星载SAR浅海水下地形和水深测量孟庆颖
•定量遥感
定量遥感或称遥感量化遥感研究，主要指从对地观测电磁波信号中定量提取地表参数的技术和方法研究，区别于仅依靠经验判读的定性识别地物的方法。

它有两重含义：遥感信息在电磁波的不同波段内给出的地表物质的定量的物理量和准确的空间位置；从这些定量的遥感信息中，通过实验的或物理的模型将遥感信息与地学参量联系起来，定量的反演或推算某些地学或生物学信息。

•建模是指就某种物理过程，建立与之对应的数学方程或方程组的问题，而反演就好像是解方程或解方程组的问题，显然建立方程与解方程是两个不同性质而又密切相关的问题。

•所谓反演就是基于模型知识基础上，依据可测参数值云反推目标的实时状态参数。

要实现反演一般需要获得足够的信息量，数学语言可表达为独立方程数必须等于或大于未知参数数目。

•反演，用杨文采院士的解释就是：如果放一小瓶香水到小房间中央，从扩散方程知，一天之后小房间内将布满大致均匀分布的香水分子。

反演的问题是，已知屋子四周的香水分布，要问何时放的香水？或放香水的瓶子是什么形状的？我们不禁要问：这些反过来问的问题，在数学上有没有解答？解答是否可以很多？如果解不唯一，哪个解才是真实可靠的？这些问题，就构成了反演理论的主要研究对象。

”•李小文所长在提到遥感的病态反演时，李老师举了非常有趣的例子。

定量遥感的反演，好比我们的古文和白文，在演化中总会缺失些原来的意思或者又赋予其新的涵义。

比如这么一句：徯我后，后来其苏。

后在白文中是一般是指帝王的妻子，而在古文中称作帝王。

古文中的解释随着在历史中漫步，意思逐渐被后人所遗忘、曲解，要想找到最初的本意，我们需要参考更多的书籍文章。

这如同遥感的反演，从已经变形、变性的图像或数据中找回最初的物理量，需要大量的先验知识和方法手段进行辅助。

•应用：
•水面舰船及其航迹检测•海面油膜探测
•海浪研究
•浅海水下地形研究•测风研究
•内波研究
•研究现状：
•马毅在袁业立发展的SAR 影像分解理论的基础上, 基于普林斯顿海洋模式( POM) 建立了水下地形SAR 影像仿真模型,并进行了实验研究。

张杰鉴于SAR 影像像素灰度值的空间离散性, 引入适合解决有限维空间优化问题的目标函数, 并利用适合大型问题求解的共轭梯度法,建立了一种浅海水下地形SAR探测的实用模型,模型在南沙群岛重点岛礁区获得了成功应用,应用SAR 反演的水深绘制了南沙美济礁的水深地形图。

张巍在AH 模型的基础上, 提出用散射系数的二维相关变化递推反演浅海水下地形的公式,并用SIRC SAR 图像反演了香港海域的二维浅海水下地形。

黄韦艮依据SAR 浅海水下地形和水深成像机理, 建立了浅海水下地形和水深雷达后向散射截面仿真模型, 分析了流速、流向、风速和风向与SAR水下地形观测之间的关系。

傅斌等根据星载合成孔径雷达浅海水下地形和水深成像机理, 建立了由奈维斯托克斯方程、谱作用量平衡方程和雷达后向散射模式组成的浅海水下地形和水深雷达后向散射截面仿真模型, 利用该模型模拟并分析了不同地形条件下, 浅海水下地形的雷达后向散射截面。

•SAR 测深与可见光测深的原理不同
•SAR 是工作在微波波段的主动式遥感器,由于海水的高传导介电常数,电磁波在海水中很快衰减,穿透深度极小,无法直接接触海底地形, 因此,SAR对海底地形并没有直接意义上的成像,而是利用微波的Bragg 后向共振散射,探测海面粗糙度并成像。

SAR影像所表现的雷达后向散射能量密度的变化和水深有着密切的关系( 图1) ,因此利用这个关系可以定量获取水下地形信息。

SAR 影像的浅水特征成明暗相间的条纹状, 对应着一般不超过50m的水深, 它们是浅水水下分布着的沙岸、沙脊和沙波的反映。

在深水情况下,许多海洋卫星SAR图像显示出波状的纹理特征, 它们的波长一般是几千米,与100m或1000m甚至更深的水深变化有关。

•成像过程由以下三个步骤组成:
•(1)海底地形和潮流的共同作用使海面流速发生变化;
•(2)海面流速变化调制小尺度海面粗糙度, 这一过程可以用松弛时间近似的流体力学弱相互作用理论来描述;
•(3)海浪谱的调制引起雷达散射截面的变化。

•水下地形及水深
•水下地形形状为我国浅海海区较为常见的锯齿状沙波(图1) ，图中沙波波高和水深分别为d 和，
和为沙波前后坡度地形与卫星飞行方向的夹角为1h 1α2αϕ
•雷达参数
•仿真SA R 工作波段为P ，L ，C 和X 波段波长分别68 .80, 23 .50, 5. 56, 3.10 m
•发射和接收的雷达波极化方式为vv (垂直发射垂直接收) 雷达波束入射角卫星飞行方向与x 方向垂直,由南向北.
•潮流和风
•仿真海区潮流流向为x 方向流速海面风向与潮流流向一致,风速ο230=θs
m u /510=
•利用上所述的仿真模型和条件计算了水下地形和水深的归一化雷达后向散射截面下面对计算结果进行分析
•地形高度与可测水深
•地形坡度与可测水深
•地形方向与可测水深。