雷達高度計在海冰厚度探測中的研究進展

王志勇，王麗華，張晰，孫偉富，劉健

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590；2.測繪工程國家級實驗教學示范中心(山東科技大學)，山東 青島 266590；3.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061)

0 引言

近年來，高溫、干旱、洪澇等極端天氣頻發(fā)，氣候異常成為常態(tài)，引發(fā)人們對全球氣候變化、人類生存環(huán)境的思考。海冰作為全球氣候變化的指示劑，南極冰川、格陵蘭島冰蓋的變化關系到全球變暖、海平面上升等[1]，海冰消融一定程度上對全球溫鹽平衡、大氣環(huán)流模式產生影響，進而對全球的天氣模式產生連鎖反應，影響局地或全球氣候。

海冰凍結及漂移對海上航運、油氣勘探及海上生產等均有不同程度的影響，甚至造成嚴重災害。在我國渤海，至今，海冰已造成多次石油平臺倒塌、船舶受損、航運受阻等嚴重危害。

實現(xiàn)對海冰及時準確的監(jiān)測具有重要意義。在各種海冰災害的監(jiān)測參數中，海冰厚度是冰量估算、冰情評估、災害評價、冬季海上交通管理的重要指標[1-2]。準確測量海冰厚度，可為結冰區(qū)的海上航運提供重要信息，有助于海上交通和海上工程的安全，可為“冰上絲綢之路”——北極航道的開拓、北極建站等提供支撐。

監(jiān)測海冰厚度的變化對于全球制定政策有積極的指導意義。對海冰厚度的首次觀測是在1873年[3]，而系統(tǒng)地繪制出海冰厚度圖則是在一百多年以后[4]。進入21世紀后，對海冰的厚度觀測逐漸增多。目前海冰厚度探測主要采用現(xiàn)場觀測，包括現(xiàn)場鉆孔測量、仰視聲吶冰厚測量、走航觀測、船載電磁感應測量儀(EM)冰厚測量等[2]，這些方法測量準確，但是費時、費力，無法獲取連續(xù)的、大范圍的海冰厚度數據。

相對于現(xiàn)場觀測，航天遙感可快速、近實時獲取大面積海冰信息，受到國際海冰研究界的重視。海冰厚度航天遙感包括光學遙感、高度計、輻射計、散射計、合成孔徑雷達(synthetic aperture radar， SAR)等[2，5-11]，上述傳感器在海冰厚度探測中都存在著一些局限，如光學遙感易受到云霧等天氣影響，輻射計、散射計空間分辨率較低，而SAR冰厚反演精度受到一定限制。高度計是唯一能以cm級精度測量平均海平面高度的星載傳感器[2]，但傳統(tǒng)雷達高度計受星下點工作體制的限制，其空間分辨率差，測量精度也很難再提高，在海冰厚度探測方面存在諸多限制。

近10年來，為提高空間分辨率及測量精度，國內外學者嘗試將合成孔徑、干涉測量技術等[12-14]引入到雷達高度計中，提出了新一代的雷達高度計——三維成像雷達高度計(imaging altimeter，IALT)。IALT是一種新體制的雷達高度計，其工作原理與傳統(tǒng)高度計完全不同，它綜合了偏離天底點觀測、高度跟蹤測量、合成孔徑和干涉技術等，具備寬刈幅、高分辨率、三維等特點[13-15]，在海冰探測中集成了傳統(tǒng)雷達高度計的測高精度、SAR的寬刈幅及高分辨率、雷達干涉測量(synthetic aperture radar interferometry， InSAR)技術的三維信息等優(yōu)勢。

1 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析

1.1 星下點觀測模式高度計在海冰監(jiān)測方面面臨的挑戰(zhàn)

如圖1所示，利用雷達高度計探測海冰厚度，其原理是利用高度計的回波波形信息獲取海冰干舷高hf(即海冰露出水面高度)，再根據靜力學方程反演海冰厚度[16-17]。海冰厚度hi可表示為式(1)。

(1)

