雷达高度计在海冰厚度探测中的研究进展

王志勇，王丽华，张晰，孙伟富，刘健

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.测绘工程国家级实验教学示范中心(山东科技大学)，山东 青岛 266590；3.自然资源部第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

0 引言

近年来，高温、干旱、洪涝等极端天气频发，气候异常成为常态，引发人们对全球气候变化、人类生存环境的思考。海冰作为全球气候变化的指示剂，南极冰川、格陵兰岛冰盖的变化关系到全球变暖、海平面上升等[1]，海冰消融一定程度上对全球温盐平衡、大气环流模式产生影响，进而对全球的天气模式产生连锁反应，影响局地或全球气候。

海冰冻结及漂移对海上航运、油气勘探及海上生产等均有不同程度的影响，甚至造成严重灾害。在我国渤海，至今，海冰已造成多次石油平台倒塌、船舶受损、航运受阻等严重危害。

实现对海冰及时准确的监测具有重要意义。在各种海冰灾害的监测参数中，海冰厚度是冰量估算、冰情评估、灾害评价、冬季海上交通管理的重要指标[1-2]。准确测量海冰厚度，可为结冰区的海上航运提供重要信息，有助于海上交通和海上工程的安全，可为“冰上丝绸之路”——北极航道的开拓、北极建站等提供支撑。

监测海冰厚度的变化对于全球制定政策有积极的指导意义。对海冰厚度的首次观测是在1873年[3]，而系统地绘制出海冰厚度图则是在一百多年以后[4]。进入21世纪后，对海冰的厚度观测逐渐增多。目前海冰厚度探测主要采用现场观测，包括现场钻孔测量、仰视声呐冰厚测量、走航观测、船载电磁感应测量仪(EM)冰厚测量等[2]，这些方法测量准确，但是费时、费力，无法获取连续的、大范围的海冰厚度数据。

相对于现场观测，航天遥感可快速、近实时获取大面积海冰信息，受到国际海冰研究界的重视。海冰厚度航天遥感包括光学遥感、高度计、辐射计、散射计、合成孔径雷达(synthetic aperture radar， SAR)等[2，5-11]，上述传感器在海冰厚度探测中都存在着一些局限，如光学遥感易受到云雾等天气影响，辐射计、散射计空间分辨率较低，而SAR冰厚反演精度受到一定限制。高度计是唯一能以cm级精度测量平均海平面高度的星载传感器[2]，但传统雷达高度计受星下点工作体制的限制，其空间分辨率差，测量精度也很难再提高，在海冰厚度探测方面存在诸多限制。

近10年来，为提高空间分辨率及测量精度，国内外学者尝试将合成孔径、干涉测量技术等[12-14]引入到雷达高度计中，提出了新一代的雷达高度计——三维成像雷达高度计(imaging altimeter，IALT)。IALT是一种新体制的雷达高度计，其工作原理与传统高度计完全不同，它综合了偏离天底点观测、高度跟踪测量、合成孔径和干涉技术等，具备宽刈幅、高分辨率、三维等特点[13-15]，在海冰探测中集成了传统雷达高度计的测高精度、SAR的宽刈幅及高分辨率、雷达干涉测量(synthetic aperture radar interferometry， InSAR)技术的三维信息等优势。

1 国内外研究现状及发展动态分析

1.1 星下点观测模式高度计在海冰监测方面面临的挑战

如图1所示，利用雷达高度计探测海冰厚度，其原理是利用高度计的回波波形信息获取海冰干舷高hf(即海冰露出水面高度)，再根据静力学方程反演海冰厚度[16-17]。海冰厚度hi可表示为式(1)。

(1)

式中：ρw为海水密度；ρs为海冰上层覆盖积雪的密度；ρi为海冰密度；hs为海冰表面覆盖的积雪的厚度；hf为海冰干舷高(即海冰的出水高度)。

图1 基于静力学方程计算冰厚几何示意图

国际上已发射了多颗雷达高度计卫星，如Seasat、TOPEX/Poseidon、Geosat、GFO、ERS-RA1、ENVISAT-RA2(表1)、Jason-1、Jason-2、Cryosat-2等[15]，并在海冰探测中得到广泛应用，如文献[18-26]分别介绍了应用不同高度计系统监测南极、北极、格陵兰岛等的海冰分布、海冰厚度、海冰变化等。

可见，该时期二书中“非”的用法南、北地域不同，北方更丰富些。周生亚在《否定副词“非”及其否定的结构形式》中指出：“‘非’作否定性判断的否定形式主要有三种名词性谓语、主谓结构谓语、动词性谓语。最主要的语法功能是否定名词性谓语。”[注]转引自刘敏《汉语否定副词来源与历时演变研究》，湖南师范大学2010年硕士学位论文。“非”在此前所否定的也多是名词或名词性谓语结构，《左传》中也是[7]。

