何宜軍 楊小波 矣娜 劉保昌

摘要多普勒信息是合成孔徑雷達(dá)（SAR）進(jìn)行海洋動力遙感的一個重要參數(shù)，自從20世紀(jì)80年代末就已經(jīng)開始利用該參數(shù)反演海表面動力過程的相關(guān)研究.本文重點(diǎn)論述了星載SAR多普勒信息反演海表面流及其應(yīng)用研究，主要包括SAR干涉測量方法獲取海洋流場信息的主要技術(shù)手段及研究進(jìn)展;多普勒頻移方法反演表層海洋流場的發(fā)展歷程及在上層海洋現(xiàn)象（包括地轉(zhuǎn)流、準(zhǔn)地轉(zhuǎn)流以及中小尺度過程）中的應(yīng)用研究;相關(guān)的國外重要數(shù)據(jù)融合計劃和研發(fā)計劃.目前國內(nèi)在海洋流場的遙感方面還處于起步階段，重點(diǎn)關(guān)注于反演理論和方法，而將反演信息應(yīng)用于上層海洋動力的研究，還十分缺乏.希望通過本文的綜述，為后續(xù)在該方向的研究提供借鑒.關(guān)鍵詞海表面流;微波遙感;多普勒中心;次級中尺度

中圖分類號P731.21;P715.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0引言

海氣界面是海洋與大氣之間交換物質(zhì)和能量的通道，海表面的波浪場、風(fēng)場、流場以及混合過程等都是海表面動力學(xué)主要的研究對象.海流是海水運(yùn)動的重要方式之一，并且在海流運(yùn)動過程中會對海洋上空的天氣和氣候產(chǎn)生重要的影響[1-2].例如，來自低緯度的海流向高緯度傳輸時，發(fā)生潛熱，海表的水汽向上輸送，就會帶來降水，因而需要增強(qiáng)對海洋-大氣耦合系統(tǒng)的了解和認(rèn)識，這對海洋循環(huán)和氣候模型具有重要意義[2].海表面流也決定了海洋中生物和化學(xué)成分的輸送和分布，如海上溢油和其他污染物[3].除此之外，船舶航運(yùn)路線的制定、海洋環(huán)境的監(jiān)測和預(yù)報以及海上救援，都需要考慮海洋表面流的影響，因此需要對海面流場信息進(jìn)行研究.

遙感方式獲取海表面的動力信息是目前一種相對高效且花費(fèi)低廉的方法.微波遙感反演海表面動力場，除常用的輻射亮溫和后向散射系數(shù)外，最近30多年，多普勒信息也逐漸成為一種重要的海表動力遙感參數(shù)，尤其對海表流場和中尺度-次中尺度過程的研究，該參數(shù)具有十分重要的作用.有關(guān)海表動力場對于多普勒信息的影響以及信號仿真方面的綜述，已有專文論述[4]，本文將就星載SAR多普勒信息反演海表面流場以及研究海表面中尺度-次中尺度過程的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行梳理和綜述，為后續(xù)研究提供借鑒.

在雷達(dá)多普勒反演海表流場方面，目前國際上主要有兩種遙感測量方式，其一是干涉測量法，最早由Goldstein等[5-6]和Shemer等[7]提出，后來以Romeiser等[8-15]為主，發(fā)展完善了順軌干涉測量（ATI）技術(shù)及M4S反演海表層流方法.此外還有英國南安普頓大學(xué)的Gommenginger等[16]提出的斜視SAR概念，馬來西亞Marghany等[17-20]提出的魯棒多普勒中心模型反演海流等.另一種是Chapron及其團(tuán)隊(duì)等[21-34]先后研發(fā)出了RIM模型及其擴(kuò)展模型、CDOP模型、DopRIM模型以及利用多普勒中心反演海表面流場的相關(guān)方法.

在多普勒反演海表層流的同時，還進(jìn)一步研究和探討了海表存在的中尺度-次中尺度過程對海流反演的影響，進(jìn)而從側(cè)面說明了多普勒信息對海表中尺度-次中尺度過程的成像能力，從而為利用多普勒信息（或多普勒與后向散射系數(shù)結(jié)合）研究中尺度-次中尺度過程提供了良好的分析基礎(chǔ)和借鑒案例.

除了星載SAR多普勒外，研究人員還提出了多普勒散射計反演海表層流的方法等[35-37]，這方面的內(nèi)容已經(jīng)超出本文的范圍，在此不再贅述.

