近日，在國家重點研發(fā)計劃“高分辨率極區(qū)冰凍圈主被動微波探測技術(shù)“項目和中國科學(xué)院科研儀器設(shè)備研制項目“空基主被動冰川探測儀“的支持下，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點實驗室朱迪研究員團(tuán)隊于2024年11月在我國昆侖山脈古里雅冰川開展了航空飛行試驗，成功獲取了昆侖山脈古里雅冰川的機(jī)載高分辨率三維冰川厚度、冰底地形圖和冰表地形圖，標(biāo)志著我國在山岳冰川透視探測領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。試驗中，空間中心自主研發(fā)的雙頻超寬帶航空冰川雷達(dá)首次獲取了優(yōu)于0.5米垂直分辨率的冰川透視探測數(shù)據(jù)。通過與已有古里雅冰川透底冰芯資料的對比分析，雙頻超寬帶航空冰川雷達(dá)在300m冰厚下，測量值與冰芯僅誤差0.08m。在對試驗獲取的水平相距200m，垂直分布的21條測線數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理后，科研人員成功繪制出了古里雅冰川的三維冰川厚度圖、冰底地形圖和冰表地形圖。圖1 古里雅冰川厚度地形圖圖2 古里雅冰川底部地形圖圖3 古里雅冰川表面地形圖圖1冰川厚度圖清晰地呈現(xiàn)了冰川的厚度分布情況。數(shù)據(jù)顯示，古里雅冰川最厚處約為370米，位于（81.46°E ，35.24°N）。值得注意的是，這一位置與1992年和2015年古里亞冰川科考的地面探測結(jié)果高度吻合。通過冰川厚度分布圖，可以準(zhǔn)確計算古里雅冰川的儲量和變化情況，為冰川物質(zhì)平衡研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。在探測精度方面，科研團(tuán)隊使用冰芯附近的多航線散射回波進(jìn)行二維插值計算得到冰芯位置的冰深為309.81米，與2015年古里雅高原冰芯鉆取長度309.73米僅相差0.08米，驗證了此次探測工作的精度和準(zhǔn)確性。圖2冰川底地形圖則揭示了冰下山脈的位置和走向?？蒲袌F(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，冰川厚冰區(qū)域?qū)?yīng)于冰底地形為山谷區(qū)域，這與山岳冰川的累積形成機(jī)理相吻合。以冰芯位置為中心，分布著四座山峰。其中，冰芯東西兩側(cè)約1千米的兩座山峰位置和深度分別為（81.47°E ，35.23°N），距冰表大約100米，和（81.47°E ，35.24°N），距冰表大約130米；冰芯南北兩側(cè)相距約3千米處有兩座山峰，位置和深度分別為（81.45°E ，35.24°N），距冰表大約40米，和（81.49°E ，35.23°N）。值得注意的是，這兩座山峰超出了冰表，但由于相距較遠(yuǎn)，中間有一段較為平坦的厚冰區(qū)域。圖3冰川表面海拔地形圖顯示，盡管古里雅冰川是平頂冰川，但其冰表地形仍存在一定的起伏。根據(jù)航空冰雷達(dá)優(yōu)于0.5米的垂直分辨率，機(jī)載慣導(dǎo)和GPS設(shè)備的定位能力，將有助于監(jiān)測和估計冰川的消融過程。此次航空冰川透視探測試驗的成功開展，不僅為古里雅冰川研究提供了寶貴資料，豐富了我國冰川的透視探測數(shù)據(jù)集，還完善了山岳冰川多頻段輻射傳輸模型?？蒲袌F(tuán)隊表示，如果這一冰川探測方法能夠推廣，將極大提高我國冰川儲量的探測精度和冰下環(huán)境參數(shù)的獲取能力。展望未來，科研團(tuán)隊計劃基于試驗數(shù)據(jù)發(fā)展冰川的運(yùn)動模型、冰川儲量模型、分層冰溫模型等，這些探測數(shù)據(jù)和反演模型將為南北極冰川/海冰探測、星載冰凍圈探測提供數(shù)據(jù)支撐和模型基礎(chǔ)。
2025-09-09
近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感重點實驗室雷洋研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊在國際遙感領(lǐng)域刊物《環(huán)境遙感》（Remote Sensing of Environment）上發(fā)表最新研究成果，該團(tuán)隊在國際上首次利用星載 L 波段雙站單極化、單基線雷達(dá)干涉測量技術(shù)，實現(xiàn)了多個森林垂直結(jié)構(gòu)信息的同步反演（森林三維垂直剖面、林下地形、樹高）。圖 1 國產(chǎn)L波段雷達(dá)干涉衛(wèi)星陸探1號雙站模式在眾多參數(shù)中，森林高度作為核心指標(biāo)，與森林地上生物量存在顯著關(guān)聯(lián)。因為，科學(xué)界長期期望能在中高空間分辨率（<100 米）上直接獲取森林生物物理參數(shù)（如高度與生物量）的量值及空間分布。該尺度既可解析熱帶森林的異質(zhì)性特征，亦可監(jiān)測森林干擾動態(tài)。