雷達(dá)高度計在海冰厚度探測中的研究進(jìn)展

王志勇，王麗華，張晰，孫偉富，劉健

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.測繪工程國家級實驗教學(xué)示范中心(山東科技大學(xué))，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(guān)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(chǎn)生影響，進(jìn)而對全球的天氣模式產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，影響局地或全球氣候。

海冰凍結(jié)及漂移對海上航運(yùn)、油氣勘探及海上生產(chǎn)等均有不同程度的影響，甚至造成嚴(yán)重災(zāi)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(yùn)受阻等嚴(yán)重危害。

實現(xiàn)對海冰及時準(zhǔn)確的監(jiān)測具有重要意義。在各種海冰災(zāi)害的監(jiān)測參數(shù)中，海冰厚度是冰量估算、冰情評估、災(zāi)害評價、冬季海上交通管理的重要指標(biāo)[1-2]。準(zhǔn)確測量海冰厚度，可為結(jié)冰區(qū)的海上航運(yùn)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(dǎo)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(jìn)入21世紀(jì)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(yīng)測量儀(EM)冰厚測量等[2]，這些方法測量準(zhǔn)確，但是費(fèi)時、費(fèi)力，無法獲取連續(xù)的、大范圍的海冰厚度數(shù)據(jù)。

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(xué)遙感、高度計、輻射計、散射計、合成孔徑雷達(dá)(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(xué)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(dá)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(nèi)外學(xué)者嘗試將合成孔徑、干涉測量技術(shù)等[12-14]引入到雷達(dá)高度計中，提出了新一代的雷達(dá)高度計——三維成像雷達(dá)高度計(imaging altimeter，IALT)。IALT是一種新體制的雷達(dá)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(shù)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(dá)高度計的測高精度、SAR的寬刈幅及高分辨率、雷達(dá)干涉測量(synthetic aperture radar interferometry， InSAR)技術(shù)的三維信息等優(yōu)勢。

1 國內(nèi)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(dá)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h(yuǎn)f(即海冰露出水面高度)，再根據(jù)靜力學(xué)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(xué)方程計算冰厚幾何示意圖

國際上已發(fā)射了多顆雷達(dá)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(yīng)用，如文獻(xiàn)[18-26]分別介紹了應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(xué)2010年碩士學(xué)位論文。“非”在此前所否定的也多是名詞或名詞性謂語結(jié)構(gòu)，《左傳》中也是[7]。

利用雷達(dá)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?。欢抢渺o力學(xué)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(shù)有關(guān)，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(xué)者通過對衛(wèi)星高度計的波形分類來進(jìn)行區(qū)分，如Laxon等[27]利用PP(脈沖峰值)進(jìn)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(jié)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(jìn)行識別；Galin等[29]則利用脈沖峰值、前緣寬度、棧標(biāo)準(zhǔn)差和后緣比4個波形特征，對北極地區(qū)的海冰進(jìn)行區(qū)別。另外，Kurtz等[30]利用雷達(dá)影像對冰間水道進(jìn)行識別，從而計算出海冰的干舷高度。

表1 主要的星載雷達(dá)高度計系統(tǒng)

此外，計算模型及其參數(shù)的選取也會給海冰厚度的計算結(jié)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(jìn)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(jìn)行海冰厚度估算的最優(yōu)算法。在參數(shù)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(xué)中的積雪厚度，或者對其進(jìn)行一定的調(diào)整和優(yōu)化。海冰表面覆蓋的積雪會對厚度估算結(jié)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(shù)據(jù)反演冰層厚度至關(guān)重要，許多學(xué)者在這方面做了大量的研究。如Price等[32]利用高分辨率的數(shù)值積雪模型研究了各種雪產(chǎn)品在估計積雪深度信息的有用性，結(jié)合各種積雪數(shù)據(jù)、實地數(shù)據(jù)，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(zhǔn)確，其結(jié)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(dǎo)致衛(wèi)星(如Cryosat-2等)估算的海冰厚度和體積存在相當(dāng)大的不確定性，可靠的積雪深度數(shù)據(jù)可以考慮從再分析的積雪深度數(shù)據(jù)中獲取。