1干涉SAR海流測量

合成孔徑雷達(dá)的干涉又稱為干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR）.干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR）是近幾十年來在射電天文學(xué)中發(fā)展起來的常規(guī)SAR技術(shù)和干涉測量技術(shù)的綜合[38].干涉雷達(dá)由于兩個接收天線與飛行軌跡的不同，又可以分為順軌干涉（ATI）和交軌干涉（XTI）.

順軌干涉法（ATI）的基本原理就是利用在順軌方向上間隔一定距離的兩個天線獲取同一場景的兩幅復(fù)圖像，這兩幅復(fù)圖像的相位差剛好反映了海流的徑向（沿雷達(dá)視線向）速度信息.順軌干涉法反演流場的處理流程包括SAR成像、配準(zhǔn)、濾波、相位校正等幾個步驟，過程如圖1所示.

Romeiser等構(gòu)建了新的海面后向散射模型[8-9]，其后正式稱為M4S模型[10].該模型與RIM模型都是在海面散射的雙尺度模型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的模型，不同之處只在于對海面后向散射機(jī)制的理解和解釋.M4S模型的散射機(jī)制有鏡面散射和布拉格散射，并通過時間松弛法引入波流相互作用，來反映流場對后向散射的影響.Romeiser等[10]利用M4S模型，通過模擬結(jié)果與觀測結(jié)果之間的循環(huán)迭代逼近算法，模擬并反演了海面流場特征，反演的準(zhǔn)確度在20%，空間分辨率50 m，主要影響因素為風(fēng)和浪、水深調(diào)制、海洋動力現(xiàn)象的空間尺度以及反演所用的圖像數(shù)目多少，并指出高分辨率海流反演結(jié)果的驗(yàn)證是最具有挑戰(zhàn)性的.

通過以上M4S模型的構(gòu)建和反演流場的實(shí)例研究，Romeiser教授開始理解海面流場在海面后向散射機(jī)制中的作用，并著手建立流場信息與干涉相位信息之間的聯(lián)系.2000年，Romeiser等[11]在基于50 m分辨率海表面流對海面波譜存在水動力調(diào)制的假設(shè)下，全面分析了通過多普勒譜計算干涉相位，并反演得到海面流場的過程，主要的結(jié)果有：1）ATI適用于數(shù)平方千米內(nèi)米級（50 m分辨率）的表面流觀測，其中還包含有海面長波的軌道速度分量;2）由于構(gòu)造的多普勒譜的復(fù)雜性，在計算多普勒譜前，簡化后向散射模型很重要;3）影響模擬的主要因素是入射角和R/V比率，高頻的X波段雷達(dá)更適用于海面流場的測量，VV極化更適用于大尺度的后向散射場，高風(fēng)速會增強(qiáng)流場梯度與反演的多普勒速度之間的線性相關(guān)，低風(fēng)速響應(yīng)更長的去相干時間從而使得ATI圖像相位差不易測到，所以ATI測流的理想風(fēng)速是5～10 m/s，風(fēng)向信息也是必須的，用于校正長波和布拉格波相速度產(chǎn)生的軌道運(yùn)動對ATI速度的影響;4）高頻和大入射角對于流場反演有利，反演的流場對流場梯度的分辨率優(yōu)于0.1 m/s.2001年，他們將ATI的反演結(jié)果與ADCP和環(huán)流模型結(jié)果對比，分析ATI反演流場的可行性及局限性，結(jié)果表明ATI能高分辨地反演海岸帶區(qū)域的流場信息，并可以利用反演的流場繼續(xù)反演高分辨率的水下地形，然而反演的流場信息在近岸或島礁附近效果極差[12].Kersten等[13]利用美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的WINSAR-ATI系統(tǒng)獲得的福弗爾野外觀測站附近的河流區(qū)域的數(shù)據(jù)，證明了順軌干涉SAR相比于單向SAR得到的相位誤差更小，也就是反演得到的流速誤差更小.并且，對于系統(tǒng)相同的功率和天線總尺寸，順軌干涉法具有更高的靈敏度[14].2009年，Romeiser等[15]首次對TerraSAR-X干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR，ATI）數(shù)據(jù)進(jìn)行了德國易北河河口的表面流場分析，在有效空間分辨率大于1 km時，能得到0.1 m/s的測流精度，適用于沿海區(qū)域的洋流觀測.

