广东海洋大学-卫星海洋学期末复习资料

广东海洋大学-卫星海洋学期末复习资料 这只是小生整理的资料，仅作参考~ 第一章 绪论 1.名词解释 ??遥感:在一定距离以外获取目标的信息，通过对信息的研究来确定目标物的属性以及目标物之间的相互关系的过程。 ?海洋遥感技术:利用传感器对海洋进行远距离非接触观测 而获取描述海洋现象的信息技术。主要组成部分是电磁波为载体遥感技术和声波为载体遥感技术。 2.概念掌握 ?遥感技术所使用的电磁波段主要为紫外、可见光、红外和微波等波 ,m,m段。紫外(0.2~0.4)，可见光(0.4~0.7，红橙黄绿青蓝紫)， ,m红外(0.7~1000，近中热远)，微波(0.1~100cm)。 ??遥感的分类(按照遥感方式) 主动式:雷达、散射计、高度计、激光雷达等; 被动式 :照相机、可见光和红外扫描仪、微波辐射计。 ?气象卫星分为太阳同步轨道卫星和地球同步或地球静止轨道卫星。前者在大约800km高空工作，缺点是对某一地区每天只能观测两次(红外和微波传感器)。后者在大约35000km的高空对地球面近五分之一的地区进行气象观测，实时将资料送回地面，但不能观测唯独 ,大于55的地区。 ??卫星海洋遥感的应用: 风暴潮灾害的卫星遥感监测;巨浪灾害的卫星遥感监测;海冰灾害的 卫星遥感监测;海啸灾害的卫星遥感监测;海上溢油的卫星遥感监测;海洋赤潮的卫星遥感监测;海洋变异的卫星遥感监测(海平面上升、全球变暖、EL-NINO)。 ?卫星遥感的特征:能够获取长时间、大范围、近实时和近同步监测资料;全天时、全天候， 如微波能够穿透云层。 分类:气象卫星，海洋卫星和陆地卫星。 ?海洋参数:海表面温度，海表面盐度，海平面异常，海流，海表面风，海浪，海洋内波，悬浮物浓度，叶绿素浓度，色素浓度，水色。 第二章 1.名词解释 ??轨道倾角i:卫星轨道平面与赤道平面的夹角(使用i和Ω两个角可以确定卫星轨道平面的方位) ??星下点:卫星在地球表面的投影; 星下点轨迹:卫星每绕地球完成一圈公转在地球表面上形成的一 个不闭合的轨迹。 ?节点:卫星星下点轨迹与此道的交点。 ??升轨:卫星由南向北方运行 降轨:卫星由北向南运行 ??节点周期(轨道周期):相邻两个升轨点之间的时间间隔 ??一个PASS:最南端和最北端之间的星下点轨迹，对应半个节点周期。 ??一个“CYCLE”(一个重复周期):卫星环绕地球多圈后回到原来位置对应的星下轨迹。 ?精确的循环轨道或回归轨道:卫星环绕地球多圈后能恰好回到原来轨道位置的轨道。 ?准循环轨道或准回归轨道:星环绕地球多圈后不能正好回归到原来的轨道位置，但能近似地回归到原来的轨道位置 。 ?重复周期:卫星从某地上空开始运行，经过若干时间的运行后回到原地上空时所需的时间。 ??再访问时间:地球上某一地点被卫星装载的传感器先后两次观测的时间区间。 ??太阳同步极轨轨道:卫星在每天的同一当地时间穿过赤道的轨道。轨道倾角i ?90，这颗卫星就能经过南极和北极地区，也称为近极轨轨道。 ??地球同步轨道:卫星环绕地球角速度的纬向分量=地球自转角速度，轨道倾角i==0的轨道。 ??高度计卫星轨道:为监测卫星与地球之间的距离、海表面地形等而专门设计卫星轨道，略高于太阳同步轨道。 ??光学分辨率:根据瑞利判据，能够使两个像元恰可分辨的两个物体的最小角距离。 P??微波雷达的分辨率:相邻两个盲点的角距离之差。() 792.概念掌握 211GMGMT33()()R，h,r,,? 22,,4 h:卫星高度，m:卫星质量, R :代表地球半径， 3,2398,600km,sGM = 代表地球引力常数，T = 86164 s(秒)代表地球的一个太阳日运行周期。 ,,1.22,?光学分辨率的最小分辨角:， 0D d,H,,,1.22H,/D空间分辨率: ,—光的波长 D—望远镜物镜的孔径 H—望远镜和地球表面的距离 ,,微波雷达的分辨率: 0,D d,H,/D空间分辨率: D—接收天线的长度 ??三种扫描技术 交叉轨道特点;沿轨或推扫式扫描; 混合垂直轨道扫描 ?无论是光学装置还是微波雷达，它们的角分辨率由λ?D唯一确定;它们的空间分辨率由λ、D和r三个参数确定。 第三章 电磁辐射 1.名词解释 ??微波:微波也是一种无线电波;在无线电波范围内，微波的波 长最“微小”，所以被称为微波。 ??极化:任何电磁波都可以分解成水平极化和垂直极化两个部分。