利用雷达高度计探测海冰并估算其厚度时，主要分为2个步骤：一是海冰干舷高的获取；二是利用静力学方程反演海冰厚度。前者的不确定性主要来源于海冰与冰间水道的识别；后者则是与计算模型选取的参数有关，包括积雪深度、积雪密度、海冰密度、海冰浓度等。在海冰类型识别方面，很多学者通过对卫星高度计的波形分类来进行区分，如Laxon等[27]利用PP(脉冲峰值)进行冰间水道和海冰的识别，研究表明，脉冲峰值在波形分类方面的效果较好。此后的研究基本采用脉冲峰值与其他波形特征结合来识别海冰类型，如Armitage等[28]利用脉冲峰值、最大脉冲和后缘宽度3种波形特征，对格陵兰岛和加拿大北部海域的海冰类型进行识别；Galin等[29]则利用脉冲峰值、前缘宽度、栈标准差和后缘比4个波形特征，对北极地区的海冰进行区别。另外，Kurtz等[30]利用雷达影像对冰间水道进行识别，从而计算出海冰的干舷高度。

表1 主要的星载雷达高度计系统

此外，计算模型及其参数的选取也会给海冰厚度的计算结果带来较大的差异。季青等[31]对估算海冰厚度的4种主流算法进行了分析评价，包括主要有Laxon03算法、Kurtz09算法、Yi11算法以及Laxon13算法，发现Laxon13算法具有最小的平均误差和均方根误差，是进行海冰厚度估算的最优算法。在参数选择方面，积雪厚度的不确定性较大。对积雪厚度值的选取，主要来源为实测的气象资料学中的积雪厚度，或者对其进行一定的调整和优化。海冰表面覆盖的积雪会对厚度估算结果造成很大的影响，真实的积雪深度对于利用卫星高度计数据反演冰层厚度至关重要，许多学者在这方面做了大量的研究。如Price等[32]利用高分辨率的数值积雪模型研究了各种雪产品在估计积雪深度信息的有用性，结合各种积雪数据、实地数据，利用Cryosat-2得到的海冰干舷高反演海冰厚度。Fons等[33]考虑了海冰顶部雪层以及雪面下方的散射，利用一个双层物理模型开发了一个CroySat-2算法，用来反演南极海冰上空的空气-雪界面的表面高度，由此计算积雪干舷高度，但是在尝试用该算法反演积雪深度时，由于对冰雪反射面追踪不够准确，其结果不尽人意。Bunzel等[34]通过研究发现，积雪厚度信息的缺乏会导致卫星(如Cryosat-2等)估算的海冰厚度和体积存在相当大的不确定性，可靠的积雪深度数据可以考虑从再分析的积雪深度数据中获取。

近几年来，国内外学者对海冰厚度的研究也在不断深入。柯长青等[35]利用Cryosat-2的测高数据对2010—2017年北极海冰的厚度和体积进行了估算和验证，分析了结冰期和融冰期的海冰面积、厚度以及体积的变化特征。魏鑫等[36]基于Cryosat-2的雷达测高数据获取了格陵兰岛的海冰干舷高分布，发现干舷高其分布范围存在明显的季节性变化特征。Landy等[37]采用ICESat以及Ctyosat-2的数据提供了加拿大东部北极海冰14年的厚度观测记录，发现该地区春季海冰的消融会导致夏季淡水量发生15%的变化。Tilling等[38]利用Cryosat-2数据对北极海冰的厚度和体积进行了估算，并考虑其估算过程中的误差，对海冰体积的不确定性进行了详细的分析。

通过对文献的总结与分析，基于星下点观测模式的雷达高度计在海冰厚度探测方面存在明显不足：刈幅宽度十分有限，其测量结果仅仅是一条线；空间分辨率差，其观测足印一般是km级的，足印内可能会有非星下点回波，特别是受冰间水道、海水的回波干扰，其测量精度很难再提高；非成像系统，不能像SAR那样直接获取海冰分布的二维影像，原始数据不直观；实时性差，需要很多周期(至少1个月)的观测数据经过插值后才能获取大范围的二维海冰分布图。

1.2 SAR及InSAR技术在海冰厚度探测中的应用

SAR雷达卫星也可用于海冰厚度的探测，目前国际上已经发射了一系列的星载SAR卫星，如Seatsat(美国)、ERS-1/2(欧空局)、JERS-1(日本)、Radarsat-1/2(加拿大)、Envisat(欧空局)、ALOS-1/2(日本)、TerraSAR(德国)、TanDEM(德国)、Cosmo-Skymed(意大利)、高分三号(中国)、天绘二号01星(中国)。

早期SAR 海冰探测主要是用于识别海冰类型，提取外缘线、面积、密集度等参数[10]。近几年，SAR海冰厚度探测的研究才逐渐增多。其原理是通过建立后向散射系数与冰厚间的统计关系，反演海冰厚度[8-11]。于淼等[39]通过灰度共生矩阵计算纹理信息，建立海冰厚度与纹理参数的经验方程进行厚度反演。反演方法分为经验模型方法和散射模型方法2类。经验模型方法需获取大量同步的海冰厚度数据和SAR 散射数据，分析二者之间的相关性，建立冰厚反演的经验或半经验模型；散射模型方法利用建立的电磁散射模型，直接反推公式，求得海冰厚度。但上述方法多是在实验室条件下开展的，还需要进一步的检验。分析已有的文献资料，利用SAR数据开展冰厚探测还处于探索研究阶段，未见成熟的算法。

