第四章海面微波散射資料微波粼粼的海面

本文格式為Word版，下載可任意編輯——第四章海面微波散射資料微波粼粼的海面第四章海面微波散射,,海面微波散射,4.1簡介4.2背景4.3粗糙面散射4.4存在的問題和未來趨勢4.5總結(jié),4.1簡介,目前人們對海面微波散射的機(jī)理分外感興趣。這是由于近三十年來，海洋微波遙感進(jìn)展迅猛，大量星載微波傳感器（SAR，測風(fēng)散射計(jì)和高度計(jì)等）采集了海量的多源數(shù)據(jù)。而且未來的衛(wèi)星放射籌劃中將搭載更先進(jìn)的微波傳感器，隨著采集數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用技術(shù)的不斷進(jìn)步，定量遙感信息的提取成為可能。,4.1簡介（續(xù)）,鮮明要從海洋微波傳感器數(shù)據(jù)中提取有用的信息，人們不僅要理解散射的物理機(jī)制，而且還要了解海浪的水動(dòng)力學(xué)調(diào)制和海洋邊界層的布局。尤其是，要想正確利用電磁理論中的邊界條件，務(wù)必找到一種刻畫海面外形的方法，目前一種較便當(dāng)?shù)姆椒ㄊ峭庥^高度譜密度函數(shù)（簡稱海面波譜）。,因此，這一章介紹基于確定海面波譜的電磁波散射計(jì)算方法。,4.2預(yù)備學(xué)識,電磁波散射最簡樸的例子是平面電磁波在兩種媒質(zhì)的平面分界面上的散射。,,自由空間,媒質(zhì),相對介電常數(shù),相對磁導(dǎo)率,對于導(dǎo)電媒質(zhì)如海水，那么為復(fù)數(shù)。,除非是鐵磁材料，通常＝1,媒質(zhì)的電磁屬性,,,,,入射角、反射角和透射角符合斯奈兒snell定理。,入射面：由入射波傳播方向與分界面法向矢量確定的平面。,垂直極化波：取一個(gè)線極化波的E在入射面內(nèi)，成為垂直極化波。,水平極化波：取一個(gè)線極化波的E垂直于入射面，成為水平極化波。,由切向場邊界條件可分別求得垂直極化波和水平極化波的菲涅耳Fresnel反射系數(shù)和折射系數(shù)。,任何極化波都可以用兩個(gè)極化方向相互垂直的線極化波疊加而成,透射波進(jìn)入媒質(zhì)后，只要不是夢想介質(zhì)（電導(dǎo)率為0），即非導(dǎo)電媒質(zhì)，就會(huì)發(fā)生衰減.,趨膚深度,電磁波場強(qiáng)的振幅衰減到外觀值的1/e所經(jīng)過的距離,趨膚深度與電磁波頻率和媒質(zhì)屬性有關(guān),對于海水,趨膚深度＝0.4cm,趨膚深度＝0.1cm,對于完純導(dǎo)體，趨膚深度＝0，無透射波進(jìn)入媒質(zhì)，全體入射波的能量都被反射回去。,對于平面分界面，入射波被反射到鏡像方向，因此，對于單站雷達(dá)系統(tǒng)，即用同一個(gè)天線舉行收、發(fā)，那么除非是垂直方向，否那么接收不到任何反射波。,海面是不平坦的，其粗糙度譜跨越5個(gè)數(shù)量級，涌浪swell波長達(dá)幾百米，風(fēng)生的海浪波長從幾十米到1厘米左右，而短毛細(xì)波的波長只有幾個(gè)毫米。,然而，海面的均方根斜率通常是較小的，因此大多數(shù)入射波仍被反射到鏡像方向，而海面粗糙度的展現(xiàn)，使得小片面的入射波散射到其它全體方向，我們尤其關(guān)注后向散射方向的散射波。,相對平面分界面的微波反射，粗糙海面的微波散射較繁雜。尤其是海面波譜的繁雜性使得電磁邊界條件的應(yīng)用分外困難。以下將議論幾種粗糙面散射的方法。,4.3粗糙面散射,粗糙面散射的精確解是不存在的，現(xiàn)在使用的全體閉式解析解都是在確定近似條件下的近似解。,最經(jīng)典的方法是基爾霍夫近似法（Kirchhoff，簡稱KA）和小擾動(dòng)法（SPM）。,對于海面，對比有效的粗糙面散射計(jì)算解析法是雙尺度法（TSM）和小斜率法（SSA）。,KA即切平面近似，適用于平均曲率半徑遠(yuǎn)大于波長的處境。它能反映鏡像散射的效應(yīng)，但缺乏極化敏感性，即在后向散射時(shí)，HH與VV的散射系數(shù)完全一樣。,SPM適用于均方根高度遠(yuǎn)小于波長，且均方根斜率較小的處境，它具備極化敏感性，（但不能考慮鏡像反射？應(yīng)為：