雖然順軌干涉方法對天線方向圖沒有嚴(yán)格的要求，與任何成像模式都是兼容的，并且能達(dá)到一定的測流精度，但是該方法也有一定的局限性，比如它只能得到一維的海洋表面流場的徑向流速信息，而對于流向沒有辦法得到.因此，為了獲取流向信息，還需要增加額外的自由度.Gommenginger等[16]的研究表明，可以利用測高儀的原理解決流向的反演，也就是聯(lián)合順軌和交軌干涉，但目前存在的問題是無法將順軌的干涉相位與交軌的干涉相位進(jìn)行分離.2018年，日本科學(xué)家Ouchi等[39]在順軌干涉方法的基礎(chǔ)上，提出了多孔徑順軌干涉合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)（Multi-Aperture Along-Track Interferometric，MA-ATI），生成四幅子圖像，兩幅為前向子圖像，另外兩幅為后向子圖像，由此得到不同方向的干涉圖，最后由方位向速度分量求出海表面流矢量方向，對機(jī)載L波段的MA-ATI系統(tǒng)模擬得到的方向估計與理論值較為吻合.

在順軌干涉測量的基礎(chǔ)上，還擴(kuò)展出了雙波束干涉的概念，即利用兩個斜視波束來獲得速度的兩個分量[40].該方法彌補(bǔ)了順軌干涉法只能測得雷達(dá)視線向海流流速這一不足.雙波束干涉最早由Rodriguez等[41]提出，該系統(tǒng)的成像幾何如圖2[42]所示.飛行平臺上搭載了一對干涉儀，分別前后放置，每個干涉儀都發(fā)送前向波束和后向波束.

2005年，Buck[43]針對寬刈幅海洋高度計（WSOA）設(shè)計的不足（由于極低的入射角使得導(dǎo)出的表面速度矢量的主要分量在垂直方向上）提出了Wavemill方案，該方案設(shè)置了兩根天線沿軌跡放置，各產(chǎn)生四個波束，進(jìn)行飛行方向雙邊的前向、后向的順軌干涉測量，這些波束從45°斜視前后向?qū)Ρ砻媪鲌稣徊蓸?，再結(jié)合順軌干涉方法，從而得到二維表面流場.2011年10月，Wavemill的機(jī)載實(shí)驗(yàn)在英國西海岸愛爾蘭海的多個地點(diǎn)進(jìn)行[44]，Martin等[44]利用2011年10月25日到26日的Wavemill數(shù)據(jù)估算了徑向表面速度，同時也驗(yàn)證了風(fēng)浪對表面速度多普勒測量的強(qiáng)烈影響，并發(fā)現(xiàn)了逆風(fēng)和順風(fēng)下速度的不對稱性.

2017年，德國宇航中心（DLR）的Wollstadt等[45]提出了Ku波段雙波束順軌干涉SAR，并應(yīng)用了混合極化以提高不同海洋表面散射機(jī)制的信息水平，相比于Wavemill的設(shè)計，他們提出的雙波束模式設(shè)計為單邊的天線，能觀測到更大范圍的海洋場景，并且采用了較大的入射角以增加對水平方向速度的敏感性和提高風(fēng)速的反演性能.

雙波束干涉模式的基本原理就是利用一對干涉儀發(fā)射兩組前向波束和后向波束，就等同于從兩個方向?qū)ν缓Ｑ蟊砻媪魉俣冗M(jìn)行觀測，該速度投影到兩個方向，同時利用順軌干涉的方法得到流速，結(jié)合雙波束的兩個方向就可以得到海洋表面流的流速矢量.首先利用順軌干涉的方法計算出海流流速Usurf，用公式可表示為[44]

Usurf=Δλe2πBesin θ， ?（1）

其中，Δ是干涉相位，λe

是雷達(dá)電磁波波長，Be

是有效基線，θ

是入射角.然后通過組合不同的干涉圖得到海表面流矢量估計.