式中：ρw為海水密度；ρs為海冰上層覆蓋積雪的密度；ρi為海冰密度；hs為海冰表面覆蓋的積雪的厚度；hf為海冰干舷高(即海冰的出水高度)。

圖1 基于靜力學方程計算冰厚幾何示意圖

國際上已發(fā)射了多顆雷達高度計衛(wèi)星，如Seasat、TOPEX/Poseidon、Geosat、GFO、ERS-RA1、ENVISAT-RA2(表1)、Jason-1、Jason-2、Cryosat-2等[15]，并在海冰探測中得到廣泛應用，如文獻[18-26]分別介紹了應用不同高度計系統(tǒng)監(jiān)測南極、北極、格陵蘭島等的海冰分布、海冰厚度、海冰變化等。

可見，該時期二書中“非”的用法南、北地域不同，北方更豐富些。周生亞在《否定副詞“非”及其否定的結構形式》中指出：“‘非’作否定性判斷的否定形式主要有三種名詞性謂語、主謂結構謂語、動詞性謂語。最主要的語法功能是否定名詞性謂語。”[注]轉引自劉敏《漢語否定副詞來源與歷時演變研究》，湖南師范大學2010年碩士學位論文。“非”在此前所否定的也多是名詞或名詞性謂語結構，《左傳》中也是[7]。

利用雷達高度計探測海冰并估算其厚度時，主要分為2個步驟：一是海冰干舷高的獲取；二是利用靜力學方程反演海冰厚度。前者的不確定性主要來源于海冰與冰間水道的識別；后者則是與計算模型選取的參數有關，包括積雪深度、積雪密度、海冰密度、海冰濃度等。在海冰類型識別方面，很多學者通過對衛(wèi)星高度計的波形分類來進行區(qū)分，如Laxon等[27]利用PP(脈沖峰值)進行冰間水道和海冰的識別，研究表明，脈沖峰值在波形分類方面的效果較好。此后的研究基本采用脈沖峰值與其他波形特征結合來識別海冰類型，如Armitage等[28]利用脈沖峰值、最大脈沖和后緣寬度3種波形特征，對格陵蘭島和加拿大北部海域的海冰類型進行識別；Galin等[29]則利用脈沖峰值、前緣寬度、棧標準差和后緣比4個波形特征，對北極地區(qū)的海冰進行區(qū)別。另外，Kurtz等[30]利用雷達影像對冰間水道進行識別，從而計算出海冰的干舷高度。

表1 主要的星載雷達高度計系統(tǒng)

此外，計算模型及其參數的選取也會給海冰厚度的計算結果帶來較大的差異。季青等[31]對估算海冰厚度的4種主流算法進行了分析評價，包括主要有Laxon03算法、Kurtz09算法、Yi11算法以及Laxon13算法，發(fā)現(xiàn)Laxon13算法具有最小的平均誤差和均方根誤差，是進行海冰厚度估算的最優(yōu)算法。在參數選擇方面，積雪厚度的不確定性較大。對積雪厚度值的選取，主要來源為實測的氣象資料學中的積雪厚度，或者對其進行一定的調整和優(yōu)化。海冰表面覆蓋的積雪會對厚度估算結果造成很大的影響，真實的積雪深度對于利用衛(wèi)星高度計數據反演冰層厚度至關重要，許多學者在這方面做了大量的研究。如Price等[32]利用高分辨率的數值積雪模型研究了各種雪產品在估計積雪深度信息的有用性，結合各種積雪數據、實地數據，利用Cryosat-2得到的海冰干舷高反演海冰厚度。Fons等[33]考慮了海冰頂部雪層以及雪面下方的散射，利用一個雙層物理模型開發(fā)了一個CroySat-2算法，用來反演南極海冰上空的空氣-雪界面的表面高度，由此計算積雪干舷高度，但是在嘗試用該算法反演積雪深度時，由于對冰雪反射面追蹤不夠準確，其結果不盡人意。Bunzel等[34]通過研究發(fā)現(xiàn)，積雪厚度信息的缺乏會導致衛(wèi)星(如Cryosat-2等)估算的海冰厚度和體積存在相當大的不確定性，可靠的積雪深度數據可以考慮從再分析的積雪深度數據中獲取。