近幾年來，國內(nèi)外學(xué)者對海冰厚度的研究也在不斷深入?？麻L青等[35]利用Cryosat-2的測高數(shù)據(jù)對2010—2017年北極海冰的厚度和體積進(jìn)行了估算和驗證，分析了結(jié)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(dá)測高數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(dǎo)致夏季淡水量發(fā)生15%的變化。Tilling等[38]利用Cryosat-2數(shù)據(jù)對北極海冰的厚度和體積進(jìn)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(jìn)行了詳細(xì)的分析。

通過對文獻(xiàn)的總結(jié)與分析，基于星下點觀測模式的雷達(dá)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(jié)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(nèi)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(shù)據(jù)不直觀；實時性差，需要很多周期(至少1個月)的觀測數(shù)據(jù)經(jīng)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(shù)在海冰厚度探測中的應(yīng)用

SAR雷達(dá)衛(wèi)星也可用于海冰厚度的探測，目前國際上已經(jīng)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(shù)[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(shù)與冰厚間的統(tǒng)計關(guān)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(shù)的經(jīng)驗方程進(jìn)行厚度反演。反演方法分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ头椒ê蜕⑸淠Ｐ头椒?類。經(jīng)驗?zāi)Ｐ头椒ㄐ璜@取大量同步的海冰厚度數(shù)據(jù)和SAR 散射數(shù)據(jù)，分析二者之間的相關(guān)性，建立冰厚反演的經(jīng)驗或半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?；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(jìn)一步的檢驗。分析已有的文獻(xiàn)資料，利用SAR數(shù)據(jù)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(dá)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(fēng)險以及預(yù)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(shù)，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(dá)±3 cm[50]，預(yù)計2020年前后發(fā)射。

圖2 SWOT觀測示意圖

中國也在積極進(jìn)行新體制雷達(dá)高度計的研制[14-15，51]。在姜景山院士的帶領(lǐng)下，提出了三維成像雷達(dá)高度計計劃，并進(jìn)行了機(jī)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(yù)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(cè)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(shù)等[14-15，51]，實際上是傳統(tǒng)高度計、SAR、InSAR的三者結(jié)合，可充分發(fā)揮每種探測技術(shù)的優(yōu)勢，解決傳統(tǒng)雷達(dá)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(jī)制與傳統(tǒng)的雷達(dá)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(jìn)行夸大，并省略左側(cè)小入射角干涉波束。圖3 基于小入射角雙天線干涉技術(shù)的IALT的工作原理示意圖

2 IALT海冰厚度探測機(jī)理及數(shù)據(jù)處理方面存在的問題

目前已經(jīng)開展了機(jī)載合成孔徑雷達(dá)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(shù)據(jù)，對于海冰厚度探測方面的研究還非常少。其獨特的工作機(jī)制導(dǎo)致目前尚缺少相關(guān)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(jī)制等都缺乏研究。

1)小入射角下的海冰后向散射機(jī)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(jī)理不再是Bragg散射[57]，其散射機(jī)理為準(zhǔn)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(yīng)用。

2)小入射角雙天線模式下的海冰干涉機(jī)理。干涉技術(shù)在高度計中已經(jīng)得到應(yīng)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(shù)來獲取大刈幅的海冰信息，由于入射角小(<5°)，其近距端到遠(yuǎn)距端的像元大小、高度模糊數(shù)、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(yuǎn)距端的測量精度有很大差異。

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

3 結(jié)束語

海冰厚度一直是海冰參數(shù)中較難獲取的一項，隨著衛(wèi)星測高技術(shù)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(jīng)得到了較好的應(yīng)用，但受傳統(tǒng)星下點觀測模式的雷達(dá)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(dá)高度計，可解決傳統(tǒng)雷達(dá)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(yù)計2020年前后發(fā)射，美國的SWOT計劃預(yù)計在2020年發(fā)射，到時將會有大量的干涉式成像雷達(dá)高度計數(shù)據(jù)應(yīng)用于海冰厚度探測中。特別是將為我國渤海海冰災(zāi)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(shù)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(jī)制和冰厚測量機(jī)理與傳統(tǒng)的雷達(dá)高度計完全不同，值得相關(guān)學(xué)者進(jìn)行深入的研究。在后續(xù)研究中，需要進(jìn)一步研究三維成像高度計的工作機(jī)理、小入射角下的海冰后向散射機(jī)理、小入射角雙天線模式下的海冰厚度探測方法等。