而星載L波段雙站合成孔徑雷達(dá)(SAR)干涉測量被廣泛認(rèn)為是一項有潛力實現(xiàn)上述目標(biāo)的技術(shù)，但通常要獲得森林三維垂直結(jié)構(gòu)信息（例如森林垂直結(jié)構(gòu)剖面、林下地形、樹高等）需要多種極化、多組基線才能實現(xiàn)。這對衛(wèi)星載荷資源的要求較高，而國內(nèi)外相關(guān)的雙站干涉雷達(dá)衛(wèi)星（如德國宇航中心的TanDEM-X、中國的陸探1號）均主要采用單基線和單極化觀測模式，這在不同程度上制約了其在林業(yè)方面的應(yīng)用。雷洋團(tuán)隊在研究中以我國海南島的熱帶雨林為研究區(qū)域，重點聚焦海南熱帶雨林國家公園。這里擁有豐富的生物多樣性，生長著熱帶雨林、亞熱帶常綠林等多種植被類型，是研究森林生態(tài)系統(tǒng)的理想場所。研究團(tuán)隊借助中國陸探1號衛(wèi)星任務(wù)所獲取的星載 L 波段雙站雷達(dá)干涉（InSAR）數(shù)據(jù)，采用小視數(shù)干涉相位高度直方圖方法來獲取森林垂直結(jié)構(gòu)剖面。測量得到的小視數(shù)干涉相位高度直方圖與激光雷達(dá)波形高度吻合，均捕捉到了森林垂直結(jié)構(gòu)剖面的相似特征。圖 2 星載激光雷達(dá)波形與陸探1號森林垂直剖面對比圖 3 陸探1號生成的海南尖峰嶺區(qū)域森林三維垂直剖面產(chǎn)品圖 4 本研究技術(shù)流程圖為了更好地進(jìn)行校準(zhǔn)，團(tuán)隊進(jìn)一步改進(jìn)了基于小視數(shù)干涉相位高度直方圖的林下地形估計方法，整合了美國宇航局（NASA）的全球生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)調(diào)查激光雷達(dá)（GEDI）和冰、云和陸地高程衛(wèi)星2號/高級地形激光高度計系統(tǒng)（ICESat-2/ATLAS）的兩個星載激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)用做校準(zhǔn)。在數(shù)字地形模型（DTM）估計方面，研究團(tuán)隊開發(fā)了兩種地形估計策略：一種是利用充足的星載激光雷達(dá)樣本（以激光雷達(dá)高度為特征），另一種是利用有限的星載激光雷達(dá)樣本（以小視數(shù)雷達(dá)干涉相位高度標(biāo)準(zhǔn)差為特征），這兩種策略均依賴于將地形高程與小視數(shù)干涉相位高度直方圖統(tǒng)計特征相關(guān)聯(lián)的統(tǒng)計回歸模型。隨后，團(tuán)隊利用類似從激光雷達(dá)波形導(dǎo)出高度指標(biāo)的方法，直接從小視數(shù)干涉相位高度直方圖反演得到了森林高度。最終，生成了覆蓋中國海南島整個熱帶雨林地區(qū)、總面積達(dá) 2.74萬平方公里的大規(guī)模林下地形和森林高度分布圖。圖 5 陸探1號生成的海南森林高度產(chǎn)品（10 m分辨率）圖 6 陸探1號生成的海南林下地形產(chǎn)品（10 m分辨率）經(jīng)過與機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)驗證，對于高度在 45 米的熱帶森林，其高度估計精度約為 5 米，相對誤差在 10% - 15% 之間。而干涉技術(shù)估計的林下地形DTM 與機(jī)載激光雷達(dá) DTM 相比，偏差可忽略不計，其不確定性（中位數(shù)絕對偏差或 MAD）取決于地形表面坡度：坡度小于 2° 時為 3 米，2° - 6° 時為 4 米，6° - 25° 時為 7 米，大于 25° 時為 9 米，均符合我國地形測繪的行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。相比多極化、多基線星載或機(jī)載觀測方案，本研究方法為全球森林監(jiān)測提供了成本效益高的替代方案。研究為結(jié)合國產(chǎn)星載 L 波段雙站雷達(dá)干涉數(shù)據(jù)（如陸探1號及其后續(xù)任務(wù)）的升降軌觀測，進(jìn)行大規(guī)模森林三維垂直結(jié)構(gòu)剖面、高度指標(biāo)、生物量、林下地形以及這些森林參數(shù)變化的全面測繪開辟了新的道路，對森林碳儲量估計、森林資源變化監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生物多樣性研究具有重要意義。這項研究由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心牽頭，國家林業(yè)和草原局林草調(diào)查規(guī)劃院、中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院、武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院、海南大學(xué)三亞南繁研究院、自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心、中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所等多家單位的學(xué)者共同參與，合作完成。研究得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的資助。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.rse.2025.114916（供稿：微波室）原文鏈接：為森林碳儲量估計等提供新方法??我國科學(xué)家實現(xiàn)了森林三維垂直結(jié)構(gòu)信息反演