Wollstadt等[40]在2015年提出的星載雙波束順軌InSAR是建立在Ku波段的單平臺系統(tǒng)，刈幅為200 km.2017年他們把該方法中的多個參數(shù)在不同波段的系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，如有效基線這一參數(shù)，在30°的入射角和不同的風(fēng)速下，順軌干涉的最優(yōu)基線范圍為電磁波長的1 000倍到2 000倍之間[45].如果電磁波在X波段、C波段和Ku波段，那么與之相對應(yīng)的最優(yōu)基線分別是50、100和22～44 m.該系統(tǒng)的測速精度達(dá)到5 cm/s，其二級產(chǎn)品分辨率達(dá)到亞中尺度水平，為4 km×4 km，即使風(fēng)速低至3 m/s也能完成同等精度的海流流速測量[45].該方法最大的特點(diǎn)就是可以完成海流二維速度矢量的測量.該方法采用兩種極化方式，發(fā)送采用的是圓極化，接受采用的是線極化，不考慮交叉極化，因此這也成為該方法的弊端，這是因?yàn)?，在很?qiáng)的風(fēng)速下，交叉極化占據(jù)了信號的大部分，是不能忽略的.而Martin等[46]研究并測試了雙波束斜視干涉SAR系統(tǒng)，獲取的海表面流速的均方根誤差優(yōu)于0.1 m/s.

我國學(xué)者對SAR模擬和反演海表層流的工作開展得相對較晚.2015年，何宜軍等[1]論述了反演海表層流的常用方法，常亮等[2]詳細(xì)論述了星載SAR反演海表層流的兩種方法，楊小波等[4]分析了微波遙感反演海流中的若干主要問題.在干涉SAR海流反演方面，任永政[47]利用ATI技術(shù)結(jié)合迭代算法以及STRM數(shù)據(jù)，反演了西歐海域流場，并與實(shí)測結(jié)果及Romeiser等[15]的結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證，2017年又采用MCC方法對星座SAR圖像上海表層流進(jìn)行了反演和驗(yàn)證[48];此外，還有文獻(xiàn)[35-37]建立的多普勒散射計海表層流仿真模擬.在借鑒國外研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[49-50]也從基礎(chǔ)理論出發(fā)，嘗試構(gòu)建新型干涉測量SAR系統(tǒng)（雙波束和雙通道雙波束干涉SAR）來模擬流場環(huán)境下的原始SAR數(shù)據(jù)，以及抑制方位向信號模糊造成的InSAR測流的影響.Pan等[51]基于機(jī)載圓形掃描SAR系統(tǒng)的實(shí)測數(shù)據(jù)，提取不同角度下的多普勒中心偏移，并考慮了雷達(dá)波束的方位指向和入射角引起的補(bǔ)償誤差，使得海表面流速估計結(jié)果更為接近實(shí)際海流流速.

2SAR多普勒中心偏移法

在研究海面多普勒信息之前，以法國國家海洋資源開發(fā)研究院（IFREMER）的Charpon等為核心的歐洲團(tuán)隊(duì)利用后向散射系數(shù)已經(jīng)逐步建立起了分析海流存在狀況下的海面后向散射模型[21-29].該團(tuán)隊(duì)的Kudryavtsev[21]首先建立了綜合考慮布拉格散射和非布拉格散射（鏡面散射和波破碎）時的后向散射系數(shù)模型，并引入了風(fēng)速的影響;2005年Kudryavtsev[22]建立了二維的雷達(dá)成像模型RIM，Johannessen[23]在波浪譜中加入了背景流場，利用RIM模型分析了背景流場對后向散射的影響.至此，該團(tuán)隊(duì)已建立了以后向散射系數(shù)為中心，系統(tǒng)分析海表面流的研究方案.其后，該團(tuán)隊(duì)又將RIM模型的理念進(jìn)一步擴(kuò)展，2012年發(fā)展了雙共極化SAR的海面成像模型，將極化差異和極化比引入后向散射系數(shù)模型中[24-25].2014—2016年又發(fā)展了全極化SAR的海面成像模型[26-28]，分別用于研究海面流特征、C波段和L波段共同成像的流特征以及浮油中的波破碎，另外還用RIM模型分析了存在潮流、徑流和水深變化情況下的長江口微波成像[29].然而值得注意的是，RIM模型引入背景流場的方式是通過波浪譜，但是西邊界流或入海徑流可以在多普勒圖像上觀測到，明顯不是因?yàn)榱髯饔糜诰植康娘L(fēng)浪譜，所以從RIM模型或者后向散射系數(shù)分析的海表面流場，只能是流與浪相互作用的部分，并不是全部的海表面流場信息.從RIM模型的分析可以知道，后向散射系數(shù)模型比較適宜分析中小尺度運(yùn)動中背景流場的輻散輻合作用，對于大尺度的海表面流場研究能力有限，需要引入多普勒信息.

