径雷达的分辨率合成孔径雷达的分辨率合成孔径雷达的分辨率合成孔径雷达的分辨率12.2 12.2 合成孔径雷达的原理合成孔径雷达的原理合成孔径雷达的原理合成孔径雷达的原理（Principle of Synthetic-Aperture RadarPrinciple of Synthetic-Aperture Radar）12.3 12.3 合成孔径雷达的应用合成孔径雷达的应用合成孔径雷达的应用合成孔径雷达的应用（Application of SARApplication of SAR）12.2.1 12.2.1 多普勒效应多普勒效应多普勒效应多普勒效应（Doppler EffectDoppler Effect）当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率和波源发出的频率会产生差别，当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率和波源发出的频率会产生差别，当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率和波源发出的频率会产生差别，当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率和波源发出的频率会产生差别，这种现象叫这种现象叫这种现象叫这种现象叫多普勒效应多普勒效应多普勒效应多普勒效应。l l两者相互接近时，观察者接收到的频率升高；两者相互接近时，观察者接收到的频率升高；两者相互接近时，观察者接收到的频率升高；两者相互接近时，观察者接收到的频率升高；l l两者相互远离时，观察者接收到的频率降低。两者相互远离时，观察者接收到的频率降低。两者相互远离时，观察者接收到的频率降低。两者相互远离时，观察者接收到的频率降低。Doppler frequency shift fD due to sensor movementAs target gets closer 0.5s103pulsesn n2 2 2 2X X X XD D D Dsinsinsinsin 和和和和真真真真实实实实孔孔孔孔径径径径 D D D D 在在在在各各各各自自自自公公公公式式式式中中中中的的的的作作作作用用用用相相相相同同同同，这这这这等等等等同同同同于于于于通通通通过过过过合合合合成成成成孔孔孔孔径径径径技技技技术术术术取取取取得得得得了了了了一一一一个个个个比比比比较较较较大大大大的的的的天天天天线线线线孔孔孔孔径径径径。合合合合成成成成孔孔孔孔径径径径技技技技术术术术意意意意味味味味着着着着依依依依据据据据多多多多普普普普勒勒勒勒效效效效应应应应，采采采采用用用用“混混混混频频频频”技技技技术术术术产产产产生生生生多多多多普普普普勒勒勒勒频频频频率率率率，然然然然后后后后运运运运用用用用“低低低低通通通通滤滤滤滤波波波波”技技技技术术术术剔剔剔剔除除除除随随随随之之之之产产产产生生生生的的的的高高高高频频频频成成成成分分分分而而而而只只只只保保保保留留留留多多多多普普普普勒勒勒勒频频频频率率率率成成成成分分分分。不不不不但但但但这这这这些些些些多多多多普普普普勒勒勒勒频频频频率率率率的的的的电电电电磁磁磁磁波波波波携携携携带带带带着着着着地地地地球球球球表表表表面面面面粗粗粗粗糙糙糙糙度度度度的的的的信信信信息息息息，而而而而且且且且这这这这些些些些地地地地球球球球表表表表面面面面信信信信息息息息具具具具有有有有比比比比传传传传统统统统雷雷雷雷达达达达更更更更高高高高的的的的空空空空间间间间分分分分辨辨辨辨率率率率。所所所所以以以以，这这这这种种种种能能能能够够够够利利利利用用用用多多多多普勒效应携带高分辨率地球表面信息的雷达被称为合成孔径雷达普勒效应携带高分辨率地球表面信息的雷达被称为合成孔径雷达普勒效应携带高分辨率地球表面信息的雷达被称为合成孔径雷达普勒效应携带高分辨率地球表面信息的雷达被称为合成孔径雷达SARSARSARSAR。Azimuth ResolutionAzimuth Resolution距离分辨率距离分辨率yy与线段与线段EBEB有关有关 线段线段EBEB和卫星接收到的脉冲持续时间和卫星接收到的脉冲持续时间（pulse durationpulse duration）的关系是的关系是距离分辨率距离分辨率yy可以表示为可以表示为 距离分辨率（距离分辨率（range resolutionrange resolution）yy 与脉冲宽度（与脉冲宽度（pulse pulse widthwidth）r=cr=c成正比。成正比。脉冲持续时间越短，脉冲宽度脉冲持续时间越短，脉冲宽度rr 越窄，距离分辨率越窄，距离分辨率yy 越细。越细。窄的脉冲宽度窄的脉冲宽度rr 是通过使用脉冲压缩技术实现的。是通过使用脉冲压缩技术实现的。谢谢观赏谢谢观赏