2025-07-30
按照自然資源部關(guān)于中國第41次南極考察工作部署，在國家海洋局極地考察辦公室、中國極地研究中心大力支持下，由中國科學(xué)院國家空間中心（以下簡稱“空間中心”）牽頭的國家重點研發(fā)計劃項目“高分辨率極區(qū)冰凍圈主被動微波探測技術(shù)”近日完成了國際上首次在南極開展的超寬帶高光譜微波輻射計空地聯(lián)合實驗。該實驗采用機(jī)載航空實驗和冰面點測實驗相結(jié)合的方式，利用超寬帶高光譜微波輻射計完成了南極典型區(qū)域冰蓋內(nèi)部層輻射亮溫的觀測，可實現(xiàn)南極冰下溫度分布的遙感探測。項目課題單位同濟(jì)大學(xué)設(shè)計并實施了此次南極空地聯(lián)合實驗，包括了機(jī)載和車載實驗：在中山站附近冰蓋區(qū)域的2次直升機(jī)校飛實驗，飛行距離300余公里；在中山站至昆侖站1200余公里熊貓計劃（PANDA）斷面實施的5次車載冰面點測實驗。超寬帶高光譜微波輻射計由項目牽頭單位空間中心微波遙感技術(shù)重點實驗室科研團(tuán)隊自主研發(fā)，如圖1、2所示。該輻射計具有瞬時超寬帶、實時兩點定標(biāo)、射頻干擾（RFI）檢測等特點，可以對從超高頻（UHF）到L波段的連續(xù)電磁波頻譜進(jìn)行同步觀測，開關(guān)實時切換Cold-FET（在低溫條件下工作的場效應(yīng)晶體管）低溫寬帶噪聲源和匹配負(fù)載實現(xiàn)對系統(tǒng)高低溫兩點定標(biāo)，高采樣率、高精度數(shù)字譜儀實現(xiàn)對冰蓋內(nèi)部層輻射亮溫的層析測量。圖1 機(jī)載超寬帶高光譜微波輻射計實物圖2 車載超寬帶高光譜微波輻射計實物為了使輻射計適應(yīng)機(jī)載、車載兩種不同的工作場景，發(fā)揮設(shè)備最佳性能，科研人員研制了兩套不同工作體制的超寬帶高光譜微波輻射計。其中，圖3是機(jī)載超寬帶高光譜微波輻射計正在執(zhí)行飛行實驗，它配備獨立供電和慣導(dǎo)系統(tǒng)，全自動運(yùn)行，采用懸停方式吊掛在機(jī)腹下方，沿著飛行測線對冰蓋進(jìn)行觀測；圖4是車載超寬帶高光譜微波輻射計正在進(jìn)行地面定點觀測，設(shè)備主機(jī)吊掛在雪地車伸縮臂上，由駕駛室內(nèi)操作人員遠(yuǎn)程控制設(shè)備工作。圖3 機(jī)載超寬帶輻射計直升機(jī)飛行實驗圖4 車載超寬帶輻射計雪地車冰面點測實驗本次實驗觀測數(shù)據(jù)將與現(xiàn)有的航空和地面冰雷達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)合，開展模型修正和反演重建，實現(xiàn)冰下溫度、結(jié)構(gòu)、密度等多參數(shù)的主被動微波聯(lián)合觀測、科學(xué)驗證與評價。此次空地聯(lián)合實驗為我國未來機(jī)載和星載平臺的主被動微波極地探測奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)，進(jìn)一步提升我國在全球氣候變化領(lǐng)域的話語權(quán)。（供稿：微波室）????原始鏈接：空間中心科研團(tuán)隊在國際上首次實現(xiàn)在南極開展超寬帶微波輻射計空地聯(lián)合實驗
2025-03-19
近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點實驗室徐星歐副研究員與荷蘭皇家氣象局Ad??Stoffelen研究員合作，在微波散射計高精度風(fēng)場測量機(jī)理研究方面取得了重要進(jìn)展，相關(guān)成果已發(fā)表于期刊：IEEE Geoscience?and Remote Sensing Magazine（當(dāng)前影響因子：16.2）。星載微波散射計已具有超過40年的海面風(fēng)矢量觀測歷史。在微波散射計觀測的空間尺度上，海洋表面風(fēng)、風(fēng)切變和對流等信息通常難以通過模型充分解析，因此，微波散射計成為了海氣環(huán)境觀測的重要傳感器之一。通常，使用地球物理模型函數(shù)（Geophysical??Model Functions ，??GMF）將微波散射計觀測的歸一化后向散射系數(shù)（NRCS）映射到海面風(fēng)場。然而，真實的海面觀測場景非常復(fù)雜：風(fēng)浪特征受風(fēng)距或波齡調(diào)制，并受到長波浪或波浪的非線性相互作用的影響；此外，風(fēng)浪在整個海浪譜中的特征分布還受到陣風(fēng)能量輸入的影響?，F(xiàn)有的GMF未考慮非風(fēng)浪的長波浪參數(shù)和海況的影響。