海洋所在機(jī)載干涉成像高度計觀測技術(shù)研究方面取得突破
近日,海洋所徐永生研究團(tuán)隊(duì)與航天科工集團(tuán)23所合作,在國際上首次利用機(jī)載干涉成像高度計觀測獲得了覆蓋海洋亞中尺度范圍的海面高度異常 (SSHA) 波數(shù)譜,展示了機(jī)載干涉成像高度計對海洋亞中尺度 SSHA 探測的潛力,成果在遙感學(xué)期刊Remote Sensing發(fā)表。
人類至今仍然沒有在空間域上實(shí)現(xiàn)對亞中尺度海洋過程(0.1-10公里)的遙感觀測。該尺度范圍的海面高度異常(SSHA)信號較小,超出了目前星載海洋遙感的分辨極限。然而,亞中尺度海洋過程在海洋能量傳遞、串級與耗散的研究中發(fā)揮關(guān)鍵作用,對研究海洋能量平衡、營養(yǎng)鹽輸運(yùn)和全球氣候變化研究至關(guān)重要。由于空間域亞中尺度 SSHA 觀測能力的限制,人們對亞中尺度海洋過程的認(rèn)識主要依靠理論分析和模擬,導(dǎo)致亞中尺度海洋過程理論研究與相關(guān)應(yīng)用發(fā)展緩慢,成為制約海洋科學(xué)發(fā)展的瓶頸之一。美國新一代干涉高度計衛(wèi)星SWOT經(jīng)過20年持續(xù)努力和12億美元投資,成功將SSHA的分辨率從傳統(tǒng)雷達(dá)高度計的100公里提高到了10公里的量級,但仍難以滿足典型亞中尺度SSHA的高分辨率觀測需求。機(jī)載干涉成像高度計具備距離海面近、信噪比高的優(yōu)勢,有望在空間域?qū)崿F(xiàn)對亞中尺度SSHA觀測的突破。但是,干涉測高相位的高敏感性也使其極易受到誤差的干擾,從而影響了儀器的觀測性能。
徐永生提出了一種方法,即利用誤差和海洋動力信號在時空特性上的差異來將它們有效分離,從而提升觀測性能。徐永生團(tuán)隊(duì)將這一想法應(yīng)用到了機(jī)載干涉成像高度計在南海近100公里沿軌SSHA試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)上,并成功獲得了國際上首個機(jī)載干涉成像高度計寬帶SSHA波數(shù)譜。波數(shù)譜是評估儀器觀測性能的重要依據(jù)。這項(xiàng)研究深入分析了機(jī)載干涉成像高度計所得的SSHA波數(shù)譜的合理性,證明了其在觀測海洋亞中尺度SSHA方面的潛力,凸顯了科學(xué)團(tuán)隊(duì)與工程團(tuán)隊(duì)協(xié)作的優(yōu)勢。文章第一作者是徐永生指導(dǎo)的學(xué)生何晉超,徐永生研究員為通訊作者兼共同第一作者。

機(jī)載干涉成像高度計觀測的海面高度波數(shù)譜(紅色)與星載高度計 ICESat-2、SARAL/AltiKa 和 Sentinel-6A 波數(shù)譜的比較
海洋干涉遙感技術(shù)處于世界科技前沿。SWOT衛(wèi)星的成功標(biāo)志著人類海洋遙感技術(shù)發(fā)展史上的一個里程碑。《自然》和《科學(xué)》兩大期刊都對此進(jìn)行了專題報道。我國早在2016年就發(fā)射了以實(shí)驗(yàn)為目的星載干涉高度計——天宮二號三維成像微波高度計,取得了大量海洋觀測數(shù)據(jù)和寶貴經(jīng)驗(yàn)。但與美國在SWOT衛(wèi)星上的巨額投入相比,我國在該領(lǐng)域的后續(xù)研發(fā)投入仍嚴(yán)重不足,至今仍未有相應(yīng)的在軌衛(wèi)星問世。盡管本次研究驗(yàn)證了機(jī)載干涉高度計在探測海洋亞中尺度SSHA的潛力,但未來仍有很大的改進(jìn)空間。這包括對硬件系統(tǒng)進(jìn)行革新設(shè)計,以提升性能和穩(wěn)定性,以及正確設(shè)計海上SSHA分辨率觀測性能的檢驗(yàn)方案,以確保對亞中尺度SSHA觀測的準(zhǔn)確性和可靠性。此外,信號的分離是基于對誤差成分、海洋成分的時空特性以及統(tǒng)計學(xué)方法的深入理解,而這方面的發(fā)展還處于起步階段。機(jī)載干涉高度計的最終成功不僅本身具有重大的科學(xué)和應(yīng)用價值,還能為我國星載干涉高度計的發(fā)展提供重要的借鑒和驗(yàn)證方法。
文章信息:
He J,Xu Y,Sun H,Jiang Q,Yang L,Kong W,Liu Y. Sea Surface Height Wavenumber Spectrum from Airborne Interferometric Radar Altimeter. Remote Sensing. 2024;16(8):1359. https://doi.org/10.3390/rs16081359
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