11.6.1引言

合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)是一种主动式微波成象雷达，它被认为是最有效、最有潜力的卫星传感器。它具有良好的空间分辨率，可与光学遥感图象相比拟；又具有全天候全天时工作的优点。SAR对海洋的观测主要利用微波和海面微尺度结构的相互作用而形成海面回向散射系数λ的图象分布。影响海面微尺度结构的各种海洋现象和过程作为一种调制信号而被SAR图象观测到。SAR对海洋的观测，包括海浪方向谱、中尺度涡旋、内波、海冰、浅海地形、海岸带动态监测、海面白帽、海面污染、海面风场、海流、以及海面油资源、海中叶绿素。

近二十年来，尤其进入90年代，星载SAR在软/硬件技术方面已日趋成熟。目前国际上正在着手开发新一代多波段、多极化的干涉合成孔径雷达。

11.6.2SAR成象原理

SAR在卫星轨道的垂直平面内向海面发射微波脉冲，SAR对海面观测采用侧视，照射海面呈椭圆，其几何关系如图11-19所示。SAR到海面观测元的距离为斜距。垂直于卫星轨道的方向为距离方向，平行于卫星轨道的方向为方位方向。距离分辨率就是距离方向上的地面两点可分辨的最小距离。设地面两点相距Xr，则雷达脉冲返回时间差△t可表示为

△t=2Xrsinθ/c (11-34)

其中θ为入射角，c为光速。如果雷达信号脉冲长度为τ(脉冲带宽B定义为B=1/τ)，则脉冲雷达系统的距离分辨能力可表示为

Xr=cτ/2sinθ=c/2Bsinθ (11-35)

因此，脉冲雷达系统的距离分辨能力主要由雷达发射脉冲带宽B所限制。脉冲带宽可通过减小脉冲的长度来获得。但脉冲越短，信噪比越差。为了有效的产生短脉冲，使用脉冲压缩技术。

方位分辨率几何关系如图11-20。对于一个真实孔径为DR的天线，其地面分辨率为

LR=Rλ/DR (11-36)

其中R为斜距，λ是雷达波长。可见孔径越大，空间分辨率越好。由此产生合成孔径的概念。SAR合成孔径的长度取决于地面某一点受照射时卫星移动的距离，该距离为LR。因此合成孔径的地面分辨率为

SAR接收的海面反射信号与观测元的物理特性有关，通常由后向散射系数σ0来描述。在一级近似情况下，可假定SAR发射微波信号与海面微尺度结构的相互作用以布拉格散射为主。布拉格散射共振方程为

λs=λr/2sinθ (11-38)

角。布拉格共振短波的形成与风应力有关。研究表明，与C波段微波产生共振的海面毛细波或小重力波所对应的海面10m风速阈值为3.25m/s。布拉格散射的共振条件为

虽然SAR仅对引起布拉格共振散射的海表面波直接成象，由于布拉格尺度的表面波空间分布易被较长重力波所调制，从而显示了引人注目的海洋观测能力。

SAR成象的数据预处理利用了相位和振幅信息。因此可以说，SAR是一个准全息系统。合成孔径雷达系统由装载在卫星上与飞行方向一致的矩形平板系统、发射机/接收机、模拟数据传输系统、高密度数字记录器及处理器组成。雷达数据实时传输到地面站，经解调后用数字形式记录下来然后用数字处理器成象。早期的SAR成象处理由光学信息处理系统完成，曾经使光学信息处理轰动一时。

11.6.3从卫星SAR海浪图象反演海浪方向谱

海浪研究中，谱估计是一个重要方法。SAR通过雷达波与海面小重力波的布拉格共振对海浪进行成象，并获取海浪方向谱。但并非所有海浪都能成象。一般认为在高海况和平滑海浪情况下，SAR难以对海浪成象。因此，SAR对海浪的成象能力与SAR系统和海况直接有关，一方面要有好的空间分辨率，其次有效波高和海面风速不能太小。