隨著微波散射計觀測處理算法和硬件的進(jìn)步，微波散射計測量中的非風(fēng)浪信號得到了越來越多的關(guān)注。該研究對微波散射計觀測場景進(jìn)行了概念性描述，并通過海氣邊界能量耦合的相關(guān)公式推導(dǎo)，提取了場景相關(guān)的重要參數(shù)。同時，通過與浮標(biāo)等多源觀測數(shù)據(jù)的時空匹配，結(jié)合已有的GMF信息，對微波散射計測量機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析。研究結(jié)果表明，現(xiàn)有微波散射計觀測的NRCS不受非局部浪和海況的影響，并通過個例分析，展示了在極端海況條件下對颶風(fēng)的觀測效果。研究成果為高風(fēng)速反演GMF的修正以及下一代能夠同時測量海洋表面風(fēng)場和波浪運(yùn)動的散射計設(shè)計提供了有力的參考。圖1 研究涉及的觀測場景概念圖文章受到重點研發(fā)項目的子任務(wù)“海洋氣象關(guān)鍵要素的空天遙感技術(shù)與算法研究”（項目編號2022YFE0204600）和歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）海洋與海冰衛(wèi)星應(yīng)用設(shè)施（OSI SAF）聯(lián)合資助。文章鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10811669引文信息：Xingou?Xu?and Ad Stoffelen,?"Wind and Sea State Signatures in Wind??Scatterometry: An analysis,"in IEEE Geoscience and Remote Sensing??Magazine,doi: 10.1109/MGRS.2024.3501472?（供稿：微波室）原始鏈接：空間中心科研人員在微波散射計觀測機(jī)理研究中取得進(jìn)展
2025-01-02
多通道雷達(dá)系統(tǒng)因其在目標(biāo)探測、跟蹤、成像和識別方面的卓越性能近年來受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。作為一種新型多通道雷達(dá)系統(tǒng)，寬帶矢量噪聲雷達(dá)通過在一組正交極化天線通道上同時發(fā)射隨機(jī)正交電磁信號，然后利用矢量匹配濾波器來并行接收和處理到達(dá)每個通道的目標(biāo)散射回波，從而實現(xiàn)對復(fù)雜目標(biāo)全極化散射信息的高分辨率、快速、精確測量，體現(xiàn)了噪聲雷達(dá)技術(shù)研究的新進(jìn)展。在寬帶矢量噪聲雷達(dá)系統(tǒng)中，隨機(jī)發(fā)射波形之間良好的正交性能夠保證其回波在接收機(jī)端得以有效分離，是降低矢量匹配濾波器輸出信號間相互干擾的重要前提。特別地，當(dāng)探測目標(biāo)處于高速運(yùn)動狀態(tài)時，匹配濾波器組的脈沖壓縮特性還會受到回波多普勒頻移的嚴(yán)重影響。尤其是對隨機(jī)相位編碼、互補(bǔ)序列等波形，目標(biāo)運(yùn)動即便引入很小的多普勒頻移也會導(dǎo)致脈沖壓縮性能下降：旁瓣升高和正交性惡化，嚴(yán)重制約了雷達(dá)系統(tǒng)對高動態(tài)目標(biāo)的探測能力。圖一 L波段寬帶矢量噪聲雷達(dá)系統(tǒng)為解決這一技術(shù)難題，在國家自然科學(xué)基金面上項目基金《寬帶矢量噪聲雷達(dá)技術(shù)》等支持下，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點實驗室張云華研究員團(tuán)隊的陳云博士生等以矢量噪聲雷達(dá)高動態(tài)目標(biāo)高精度極化散射測量為應(yīng)用背景，深入研究了存在多普勒頻移情況下具有較低加權(quán)積分旁瓣電平（WISL）的單模離散相位序列與接收濾波器的聯(lián)合設(shè)計問題，重點關(guān)注可用于在同極化和交叉極化通道構(gòu)造分別具有“圖釘型”和全零模糊函數(shù)形狀的序列集和濾波器組的設(shè)計方法。為了控制失配濾波引起的信噪比損失，他們在目標(biāo)函數(shù)中以懲罰函數(shù)的形式引入信噪比損失約束函數(shù)，并通過對序列的每個元素施加離散相位約束來構(gòu)建聯(lián)合設(shè)計問題。為有效求解此非凸優(yōu)化問題，他們進(jìn)一步提出了一種基于優(yōu)化最小化法（MM）和坐標(biāo)下降法（CD）的交替迭代算法（WISL-MMCD），解決了傳統(tǒng)方法由于離散相位序列自由度受限而引起的多普勒容限降低問題，并通過采用SQUAREM方案和FFT運(yùn)算極大提高了算法的優(yōu)化效率。