我國(guó)首次微波散射計(jì)機(jī)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
摘要：微波散射計(jì)是目前能有效獲得全球海面風(fēng)場(chǎng)的唯一遙感手段，我國(guó)也開展了這方面的研究工作，1999年， 我國(guó)自行研制的微波散射計(jì)原型樣機(jī)做了首次機(jī)載飛行試驗(yàn)。文中介紹了此次試驗(yàn)的基本情況，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行 了分析并和常規(guī)觀測(cè)資料進(jìn)行了比對(duì)。通過分析和比對(duì)，我們得出結(jié)論，這臺(tái)儀器測(cè)量海面風(fēng)向性能是十分出色 的，我們提取海面風(fēng)的算法也是高性能的。但是，由于儀器測(cè)量的歸一化后向散射系數(shù)未作絕對(duì)定標(biāo)，因此，尚 不能獲得海面風(fēng)速。
1 引言 1978年，美國(guó)NASA發(fā)射了SeaSat—A衛(wèi)星[ ，上面攜 帶了世界上第一臺(tái)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的星載微波散射計(jì)SASS，雖 然SASS僅僅運(yùn)行了3個(gè)月的時(shí)間，卻得到了大量寶貴的 資料，首次獲得了全球海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。 此后，ESA 發(fā)射了SCAT (ERS一1／2衛(wèi)星)[2]、ASCAT (MET0P系列極軌氣象衛(wèi)星)[3 ；JAXA發(fā)射了NSCAT (ADEOS—I衛(wèi)星). 和Seawinds (ADEOS—II衛(wèi)星)[ ； NASA發(fā)射了Seawinds(QUIKSCAT衛(wèi)星)[6]，目前，仍有 NASA的Seawinds和ESA 的ASCAT 尚在軌運(yùn)行。 經(jīng)過近30 a的運(yùn)行，微波散射計(jì)已被證實(shí)是一種有效 的海面風(fēng)場(chǎng)遙感手段，它為海洋學(xué)、大氣科學(xué)、氣象學(xué)、氣 候?qū)W、海一氣相互作用等諸多學(xué)科起到了推進(jìn)作用，熱像儀| 頻閃儀| 測(cè)高儀| 測(cè)距儀| 金屬探測(cè)器| 試驗(yàn)機(jī)| 扭力計(jì)| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計(jì)| 平衡儀| 為海上 生產(chǎn)生活、軍事活動(dòng)、交通航運(yùn)、減災(zāi)防災(zāi)起到了關(guān)鍵的作 用。 我國(guó)在此領(lǐng)域雖然開展研究工作較晚，9O年代初正式 開始了星載微波散射計(jì)的研制工作，在2002年12月發(fā)射 的神舟四號(hào)飛船上攜帶了我國(guó)第一臺(tái)空基試驗(yàn)性的微波散 射計(jì)一多模態(tài)微波遙感器散射模。多模態(tài)微波遙感器包括 三個(gè)模態(tài)，分別是散射模、輻射模和高度模，分別對(duì)應(yīng)微波 散射計(jì)、微波輻射計(jì)和微波高度計(jì)。國(guó)外的散射計(jì)在正式上 天之前，其原型樣機(jī)均要開展機(jī)載試驗(yàn)，以檢驗(yàn)散射計(jì)的性 能，我國(guó)也不例外，這就有了我國(guó)首次的微波散射計(jì)機(jī)載飛 行試驗(yàn)的開展。
2 試驗(yàn)過程 1999年11月，在南海開展了我國(guó)首次微波散射計(jì)測(cè)量 海面風(fēng)場(chǎng)的機(jī)載飛行試驗(yàn)。散射計(jì)被安裝在M一171直升機(jī) 上，飛行高度約2 000 m，直升機(jī)以逆時(shí)針方向作半徑約 6 km的圓周飛行，散射計(jì)波束與航向成直角，指向航線外 側(cè)，飛行軌跡由機(jī)上攜帶的GPS給出。 與此同時(shí)，在直升機(jī)圓周飛行軌跡的中心點(diǎn)位置，停泊 一條測(cè)量船，同步測(cè)量水文和氣象要素，尤其是風(fēng)速和風(fēng) 向，將為散射計(jì)機(jī)載飛行試驗(yàn)提供比對(duì)數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)從11月17日到11月23日，其中，17日上午、18 日下午、19日上午和下午及23日上午，共飛行了5個(gè)架次。 其中，17日為試驗(yàn)飛行，17日和18日的2個(gè)架次沒有海面 真值，只有國(guó)家海洋局南海分局海洋預(yù)報(bào)臺(tái)的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，因 此，數(shù)據(jù)分析的重點(diǎn)是19日的2個(gè)架次和23日的1個(gè)架 次的數(shù)據(jù)。
3 數(shù)據(jù)分析