1階SPM不能考慮鏡像反射，而0階SPM就是平面的鏡像反射，）,3.1經(jīng)典的粗糙面散射法之一－KA,,,,,對于入射波有兩種極化，hi，vi，對于散射波也有兩種極化：hs，vs,,,,,,求解基爾霍夫方法的矢量表達(dá)式的依據(jù)是格林矢量其次定理，該定理表述如下：以封閉面為邊界的無源區(qū)內(nèi)任意一點(diǎn)的散射場，可以用與外觀相切的場來表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下,,,,散射方向上的單位矢量，,,介質(zhì)邊界面的法向單位矢量，,,介質(zhì)的本質(zhì)阻抗，,,介質(zhì)的波數(shù)，,,照射面中心至觀測點(diǎn)之間的距離，,,邊界面上的總電磁場強(qiáng)度。,只要求出邊界面上的電場和磁場，就能求出散射場。,基爾霍夫近似方法的根本假設(shè)是：在外觀的任何一點(diǎn)都產(chǎn)生平面界面的反射。也就是說，將某一局部區(qū)域的外觀看成是一個(gè)平面。因此，當(dāng)粗糙面任意點(diǎn)曲率半徑遠(yuǎn)大于入射波長和粗糙面高度起伏的相關(guān)長度時(shí)，采用基爾霍夫近似方法是有效的。,在作切面近似的條件下，可假設(shè)面上某一點(diǎn)的總場強(qiáng)等于入射場加上與該點(diǎn)相切的無限大平面的反射場。這時(shí)可在每一點(diǎn)處應(yīng)用菲涅耳反射系數(shù)。,這樣就可求得q極化入射，p極化散射的散射場,,,進(jìn)而可求得歸一化的雷達(dá)散射界面NRCS（有的書上稱微分雙向散射系數(shù)）,,NRCS的物理意義：

該方向上產(chǎn)生一致散射功率密度的各向同性等效散射體的總散射功率，與照射面積上總?cè)肷涔β实谋戎怠?KA近似法得到的NRCS為,在面散射中，最使人感興趣的是后向散射。這就是說，其,,,，,,推導(dǎo)出后向散射系數(shù)為：,,,是法向入射時(shí)的菲涅耳反射系數(shù)，這時(shí)h極化與v極化是一樣的。,高度起伏均方根,,外觀相關(guān)函數(shù),3.2經(jīng)典的粗糙面散射方法之二－SPM,它要求外觀標(biāo)準(zhǔn)離差小于電磁波波長的5%左右。,界面可用隨機(jī)函數(shù),,,來描述，它可舉行傅里葉變換，即：,,另散射場也可以用多個(gè)幅度未知的平面波疊加來表示（即傅里葉變換）。,微擾法的解分為0階，1階，2階，…,其中0階解對應(yīng)平面反射（相干反射），1階解即Bragg反射機(jī)制（非相干反射），2階解是對相干反射的最低階矯正，它是能量守恒的重要保證。,在入射介質(zhì)中的雙基地散射系數(shù)是,,,其中,外觀相關(guān)函數(shù),后向散射系數(shù)為（φi=0）,為Bragg波數(shù)，這是外觀波的波數(shù)，及當(dāng)雷達(dá)電磁波的波數(shù)為k，探測角為θ時(shí)，與電磁波發(fā)生共振的海面波的波數(shù)為Bragg波數(shù)。,海譜，波高譜：是外觀相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換,對于k波數(shù)的雷達(dá)電磁波，變更入射角可變更Bragg波數(shù)，即探測到不同尺寸的海面波。