圖二 WISL-MMCD與WeBEST-e和WPSL-CD等典型算法設(shè)計波形經(jīng)寬帶矢量噪聲雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射-接收鏈路后在不同極化通道（HH、HV、VH和VV）所得實測波形模糊函數(shù)的對比利用課題組前期研發(fā)的L波段寬帶矢量噪聲雷達(dá)系統(tǒng)（圖一）與WeBEST-e和WPSL-CD等典型設(shè)計算法所開展的發(fā)射-接收鏈路實測對比實驗表明，所提出的WISL-MMCD算法能以可接受的信噪比損失為代價顯著抑制發(fā)射波形的加權(quán)積分旁瓣電平；基于該算法所設(shè)計的互補(bǔ)序列離散相位編碼波形同時兼具低旁瓣、高正交性和高多普勒容限等優(yōu)良性能（圖二），具有工程應(yīng)用價值。以上研究成果發(fā)表在信號處理和遙感領(lǐng)域期刊IEEE Transactions on Signal Processing和Remote Sensing上。文章及鏈接：Yun??Chen, Zixuan Chen, Yunhua Zhang, Jiefang Yang, Dong Li, “Joint Design??of Doppler Resilient Unimodular Discrete Phase Sequence Waveform and??Receiving Filter for Multichannel Radar,” IEEE Transactions on Signal??Processing, vol. 72, pp. 4207-4221, 2024. DOI: 10.1109/TSP.2024.3458175Yun??Chen, Yunhua Zhang, Dong Li, Jiefang Yang. “Joint Design of??Complementary Sequence and Receiving Filter with High Doppler Tolerance??for Simultaneously Polarimetric Radar,” Remote Sensing, vol. 15, no. 15,??pp. 3877 (1-23), 2023. DOI: 10.3390/rs15153877（供稿：微波室）
2024-12-30
海洋重力場和海底地形反演是地球物理學(xué)、大地測量學(xué)、衛(wèi)星遙感等學(xué)科的重要研究方向，其不僅為地球物理學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)、海洋生物學(xué)、冰川學(xué)、水文學(xué)等前沿科學(xué)研究提供著重要的地球空間基礎(chǔ)信息支撐，同時在火山活動監(jiān)測、地震預(yù)報與監(jiān)測、空間飛行器發(fā)射和定軌、水下導(dǎo)航等方面具有重要的實際應(yīng)用價值。近三十年來，星載雷達(dá)高度計海洋觀測數(shù)據(jù)已成為反演高精度、高分辨率海洋重力場和海底地形的重要數(shù)據(jù)源。然而傳統(tǒng)星下點雷達(dá)高度計只能測得一維沿軌的海面高度，觀測效率低、時空分辨能力受限，且其交軌方向的測高精度難以與沿軌方向保持一致，限制了海洋重力場反演精度的進(jìn)一步提升。寬刈幅成像雷達(dá)高度計以其卓越的寬刈幅測繪能力、高分辨率成像能力和高精度測高能力，有望帶來海洋重力場反演技術(shù)新的突破。寬刈幅成像高度計采用偏離天頂點的小入射角雷達(dá)成像并結(jié)合孔徑合成和短基線干涉技術(shù)，能夠在數(shù)十至數(shù)百公里寬的觀測刈幅上對海洋表面進(jìn)行高精度三維成像測量，沿軌分辨率可達(dá)數(shù)十米，交軌分辨率可達(dá)數(shù)十至數(shù)百米。天宮二號三維成像高度計是國際上首個進(jìn)入太空的寬刈幅成像雷達(dá)高度計，也是國際上首個星載小入射角成像雷達(dá)，由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點實驗室研制。自2016年9月15日隨天宮二號空間實驗室發(fā)射升空以來，天宮二號高度計獲取了海量小入射角雷達(dá)圖像和寬刈幅海面測高數(shù)據(jù)，為人類對地觀測提供了全新視角，在海洋科學(xué)研究和應(yīng)用研究方面發(fā)揮了重要價值。近期，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點實驗室張云華研究員團(tuán)隊的孫孟博士生等設(shè)計并實現(xiàn)了一整套適用于寬刈幅成像高度計數(shù)據(jù)的重力異常反演方法。具體包括：開闊海域和海陸邊界的重采樣與景拼接、適用于重力反演的基線誤差校正、針對寬刈幅數(shù)據(jù)的垂線偏差解算方法及GPU實現(xiàn)等，并在南海復(fù)雜地形海域開展了基于天宮二號高度計數(shù)據(jù)的重力反演實驗。圖一所示為天宮二號高度計和國外Jason-2+SARAL反演所得重力異常和殘余重力異常。從定性角度看，二者結(jié)果高度一致，均能清晰揭示南海地區(qū)海底地形結(jié)構(gòu)。盡管如此，殘余重力異常對比表明，天宮二號高度計反演結(jié)果在更高的空間分辨率下波動較小。同時從圖中放大的菲律賓巴拉望島（Palawan??Island）附近反演結(jié)果也可看出，天宮二號高度計在近岸的表現(xiàn)更優(yōu)異。