在多普勒信息的建模和分析方面，Charpon[30]首先從理論上分析了多普勒信號反演海流的可行性，分析了多普勒信號與后向散射系數(shù)之間的關(guān)系，給出了簡化的多普勒中心模型，并分析了可能造成多普勒信息偏差的因素.Johannessen等[31]在Charpon分析的基礎(chǔ)上建立了RIM模型與多普勒信息的關(guān)系，構(gòu)建了DopRIM模型，在RIM模型的理論框架內(nèi)引入了多普勒信息，用于分析多普勒或速度成像的海面狀況下風(fēng)、浪、流的相互影響.Johannessen 等[32-33]將DopRIM模型用于分析南非南部海域阿古勒斯流的多普勒成像.Hansen等[34]用DopRIM模型模擬了強(qiáng)潮流區(qū)的波流相互作用，進(jìn)一步說明了強(qiáng)表面流對海面粗糙度和斜距多普勒信號的調(diào)制作用，以及通過極化性質(zhì)和入射角的差異，可以從DopRIM模型中分析和分離出非布拉格散射的部分.從DopRIM模型的相關(guān)論文可以看出，在構(gòu)建該模型的過程中，Charpon及其團(tuán)隊(duì)也在逐漸理解多普勒信息的成像機(jī)制、成像能力以及影響因素，雖然在此過程中，有些問題暫時沒有明晰，但是對于研究多普勒信息反演海表動力過程，起到了很大的推動作用.

在研制模型的同時，Charpon團(tuán)隊(duì)也在嘗試著用多普勒信息反演大洋環(huán)流及其中尺度-次中尺度特征[52-62].Danilo等[52]首先比較了強(qiáng)潮流區(qū)HF雷達(dá)與SAR測量的徑向速度的差異，發(fā)現(xiàn)HF雷達(dá)與SAR分別響應(yīng)不同尺度的波浪場，SAR反演結(jié)果主要受風(fēng)場影響，源于風(fēng)浪與表層流的相互作用，且風(fēng)浪會限制流反演的精度.Collard等[53] 開始采用新的反演流的方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法構(gòu)建了CDOP模型計算風(fēng)生多普勒信號，再從星載SAR測量的多普勒信號中減去風(fēng)影響的部分，反演得到徑向流場.Rouault等[54]繼續(xù)采用移除風(fēng)場多普勒信息的方法，詳細(xì)地反演了阿古勒斯流系.Backeberg等[55]進(jìn)一步利用HYCOM和ROMS 模式，對比分析該流系的地形剪切作用和上層流強(qiáng)度.Hansen等[56]繼續(xù)采用從多普勒中心異常中移除風(fēng)場影響的方法，反演了進(jìn)入挪威海的大西洋水的兩條主要分支挪威大西洋坡流（NwASC）和挪威大西洋鋒面流（NwAFC），另外還有挪威沿岸流（NCC）.Hansen等[57]繼續(xù)采用校正風(fēng)影響的方法，反演多普勒流，并依據(jù)地轉(zhuǎn)流時間尺度較長的特征，利用升降軌數(shù)據(jù)的時間平均分別反演地轉(zhuǎn)流的緯向和經(jīng)向分量.Dagestad等[58]依據(jù)地轉(zhuǎn)流時間尺度較長的特點(diǎn)，利用時間平均的升降軌數(shù)據(jù)，反演得到了二維的多普勒流場，以及相應(yīng)的緯向和經(jīng)向地轉(zhuǎn)流分量，并對比了高度計反演的地轉(zhuǎn)流，在流的連續(xù)性和兩者的相關(guān)性方面均令人滿意，從而實(shí)現(xiàn)了多普勒信息反演二維地轉(zhuǎn)流的重要突破.Johannessen等[59]對海洋流場反演和應(yīng)用進(jìn)行了一次較全面的總結(jié)，認(rèn)為對于次中尺度渦旋（直徑小于50 km）的觀測，SAR顯示出獨(dú)有的能力.Johannessen等[60]還反演了灣流區(qū)的徑向多普勒速度，并與GOCE測量的MDT反演的地轉(zhuǎn)流做比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了多普勒在強(qiáng)流區(qū)的測量效果.Johannessen等[61]基于對阿古勒斯流的反演，總結(jié)認(rèn)為將浮標(biāo)數(shù)據(jù)、多普勒流場、高度計反演的地轉(zhuǎn)流和SST等光學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，多數(shù)據(jù)綜合研究海面，不僅可以研究動力過程，還可以計算多種海洋現(xiàn)象的體積和熱量輸運(yùn)，包括地轉(zhuǎn)流的強(qiáng)度和輸運(yùn)量、渦度和輻散輻合場的非地轉(zhuǎn)和垂向運(yùn)動及其輸運(yùn)量.Husson等[62]利用多源數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了Sentinel-1衛(wèi)星在海態(tài)反演（包括表面風(fēng)場、方向波數(shù)譜、有效波高以及海面流場）方面的能力.