,對于一階SPM，只存在同極化散射，無交錯(cuò)極化（去極化）散射。,回到P123,海面的均方根高度鮮明比雷達(dá)探測波的波長大得多，不符合SPM的適用條件，為什么要研究SPM？,若假設(shè)是高斯隨機(jī)過程，那么,,,,對于海面，對于海面，海浪的波高一般能達(dá)成數(shù)英尺，并且在大的波浪上面還籠罩著小的風(fēng)浪和毛細(xì)波，即由大尺度的重力波和小尺度的張力波組成，因而可將它簡化為僅含有兩種尺度粗糙度的外觀，一種比入射波長大，一種比入射波長小，而小尺度粗糙度是按照外觀大尺度粗糙度的斜率分布來傾斜的。這時(shí)，我們就可以用微擾法的近似結(jié)果計(jì)算小尺度粗糙度的散射系數(shù)，然后通過對大尺度的斜率分布求集平均的方法來考慮海面的傾斜效應(yīng)。,3.3粗糙面電磁散射方法之三－雙尺度法TSM,,Wu和Fung(1972)推導(dǎo)出，對于一個(gè)各向同性的海面，散射解是由反射率予以修正的的大尺度起伏KA解的付出，再加上小尺度起伏SPA解對小尺度騎在大尺度起伏上造成的幾何傾斜作平均后的付出。海面的微分散射系數(shù)包括兩片面：,,大波反射系數(shù),小波微分散射系數(shù),,雙尺度法（續(xù)）,,,雙尺度法（續(xù)）,,,雙尺度法（續(xù)）,,,雙尺度法（續(xù)）,,,3.4海面散射特性仿真,,,,,,,取文獻(xiàn)ANoncoherentModelforMicrowaveEmissionsandBackscatteringfromtheSeaSurface（1972）所供給的的實(shí)測值，測量頻率8.91GHz,風(fēng)速為7~8km/h。用雙尺度模型來計(jì)算實(shí)際海洋外觀的后向散射系數(shù)，并與利用KA近似模型所計(jì)算的后向散射系數(shù)及測量值作比較。,,,海面散射特性仿真（續(xù)）,,,,,,,,,,,,h極化下雙尺度和KA的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量值的對比,隨著角度增加，海面后向散射系數(shù)都在減小。雙尺度的仿真的圖形0到30°左右大波散射系數(shù)占主導(dǎo)地位，在30°到70°左右主小波散射系數(shù)占主導(dǎo)地位；

,與實(shí)測值對比，在0°到70°入射角的范圍內(nèi)，雙尺度模型對于海面后向散射的預(yù)料結(jié)果與觀測結(jié)果分外一致?；鶢柣舴蚪频姆抡鎴D形與實(shí)測值對比顯示只有在0°到30°左右，海面后向散射的預(yù)料結(jié)果與觀測結(jié)果較為一致。,大入射角時(shí)，與實(shí)測值差距較大，此時(shí)應(yīng)進(jìn)一步考慮遮蓋效應(yīng)和曲率效應(yīng)。,,海面散射特性仿真（續(xù)）,,,,,,,,,v極化下雙尺度和KA的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量值的對比,,海面散射特性仿真（續(xù)）,書P121的仿真結(jié)果是Elfouhaily（2022a）的方法，該方法是KA和SPM的結(jié)合，同時(shí)又無需雙尺度法中的分開波數(shù)。仿真了一維處境的雙向散射系數(shù)，由于實(shí)際海面是二維的，并未用實(shí)測值作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，而用數(shù)值計(jì)算法的結(jié)果作為精確數(shù)據(jù)。,海面散射特性仿真（續(xù)）,粗糙面的統(tǒng)計(jì)參數(shù)：均方根高度，相關(guān)長度等如何與實(shí)際海面相聯(lián)系，尤其是風(fēng)速、風(fēng)向等海面要素信息相聯(lián)系？,4.3.3海面波譜,在雷達(dá)的足印內(nèi)，在給定的時(shí)刻，精確描述每一點(diǎn)的外觀高度f(x,y)是分外困難的。這不僅是由于海面粗糙度的尺度變化大，而且在足印區(qū)域內(nèi)舉行全面測量需要光學(xué)或攝影系統(tǒng)，而這些系統(tǒng)本身的定標(biāo)也是一個(gè)難題。

