第七章海洋表面動力地形的衛(wèi)星測量-海洋遙感

2023/2/4海洋遙感TheOceanicRemoteSensing2023/2/4第七章海洋表面動力地形的衛(wèi)星測量

概述衛(wèi)星高度計的測高原理高度計在海洋動力地形測量中的應用2023/2/47.1概述1.衛(wèi)星高度計的特點

衛(wèi)星高度計是一種主動式微波測量儀，具有獨特的全天候、長時間歷程、觀測面積大、觀測精度高、信息量大的能力和特點。由于高度計是非成像傳感器，星上存儲器可以滿足全球觀測的要求，因而可以獲得全球尺度及準實時的觀測數(shù)據(jù)，這對于海洋及海洋氣象預報具有重要意義。2023/2/47.1概述2.衛(wèi)星高度計的發(fā)展歷史

衛(wèi)星測高技術的提出始于1964年在美國WoodsHole舉行的“空間海洋學”研討會，確定的測距技術指標為10cm。首次原理性實驗于1973年NASA發(fā)射的Skylab上進行，其運行為后續(xù)的GEOS-3（1975）和Seasat-A（1978）高度計的設計積累了寶貴經(jīng)驗。

Seasat-A首次實現(xiàn)了重復地面軌跡運行模式。2023/2/47.1概述2.衛(wèi)星高度計的發(fā)展歷史衛(wèi)星研制單位發(fā)射精度cm頻率HzGEOS-3NASA1975.4.925-5013.9GSeasat-ANASA1978.6.2820-3013.5GGeosat美，海軍1985.3.1510-2013.5GERS-1ESA1991.7.171013.8GTopex/PoseidonNASA/CNES1992.8.1065.3/13.6GERS-2ESA1995.4.212.513.8GGFO美，海軍1998.2.102.513.5GJason-1NASA/CNES2001.94.25.3/13.6GEnvisatESA2002.32.53.2/13.6G開始業(yè)務運行2023/2/47.1概述3.衛(wèi)星高度計的發(fā)展趨勢測距精度的提高、數(shù)據(jù)處理方法的改進、觀測數(shù)據(jù)的逐步積累；衛(wèi)星測高技術的創(chuàng)新。

未來的高度計計劃在近期的目標是提高空間和時間分辨率，爭取能夠在幾天內以幾十公里的分辨率覆蓋同一地區(qū)。另外也會發(fā)射一些目標明確的、耗費較小的小衛(wèi)星。2023/2/44.衛(wèi)星高度計的研究與應用2023/2/47.2衛(wèi)星高度計的測高原理

衛(wèi)星測高原理：以衛(wèi)星為載體，以海面作為遙測靶，由衛(wèi)星上裝載的雷達高度計向海面發(fā)射微波信號，該雷達脈沖到達海面后，經(jīng)過海面發(fā)射再返回到雷達測高儀。其原理與應用都是基于三個基本觀測量：時間延遲：高度計發(fā)射脈沖到接收海面回波信號的時間間隔；海面回波波形的前沿斜率；海面回波波形強度。2023/2/47.2衛(wèi)星高度計的測高原理1.與海平面高度有關的曲面2023/2/47.2衛(wèi)星高度計的測高原理a.參考橢球面b.大地水準面

把描述地球的理想化的數(shù)學曲面定義為參考橢球面，是對地球表面的一級近似。

地球上重力位勢相等的各點構成等勢面，與平均海平面最為接近的等勢面稱為大地水準面。1.與海平面高度有關的曲面2023/2/47.2衛(wèi)星高度計的測高原理c.瞬時海面d.平均海平面

即某一時刻的實際海面。

衛(wèi)星高度計測得的瞬時海面經(jīng)海洋潮高、固體潮高和有效波高修正之后，得到所謂平均海平面。1.與海平面高度有關的曲面2023/2/47.2衛(wèi)星高度計的測高原理e.海面動力高度f.大地水準面起伏

將平均海平面相對于大地水準面的偏離，稱為海面動力高度，即海洋學中的海面重力位勢差，其范圍一般在±1.5m以內。

大地水準面相對于參考橢球面的偏離，稱為大地水準面起伏，其范圍一般在±100m以內。1.與海平面高度有關的曲面2023/2/47.2衛(wèi)星高度計的測高原理g.海平面起伏

瞬時海平面相對于大地水準面的偏離，稱為海平面起伏。其范圍一般在±10m以內。

海平面起伏和大地水準面起伏比它們各自的絕對高度更具有重要意義。因為在這些起伏中，包含了地球內部結構和海洋動力過程的各種信息。1.與海平面高度有關的曲面2023/2/47.2衛(wèi)星高度計的測高原理2.衛(wèi)星高度計的測高原理為測量噪聲；為大氣壓引起的海面誤差；通過衛(wèi)星的精密定軌方法得出2023/2/47.2衛(wèi)星高度計的測高原理※.衛(wèi)星相對于海面高度的計算t：雷達脈沖往返于衛(wèi)星和海面之間的時間；c：電磁波傳播速度即衛(wèi)星高度計的測量結果

