我國首次微波散射計機載試驗數(shù)據(jù)分析

我國首次微波散射計機載試驗數(shù)據(jù)分析
摘要：微波散射計是目前能有效獲得全球海面風場的唯一遙感手段，我國也開展了這方面的研究工作，1999年， 我國自行研制的微波散射計原型樣機做了首次機載飛行試驗。文中介紹了此次試驗的基本情況，對試驗數(shù)據(jù)進行 了分析并和常規(guī)觀測資料進行了比對。通過分析和比對，我們得出結論，這臺儀器測量海面風向性能是十分出色 的，我們提取海面風的算法也是高性能的。但是，由于儀器測量的歸一化后向散射系數(shù)未作絕對定標，因此，尚 不能獲得海面風速。

1 引言 1978年，美國NASA發(fā)射了SeaSat—A衛(wèi)星[ ，上面攜 帶了世界上第一臺業(yè)務化運行的星載微波散射計SASS，雖 然SASS僅僅運行了3個月的時間，卻得到了大量寶貴的 資料，首次獲得了全球海面風場數(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 尚在軌運行。 經過近30 a的運行，微波散射計已被證實是一種有效 的海面風場遙感手段，它為海洋學、大氣科學、氣象學、氣 候學、海一氣相互作用等諸多學科起到了推進作用，熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器| 試驗機| 扭力計| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計| 平衡儀| 為海上 生產生活、軍事活動、交通航運、減災防災起到了關鍵的作 用。 我國在此領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的研制工作，在2002年12月發(fā)射 的神舟四號飛船上攜帶了我國第一臺空基試驗性的微波散 射計一多模態(tài)微波遙感器散射模。多模態(tài)微波遙感器包括 三個模態(tài)，分別是散射模、輻射模和高度模，分別對應微波 散射計、微波輻射計和微波高度計。國外的散射計在正式上 天之前，其原型樣機均要開展機載試驗，以檢驗散射計的性 能，我國也不例外，這就有了我國首次的微波散射計機載飛 行試驗的開展。

2 試驗過程 1999年11月，在南海開展了我國首次微波散射計測量 海面風場的機載飛行試驗。散射計被安裝在M一171直升機 上，飛行高度約2 000 m，直升機以逆時針方向作半徑約 6 km的圓周飛行，散射計波束與航向成直角，指向航線外 側，飛行軌跡由機上攜帶的GPS給出。 與此同時，在直升機圓周飛行軌跡的中心點位置，停泊 一條測量船，同步測量水文和氣象要素，尤其是風速和風 向，將為散射計機載飛行試驗提供比對數(shù)據(jù)。 實驗從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個架次。 其中，17日為試驗飛行，17日和18日的2個架次沒有海面 真值，只有國家海洋局南海分局海洋預報臺的預報數(shù)據(jù)，因 此，數(shù)據(jù)分析的重點是19日的2個架次和23日的1個架 次的數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)分析
3．1 試驗數(shù)據(jù)的情況 散射計原型樣機能測量的參數(shù)是歸一化后向散射系數(shù) ( 。)，在直升機作圓周飛行時，散射計就能獲得 。的時間 (7’)序列數(shù)據(jù)，即d�！�7’數(shù)據(jù)。 實驗期間，直升機共進行了5個架次的飛行，我們對這 5個架次的數(shù)據(jù)均進行了處理和分析，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)觀測資料比對這一部分，則將11月19日和11月23 日共3個架次有海面實測比對資料的數(shù)據(jù)進行了處理。
3．2 試驗數(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 要建立的是和相對方位角(波束方位角和風向之間的夾角) 之問的關系，因此，還需要根據(jù)圓周飛行軌跡將 ～7 曲線 轉換成為 ～p(相對方位角)曲線。 飛行軌跡不可能完全是正圓，且直升機的航速也不是 勻速的，因此不能簡單地用 ～了’曲線來代替 ～ 曲線。 0 -2 _4 ^ 號 、， -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： 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所對應的方位角， 這樣就能得到 ～ 曲線了。 根據(jù)散射計測風的地球物理模型 ，逆風時(即散射計 波束方位角和風向相反)，散射計所測得的 。出現(xiàn)最大值， 順風時出現(xiàn)次極大值，橫風時出現(xiàn)最小值，根據(jù)這樣的特 點，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向。
3．3 和真值的比對 由于儀器未經過定標．岡此其所測得的歸一化后向散 射系數(shù)僅是相對值而非絕對值，因此，只能提取出海面風向 而無法提取到海面風速，所以，我們只就風向測量情況和常 規(guī)觀測資料進行了比對。 表1 反演結果與實測值的對比 飛行架次 反演風向 實測風向 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 結語
此次試驗取得了微波散射計的測量資料和同步的常規(guī) 觀測的海面風資料，是一次成功的空海同步實驗。 通過對試驗數(shù)據(jù)的分析及和同步觀測的海面風資料的 比對，風向測量誤差僅12．8。，大大優(yōu)于試驗之前的預想的 4O。，這證明了此原型樣機測量海面風向的性能是十分出色 的，同時也證明了我們利用此儀器的資料提取海面風向的 算法也是高性能的。 遺憾的是，由于這臺原型樣機未經過絕對定標，因此， 其所測量的歸一化后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)只是相對值而非絕對 值，沒有絕對值是無法提取出海面風速的。這一點也是儀器 最重要的需要改進的方面。