水平极化的电场与参考平面垂直，垂直极化的电场与参考平面平行。 ?立体角:假设电磁波从波源dA自发辐射，到达半径为R的球面的 dSdΩ,,sinθ dθ d,一个波束对应着一个立体角微分元。 2R ??辐射能Q:表示辐射能量的多少，J。 辐射通量Ψ:单位时间里通过一个面积的能量，W。 辐射强度I :点光源在特定方向上单位立体角的辐射通量，W*sr(-1)。 辐亮度L (出射辐射):沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量。 亮度B(入射辐射):沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量， 主要被用来描述“亮温”或“亮度温度”。 光谱辐亮度:代表在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。 辐照度E:表示通过单位面积的辐射通量。 光谱辐照度E(λ):辐照度相对于频率或波长的能量分布。 ?根据能量守恒定律，对于入射的“光谱的”辐照度，我们有: E(,),E(,)，E(,)，E(,) irat 式中i 表示入射，r表示反射，a表示吸收，t表示透射 。 吸收率a(λ) 反射率r(λ) 透射率t(λ) EtEEart(),,a(),,r(),, EEEiii a(,)，r(,)，t(,),1且有 ?发射率e(λ) :也被称为一个物体的灰度，以鉴别它距离黑体的靠 近程度。 ??菲涅耳反射率ρ:反射的辐亮度与入射的辐亮度之比。() P93反射率r:反射的辐照度与入射的辐照度之比。 ??黑体:发射率e等于1的理想辐射体，黑体发射的辐亮度只与温度 有关。e小于1的为灰体。 黑体辐射定律:黑体发射的辐亮度是它的温度和所辐射的电磁波波 长的函数。 ??亮温:如果已知海面发射的辐亮度，那么利用普朗克辐射定律或者瑞利-金斯定律可以计算海表面温度(SST)。 这样获得的温度不是海水的真实温度，它被称为海表面的亮温。 ?基尔霍夫定律:如果介质处于局部热力学平衡条件下，那么它吸收 e(,),a(,)能量的速率和辐射能量的速率相等。 M(,,T),a(,)M(,,T)|另一种等价表达: black ??普朗克辐射定律:黑体发射的辐亮度是它的温度和所辐射的电磁波波长的函数。 22hc1, 公式: L(),5,exp[hc/(kT,)],1b 将f λ = c 、df =–(c,λ2)dλ 以及L(λ)|dλ| = L(f)|df| 32hf1L(f),代入，可获得另一表达形式:() P972cexp[hf/(kT)],1b ?瑞利-金斯定律:利用普朗克定律将辐照度E(f)= π L(f)对频率积分，获得斯忒藩-玻耳兹曼定律 2k5,,4EE(f)dfTT44b,,,, ,15ch23 0 式中ζ = 5.67*10-8 W)m-2)K-4是常数。 一般地，地表物体以地表温度T(大约300K)辐射。如果频率f低于600GHz，那么不等式hf/(kbT)<<1成立。可获得泰勒公式的一阶展 exp[hf/(kT)],1，hf/(kT)开式 bb 把此式代入普朗克定律，可获得瑞利-金斯定律 22L(f),(2fk/c)T b ,,b/T?维恩位移定律: m 这就是维恩位移定律。式中b = 2.8978*10-3 m)K 。根据此定律，表面温度越高的黑体的辐射峰值对应的波长越低。 n,ε?菲涅耳反射率ρ: 复折射率n与相对电容率εr 。 r 2.概念掌握 ?宇宙中的“黑洞”(black hole)不是黑体。黑洞的吸收率等于1，发射率等于0，不满足基尔霍夫定律的条件，它的质量和能量在不断地增加，并不保持平衡。 ??黑体辐射的简单推导: 22hc1,有普朗克辐射定律:-------------------------? L(),5,exp[hc/(kT,)],1b k,—电磁波波长 c—光速 h—普朗克常量 —玻耳兹曼常量 T—黑体温度 b 将f λ = c 、df =–(c,λ2)dλ 以及L(λ)|dλ| = L(f)|df| 代入?式，可获得另一表达形式: 32hf1 L(f),--------------------------? 2cexp[hf/(kT)],1b 利用普朗克定律公式?