圖一：南海區(qū)域天宮二號高度計與Jason-2+SARAL反演所得重力異常（上）和殘余重力異常（下）在定量評估方面，以國際上廣泛認(rèn)可的海洋重力模型SIO?? V32.1、DTU17和EGM2008等為參考，天宮二號高度計反演結(jié)果的均方根誤差比傳統(tǒng)高度計結(jié)果小1mGal左右；以美國國家環(huán)境信息中心（NCEI）的船測重力數(shù)據(jù)為參考，天宮二號高度計反演結(jié)果的均方根誤差比傳統(tǒng)高度計約小0.6mGal。圖一的反演結(jié)果采用了191軌的天宮二號高度計數(shù)據(jù)和3018軌的Jason-2??(1406軌) + SARAL??(1612軌)數(shù)據(jù)。這些實驗結(jié)果充分展示和驗證了天宮二號雷達(dá)高度計具有的更高觀測效率、更高垂線偏差東向分量精度、更好的北向和東向分量精度一致性、以及更高的重力異常精度和更高的空間分辨率。圖二：重力異常誤差隨離岸距離變化趨勢鑒于南海區(qū)域島嶼眾多且海岸線復(fù)雜，研究團(tuán)隊以離海岸線距離進(jìn)一步劃分實驗區(qū)域，開展了更精細(xì)的對比研究。圖二所示結(jié)果表明，盡管天宮二號高度計和傳統(tǒng)高度計的反演精度都會受到陸地的影響，但得益于垂線偏差東向分量的改善，天宮二號高度計的均方根誤差始終小于傳統(tǒng)高度計。此外，天宮二號高度計在沿海地區(qū)受陸地影響更小，展現(xiàn)出寬刈幅雷達(dá)高度計在近岸海面測高和重力反演上的較大提升潛力。圖三：天宮二號高度計反演所得西太平洋（左）及中國南海（右）特定區(qū)域的海底地形在高精度海洋重力場反演的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊翟文帥副研究員等進(jìn)一步開展了海底地形反演研究。他們基于天宮二號高度計反演的重力異常數(shù)據(jù)，應(yīng)用重力地質(zhì)法（GGM）和Smith-Sandwell方法（SAS）獲得了位于西太平洋和中國南海兩處5°×5°大小的海底地形，分辨率為1′×1′，如圖三所示，這是首次由寬刈幅成像雷達(dá)高度計數(shù)據(jù)所繪制的海底地形圖。以船測水深數(shù)據(jù)為參考，兩個區(qū)域的海底地形反演結(jié)果均方根誤差分別為69.882m和50.110m。與國際上五個權(quán)威全球地形模型的最新版本相比較，天宮二號高度計結(jié)果優(yōu)于分辨率同為1′的DTU??21模型和SIO topo??V25.1模型，在南海海域甚至優(yōu)于分辨率為15″的SRTM15+V2.5.5模型，與ETOPO2022模型和GEBCO2023模型的精度十分接近。以上研究成果發(fā)表在地學(xué)和遙感領(lǐng)域期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing、Remote Sensing和Marine Geodesy上。文章及鏈接：Meng??Sun, Yunhua Zhang, Xiao Dong, and Xiaojin Shi, "Performance of??Tiangong-2 Interferometric Imaging Radar Altimeter on Marine Gravity??Recovery Over the South China Sea," IEEE Transactions on Geoscience and??Remote Sensing, vol. 62, pp. 1-13, 2024. DOI: 10.1109/TGRS.2024.3429404.Meng??Sun, Yunhua Zhang, Xiao Dong, and Xiaojin Shi, "Preliminary Results of??Marine Gravity Recovery by Tiangong-2 Interferometric Imaging Radar??Altimeter,"?Remote Sensing, vol. 15, no. 19, 4759, 2023. DOI:??10.3390/rs15194759.Wenshuai??Zhai, Yunhua Zhang, Meng Sun, Xiao Dong, and Xueyan Kang, "Seafloor??Topography Recovery Using the Observation Data of Tiangong-2??Interferometric Imaging Radar Altimeter," Marine Geodesy, pp. 1-19,??2024. DOI: 10.1080/01490419.2024.2401332.（供稿：微波室）
2024-10-09