通過以上的研究可以看出，DOPRIM主要的作用是研究風(fēng)、浪和流對平均的海面粗糙度的影響，以及造成的多普勒異常，但若用于反演海表面流則實(shí)際過程會非常復(fù)雜.Collard等[53]、Johannessen等[59-61]和Hansen等[62]，對Charpon等提出的反演方法進(jìn)行簡化，發(fā)展CDOP模型，采用移除風(fēng)多普勒影響的方法來反演海表層流，從結(jié)果及驗(yàn)證結(jié)果來看，均較理想.而Hansen等[63]繼續(xù)對Charpon等的方法進(jìn)行完善，提出了一個較全面的反演方法.從反演方法上看，該反演體系非常有助于理解多普勒中心，然而反演過程相當(dāng)復(fù)雜，其中充分考慮了單個多普勒中心像元中后向散射系數(shù)的偏移，并依據(jù)陸地靜止不動的特征來校正衛(wèi)星與海洋的相對運(yùn)動，考慮因素非常全面，然而從反演的結(jié)果上來看效果不佳，甚至沒有給出反演的徑向流場圖像.分析其原因，除影響因素較多外，對多普勒中心的過度校正，也是很重要的一方面，而Collard等[53]和Johannessen等[59-61]提供的通過CDOP校正風(fēng)影響的方法，非常符合實(shí)際的動力過程.Rouault等[54]分析入射角小于30°情況下多普勒速度的明顯異常，更充分說明了風(fēng)與海面流場之間密切的互相關(guān)關(guān)系.基于這些研究，以及Mouche 等[64]發(fā)展的利用后向散射系數(shù)及CDOP模型聯(lián)合進(jìn)行風(fēng)場反演，結(jié)果都表明，采用風(fēng)校正的方法反演海表層流，是目前最好的方法.正如文中結(jié)論所指出的，SAR成像海表面，目前實(shí)現(xiàn)了多普勒信息和高分辨率的后向散射系數(shù)的結(jié)合，使得風(fēng)、浪和流的聯(lián)合反演成為可能，從而使得SAR遙感海表面動力具備了其他遙感手段無法比擬的優(yōu)勢.

國內(nèi)也開展了海表層流反演的相關(guān)工作，F(xiàn)u 等[65]用SAR后向散射系數(shù)圖像，通過迭代算法，反演了臺灣海峽某淺灘的海表層流;Wang等[66]用Hansen等[63]提出的方法，反演了長江口附近的表面流場分布;Yu等[29]用RIM模型模擬和分析長江口的遙感成像;楊小波[67]用均值濾波的方法從多普勒中心中移除衛(wèi)星運(yùn)動造成的多普勒頻移，反演得到江浙沿岸流的流場分布.對比國內(nèi)和國外的研究進(jìn)展可以看出，我國在該研究領(lǐng)域目前尚處在起始發(fā)展階段，還需要投入大量的研究力量來發(fā)展和提高我國的研究水平.

3海流遙感的研發(fā)計劃

通過梳理文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，國外在海洋流場的遙感方面先后提出和發(fā)展了幾個重要的研發(fā)和數(shù)據(jù)融合計劃，分別是GlobCurrent計劃、Wavemill計劃和SKIM計劃.這些計劃的實(shí)施，對于研究海洋流場的遙感具有極大的促進(jìn)作用，在此簡要進(jìn)行介紹.