厘米量級的測距精度要求是高度計的技術難度。對于5cm的測高精度，相應的時間測量要準確到0.2ns左右，要求計時鐘具有年誤差不超過1s的精度。同時對發(fā)射和接收技術也提出了較高要求。2.衛(wèi)星高度計的測高原理2023/2/43.衛(wèi)星高度計測高的誤差與消除單位厘米2023/2/47.2衛(wèi)星高度計的測高原理a.軌道誤差

由上頁圖，測高數(shù)據(jù)的誤差主要分三類：軌道誤差、儀器誤差和地球物理環(huán)境校正誤差。

誤差主要來源于衛(wèi)星速度和高度的變化，衛(wèi)星高度處的重力場及衛(wèi)星跟蹤精度。軌道誤差的消除方法主要有：單星交疊平差、雙星或多星聯(lián)合平差、共線平差。3.衛(wèi)星高度計測高的誤差與消除2023/2/47.2衛(wèi)星高度計的測高原理b.電磁偏差

由于海面波浪分布并非高斯型，波谷反射脈沖的能力強于波峰，因此高度計測得的海面高度偏離平均海平面，趨向于波谷，這種偏差可通過利用帶有風速參量的經(jīng)驗關系式進行修正。3.衛(wèi)星高度計測高的誤差與消除c.干/濕對流層誤差

干濕空氣都會引起雷達信號的延遲?？衫闷渑c海表大氣壓和緯度之間的關系來修正。2023/2/47.2衛(wèi)星高度計的測高原理

電離層中自由電子對脈沖的阻礙作用，使得電磁波傳播速度發(fā)生變化，產(chǎn)生了電離層誤差。通過精確測量電磁波路徑上的總電子數(shù)來消除電離層誤差。自由電子量隨時間、太陽活動、海域位置、衛(wèi)星高度的不同而不同。d.電離層誤差3.衛(wèi)星高度計測高的誤差與消除2023/2/47.2衛(wèi)星高度計的測高原理e.大氣壓引起的誤差

一般，大氣壓增加1mbar，海面下降1cm。3.衛(wèi)星高度計測高的誤差與消除f.潮汐引起的誤差

主要包括固體地球潮汐、極性潮、彈性海洋潮汐，其中彈性海洋潮汐為主要影響。2023/2/47.3高度計在海洋動力地形測量中的應用（1）基本原理當海面的有效波高不同時，接收機的接收功率及回波的前沿斜率也不同。當有效波高較小時，接收機的工作時段上有效接收時間較短，回波波形開始低平，繼而急驟上升，波形的前沿斜率較大。近似地，回波信號的前沿上升斜率與海面有效波高成反比，由此，可建立兩者之間的關系，并以查找表的形式固定，實現(xiàn)有效波高的星上計算。1.測量有效波高2023/2/47.3高度計在海洋動力地形測量中的應用（1）基本原理

1.測量有效波高2023/2/47.3高度計在海洋動力地形測量中的應用（2）推導過程

1.測量有效波高Barrick在總結前人關于雷達海面回波模型的基礎上，基于10個前提條件下，推導出海面回波功率的關系式：可簡化為：在此基礎上，可得出：h為均方根波高2023/2/47.3高度計在海洋動力地形測量中的應用（3）有效波高的主要應用

1.測量有效波高將其同化到海浪數(shù)值預報模式中，提供合理的初始場，并改進和檢驗預報模式；進行全球或區(qū)域的波浪場特征分析，如波侯、極端波要素和浪場時空結構等。2023/2/47.3高度計在海洋動力地形測量中的應用（1）海面某點處地形高度的計算（見圖）2.觀測海面地形（2）大面積海面地形的表示球諧函數(shù)2023/2/47.3高度計在海洋動力地形測量中的應用（3）海面地形異常的觀測

2.觀測海面地形

海面地形異常被定義為海表面與平均海表面的高度差，有時也稱為海平面高度距平。為多年平均的海面地形高度中國海平均海平面高度距平的地理分布(1992.10-2004.1)※距平值是相對于1993.1-1999.12共7年的海平面平均值的差值。2023/2/47.3高度計在海洋動力地形測量中的應用3.觀測大洋環(huán)流-利用海面動力高度

利用衛(wèi)星高度計資料推算大洋環(huán)流最簡單的方法是將平均海平面與大地水準面相減，得出動力高度，再利用地轉平衡關系，算出大洋環(huán)流。由于現(xiàn)有大地水準面模型的誤差與大洋環(huán)流引起的動力高度處于同一量級，因而這種方法只能用于大尺度海洋動力現(xiàn)象觀測。另一種方法被稱為同步分離法，其主要思路是將大地水準面與海面動力高度同時從高度計資料分離出來，數(shù)學依據(jù)是改進的加權約束最小二乘法。2023/2/47.3高度計在海洋動力地形測量中的應用4.測量大地水準面與重力異常

大地測量的基本任務是確定大地水準面與重力異常（大地水準面與參考橢球面上對應點的重力大小之差）。（1）大地水準面的測量

模型的空間分辨率達到100km，精度小于0.5m。具代表性的四個全球大地水準面模型是：美國的GEM系列、PGS系列、OSU系列和JGM系列。2023/2/47.3高度計在海洋動力地形測量中的應用4.測量大地水準面與重力異常（2）重力異常

由衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)反演海洋重力異常的方法主要有：最小二乘法、Stokes公式