大多是海面的日常測量僅限于在給定點(diǎn)設(shè)置浮標(biāo)，測量隨時(shí)間變化的海面波場的高度和方向信息。已有大量研究致力于如何將這些浮標(biāo)數(shù)據(jù)同化到海面波譜模型。

海面波譜模型是海面相關(guān)函數(shù)的Fourier變換，利用譜來描述風(fēng)浪可以將繁雜的風(fēng)浪視為一系列頻率不同的正弦波的疊加，使風(fēng)浪變得易于研究。,目前國內(nèi)外在海譜的研究方面都做了大量的努力，已經(jīng)提出了各種各樣的風(fēng)浪譜模型（如Neumann（1952）譜、Bretschneider（1959）譜、P-M譜、JONSWAP譜、Bjerkaas-Riedel（1979）譜、Durden-Vesecky（1985）譜、Donelan-Pierson（1987）譜、Donelan-Banner-Jahne譜、Elfouhaily（1997）譜、Kudryatsev（1999）譜、文氏譜（1994）、Liu（2022）譜等）。,作為一般性的議論，以Elfouhaily（1997）譜為例，其二維外觀譜為：,是外觀波的波矢量，其波數(shù)為k，波向用φ表示,是波數(shù)譜，與波向無關(guān)，或稱全方向譜。,余弦項(xiàng)與波數(shù)和波向有關(guān)，稱為方向性函數(shù)。,是風(fēng)向,,,,,,,,,隨風(fēng)速增加，波峰左移，且整個(gè)譜密度值增大。理由是：大的風(fēng)速產(chǎn)生了更高，更長的波。,波峰的幅度比bragg波幅度大10－15個(gè)數(shù)量級。,均衡子域的譜與風(fēng)速幾乎無憑借關(guān)系，正比與k-4,因此若雷達(dá)探測波的波數(shù)小于10，探測不了風(fēng)速,1、頻率譜s(k),大k時(shí)(30－700)，譜密度隨風(fēng)速的變化用曲率譜k4S(k)看得更領(lǐng)會(huì)。,在低波數(shù)段，隨風(fēng)速增加，波峰左移。,K=300rad/m時(shí)，風(fēng)速敏感性最強(qiáng)。理由是該波數(shù)的外觀波移動(dòng)速度最慢，來自風(fēng)的能量最先展現(xiàn)在這個(gè)波數(shù)。,所以船長常查看海面小尺度的波紋片估計(jì)風(fēng)速，且散射計(jì)頻率常用15GHz左右。,余弦指數(shù)項(xiàng)2s(k)抉擇方向性，指數(shù)越大方向性越明顯。K=0.25rad/m時(shí)，側(cè)風(fēng)向譜密度函數(shù)值是順風(fēng)向的0.1左右，較大的K時(shí)，側(cè)風(fēng)向譜密度函數(shù)值是沿風(fēng)向的0.25左右。,2、方向性函數(shù),K=10rad/m時(shí)，方向性最不明顯，比10大一些或比10小一些都會(huì)增加方向性。理由：2s(k)的最小值對應(yīng)的k值大約在10.,因余弦指數(shù)項(xiàng)是偶數(shù)，方向性函數(shù)值一般為正數(shù)，因此可畫極坐標(biāo)圖。,較小K時(shí)，指數(shù)較大，提示長波的方向性最強(qiáng)。均衡區(qū)的方向性最弱，而隨著k持續(xù)增大，小尺度波越來越集中在長波方向上分布，因而方向性又顯現(xiàn)出來。,在