，将辐照度E(f)= π L(f)对频率积分，获得斯忒藩-玻耳兹曼定律 ,45,2k44b,,,, EE(f)dfTT 23,15ch0 式中ζ = 5.67*10-8 W)m-2)K-4是常数。 一般地，地表物体以地表温度T(大约300K)辐射。如果频率f低于600GHz，那么不等式hf/(kbT)<<1成立。可获得泰勒公式的一阶展开式 exp[hf/(kT)],1，hf/(kT) bb 把 此式代入普朗克定律公式?，可获得瑞利-金斯定律 22L(f),(2fk/c)T b c,f,,?? 391GHz,10MHz,10Hz频率一般采用GHz作单位， ,3,91nm,10,m,10m波长一般采用nm作单位， 第四章 散射和吸收 1.名词解释 ,,,n,n,in??复折射率: n′是电磁波从空气向海水传播时在海水的折射率，n''表示电磁波在介质内部传播的衰减程度。 ??穿透深度:辐照度在海水中传播衰减为初始值的1/e所经过的距 离。 ?衰减系数:衰减系数包括吸收系数和散射系数，它k(,)k(,)k(,)aabsc们分别描述电磁波在传播中由于介质吸收和散射产生的衰减轻重程度。 ??光学深度:衰减系数沿传播路径上的积分。 ?漫衰减系数、光束衰减系数: 使用不同方法测量的衰减系数可分为漫衰减系数和光束衰减系数。 前者是在自然光场下测量获得;后者在人为设置的“准直光束”光 场条件下测量。 ??体积散射函数:单位长度、单位立体角内散射的辐射能与入射的总辐射能之比。 注意:海水的散射主要集中在前向散射，前向散 P射占90%，后向10%() 126 ??大气窗:通过大气的太阳辐射或地球大气辐射将被大气中某些气 体所吸收，这些吸收随波长的变化很大，在某些波段的吸 收很强，而在另一些波段的吸收则很弱，在这些吸收最弱 的波段，太阳辐射和地球大气辐射可以象光通过窗户那样 透过大气，这些波段称做大气窗。大气窗主要出现在强吸 收带或线之间。 2.概念掌握 ? 辐射计探测的辐亮度 L,L(1,t)，t[eL，(1,e)(1,t)L] ASSSA L—辐亮度，—与大气温度相同的黑体辐射，—与海表面温度相LLSA 同的黑体发射的辐亮度，t—大气的透射率，—到达卫t(1,e)(1,t)LSA星辐射计的辐亮度。 ??米氏散射条件:q(粒子的周长与电磁波波长之比)小于1的球 形粒子对电磁波的散射。 瑞利散射条件:q远小于1的球形粒子对电磁波的散射。 第五章 水色遥感与辐射计 1.名词解释 ??辐射计:一种被动遥感传感器;根据波段大小的分类——可见光和近红外辐射计、红外辐射计、热红外辐射计、微波辐射计。 ??水色和海色:水色(water color)或海色(ocean color)是太阳光经水体或海水散射后，可见光和近红外辐射计监测到的散射光的颜 色。 ??水色三要素 :浮游植物的叶绿素、无机的悬浮物和有机的黄色物质。水色三要素的种类和浓度决定了水体的颜色。 ?初级生产力:单位面积(平方米)的海面在单位时间(小时、天、 ,2,1年)内浮游植物中碳元素的增长量(毫克、克)，单位。 mg,m,a意义—初级生产力描述在单位面积海面以下的水柱浮游植物通过光合作用固定碳的净速率。 ??第一类水体:浮游植物及其“伴生”腐殖质对水体的光学特性起主要作用的水体。 第二类水体:无机悬浮物(如浅水区海底沉积物的再次悬浮物和河流带来的泥沙)或黄色物质(又称溶解的有色有机物)对水体的光学特性有不可忽视的明显作用的水体。 ??离水辐亮度:被表层海水散射的太阳辐射，不是海水自发辐射，与海水发射率无关。 ?遥感反射率:太阳光离水辐亮度的标准化形式。 ,,L()L()wwnR(,),R() 的定义:,, rsrs，E(,,0)F(,)0d Lw (λ)是太阳光在海面的离水辐亮度，,d(λ，0+)是太阳光在海 F(,)面的下行辐照度，代表平均日地距离处大气层外垂直入射的太0 阳辐照度。 ?海洋水色的生物光学算法: 分析算法;波段比值模型的分析基础 ;基于蓝绿比值的SeaWiFS经验算法;基于蓝绿比值的MODIS经验算法;基于蓝绿比值的CZCS 经验算法。 ?二类水体的水色反演算法: 代数法和非线性最优化法;主成分分析法和人工神经网络方法;经验算法;叶绿素-a垂向最大值的经验算法 。 2.概念掌握 ??可见光和近红外辐射计(水色遥感):遥感海水的叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度、海水漫衰减系数等。 ?红外辐射计:气象和陆地卫星上，遥感雪、冰、气溶胶、薄卷云等。 ?热红外辐射计:主要应用在气象和海洋卫星上，遥感海面上空水汽含量、大气剖面温度和湿度、海表面温度等。 ?微波辐射计:主要应用在海洋卫星上，遥感海表面温度、海面风速和风向、海面上空水汽含量、可降水量等。 ??水色卫星遥感的大气校正方程 L(,),L(,)，L(,)，T(,,,)L(,)，t(,,,)L(,) iRArw式中Li(λ) 代表卫星探测的辐亮度，脚标i 代表传感器第i 个通道;LR(λ) 代表大气的分子散射的辐亮度，脚标R是Rayleigh的英文首字母，大气分子对所有波段电磁波的散射均属于瑞利散射;LA(λ) 代表气溶胶散射的辐亮度，脚标A是气溶胶的英文首字母;Lr (λ) 代表海面的镜面反射，也称为太阳耀斑，太阳耀斑应该避免;t(λ,～) 是大气的漫透射率，T(λ,～) 是大气的直接透射率，λ是传感器第i 个通道对应的波长;～是卫星天顶角;Lw(λ) 是离水辐亮度。 ?MODIS的大气校正方程 L(,),L(,)，L(,)，L(,)，tL(,)，tL(,)，TL(,)iRARAwWCr 式中Li (λ)是卫星能探测到的波长为的辐亮度，是大气分子瑞L(,)R 利散射的辐亮度，是气溶胶散射的辐亮度，是大气分子和L(,)L(,)ARA 气溶胶粒子多次散射的辐亮度，是离水辐亮度，是海浪破L(,)L(,)wWC碎生成白冠(white caps)引起的辐亮度，Lr (λ) 是海表面的镜面反射，t是大气的漫透射率，T是直接透射率。 ?辐照度与辐亮度的关系: E(,),L(,)cos,d,, ?离水辐亮度Lw(λ,0)与海面下的向上辐亮度的关系是 ,tL(,0),iu L(,0),,w2(n') 式中Lu(λ,0,)代表海面下的向上辐亮度，自变量“,,”表示表示刚好处于水表面以下下角标“,”表示向上辐亮度;n'是海-气界面复折射率的实部，它也称为折射率;在可见光和近红外波段，n′ ? 2,1.33 ;在式子的分母中， 表明光波由海水到大气传播时光束立(n) 体角的变化能够带来辐亮度的变化。 第六章 热红外辐射计 1.名词解释(搵唔到) 2.概念掌握 ?.热红外波段对应于300?K的地球表面自发辐射的辐亮度最大的波段。根据普朗克黑体辐射定律，在热红外波段辐射计接收到的辐射功率代表着地球表面的“冷”或者“热”，因此，地球表面自发辐射最强的波段被称为热红外波段。与地球反射的可见光相比，热红外信号一般较弱;但是，由于其波长比可见光波长要长，具有较大的绕射能力和穿透能力，不易受到雾、烟尘和气溶胶的影响;即使穿过大气层，热红外遥感也能够测到比较清晰的图像。 ??红外辐射计在大气、海洋、陆地环境和资源调查方面的应用日益广泛，主要用于探测云层、海水、陆地的表面温度、叶绿素浓度和植被构成。 ?与红外辐射计有关的辐射计一般分作两类:可见光和近红外辐射计、热红外辐射计。 ,m,m??大气和海洋的红外特性:接近黑体辐射的大气3-4、8-9、 ,m,m,m10-12、11窗口;8窗口对水汽的改变非常敏感。 ?整层大气的传输方程 L(,,z),L(,)t，f(T,,)(1,t) iH0iiPii 卫星接受到的辐射 = 经大气衰减的表面辐射+大气路径辐射 根据普朗克函数重写上式，同时假定海面为黑体， f(T,,),f(T,,)t，f(T,,)(1,t) PiiPsiiPii可以看出，Ti是T平均、Ts和ti 的函数。 利用泰勒级数的第一级，对T的每个通道展开: ,fPf(T),f(T)，(T,T) P4PST,,4ss4,T t,exp(,mVsec,) ii M,1,t ii 把上式带入辐射传输方程，整理得到两通道的方程: T,T,(T,T)M 4ss4 T,T,(T,T)M 5ss5 SST算法的分裂窗形式 T,T,,(T,T)445s ,,(1,t)/(t,t)445 , 是从一组海洋上的温度和湿度无线电探空数据中估算出来。 第七章 微波辐射计 1.概念掌握 ??微波能够穿透较薄的云层，故星载微波辐射计被称为全天候卫星探测器。微波辐射计可以全天候探测海表面温度、盐度、风速、大气垂直温度和湿度剖面、大气中的水汽含量和可降水量。 ?影响微波探测的因素:水汽和氧气的吸收、海表面的粗糙度、电离层、宇宙背景微波辐射等。 ?