海洋内波的遥感机理与成像特征解析

1.内波SAR遥感成像机理及成像特征

（1）内波SAR成像机理

SAR工作在微波频段，虽然不能穿透海水，但却能观测到水下几十米、甚至几百米深处的海洋内波。这是由于内波在传播过程中引起的海表面流场的变化调制了海表面微尺度波的分布，从而改变了海面的后向散射强度，在SAR图像表现为亮暗条纹。理论与实验研究表明，SAR内波成像主要包括以下三个物理过程：

①内波在传播过程中引起海表面流场发生辐聚和辐散的变化。

图1.3展示了两层流体中界面波一个半周期的垂直分布及流线情况，同时也展示了内波引起的近表面流的特性，即沿内波传播方向交替出现近表面流相向和反向流动的区域，即为辐聚和辐散。

②变化的表层流场通过调制表面微尺度波，改变了海面粗糙度。

图1.4为装在南海石油平台上的CCD相机观测到的内波经过前后6分钟海面的变化情况。图1.4（a）为内波正好经过时，海面遍布微尺度波，海面粗糙度增大；图1.4（b）为内波经过后海面变得非常平滑的样子。

③雷达波与海面微尺度波相互作用产生Bragg散射。

图1.3　内波传播中对海面流场的调制

海洋SAR影像是海面微尺度波后向散射截面σ0的平面分布，Valenzuela（1978）根据Bragg后向散射原理导出：

图1.4　南海PY30-1平台上CCD相机拍摄的内波经过前后海面情况（2011年9月18日）

式中，κ为工作微波的波数，θ为微波的入射角，F1（θ）为极化函数，ψ（k，φ）为海浪方向谱，φ表示海波波数k的方向角，波数模k满足如下共振条件：

根据公式（袁业立，1997）

总之，SAR成像的原理主要包括以上三个基本物理过程。图1.5展示了内波的SAR成像过程，下降型内波的图像特征是亮暗相间条纹，上升型内波是暗亮相间条纹。

图1.5　内波、表面波、SAR图像关系示意图

（2）内波SAR成像特征(www.xing528.com)

通过对大量内波SAR影像的分析，可以总结出内波在SAR图像中有以下基本特征：内波在SAR图像中表现为直线或曲线状的亮暗相间条纹；内波一般以波包形式传播，但也包括以单个孤子传播的形式。当以波包形式传播时，每个波包包含若干个孤立子，波包间有一定的间距；沿内波传播方向，波包中孤立波波峰线长度和孤立波间距呈现递减趋势。

此外，内波波锋线弯曲的程度还与地形有关；大气内波也容易与海洋内波发生混淆。SAR图像上内波条纹亮暗的先后顺序还与内波的极性有关，对于凹陷型内波，图像上的条纹表现为先亮后暗；对于上凸型内波，图像上的条纹则表现为先暗后亮。因此，结合以上特征可以对SAR图像上的内波加以识别。

图1.6　南海北部内波SAR影像1（Envisat ASAR，2009/06/22 10：16）

由图1.6可以看到，内波以波包形式传播，在图像上表现为明暗相间的条纹，每个波包包含若干个孤立子，波包间有一定的间隔，波包中孤立波波峰线长度呈现递减趋势；图1.7展示了内波以两个单孤子的传播形式。对比图1.6和图1.7可知，水下地形的变化会影响内波波峰线的弯曲程度，水深较浅的图1.6的波峰线比图1.7的波峰线更弯曲一些。

图1.7　南海北部内波SAR影像2（ERS-2 SAR，2002/05/17 10：39）

图1.8为1993年9月3日22：39直布罗陀海峡ERS-1 SAR图像（源自http：//www.ifm.zmaw.de/～ers-sar）。直布罗陀海峡内波受射流的影响，内波的波峰线弯曲程度十分剧烈。同时该图也展示了大气内波和海洋内波共存一张图像的情形；对比可以看到，大气内波较海洋内波的尺度更大，图像上海洋内波的纹理特征较大气内波的更加明显和规则。因此，需要注意SAR图像上大气内波与海洋内波的区分。

2.内波光学遥感成像机理及图像特征

（1）内波光学遥感成像机理

内波的光学遥感机理已有广泛共识，太阳光在海面的镜面元反射，因内波的出现引起海表面的小镜面倾斜，使镜面反射率的空间分布发生改变，进而在光学遥感图像中形成明暗相间的条纹，成像过程如图1.9所示。

此外，由于内波的垂向扰动，使得海洋次表面的温度、叶绿素浓度的分布产生变化。da Silva（2002）利用水色遥感器观测到了内波引起的叶绿素浓度的变化，在比斯开湾建立一个叶绿色浓度最大值模型（DCM），可以得出叶绿素浓度的二维分布，由此看出叶绿素的带状分布与内波传播相关联。

（2）内波光学遥感图像特征

通过对大量内波遥感图像，特别是光学遥感图像的分析，可以总结出内波在光学遥感图像上和SAR有相同的以下特征：内波在图像中表现为直线或曲线状亮暗相间的条纹；内波一般以波包形式传播，每个波包包含若干个孤立子，波包间有一定间距，也包括单个孤子形式传播；沿内波传播方向，波包中孤立波波峰线长度和孤立波间距呈现递减趋势。

图1.8　海洋内波与大气内波同时存在的SAR图像

图1.9　内波光学成像原理示意图

此外，内波光学遥感图像还存在独有特征。内波的光学遥感图像有两种情况：先亮后暗和先暗后亮，下降型内波在接近耀斑区是先暗后亮，远离耀斑区是先亮后暗，如图1.10所示。

图1.10　东沙岛附近GF-1影像