GlobCurrent計劃啟動較早，最早開始于2012年的GlobCurrent論壇[59]，2014年進(jìn)行了相關(guān)的概念解釋，主要的目的是利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)協(xié)同融合來提供海洋表面流場的定量估計，改善和增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)遙感上層海洋的應(yīng)用，并展示以用戶為主導(dǎo)的科學(xué)應(yīng)用、業(yè)務(wù)化應(yīng)用和商業(yè)應(yīng)用的重要影響[68].2015年，該計劃融合了歐空局Sentinel-1、Sentinel-3衛(wèi)星與其他輔助支撐數(shù)據(jù)[68];2016年，分析了GlobCurrent數(shù)據(jù)的區(qū)域性特征[69];2017年在澳大利亞開展試驗(yàn)，對GlobCurrent計劃的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行了充分的檢驗(yàn)和驗(yàn)證，并在2018年將Sentinel-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)也融入到了該數(shù)據(jù)產(chǎn)品中[70]，并對GlobCurrent數(shù)據(jù)的誤差校正進(jìn)行了估算[71].GlobCurrent數(shù)據(jù)產(chǎn)品的開發(fā)和分布，對于反演和分析包括海表層流在內(nèi)的上層海洋動力現(xiàn)象，提供了極大的便利.

Wavemill計劃采用順軌干涉測量來反演流場信息，最早的設(shè)計理念源于2001年的雙波束干涉測量海表面流，2004年發(fā)展成為雙邊順軌干涉測量海表流場，并于2005年正式提出Wavemill的概念.2011年，在英國中部的愛爾蘭海進(jìn)行了機(jī)載驗(yàn)證[16]，其后由英國南安普頓大學(xué)的Gommenginger及其研究團(tuán)隊(duì)相繼開展了一系列研究，對風(fēng)浪影響和風(fēng)流聯(lián)合反演等工作進(jìn)行了分析和仿真[44，72-75].該計劃是由歐空局資助，英國對地觀測儀器和空間技術(shù)中心（CEOI-ST）支持的研究項(xiàng)目，截至目前還沒有相關(guān)的衛(wèi)星發(fā)射計劃發(fā)布.

SKIM是英文Sea Surface KInematics Multiscalee monitoring的縮寫，主要任務(wù)是發(fā)射雷達(dá)衛(wèi)星觀測海面流場和海面波浪場，并由海面流場和波浪場擴(kuò)展開來，綜合研究上層海洋現(xiàn)象和動力過程.SKIM計劃于2017年正式發(fā)布[76-77]，主要技術(shù)特征是結(jié)合了高度計和波譜儀的優(yōu)點(diǎn).其中雷達(dá)發(fā)射天線中，采用了Ka波段的8個波束進(jìn)行干涉測量，其中6°和12°入射角的所有波數(shù)均為旋轉(zhuǎn)波數(shù)，與波譜儀采用旋轉(zhuǎn)多波束的特征類似，可以進(jìn)行不同入射角的干涉測量，由此能夠提供精確的海面流場和浪場測量[77].SKIM主要的測量參數(shù)為多普勒中心和后向散射系數(shù)，根據(jù)此測量特征，歐空局稱其為多普勒海洋雷達(dá)，但遺憾的是未能列入未來衛(wèi)星發(fā)射計劃.

4討論與總結(jié)

4.1存在的問題

星載SAR遙感海面流場方面，目前存在主要的問題主要有兩個：1）遙感反演的誤差分析模型不完善;2）反演結(jié)果的驗(yàn)證方法不完善.在第一個問題方面，干涉測量方法目前已經(jīng)發(fā)展了一些分析反演誤差的模型[35-37]，而多普勒中心偏移方法目前僅有一些對反演誤差的定性分析結(jié)果，還沒有發(fā)展出有效的誤差分析模型.對于第二個問題，Chapron團(tuán)隊(duì)通過與大量的高度計及光學(xué)圖像的對比，對多普勒中心偏移法測量的徑向流場進(jìn)行了大量的結(jié)果驗(yàn)證，證明了SAR無論對于大尺度的地轉(zhuǎn)流還是中小尺度過程，均具有較好的成像能力，反演的結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確.而干涉測量方法方面，結(jié)果的驗(yàn)證則相對較少，且僅限于觀測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，不同遙感數(shù)據(jù)的交叉驗(yàn)證以及對反演結(jié)果的分析尚缺乏完善的研究.