卫星观测方向与垂线的夹角～被称为卫星的天顶角(zenith angle)或观测角(view angle)，微波辐射计接收到的海面辐亮度的大小受观测角～影响很大。 ??按测量目的区分，微波辐射计可分为探测仪和成像仪: 探测仪主要应用在气象卫星上，波段多选择在氧气和水汽吸收带和附近频率，用于测量大气垂直温度和湿度廓线，要求大尺度低分辨率，通常采用垂直轨道扫描方式; 成像仪主要应用在海洋卫星上，波段(C、X、K波段)频率通常较低，分辨率要求较高，通常采用圆锥形扫描方式。 ?卫星观测方向与垂线的夹角～被称为卫星的天顶角(zenith angle)或观测角(view angle)，微波辐射计接收到的海面辐亮度的大小受观测角～影响很大。 ?风向的180度不确定性:海浪在顺风方向和逆风方向上的能量分布完全不一样。然而，当卫星传感器沿顺风方向或者逆风方向观测海浪时，它并不能有效地分辨波浪究竟是沿顺风方向或者逆风方向传播。在遥感监测中，这种现象被称为风向的180度不确定性，即在逆风方向(方位角θ=0?)和顺风方向(方位角θ=180?)时，海表面亮温 ,T的大小非常接近。因此，风向的180度不确定性也会导致L波h,v 段(f=1.4GHz)微波辐射计对海表面盐度反演的较大误差。 ?平静海面的微波发射率:根据适合两介质界面处的基尔霍夫定律，海面发射率e与菲涅耳反射率ρ关系是 ,,,e(),1,()HH e(,),1,,(,)VV 式中右下角的“H”和“V”分别表示水平极化和垂直极化，～是观测角。 ??使用微波辐射计可以遥感海表面温度、海表面盐度和海上风速等物理海洋参数。 ?目前提出的粗糙海面发射率模型包括两尺度模型和直接发射模型两类。 ??辐射计接收到的海面辐射用辐亮度L表示。根据瑞利-金斯定律，辐亮度在微波波段与温度呈线性关系。在不考虑大气校正时，辐射计 T,eTTT探测到的海面亮温与海表面温度关系为:，e为粗糙海bsbs 面发射率。 ?现场测量和粗糙海面亮温模型的理论计算结果均表明，粗糙海面的亮温不仅是海表面温度和海表面盐度的函数，而且是海面风速和风向的函数。 ? 第八章 散射计 1.名词解释 ?散射计:一种专门监测全球海表面风的主动微波雷达。主要是利用后相散射系数与方位角之间的关系反演全球风场;用卫星携带的散射计可获得全天候、高分辨率的全球海洋近表面风资料。例如:观测极地的浮冰和陆地冰。 ?镜面反射:海表面上许多像镜子似的小平面对电磁波产生的反射，这些小平面的尺度应大于被反射的电磁波的波长;粗糙海面发生的反射，也称为镜点反射。 P231 ??后向散射:在粗糙表面发生散射中，电磁波所有的入射方向上的散射统称为后向散射。 2.概念掌握 ?散射计反演风场原理 欧空局ERS1/2卫星采用前、中、后三个天线依次探测海洋上同一个25km×25km的面积元，即同一个面积元被连续探测三次，三个天线发出的电磁波束在海面的投影与卫星在海面的轨迹分别有45o、90o和135o的夹角。对同一个点元，三个天线探测的入射角也各不相同，入射角的分布范围是18o到58o。依据反演的算法，每个天线的测量给出一个方程，三个天线的测量给出的三个方程组成一个方程组。 ,[dB],10log(,)? 00 ,,,[dB][dB], 如果是100，就是20分贝;如果是0.001，就0000 是-30分贝。 ?对于无风平静海面，入射电磁波将发生镜面反射，反射特性由菲涅尔系数确定。随着风速和海面粗糙度的增加，镜面反射减小，后向散射增加 P??布喇格共振散射 233 k,2k,sin,,,2,,sin,布喇格共振条件是 或 waterradarradarwater 式中k是波数,λ是波长，～是入射角，即雷达波束与海面垂线的夹角。 下图给出了雷达发射的电磁波与海表面毛细重力波之间产生布喇格共振条件的示意图。 2,sin,,2ABsin,,2BC当，等于雷达波长λradar时，从海面water 上后向散射的电磁波有相同的相位(phase)，具有相同相位的电磁波相遇产生布喇格共振。 ? 第九章 高度计 1.名词解释 ?高度计:高度计是通过向海面发射尖脉冲，并接受返回脉冲信号来进行观测，是一种主动遥感传感器。使用高度计(altimeter)可以实现对海表面高度SSH、有效波高SWH、海面地形等动力参数的测量，同时可以获取海流、海浪、潮汐、海表面风等动力参数信息。 高度计观测的重点在于确定相对大地水准面的海面高度。 ?