SAR对随机海浪的成象基于三种调制机制。短波和长波的流体力学相互作用对布拉格散射波的能量和波束的调制，称为流体力学调制；在长波波面引起雷达入射角的变化，称为倾斜调制；长波沿卫星轨道方向的运动速度，使后向散射元产生平移，相当于返回信号的Doppler频移，最终导致后向散射元在SAR图象上的位移和模糊，此项调制属于速度聚束调制。尽管倾斜调制和流体力学调制通常被近似为线性过程，然而速度聚束过程却常表现出很强的非线性。仅在位移与长波相比较小时，这一机制才被认为是线性的，可表示为速度聚束传递函数。

这里介绍两种卫星SAR海浪图象反演海浪方向谱的方法。

一、线性调制传递函数(MTF)方法

线性近似情况下，SAR对海浪成象的图象可表示为

机制调制传递函数组成，Fk，F-k分别代表两种不同传播方向(k，-k)的海浪方向谱。在风浪情况下，海浪传播多以某个传播方向为主，亦即或|Fk|>>|F-k|，因此海浪方向谱Fk或<<|F-k|可由下式计算：

由此可以看出，在MTF方法中，虽然海浪方向谱在波数谱能量分布上基本得以保持，但无法分辨海浪传播方向(k或-k)，亦即海浪方向谱反演中的180°方向模糊。图11-20表示ERS-1/SAR海浪图象反演海浪方向谱的MTF方法。

二、Hasselmann非线性反演方法

Hasselmann于1991年提出SAR海浪方向谱反演非线性映射关系

其中ps(k)为SAR图象谱；n，m为非线性阶数；β为速度聚束参数，ξ′代表后

图11—20ERS—1/SAR海浪图象反演海浪方向谱的MTF方法向散射单元方位位移引起的方位模糊。由于非线性映射关系无法直接反演海浪方向谱，Hasselmann非线性反演算法中，通过引入第一猜测谱和递归算法使价值函数最小，达到反演海浪方向谱目的。具体求解过程如图11-21。图11-22分别表示SAR海浪图象谱、第三代海浪预报模式(WAM)获得第一猜测谱和经Hasselmann算法反演的海浪方向谱分布。

目前在国际上已有不少学者从事海浪数据同化研究，高度计有效波高数据已同化到海浪预报模式，并进入业务化。SAR图象能够提供更多的海浪信息，但由于其复杂性，数据同化很长时间无人问津。Hasselmann(1991)成功地将SAR图象谱变换成海浪方向谱，SAR数据同化也随之开始。

11.6.4合成孔径雷达在其他海洋研究中的应用

SAR图象资料除成功应用于海浪方向谱外，还成功应用在其他研究领域。这里主要介绍SAR在内波、浅海地形和污染监测中的应用研究。

一、内波

尽管内波发生在海面以下，但它可引起海水表面的辐聚或辐散。若海表面存在对应于SAR波长引起海面粗糙度的小尺度波，则辐聚或辐散使海面粗糙度增加或降低，在SAR图象上即表现为亮或暗的区域。因此SAR可以对内波成象。当然SAR并非对所有内波成象。这依赖于内波的深度、强度及海面粗糙度。

用常规方法观测内波非常困难，而SAR无疑提供了一种先进的内波观测手段。通过SAR对大、中尺度内波成象，可以观测内波空间分布及季节变化，并提取内波参数，如振幅、周期、波长、传播方向及速度。SAR提供了内潮波和内孤立子的形成及传播机制的研究条件。

二、海底地形

卫星SAR资料反演浅海地形，与声学方法相比具有数据量大、速度快、费用小的优点。实验表明，SAR对浅海地形成象与流场直接有关，一般流速需大于0.5m/s。当然，风速需在3～12m/s，以保证SAR对海面成象。其主要物理机制是潮流与浅海地形的相互作用影响表面流速分布，进而影响海表面的粗糙度和SAR成象。然而，SAR图象并不总是可以反映海底地形。因此，需进行潮流在海底地形作用下引起海面粗糙度变化的机理研究。国际上已成功应用SAR反演的海底地形数据进行海底电缆和石油管道的铺设。

三、海洋污染监测

SAR高分辨率图象在海洋污染监测中有广泛的应用前景。海面上覆盖一层油膜或其它化学污染物时，会使海面张力波和短重力波受到阻尼，海面变得更为平滑，使海面后向散射降低，图象变暗，从而实现对污染的监测。目前，挪威、加拿大等已利用ERS/SAR和Radarsat/SAR实现污染业务化监测。