1.3 干涉式成像雷达高度计是未来卫星测高的重要发展方向之一

为解决传统高度计星下点测量模式存在的弊端，美国NASA最先提出了宽刈幅海洋高度计(WSOA)计划，但考虑到对Jason-2可能造成的风险以及预算超支，WSOA未能成功实施。之后，美国又提出了SWOT计划[47-49]，由美法联合研发。

SWOT集成了合成孔径、干涉测量等新技术，有2种工作模式：星下点模式、干涉模式(图2)。干涉模式的测高误差修正后可达±3 cm[50]，预计2020年前后发射。

图2 SWOT观测示意图

中国也在积极进行新体制雷达高度计的研制[14-15，51]。在姜景山院士的带领下，提出了三维成像雷达高度计计划，并进行了机载实验[14-15]，天宫二号搭载的原型实验系统已于2016年9月发射[51]。星载IALT计划搭载在新一代的海洋动力环境卫星上[52](预计2020年前后发射)，它采用3对干涉波束，其中左右两对小角度侧视干涉波束主要用于实现宽刈幅测量，而星下点的一对干涉波束除了具备传统高度计的高度模式外，还将为干涉基线倾角的测量提供帮助[52]。

中国的IALT工作于Ku波段，入射角<5°，综合了偏离天底点观测、高度跟踪测量、合成孔径和干涉技术等[14-15，51]，实际上是传统高度计、SAR、InSAR的三者结合，可充分发挥每种探测技术的优势，解决传统雷达高度计在海冰探测存在的分辨率差、刈幅窄、实时性差等缺点。

IALT的工作机制与传统的雷达高度计以及SAR都不相同(表2、图3)，它采用双天线干涉、偏离天底点(入射角<5°)模式来获取海面信息[15，51，53]。

表2 IALT与传统高度计、SAR在冰厚探测中的对比

注：为了直观显示，对入射角进行夸大，并省略左侧小入射角干涉波束。图3 基于小入射角双天线干涉技术的IALT的工作原理示意图

2 IALT海冰厚度探测机理及数据处理方面存在的问题

目前已经开展了机载合成孔径雷达高度计海冰探测的实验[14-15，54-56]，并取得了一定的研究成果，但由于缺少星载IALT数据，对于海冰厚度探测方面的研究还非常少。其独特的工作机制导致目前尚缺少相关的海冰探测的基本理论，IALT在小入射角下的海冰的回波波形、后向散射特性、干涉相位的形成机制等都缺乏研究。

1)小入射角下的海冰后向散射机理。传统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°，其后向散射机理不再是Bragg散射[57]，其散射机理为准镜面散射，其后向散射会有较大差异，普通SAR海冰厚度反演的算法无法直接应用。

2)小入射角双天线模式下的海冰干涉机理。干涉技术在高度计中已经得到应用，如2010年发射的Cryosat-2卫星[61-65]，但Cryosat-2仍然是星下点观测模式。IALT采用小入射角双天线干涉技术来获取大刈幅的海冰信息，由于入射角小(<5°)，其近距端到远距端的像元大小、高度模糊数、平地相位、相位噪声等都会发生很大变化，使得高度计在近距端与远距端的测量精度有很大差异。

3)IALT海冰厚度探测数据处理方法。受到复杂的海洋环境影响，IALT干涉数据处理要比陆地应用困难得多，IALT在海冰厚度探测方法、技术应用等方面还存在许多问题亟待解决，需要进一步探讨在复杂的海洋环境下如何实现准确的去平地效应、相位解缠等，特别是影响海冰厚度反演的算法。

3 结束语

海冰厚度一直是海冰参数中较难获取的一项，随着卫星测高技术的不断发展，海冰厚度的研究也取得了较丰富的成果，特别是在大尺度连续海冰厚度估算方面已经得到了较好的应用，但受传统星下点观测模式的雷达高度计本身的限制，很难获取实时、高空间分辨率、大幅宽的海冰厚度信息。

三维成像高度计是一种新体制的雷达高度计，可解决传统雷达高度计在海冰探测存在的分辨率差、刈幅窄、实时性差等缺点，将在未来的海冰厚度探测中发挥非常重要的作用。我国的IALT预计2020年前后发射，美国的SWOT计划预计在2020年发射，到时将会有大量的干涉式成像雷达高度计数据应用于海冰厚度探测中。特别是将为我国渤海海冰灾害评估、北极航道的开拓、南北两极海冰的时空变化、全球气候变化等提供技术支持。

三维成像高度计在海冰探测方面具有巨大的潜力，但由于其工作机制和冰厚测量机理与传统的雷达高度计完全不同，值得相关学者进行深入的研究。在后续研究中，需要进一步研究三维成像高度计的工作机理、小入射角下的海冰后向散射机理、小入射角双天线模式下的海冰厚度探测方法等。