地形几何学:包括大地水准面、参考椭球面、大地准面起伏、海面高度或者海表面地形、海表面高度、海表面异常、海平面、海平面高度、海平面异常等。 ??参考椭球面:仅在重力和离心力作用下质量均匀的地球形状。 ??大地水准面起伏(波动):大地水准面相对于参考椭球面的距离。 ??大气水准面:没有外力和内部运动时海面的形状。 ?? 海面地形:海表面相对于大地水准面的距离;是由海流、潮汐 和中尺度涡等海水运动和大气压变化引起的，幅度的量级为1m。 ?海表面高度、海表面异常: 海表面高度是指海表面相对于参考椭 球面的距离;海表面异常是指海表面相对于平均海表面的偏差。 ??海平面、海平面异常:海平面是指高潮时海表面和低潮时的海 表面之间的中值;海平面异常指海平面相对于平均海平面的高度。 ? 卫星轨道 2.概念掌握 ? 两种卫星高度计:雷达高度计;激光高度计; 前者发射和接收海面返回的微波，后者发射和接收海面返回的激 光。我国神舟飞船留轨舱携带的是激光高度计，国外卫星通常携带的 是雷达高度计。 海表面 大地水准面 参考椭球面 大地水准 海面地形 面起伏 ?海面地形反映了大气和海洋现象导致的海面相对于大地水准面的变化。大地水准面描绘了海洋的稳态部分，海面地形描述的海面的动态变化。海面地形包含了稳态和非稳态两部分。稳态部分如湾流和黑潮的平均流;非稳态部分如潮汐、与大气高度相关的波动、与季节变化有关的海洋冷然变化、行波、流和涡等。 ?高度计测量的距离指卫星与海面之间呃距离，地球等势面指具有一个确定位势的地球等势面。 c,,t R, R—卫星和海表面之间的距离，c是电磁波的传播速2 度，Δt—发射和接收的时间间隔。 海面地形另一种计算方法 h,S,R,h,e,H,h,e,H,h dgigig,, ii hS是卫星到参考椭球面的距离，R是卫星到海表面之间的距离，是g h大地水准面起伏，H =(S-R)是海表面到参考椭球面的距离，?d he(H-)是海表面到大地水准面的距离，是第i个原因产生的误差。gi h海面地形是包含海洋动力学信息的物理量。 d ?海表面高度:海表面高度表示海表面相对于参考椭球面的距离。 SSH,S,R,h，h，e dg,i i ?海表面异常:海表面高度与平均海表面高度的偏差。 dgiSSA,SSH,SSH,(h，h),(h，h)，(e,e)dgi , i ,(h,h)，(e,e),h,hid ,ddid i 式中各物理量的字母之上加一横杠分别代表在若干年内的平均值。 ??高度计的应用 ?大洋环流: 目前，利用卫星高度计资料推算大洋环流最简单的方法是将平均海平面与大地水准面相减，得出动力高度，再利用地转方程，算出大洋环流。 ?海洋潮汐: 卫星高度计测量海平面高度本身需要进行潮汐修正，同时，它能够给出全球大洋的潮高空间分布。 ?中尺度海洋现象: 中尺度海洋现象包括涡旋、上升流和锋面等。中尺度现象活动频繁的区域一般对应较显著的海平面变化。利用卫星高度计观测中尺度涡旋，首先计算一条重复轨迹上的平均海平面高度，再计算每次重复数据相对于这一平均高度的斜率，然后利用地转方程算出垂直于轨迹方向的流速，进而计算其动能。 ?水准面与重力异常:大地测量的基本任务是确定大地水准面与重力异常。 ?有效波高:卫星高度计测量的“有效波高”数据主要应用在两个方面，一是将其同化到海浪数值预报模式中，提供合理的初始场，并改进和检验预报模式;二是用卫星高度计有效波高数据对全球的或区域的海浪场进行特征分析，如海况、灾害性大波要素和海浪场的时空结构等。 ?海面风速:由于海面斜率分布是由海面风速引起的。风速增加，海表面的“均方斜率”随之增加，使得雷达脉冲的侧向散射能量增加，从而导致高度计后向散射截面ζ0下降。利用这个原理可以测量海面 风速的大小。 ?海冰:利用雷达高度计能准确地测量冰面高度和冰的体积，因而能跟踪陆冰层，测量海上冰盖的消长，监测海冰的分布和运动。这对全球海平面和气候变化的研究是至关重要的。 ?水深:根据卫星高度计数据可以绘出相对于基准椭球面的平均海平面等高线图。 ?厄尔尼诺现象:利用星载高度计测量出赤道太平洋海域海面高度的时间序列，可以分析出其大尺度波动传播和变化的特征，对厄尔尼诺现象的出现和发展进行预报。 ?目前，从海面动力高度反演大洋环流、赤道流、大洋潮汐以及从高度计回波反演海面风速、 有效波高的反演算法基本定型，由大地水准面反演海洋重力场的算法也基本定型。