雖然經(jīng)過了十幾年的研究，以上兩個問題依然存在，且未得到較好的解決，主要原因是SAR遙感海洋流場過程中，受到了衛(wèi)星運(yùn)動、復(fù)雜的海面散射以及復(fù)雜的風(fēng)浪運(yùn)動影響，使得解決這兩個問題比較困難.就誤差分析模型而言，反演結(jié)果的好壞受到諸多因素的影響，比如成像分辨率、海面的后向散射機(jī)制、反演的精度和反演對象的空間尺度等.這就使得在分析反演誤差時，需要針對不同尺度的海洋現(xiàn)象在不同分辨率下分別做具體的分析，測量對象的時空尺度決定測量誤差.因此每一種海洋現(xiàn)象都需要獨(dú)立分析其反演誤差，從而造成了反演結(jié)果驗(yàn)證和誤差分析的復(fù)雜性.

然而，即便存在上述兩個不確定的問題，合成孔徑雷達(dá)依然是目前最理想的遙感手段.相比散射計、高度計等測量手段，SAR或InSAR遙感海洋流場信息將測量后向散射系數(shù)、多普勒頻率和干涉相位三個參數(shù)，它們分別具有不同的成像分辨率.對于時變海面的遙感而言，成像的時空分辨率決定了圖像所能探測的上層海洋現(xiàn)象時空尺度的范圍.后向散射系數(shù)圖像和干涉SAR的相位圖像分辨率較高，達(dá)到米級;多普勒頻率的分辨率較低，為千米級.SAR或InSAR具有的這種多分辨率優(yōu)勢，將極大擴(kuò)展衛(wèi)星所能探測的上層海洋動力的時空尺度，這是其他遙感手段所不具備的，因而它是最適合的海面流場遙感觀測手段.

4.2研究展望

隨著遙感探測時空分辨率的逐步提高，海洋遙感所能探測的對象也日益豐富.星載SAR作為微波遙感海面動力的一個重要組成部分，可以預(yù)見在中尺度、次中尺度乃至小尺度海洋動力過程的研究中，將會逐漸起到主導(dǎo)性的作用.將不同時空尺度海洋動力過程的散射模型和反演方法建立起來，將會是未來很長一段時間內(nèi)SAR動力遙感的核心研究方向.而隨著上層海洋觀測數(shù)據(jù)的日益完善，在傳統(tǒng)觀測和反演大尺度海洋環(huán)流和中尺度渦的基礎(chǔ)上，海洋遙感開始重點(diǎn)關(guān)注海表面存在的次中尺度和小尺度混合過程，為全面理解上層海洋的物質(zhì)能量演變乃至氣候變化等重要課題奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

目前，國內(nèi)在相關(guān)的研究方向上尚處在初期發(fā)展階段，研究的成果還不是很豐富，研究的方向也相對單一，重點(diǎn)關(guān)注在遙感技術(shù)手段獲得反演流場信息方面.遙感信息在海洋學(xué)的應(yīng)用研究，目前還十分缺乏，希望通過本文的討論，引起國內(nèi)同行在該研究方向的關(guān)注和重視.

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Progress in sea surface current retrieval from

spaceborne SAR measurements

HE Yijun1YANG Xiaobo1YI Na1LIU Baochang1

1School of Marine Sciences，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing210044

AbstractDoppler signal is an important synthetic aperture radar （SAR） parameter for ocean dynamics remote sensing.It was first used for the retrieval of ocean surface dynamic processes in the late 1980s.In this paper，we review the researches on retrievals of sea surface dynamics from spaceborne SAR Doppler measurements including：（1） SAR interferometry techniques and related research progress for ocean surface currents retrieval;（2） SAR Doppler shift and its application in retrieval of upper ocean dynamics （i.e.geostrophic currents，quasi-geostrophic currents，and meso-?and small-scale processes）;（3） Relevant data fusion and important R&D programs around the world.However，China's remote sensing of sea currents is still in the initial stage，and highly focused on retrieval theory and techniques.The application of the retrieved information in study of upper ocean dynamics is still limited，so this review can serve as a reference for future studies in this direction.

Key wordssea surface currents;microwave remote sensing;Doppler centroid;submeso-scale

收稿日期2019-10-19

資助項(xiàng)目國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目（2016YFC1401002）;國家自然科學(xué)基金國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目（41620104003）;國家自然科學(xué)基金青年基金（41606201）

作者簡介何宜軍，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，長期從事海洋微波遙感機(jī)理、海上臺風(fēng)遙感、海流遙感技術(shù)以及海氣相互作用等工作.yjhe@nuist.edu.cn

1南京信息工程大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，南京，210044