海冰SAR散射机理-《海洋遥感探测技术与应用》成果

海冰SAR散射机理研究是海冰微波遥感探测的必要基础，需要大量海冰微波散射机理的现场实验和理论研究作为支撑（Ulaby等，1986）。这方面主要包括海冰物理模型、电磁散射模型和现场实验等研究。

1.海冰物理模型

海冰物理结构是海冰电磁散射研究的物质基础，主要包括微观结构（如海冰内部卤水胞和气泡等散射体的粒径尺寸及主轴方向、海冰表面粗糙度等）和宏观物理参数（如海冰厚度、温度、密度、盐度）等两方面。海水在结冻初期，因为直接接触空气，所以冻结迅速，导致大量的空气和卤水留在海冰里，形成气泡和卤水胞。一般情况下，卤水胞和气泡都是椭球体。在重力作用下，卤水胞通常呈竖直指向且随机分布；而重力对气泡的影响很小，因而气泡的指向和分布都是随机的；在海冰生长过程中，上下两个表面的粗糙度也会持续变化，不断增加。因而，可以将海冰设为一种两表面具有一定粗糙度的单层介质，如图2.1所示，海冰处于生长过程时，其粗糙度较小，可以利用经典的小扰动方法来构造海冰表面的边界条件（Ulaby等，1986）。

图2.1　海冰物理模型和电磁散射部分

每一海冰物理结构参数都有自身比较成熟的常规测量方法。海冰内部卤水胞和气泡等散射体的粒径尺寸及主轴方向的常规观测方法是：获取海冰冰芯样本，制作海冰切片（厚度1 mm左右），从显微镜中观察散射体的粒径尺寸和主轴指向，并计算散射体的平均百分含量。海冰表面粗糙度是利用高精度激光测距仪获取的，激光测距仪固定在水平面上，可以在此水平面上做二维运动，获取表面高度起伏变化，计算表面粗糙度。海冰厚度的现场测量方法一般为两种：一种是利用冰钻将海冰层钻透，钻孔过程要平稳，以免造成下表面海冰脱落，影响海冰参数的获取，利用卡尺卡住上下两个表面，获取海冰厚度数据；另一种是利用电磁测量（Electromagnetic Measurement，EM）设备获取海冰上下表面距EM的距离，差值为海冰厚度。海冰温度一般测量海冰内部三处的温度，利用温度计测量海冰样本中距海冰上表面5 cm处的表面冰温，距下表面5 cm处的底层冰温，以及中部冰温。海冰密度一般根据阿基米德原理计算，用量筒和天平分别称量冰块的质量和体积，利用浮体法计算海冰密度。海冰盐度是通过收集碎冰自然融化后，利用盐度计测量的（杨国金，2000；GB/T 14914—2006，2006）。海冰宏观参数还可以通过海冰质量平衡浮标数据获取，能够用于解释海冰生长过程中厚度、密度、盐度、温度间的质量-热量平衡关系。

有些海冰物理结构参数的常规测量方法也有自身的缺点。如海冰散射体测量方法比较耗时，而且无法掌握海冰生长过程中的微观结构时序变化，因而现在发展了用0.3T永磁阵列的核磁共振传感器系统测量极地海冰的内部结构，不仅精度高，耗时短，而且还测量到了海冰生长过程中卤水的迁移率和卤水胞的分布变化情况（Dykstra等，2011）。

2.海冰电磁散射模型

国外的海冰电磁散射机理研究是自19世纪80年代逐步开展的，很多研究人员和科研机构参与了这项工作，并逐渐积累了一些研究结果，但是因为海冰现场微波散射实验要由大量的人力和物力支撑，所以未能形成体系。鉴于此种情况，美国海军研究室自1992年起，组织了国内三十家顶级科研院所，耗费巨资，用5年时间开展了完备的海冰科学研究项目，获取了大量海冰不同生长阶段的物理性质和微波散射特性的研究成果，主要包括实验分析和理论研究：海冰电磁散射特性的室内和室外现场实验研究；结合海冰物理特性和微波散射特性研究，建立海冰生长模型，并利用现场实验进行验证和深入分析；雪覆盖冰层造成的影响研究等。这些研究结果总结收录在遥感和海冰类学科的高水平期刊和会议论文中，甚至在该项目结项时，遥感科学领域中最具权威的《IEEE地学与遥感汇刊》在1998年9月的第36卷中，刊载了此项目成果的系列论文（IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，1998，Vol.36）。直至现在，这方面的研究工作也从未间断，如利用RADARSAT-2和ALOS PALSAR数据以及河冰现场数据，分析C波段和L波段对河冰粗糙度的敏感度以及河冰内部典型球体颗粒的散射特性，显示出短波对河冰粗糙度更敏感，而且波长对典型球体颗粒模型的建立有影响。

海冰电磁散射主要包括海冰与空气分界面处的上表面散射，海冰内部卤水胞、气泡等散射体的体散射，海冰与海水分界面处的下表面散射，表面散射和体散射相互作用的散射等多种分量（Carsey，1992；Fung，1994）。因而海冰电磁散射模型可以是这些分量叠加组成，即海冰后向散射系数可以表示成这几部分之和进行分析和研究（Fung，1994；Kim，2012）：