全球大地水准面是基础数据，不论是民间或军事上都是重要的，由大地水准面反演得到的海洋重力场也是地球物理基础数据，有助于了解海床地质结构例如含油气构造等。 ?高度计测量的误差 ?轨道:轨道误差包括在轨道半径测量上的误差和在轨迹位置确定上的误差，时钟的误差也产生与轨道误差等价的误差。 ?坐标系误差:坐标系误差是采用多种不同坐标系使用带来的。 ?电离层的折射率对电磁波传播速度影响带来的误差。 ?对流层的折射率对电磁波传播速度影响带来的误差:在对流层内，大气折射率对电磁波传播速度带来的影响也能带来误差。 ?海浪造成的粗糙海面带来的电磁波偏差海浪:造成的粗糙海面也带来误差。 ?雨吸收带来的误差:雨吸收来自海面的电磁波反射，减小了达到卫星的信号水平。 ?激光测距仪的跟踪偏差 ?极潮汐和逆气压等其它因素也产生偏差。 第十章 合成孔径雷达 ?合成孔径雷达:一种主动式微波成像雷达，通过测量海面后向散射信号的幅值及其时间相位，并通过适当的处理后，能产生标准化后向散射截面的图像。 ??合成孔径雷分辨率 δy:由雷达脉冲宽度确定的海面的距离分辨率(单位是m) δx:由多普勒效应产生的方位分辨率(单位是m) r: 从卫星到探测点的距离(单位是m) c: 电磁波的速度即光速(单位是m)s-1) η: 雷达脉冲持续时间(单位是s) Δr = cη:雷达发出的脉冲宽度(单位是m) ～: 雷达波束与垂直方向之间的夹角，即入射角 ψ: 雷达波束与卫星飞行方向之间的夹角，即方位角 δψ:方位角分辨率 Ω:被散射的雷达信号的多普勒频率(单位是Hz) D:天线的孔径 对于雷达，由脉冲持续时间η或者等价地说脉冲宽度确定的距离分辨率是 ,c,y, 2sin, 由多普勒效应产生的方位分辨率是 ,r,x, 2Xsin,D ??多普勒效应: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的现象。 P?方位分辨率:δx:由多普勒效应产生的方位分辨率(单位是m) 292由相对运动所引起的接收频率与发射频率之间的“差频”，通常被称为多普勒频率。使用Ω来表示多普勒频率(单位是Hz)，则有 c，w'2w'2w',,f,f,(f),f,f,f ------------? 00000w'c,w'c,w'c(1,)c 由于电磁波的传播速度c远大于卫星相对海表面被探测点的运动速度w′，在公式(10-14)中w′/c <<1，所以可忽略不计。所以 2'2'2wwwcos,,,f,, -------------------------? 0c,, 式中λ是雷达发射的电磁波波长;ψ是方位角(azimuth angle)，即雷达波束与卫星速度w之间的夹角;卫星相对海面上探测点的运动速度w′= w cosψ，由图10-4显示的示意图容易理解这个关系。这里w是卫星相对于地球的速度，w′是卫星相对于海面上探测点的速度。公式?表示了多普勒频率Ω与方位角ψ 之间的关系。使用方位角的微分δψ来表示多普勒频率的微分δΩ，有 ,2Wsin,,,|,|, -----------------------------? , 如果我们使用δΩ代表多普勒频率的分辨率，使用δψ代表方位角分辨率，那么，方位角分辨率δψ可近似表示为 ,,,,|,,| ----------------------------? w2sin, 根据离散数据的谱估计理论可知，频率分辨率由采样长度决定，频率 ,,分辨率等于采样长度的倒数。因此，多普勒频率的分辨率||可以通 t过采样时间长度近似地表示为 S 1 ,|,|, -------------------------------? ts 通过举例可以对公式(10-18)做出物理解释。例如，如果采样时间 t长度=1秒，即我们只在1秒钟的时间内采集了数据，那么，可分S 辨波动的最大周期是1秒钟;换句话说，可分辨波动的最小频率是,,=1赫兹。因为我们仅仅采集了1秒钟的数据，我们不可能分辨出更长周期的波动，譬如周期为10秒的、频率为1/10赫兹的波动，因为采样时间长度确定了分辨率。 将?代入到?，我们获得 ,,,, 2wtsin,s 使用XD = w 表示在整个采样时间 内卫星移动的距离，则方位ttSS ,,角分辨率变为 ,,, ,2Xsin,D 在推导的最后一步，我们获得了合成孔径雷达的方位分辨率，即 ,r, x,2Xsin,D 式中 XD =w 表示在整个采样时间 tS 卫星移动的距离。