全极化散射计地球物理模型函数研究

Polarimetric scatterometers would provide more complete information of targets than common dural-polarized scatterometers. Advantages can be taken from this to improve application results in ocean wind retrieval. The key technique in wind retrival from scatterometer data is Geophysical Model Function(GMF), and the corresponding GMF for polarimetric scatterometers, which is known as Polarimetric Geophysical Model Function(PGMF), is still immature. Recent researches are mostly concerned with the derivation of PGMF from GMFs of common scatterometers, which pay little attention to principles of ocean-wind interaction and backscattering form its resulted surface, and derived PGMFs are not yet verified by experimental data..In the proposed project, researches are beginning with interactions between wind-driven ocean surface and electro-magnetic waves sent by polarimetric scatterometers. By taking into account the air-sea interactions, suitable scattering model would be chosen to realize simulation of quad-polarized backscattering coefficients. After the simulation has been verified by comparison with quad-polarized SAR data, polarimetric characteristics analysis methods will be adopt to establish relations between geometric characteristics of wind-driven sea surface and quad-polarized backscattering, from which PGMFs for C and Ku band polarimetric scatteometers would be derived. Wind retrieval method could be developed based on resulted PGMFs and then both the method and PGMFs would be verified by experimental airborne fully polarized scatterometer data. Results of the proposed project would provide key technique support for sea wind retrieving airborne polarimetric scatterometers and future spaceborne missions in China.

全极化微波散射计能在普通散射计的基础上提供交叉极化观测数据，为提高海洋风场反演精度提供了可能。散射计风场反演算法的核心是地球物理模型函数（GMF）。但与全极化散射计相应的GMF- - 极化地球物理模型函数（PGMF）尚不成熟，多是对普通GMF的扩展，缺乏海洋学和电磁散射理论基础，且未使用实测数据进行验证。本项目拟从风成海面电磁散射的角度开展研究，通过考察风对海面各种特性的影响，采用适当的电磁散射模型，模拟海面全极化回波后向散射系数。模拟数据有效性的验证通过与全极化合成孔径雷达（SAR）数据的对比分析实现。然后以极化分析的方法定量分析模拟数据的极化特征与海面几何特性的关系，建立C和Ku波段全极化散射计的PGMF，并发展基于PGMF的风场反演算法。最后利用模拟数据和机载全极化微波散射计校飞数据对研究成果进行验证。本项目的研究成果将为我国机载及未来星载全极化散射计在海洋风场反演中的应用奠定基础。

课题的研究围绕极化散射计极化地球物理模型函数（Polarimetric Geophysical Model Function, PGMF）展开。在理论上分析了PGMF，确定其基本形态及课题研究思路。考虑微波在海面的散射特性，考察了各种海浪谱模型和海面电磁散射回波计算方法的特点后，选用Elfouhaily谱（E谱）及相应的方向谱表示各向异性的海面，并统计不同风速下模拟海面的特性。采用KA（基尔霍夫近似）和SPM（小扰动近似）结合的双尺度方法模拟同极化后向散射系数。由于交叉极化后向散射系数需考虑多次散射的情况，将SPM扩展到三阶，实现交叉极化后续散射系数，从而实现同极化和交叉极化相关后向散射系数的计算。项目组对国家重大科技基础建设项目（“大科学”）中机载全极化散射计、中法海洋卫星散射计校飞数据进行了预处理和处理，其结果前述理论模型的结果符合很好。对Radarsat-2卫星的合成孔径雷达影像也进行了购买和处理。在此基础上结合真实数据和理论模拟的相关后散射系数，并根据前期对PGMF的研究，构建了PGMF。根据研究计划，生成并存储Ku和C波段的相关后向散射系数，得到了这两个波段的PGMF查找表。通过在生成PGMF时未使用的部分真实观测数据和其他一些数据对PGMF模型进行了验证，结果符合预期。具体地，验证工作主要包括：对比Ku波段已有得到的PGMF查找表与NScat散射计查找表，其同极化数据数值接近。对比Radarsat-2的部分数据，参考天气数值预报模型中的风场数据，其后向散射系数数值与C波段PGMF中的数值基本一致。项目研究得到的PGMF打破了传统的仅根据极化特性分析扩展普通GMF得到PGMF的方式，获得了可靠的C和Ku波段PGMF。在得到的PGMF和对“大科学”和中法星散射计校飞实验数据处理的基础上，提出基于PGMF的最大似然法（MLE）用于反演海面风场的方法，该方法能在保证计算精度的情况下提高MLE的计算速度。使用此方法对模拟的全极化散射计观测数据进行处理，其结果证明了全极化散射计能够有效的减少风向模糊的问题并提高风速反演的精度。完整地完成了项目计划书中的内容。项目研究过程中的成果和方法推广以论文和译著的形式发表。未来的研究除了进一步改善电磁散射和海面模型外，将专注于基于项目的研究结果进行新一代全极化散射计的系统设计和研发。