1.X波段雷达测波系统

工程中心在 X 波段雷达海洋动力环境参数探测技术方面开展了大量研究，完成X波段雷达测波系统设备定型，并实现其产业化生产，已生产出两台产品样机。其系统性能基本与国外同类产品相当，研究成果经中国科学院组织的专家鉴定达到国内领先水平，并唯一获得国家科技部 863 计划遴选支持进行产品化研究。系统在三个方面实现创新：1. 采用垂直极化天线替代水极化天线，提高观测的灵敏度；2. 将雷达数据采集与处理分离，提高了系统性能稳定性；3，采用了独创的海浪参数提取算法，提高了测量精度。该成果具有探测精度高、实时性好、稳定性强等优点，能在无人监管下自行运行，对于海上工程建设、航行安全、军事登陆作战等活动具有重要作用。特别是，国产X波段雷达测波系统的成功研制，将打破国外产品的垄断，对提高海洋环境现场探测技术国产化水平做出积极贡献。此外，发展了X波段雷达海浪特征参数反演的新方法，成功获取了有效波高、主波波长和主波传播方向等海浪要素。模型反演结果与现场浮标观测进行了定量比较，二者一致性很好。值得说明的是，该新方法较之传统方法，有效波高的反演精度有较大的提高，其均方根误差为0.21米，偏差0.01米，相关系数高达0.93。

图1.X波段雷达观测系统示意图。

图2.X波段雷达海浪测波系统软件。

图3.X波段雷达反演的海浪有效波高和波周期与浮标观测比较图。

2.全极化合成孔径雷达海面风浪协同观测

利用星载全极化合成孔径雷达观测，基于海浪谱与雷达图像谱非线性积分映射关系，发海面风场和波浪场要素协同信息提取模式，准确获取了海面风速、风向、有效波高、波向、波周期和波长等要素。该模式不需要海浪数值模式提供初始猜测谱信息，也不需要卫星散射计、大气数值模式提供的先验风场信息。模式获取的高空间分辨率海面风场（空间分辨率为100米）和波浪场参数可以较好地反映海岸带区域风场和浪场在亚公里范围内的精细空间变化特征。研究结果如下图所示。

图4.（a）C波段垂直极化RADARSAT-2 SAR图像；（b）交叉极化SAR图像；（c）反演的海面风速；（d）反演的海面风向。

图5.（a）浮标观测的海浪方向谱；（b）利用参数化反演方法获取的海浪方向谱；（c）SAR观测图像谱；（d）最优SAR图像谱。

3.星载微波辐射计台风海面风速信息提取模式与应用

传统星载微波辐射计业务化海面风速反演方法在高海况下几乎失效，主要原因在于辐射计中、高频通道亮温受降雨影响（吸收和散射）较为严重，因而无法准确获取台风或飓风眼墙区域内的高风速。我们通过分析大量的星载微波辐射计AMSR-2亮温观测和机载步进频率微波辐射计SFMR沿轨迹飓风风速和雨率测量，发现AMSR-2低频通道亮温对高风速较为敏感，而受降雨的影响较弱。基于小斜率近似和小扰动模型，发展了利用低频通道亮温观测反演台风海面风速的物理模型，该模型包含了高风速海面粗糙度谱、菲涅尔反射系数、海面温度以及各类权重函数。相对于传统的辐射传输方程，该模型能够快速数值模拟辐射计亮温，然后结合最大似然估计方法，获取台风海面风速。我们利用2002-2014年AMSR2以及SFMR在北大西洋观测的54个飓风数据，对模型反演结果进行了定量验证，其均方根误差为3.87米/秒。此外，利用AMSR-2多时相大范围观测获取的风速能够明显看出飓风的加强和减弱过程，从而有效监测飓风的动态变化（如图6所示）。

图6.AMSR-2于2010年8月29日，30日和31日连续观测的飓风Earl在低频通道6.9GHz水平极化亮温；利用低频水平极化亮温结合小斜率近似和小扰动模型，以及高风速海面粗糙度谱反演的海面风速。

4.新型简缩极化雷达海洋溢油和石油平台探测

传统单极化合成孔径雷达虽然成像范围大，但是仅提供海面目标的后向散射强度信息，因而只能通过计算机图形学方法和智能分类方法探测海面目标如溢油和舰船等。全极化雷达虽然能够提供成像目标的散射矩阵，即不仅包含信号强度而且有相位信息，因而广泛应用于陆地和海洋目标检测和分类应用。然而，全极化雷达成像幅宽较窄，因而无法适用于业务化监测的需要。新型的简缩极化成像模式可以提供中分辨率宽幅观测，而且包含丰富的极化信息。此外，简缩极化协方差矩阵可以通过不同的重构算法，获取伪全极化雷达观测，进而达到宽幅全极化探测海洋目标的目的。工程中心利用全极化雷达在不同海况下获取的大量观测，结合两种不同的简缩极化重构算法，定量重构了同极化和交叉极化后向散射，并用雷达观测进行了有效验证。结构表明：选择合适的重构算法和双次散射和体散射比率值，可以提高交叉极化后向散射的重构精度。在此基础上，发展了基于物理机制的海洋溢油和石油平台相对相位探测模型，该模型能够有效区分单次和双次散射，从而辨别清洁海面、溢油和石油平台。为了验证模型的有效性和准确性，我们利用GPS石油平台位置测量和机载光学平台溢油观测验证了探测结果。上述研究为即将发射的雷达卫星星座计划上搭载简缩极化雷达监测全球海洋溢油和海上人工目标提供了相应的技术支撑。

图7.RADARSAT-2于2011年7月14日在美国墨西哥湾获取的全极化SAR图像（左上）；利用简缩极化重构模式重构的伪全极化SAR图像（右上）；利用29副重构的伪全极化SAR图像结合简缩极化海洋溢油和人工目标探测模型（相对相位）映射的石油平台位置（中左）；美国国能源署利用GPS测量的石油平台位置（中右）；利用重构的伪全极化雷达海洋溢油图像计算的相对相位，利用相对相位映射的海洋溢油探测结果，机载光学设备观测海洋溢油。