近幾年來，國內外學者對海冰厚度的研究也在不斷深入。柯長青等[35]利用Cryosat-2的測高數據對2010—2017年北極海冰的厚度和體積進行了估算和驗證，分析了結冰期和融冰期的海冰面積、厚度以及體積的變化特征。魏鑫等[36]基于Cryosat-2的雷達測高數據獲取了格陵蘭島的海冰干舷高分布，發(fā)現(xiàn)干舷高其分布范圍存在明顯的季節(jié)性變化特征。Landy等[37]采用ICESat以及Ctyosat-2的數據提供了加拿大東部北極海冰14年的厚度觀測記錄，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)春季海冰的消融會導致夏季淡水量發(fā)生15%的變化。Tilling等[38]利用Cryosat-2數據對北極海冰的厚度和體積進行了估算，并考慮其估算過程中的誤差，對海冰體積的不確定性進行了詳細的分析。

通過對文獻的總結與分析，基于星下點觀測模式的雷達高度計在海冰厚度探測方面存在明顯不足：刈幅寬度十分有限，其測量結果僅僅是一條線；空間分辨率差，其觀測足印一般是km級的，足印內可能會有非星下點回波，特別是受冰間水道、海水的回波干擾，其測量精度很難再提高；非成像系統(tǒng)，不能像SAR那樣直接獲取海冰分布的二維影像，原始數據不直觀；實時性差，需要很多周期(至少1個月)的觀測數據經過插值后才能獲取大范圍的二維海冰分布圖。

1.2 SAR及InSAR技術在海冰厚度探測中的應用

SAR雷達衛(wèi)星也可用于海冰厚度的探測，目前國際上已經發(fā)射了一系列的星載SAR衛(wèi)星，如Seatsat(美國)、ERS-1/2(歐空局)、JERS-1(日本)、Radarsat-1/2(加拿大)、Envisat(歐空局)、ALOS-1/2(日本)、TerraSAR(德國)、TanDEM(德國)、Cosmo-Skymed(意大利)、高分三號(中國)、天繪二號01星(中國)。

早期SAR 海冰探測主要是用于識別海冰類型，提取外緣線、面積、密集度等參數[10]。近幾年，SAR海冰厚度探測的研究才逐漸增多。其原理是通過建立后向散射系數與冰厚間的統(tǒng)計關系，反演海冰厚度[8-11]。于淼等[39]通過灰度共生矩陣計算紋理信息，建立海冰厚度與紋理參數的經驗方程進行厚度反演。反演方法分為經驗模型方法和散射模型方法2類。經驗模型方法需獲取大量同步的海冰厚度數據和SAR 散射數據，分析二者之間的相關性，建立冰厚反演的經驗或半經驗模型；散射模型方法利用建立的電磁散射模型，直接反推公式，求得海冰厚度。但上述方法多是在實驗室條件下開展的，還需要進一步的檢驗。分析已有的文獻資料，利用SAR數據開展冰厚探測還處于探索研究階段，未見成熟的算法。

1.3 干涉式成像雷達高度計是未來衛(wèi)星測高的重要發(fā)展方向之一

為解決傳統(tǒng)高度計星下點測量模式存在的弊端，美國NASA最先提出了寬刈幅海洋高度計(WSOA)計劃，但考慮到對Jason-2可能造成的風險以及預算超支，WSOA未能成功實施。之后，美國又提出了SWOT計劃[47-49]，由美法聯(lián)合研發(fā)。

SWOT集成了合成孔徑、干涉測量等新技術，有2種工作模式：星下點模式、干涉模式(圖2)。干涉模式的測高誤差修正后可達±3 cm[50]，預計2020年前后發(fā)射。

圖2 SWOT觀測示意圖

中國也在積極進行新體制雷達高度計的研制[14-15，51]。在姜景山院士的帶領下，提出了三維成像雷達高度計計劃，并進行了機載實驗[14-15]，天宮二號搭載的原型實驗系統(tǒng)已于2016年9月發(fā)射[51]。星載IALT計劃搭載在新一代的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星上[52](預計2020年前后發(fā)射)，它采用3對干涉波束，其中左右兩對小角度側視干涉波束主要用于實現(xiàn)寬刈幅測量，而星下點的一對干涉波束除了具備傳統(tǒng)高度計的高度模式外，還將為干涉基線傾角的測量提供幫助[52]。