圓極化天線由于具有抑制法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、減小雨霧干擾、抗多徑干擾等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、導(dǎo)航和雷達(dá)等系統(tǒng)中。在實際應(yīng)用中高增益天線往往能夠滿足更多的需求，而陣列技術(shù)是實現(xiàn)高增益天線的一種直接有效的方式。與窄帶天線相比，寬帶天線能使雷達(dá)系統(tǒng)具有更好的抗干擾特性，同時提高雷達(dá)探測能力。因此，寬帶圓極化微帶陣列天線憑借其諸多優(yōu)勢成為了近年來的研究熱點之一。圖 1 新型寬帶圓極化超表面陣列天線示意圖盡管如此，傳統(tǒng)微帶圓極化天線設(shè)計方法產(chǎn)生的圓極化帶寬非常有限。圓極化微帶天線的帶寬主要受到兩個因素的限制：首先，微帶天線具有較高的品質(zhì)因素（Q值），而Q值越高，則意味著天線的儲能越多，向外輻射的能量越少。同時，天線的Q值與帶寬成反比關(guān)系；其次，諧振式天線的特性與其電尺寸密切相關(guān)，切角的方式僅能夠調(diào)節(jié)中心頻率處的正交模，以滿足圓極化相應(yīng)的相移條件。然而，當(dāng)工作頻率偏離中心頻率時，切角結(jié)構(gòu)的電尺寸將發(fā)生變化，導(dǎo)致難以保持中心頻率時的特性。圖 2? 陣列天線實物圖以及暗室測試環(huán)境為了解決這一技術(shù)難題，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點實驗室博士研究生柳海鵬與張云華研究員、趙曉雯副研究員提出了一種新型的寬帶圓極化超表面陣列天線，該陣列天線具有寬帶化、低成本、和低剖面等優(yōu)勢（圖1為設(shè)計的新型寬帶圓極化超表面陣列天線）。該研究提出的寬帶圓極化超表面單元能夠結(jié)合兩層超表面的協(xié)同作用共同實現(xiàn)寬帶特性。同時，超表面單元天線保證在寬頻帶范圍內(nèi)滿足圓極化所需的相移條件，避免復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。此外，針對寬帶陣列在高頻段出現(xiàn)較高副瓣電平的問題，基于方向圖疊加原理提出的寄生切角方環(huán)，能夠在不額外增加陣列尺寸且不影響陣列其它輻射特性的前提下，降低了陣列在高頻段的副瓣電平。該超表面陣列天線具有寬帶化、小型化的優(yōu)點，在一些需要寬帶化的小型化雷達(dá)系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景；同時，寬帶天線能使雷達(dá)系統(tǒng)具有更好的抗干擾特性，同時提高雷達(dá)探測能力。圖 3? 陣列天線|S11|仿真與實測結(jié)果圖 4? 陣列天線的軸比和增益仿真與實測結(jié)果該研究成果發(fā)表在微波天線領(lǐng)域期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation上。研究得到了中國科學(xué)院青年促進(jìn)會基金（2022148）、國家自然科學(xué)基金（61901451）等的支持。文章鏈接H.??Liu, Y. Zhang and X. Zhao, "A Wideband Circularly Polarized Antenna??Array Loaded With Dual-Layer Metasurface," in IEEE Transactions on??Antennas and Propagation, vol. 72, no. 8, pp. 6717-6722, Aug. 2024, doi:??10.1109/TAP.2024.3365269.https://ieeexplore.ieee.org/document/10440036（供稿：微波室）
2024-09-27
金星探測是解答太陽系類地行星形成和演化、地球宜居性形成和未來發(fā)展、太陽系外宜居星球搜索策略等行星科學(xué)重大前沿問題的關(guān)鍵。已有的金星大氣遙感探測任務(wù)以可見光、紅外至紫外光譜手段為主，由于濃厚硫酸云層的遮蔽，導(dǎo)致這些探測手段穿透大氣深度有限，主要獲取了中、高層大氣和云上信息，對于60km高度以下的低層大氣，仍存在諸多觀測空白，制約了人類對金星低層大氣熱力與化學(xué)過程、表面和大氣交換與耦合、氣候演化等科學(xué)問題的認(rèn)識理解。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點實驗室董曉龍研究員、張子瑾特別研究助理等提出了利用軌道器多波段微波輻射計遙感探測金星低層大氣溫度和硫化物濃度廓線的新方法。該方法利用低頻微波的強(qiáng)穿透能力，穿透金星硫酸云獲取表面溫度數(shù)據(jù)，并利用二氧化碳、二氧化硫和硫酸氣體吸收導(dǎo)致的不同微波頻段穿透特性的差異，通過多波段微波輻射探測，獲取金星低層大氣溫度、二氧化硫和硫酸氣體濃度垂直剖面數(shù)據(jù)，以及它們隨時間和經(jīng)緯度的變化特征。為了證實該方法的可行性，研究人員建立了針對金星大氣的被動微波輻射傳輸模型，利用該模型開展了探測通道配置設(shè)計和正演仿真，結(jié)果表明，通過低頻和高頻被動微波探測相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)金星低層大氣溫度、二氧化硫和硫酸氣體濃度垂直剖面信息獲取。