比较两个tS 公式(10-21)和(10-26)，我们可以发现 2XDsinψ 和真实孔径 D 在各自公式中的作用相同，这等同于通过合成孔径技术取得了一个比较大的天线孔径。合成孔径技术意味着依据多普勒效应，采用“混频”技术产生多普勒频率，然后运用“低通滤波”技术剔除随之产生的高频成分而只保留多普勒频率成分。不但这些多普勒频率的电磁波携带着地球表面粗糙度的信息，而且这些地球表面信息具有比传统雷达更高的空间分辨率。所以，这种能够利用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SAR。 ?距离分辨率 S是卫星，～是入射角，线段SC代表卫星与探测点之间的距离(range)，线段AB代表沿雷达波束在地面的投影方向上能够分辨的最小距离，我们称之为距离分辨率(range resolution)，并使用δy表示之。 2.概念掌握 ??合成孔径雷达(SAR)可以测量海浪的方向谱、海面风场、内波，还可以监测海冰移动和海面油膜。以下阐述的是合成孔径雷达(SAR)在物理海洋研究方面的具体应用。 ?观测海浪的方向谱:可以用一个二维方向谱描述海浪，某时某地的海浪场的所有统计特征均可以从海浪的方向谱获取。星载合成孔径雷达(SAR)能实现多波段、多极化、多方位、多俯角观测海浪，进而提供大范围、高精度的动态海浪场信息和二维海浪方向谱数据。 ?观测海面风:星载合成孔径雷达则不同，它具有以很高的空间分辨率(数米到数十米)测量海面风场的能力，特别适用于近海、岛屿和冰缘附近海域海面风场以及局地风场的测量。 ?观测内波:海洋中一般存在两种互相对立的非线性内波类型:温跃层抬升驱动的抬升波和温跃层下潜驱动的下潜波。 根据内波原理，海表混合层与海底混合层厚度的比值决定了内波的类型。如果该比值大于1，那么抬升波就可能出现，反之下潜波就可能出现。 在SAR的下潜波图像里，考虑到内波引起的垂直流动，图像的一个亮带代表次表层水辐聚造成的粗糙表层水面，紧接着的一个暗带代表 次表层水辐散造成的光滑表层水面。抬升波的图示意义则相反。 ?多普勒效应 ?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，这种现象叫多普勒效应。 两者相互接近时，观察者接收到的频率升高; 两者相互远离时，观察者接收到的频率降低。 ?波源与观察者的相对运动有三种情况: 第一种是观察者静止于媒质中，波源相对于媒质运动; 第二种是波源静止在媒质中，观察者相对于媒质运动; 第三种情况是波源与观察者都相对于媒质运动。 假设波源以速度vS由S向B做匀速直线运动，在前方一个波长位置B点有一个固定的波接收装置。首先，波源在位置S发出频率为f和波长为λ的一个波;经过T=1/f的时间以后，波源前进到位置S′。这里T是波的周期，并且 vsSSvT',，,s f 当波前以速度v达到B点的时候，波源以速度vS达到了位置S′。此时，B点接收到的声波波长λ′为 vvvv,ss SBSBSS,',',,',,,fff 因此，在B点接收到的波动频率f′是 vv ',,ff,',vvs 由于f ′ >f，故在B点接收到的波动频率比波源发出的频率要高。当波源以速度vS由S点背向B做匀速直线运动时，用同样的方法可以导出 vvv，s",ff,", ，fvvs 这时在B点接收的波动波长λ〞变长，对应频率f〞有所降低。 第二种运动是波源不动，而位于B点的接收装置以速度vS向着波源做匀速直线运动。这相当于波动的传播速度增加，变为v+vS。这样，虽然波源发出的频率保持不变，但是接收装置接收到的波动频率变为 vvvv，，ssf'f,, ,v 因此，接收装置接收到的频率比波源发出的频率要高。当B点的接收装置以速度vS背向波源运动时，同样可知接收到的波动频率f〞为 vv,sff", v 即接收的频率f〞低于波源发出的频率f。 ?由此可见，只要波源与接收装置之间存在着相对运动，接收到的频率就不同于发射的频率。两者之间的距离缩短时，接收频率高于发射 频率，反之，接收频率低于发射频率。这就是多普勒效应(Doppler effect)。 另外，还有课本上的习题: P的1、3、5、6，P的1~14，P的1~15，P的1~10，80113151189 P的2、5，P的1~7，P的1、2、3、4、7，P的3200226252300