中國的IALT工作于Ku波段，入射角<5°，綜合了偏離天底點觀測、高度跟蹤測量、合成孔徑和干涉技術等[14-15，51]，實際上是傳統(tǒng)高度計、SAR、InSAR的三者結合，可充分發(fā)揮每種探測技術的優(yōu)勢，解決傳統(tǒng)雷達高度計在海冰探測存在的分辨率差、刈幅窄、實時性差等缺點。

IALT的工作機制與傳統(tǒng)的雷達高度計以及SAR都不相同(表2、圖3)，它采用雙天線干涉、偏離天底點(入射角<5°)模式來獲取海面信息[15，51，53]。

表2 IALT與傳統(tǒng)高度計、SAR在冰厚探測中的對比

注：為了直觀顯示，對入射角進行夸大，并省略左側小入射角干涉波束。圖3 基于小入射角雙天線干涉技術的IALT的工作原理示意圖

2 IALT海冰厚度探測機理及數據處理方面存在的問題

目前已經開展了機載合成孔徑雷達高度計海冰探測的實驗[14-15，54-56]，并取得了一定的研究成果，但由于缺少星載IALT數據，對于海冰厚度探測方面的研究還非常少。其獨特的工作機制導致目前尚缺少相關的海冰探測的基本理論，IALT在小入射角下的海冰的回波波形、后向散射特性、干涉相位的形成機制等都缺乏研究。

1)小入射角下的海冰后向散射機理。傳統(tǒng)SAR多采用C或X波段[57-60]，入射角一般在20°～60°，而IALT采用Ku波段，入射角<5°，其后向散射機理不再是Bragg散射[57]，其散射機理為準鏡面散射，其后向散射會有較大差異，普通SAR海冰厚度反演的算法無法直接應用。

2)小入射角雙天線模式下的海冰干涉機理。干涉技術在高度計中已經得到應用，如2010年發(fā)射的Cryosat-2衛(wèi)星[61-65]，但Cryosat-2仍然是星下點觀測模式。IALT采用小入射角雙天線干涉技術來獲取大刈幅的海冰信息，由于入射角小(<5°)，其近距端到遠距端的像元大小、高度模糊數、平地相位、相位噪聲等都會發(fā)生很大變化，使得高度計在近距端與遠距端的測量精度有很大差異。

3)IALT海冰厚度探測數據處理方法。受到復雜的海洋環(huán)境影響，IALT干涉數據處理要比陸地應用困難得多，IALT在海冰厚度探測方法、技術應用等方面還存在許多問題亟待解決，需要進一步探討在復雜的海洋環(huán)境下如何實現(xiàn)準確的去平地效應、相位解纏等，特別是影響海冰厚度反演的算法。

3 結束語

海冰厚度一直是海冰參數中較難獲取的一項，隨著衛(wèi)星測高技術的不斷發(fā)展，海冰厚度的研究也取得了較豐富的成果，特別是在大尺度連續(xù)海冰厚度估算方面已經得到了較好的應用，但受傳統(tǒng)星下點觀測模式的雷達高度計本身的限制，很難獲取實時、高空間分辨率、大幅寬的海冰厚度信息。

三維成像高度計是一種新體制的雷達高度計，可解決傳統(tǒng)雷達高度計在海冰探測存在的分辨率差、刈幅窄、實時性差等缺點，將在未來的海冰厚度探測中發(fā)揮非常重要的作用。我國的IALT預計2020年前后發(fā)射，美國的SWOT計劃預計在2020年發(fā)射，到時將會有大量的干涉式成像雷達高度計數據應用于海冰厚度探測中。特別是將為我國渤海海冰災害評估、北極航道的開拓、南北兩極海冰的時空變化、全球氣候變化等提供技術支持。

三維成像高度計在海冰探測方面具有巨大的潛力，但由于其工作機制和冰厚測量機理與傳統(tǒng)的雷達高度計完全不同，值得相關學者進行深入的研究。在后續(xù)研究中，需要進一步研究三維成像高度計的工作機理、小入射角下的海冰后向散射機理、小入射角雙天線模式下的海冰厚度探測方法等。