3．1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況 散射計(jì)原型樣機(jī)能測(cè)量的參數(shù)是歸一化后向散射系數(shù) ( 。)，在直升機(jī)作圓周飛行時(shí)，散射計(jì)就能獲得 。的時(shí)間 (7’)序列數(shù)據(jù)，即d�！�7’數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)期間，直升機(jī)共進(jìn)行了5個(gè)架次的飛行，我們對(duì)這 5個(gè)架次的數(shù)據(jù)均進(jìn)行了處理和分析，下面以11月19日下 午飛行第一圈的數(shù)據(jù)為例，介紹我們的數(shù)據(jù)處理方法。而在 與常規(guī)觀測(cè)資料比對(duì)這一部分，則將11月19日和11月23 日共3個(gè)架次有海面實(shí)測(cè)比對(duì)資料的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。
3．2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理 每一次飛行，我們均可以得到一條高頻成分很多的oo ～ T 曲線，首先必須進(jìn)行低通濾波，去除高頻部分，得到光 滑的O"0～7 曲線。 O 一， 一4 2 一6 — 8 — 1O — l2 t13169 225 281 337 393 449 505 561 617 673 729 78E 84t 897 ． ． 。 ． ． 曼 ． ． 圖1 1999年11月19日下午飛行 ～了 曲線濾波前后對(duì)比 得到r光滑的 ～ ’曲線并不是我們的目的，我們需 要建立的是和相對(duì)方位角(波束方位角和風(fēng)向之間的夾角) 之問的關(guān)系，因此，還需要根據(jù)圓周飛行軌跡將 ～7 曲線 轉(zhuǎn)換成為 ～p(相對(duì)方位角)曲線。 飛行軌跡不可能完全是正圓，且直升機(jī)的航速也不是 勻速的，因此不能簡(jiǎn)單地用 ～了’曲線來代替 ～ 曲線。 0 -2 _4 ^ 號(hào) 、， -6 -8 - 10 (‘) 3 3 6 ) 9 ) 1 ：0 l -0 l ；O 2 0 2 0 2 ‘0 3 l0 3 l0 十v¨t化 ● ● ● ● l ●．_ ●● ● — ● j I 1 ． } ● a ● ● - ≈ 唧撮化 } } 圖2 】999年11月1 9日下午第1圈飛行 ．．～p曲線 參考文獻(xiàn)： 我們首先按照GPS提供的軌跡，找到近似的圓心和大約的 飛行半徑，據(jù)此就可以得到軌跡上每一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的方位角， 這樣就能得到 ～ 曲線了。 根據(jù)散射計(jì)測(cè)風(fēng)的地球物理模型 ，逆風(fēng)時(shí)(即散射計(jì) 波束方位角和風(fēng)向相反)，散射計(jì)所測(cè)得的 。出現(xiàn)最大值， 順風(fēng)時(shí)出現(xiàn)次極大值，橫風(fēng)時(shí)出現(xiàn)最小值，根據(jù)這樣的特 點(diǎn)，我們就可以根據(jù) �！� 曲線出現(xiàn)最大值、次極大值和最 小值的位置來求得風(fēng)向。
3．3 和真值的比對(duì) 由于儀器未經(jīng)過定標(biāo)．岡此其所測(cè)得的歸一化后向散 射系數(shù)僅是相對(duì)值而非絕對(duì)值，因此，只能提取出海面風(fēng)向 而無法提取到海面風(fēng)速，所以，我們只就風(fēng)向測(cè)量情況和常 規(guī)觀測(cè)資料進(jìn)行了比對(duì)。 表1 反演結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比 飛行架次 反演風(fēng)向 實(shí)測(cè)風(fēng)向 偏 差 (。) (。) (。) 11月19日上午 46．8 49．3 2．5 11月19日下午 36．3 39．9 3．6 11月23日上午 43．5 49．5
4 結(jié)語
此次試驗(yàn)取得了微波散射計(jì)的測(cè)量資料和同步的常規(guī) 觀測(cè)的海面風(fēng)資料，是一次成功的空海同步實(shí)驗(yàn)。 通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及和同步觀測(cè)的海面風(fēng)資料的 比對(duì)，風(fēng)向測(cè)量誤差僅12．8。，大大優(yōu)于試驗(yàn)之前的預(yù)想的 4O。，這證明了此原型樣機(jī)測(cè)量海面風(fēng)向的性能是十分出色 的，同時(shí)也證明了我們利用此儀器的資料提取海面風(fēng)向的 算法也是高性能的。 遺憾的是，由于這臺(tái)原型樣機(jī)未經(jīng)過絕對(duì)定標(biāo)，因此， 其所測(cè)量的歸一化后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)只是相對(duì)值而非絕對(duì) 值，沒有絕對(duì)值是無法提取出海面風(fēng)速的。這一點(diǎn)也是儀器 最重要的需要改進(jìn)的方面。
業(yè)務(wù)：