式中，σs、σvt、σgt和σvgt分别代表海冰上表面散射项、体散射项、下表面散射项和散射体与表面相互作用散射项。由于海冰属于电磁耗散介质，这里σvgt仅取海冰下表面和散射体的一次相互作用散射，见表2.1。

3.海冰微波散射实验

基于现场实测海冰物理和微波数据的海冰微波散射实验研究是海冰SAR探测的正问题。国外研究机构进行了系统的海冰电磁散射机理实验研究，包括寒冷区域研究和工程实验室的系列实验（Cold Regions Research and Engineering Laboratory Experiment，CRRELEX），1993年的CRRELEX主要分析了盐冰在气温和水温不变的情况下连续生长特性，并测量了生长过程的极化特征；1994年的CRRELEX分析了日温度变化对海冰生长过程中极化散射特性的影响；1995年的CRRELEX研究了霜花对海冰电磁散射特性的影响等。直至现在，这方面的研究工作也从未间断。

我国在海冰电磁散射机理研究中起步较晚。之前一直没有在渤海做过海冰微波散射实验，缺乏实测数据。已有的现场实验主要集中在获取海冰物理参数上，并获取了大量实测数据，对海冰电磁散射机理研究起到一定的辅助作用。2011年1月起，笔者所在研究小组开始连续进行渤海海冰电磁散射实验和机理研究。现以2012年1月实验为例进行简介。

（1）实验区域

渤海位于北纬37°07′～41°、东经117°35′～122°15′的区域，是一个半封闭式的大陆架内海，由辽东湾、渤海湾、莱州湾和渤海中部四部分组成，如图2.2所示。渤海地处北温带，是全球在该纬度出现结冰现象的唯一海域。主要原因在于：渤海盐度低，水深浅，水温极易受陆地气温影响。渤海冰期约为3个多月，一般从每年12月持续至次年3月，期间1～2月份冰情较重。渤海海冰属于季节性一年冰，海冰类型主要包括初生冰、初期冰、白冰和固定冰，平均冰厚为20～30 cm，固定冰可达1 m以上（杨国金，2000）。

根据海冰陆基微波散射计的架设、照射面积、测量距离等要求，以及海冰厚度和强度等上冰取样要求，通过实地考察，选定实验区域如图2.3所示。(www.xing528.com)

图2.2　实验区域在渤海所处位置的示意图

图2.3　实验区域的经纬度及其在Google earth中的位置示意图©Google earth 2012

（2）实验数据的获取和处理

2012年1月，实验期间采集的数据包括三项：海冰微波散射数据、海冰物理特性数据和地面环境数据，这些数据都是同步测量的。

现场海冰物理特性数据的获取包括海冰厚度、温度、密度和盐度等，并计算了海冰和海水的复介电常数。在本次实验中，同步获取了地面环境数据，作为后期定量分析和处理海冰微波散射实验数据和物理参数的辅助资料，包括日间气温、夜间气温、风速等。

现场的同步海冰微波散射数据是利用多波段、多极化的陆基散射计获取的。本次实验选择了L、C和X三个波段，以L波段为例，如图2.4所示。天线照射冰面的入射角范围为20°～60°，极化方式包括水平极化和垂直极化。每天的测量过程相同：利用三个波段的抛物面天线分别进行海冰微波散射测量；为了能够尽量覆盖整个实验区域，每一波段都选择了多个方位进行测量，“H”代表水平极化，“V”代表垂直极化。海冰微波散射测量数据以L波段为例，如图2.5所示。

图2.4　L波段天线现场测量

图2.5　L波段VV极化多方位角下后向散射系数随入射角的变化关系

（3）海冰微波散射机制分析

由于实验区域内海冰生长过程相似，不同方位上的海冰性质接近，因而在同一波段，同一极化，同一入射角的情况下，不同方位上的海冰微波散射值取平均，作为此情况下海冰的后向散射系数。

以2012年1月17日为例，单波段HH和VV极化的海冰现场实测微波散射数据和海冰电磁散射理论模拟结果如图2.6所示。对比实验数据误差散点图和理论模拟结果曲线可以看出，两者变化趋势吻合得很好，也与现有研究结论（Kim等，2012）一致。

图2.6　单波段HH和VV极化实验数据和理论结果的对比（2012-1-17）

基于电磁散射模型可以得到L、C和X波段的海冰电磁散射四个分量的理论模拟结果，如彩图2.7所示。在本实验的小粗糙度薄冰情况下，L和C波段微波能够穿透海冰，下表面散射都大于上表面散射。而X波段微波基本上不能穿透海冰，下表面散射明显小于上表面散射。海冰内部散射体尺寸一般在毫米量级上，与X波段波长量级接近（Ulaby等，1986；Carsey，1992；Fung，1994），因而X波段体散射最大。在小粗糙度薄冰情况下，C和X波段可以用于海冰上表面信息的获取，如海冰上表面介电常数和粗糙度等；X波段可以用于反演海冰散射体信息，如尺寸等；L波段和C波段可以用于海冰下表面信息的获取；对于海冰这类损耗介质，表面-散射体相互作用的散射非常弱，因而只考虑下表面-散射体的一次相互作用散射足矣，所以公式（2.1）中σvgt只取一次相互作用。随着频率或者入射角的增加，VV和HH的差异越来越明显，尤其是在表面-散射体相互作用中，VV极化和HH极化的差异相比其他三种分量更显著，这种差异是下表面和散射体散射叠加共同造成的。