研究人員進(jìn)一步建立了基于貝葉斯理論的低層大氣廓線反演算法，并利用金星國際參考大氣（VIRA）和已有就位探測數(shù)據(jù)等開展了端到端仿真，結(jié)果表明，算法對金星低層大氣溫度、二氧化硫和硫酸氣體濃度廓線的反演精度分別優(yōu)于3.5K、35%??和30%。圖1 利用金星大氣輻射傳輸模型仿真的金星圓盤平均觀測亮溫與地基射電望遠(yuǎn)鏡測量結(jié)果的對比（實線表示模型仿真結(jié)果，圓圈表示地基射電望遠(yuǎn)鏡觀測結(jié)果）圖2 金星低層大氣溫度、二氧化硫和硫酸氣體濃度垂直剖面反演精度（實線表示低海拔情況，虛線表示高地情況）此項研究通過系統(tǒng)的前向和反演仿真首次證實軌道器多波段微波輻射計能夠?qū)崿F(xiàn)金星低層大氣溫度、二氧化硫和硫酸氣體濃度垂直剖面的精確探測，研究成果為我國空間科學(xué)衛(wèi)星工程候選任務(wù)“金星火山與氣候探測任務(wù)（VOICE）”論證提供了重要的技術(shù)支撐，為該任務(wù)實現(xiàn)金星全球云下大氣成分及熱力結(jié)構(gòu)探測能力突破以及金星氣候研究等重大科學(xué)突破奠定了基礎(chǔ)。此項研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科協(xié)青年人才托舉工程、中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項、空間中心“攀登計劃”項目的資助。研究成果近日發(fā)表于國際期刊Earth??and Space Science。文章鏈接：Zhang, Z.,??Dong, X., Xu, J., He, J., & Wang, W. (2024). Frequency channel??selection and performance simulation of a microwave radiometer for??temperature and sulfuric compound profiling of the Venusian lower??atmosphere. Earth and Space Science, 11, e2023EA003429.??https://doi.org/10.1029/2023EA003429（供稿：微波室）
2024-06-26
冰蓋的變化是全球變化的關(guān)鍵要素。冰蓋內(nèi)部溫度和密度廓線指的是冰蓋內(nèi)部溫度和密度的垂直分布特征，是影響冰蓋內(nèi)部動力和熱力過程的主要因素，同時也是冰蓋物質(zhì)平衡與演化等科學(xué)問題的重要輸入?yún)?shù)?，F(xiàn)有的冰芯和鉆孔等現(xiàn)場測量方式不能夠提供冰蓋空間分布觀測信息，衛(wèi)星遙感手段主要獲取冰蓋覆蓋范圍和表面狀態(tài)信息?；诘皖l微波的穿透特性發(fā)展新的主被動低頻微波探測技術(shù)是冰蓋探測的前沿技術(shù)和方向。其中，探冰雷達(dá)主要提供內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，低頻超寬帶微波輻射計具有獲取內(nèi)部溫度和狀態(tài)信息的潛力。探測冰蓋內(nèi)部溫度廓線的方法主要受到冰蓋內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)、積雪層密度波動特征等因素的影響，克服積雪層密度波動特征的干擾是反演冰蓋內(nèi)部溫度廓線時所面臨的主要挑戰(zhàn)；而目前尚未有研究提出利用遙感探測手段對冰蓋積雪層密度波動特征進(jìn)行有效估計的方法。此外，輻射亮溫對冰蓋內(nèi)部溫度的約束能力會隨深度增加而減弱，深層冰蓋溫度的反演精度也將受到很大限制?！ 檫M(jìn)一步提高冰蓋內(nèi)部溫度和密度廓線的探測能力，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點實驗室董曉龍研究員、白東錦博士生、朱迪研究員提出一種冰蓋內(nèi)部溫度和密度廓線的主被動微波聯(lián)合遙感探測方法，并獲得國家發(fā)明專利授權(quán)。該項技術(shù)綜合考慮主被動探測通道提供的冰蓋內(nèi)部物理性質(zhì)分布與冰蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)和反射特征的約束信息，將是實現(xiàn)冰蓋內(nèi)部溫度和密度垂直分布特征有效探測的新的技術(shù)發(fā)展方向?！ 〗?，白東錦、董曉龍、朱迪等人在中國科學(xué)院科研儀器設(shè)備研制項目“空基主被動冰川探測儀”、國家重點研發(fā)計劃“高分辨率極區(qū)冰凍圈主被動微波探測技術(shù)”等項目的持續(xù)支持下，同國外合作者聯(lián)合研究冰蓋內(nèi)部溫度和密度廓線的主被動微波聯(lián)合遙感探測方法取得重要成果，并利用現(xiàn)有主被動遙感觀測數(shù)據(jù)條件下應(yīng)用到實際冰蓋區(qū)域進(jìn)行了有效性驗證。研究人員首次基于物理散射算子架構(gòu)建立了能夠全面考慮分層冰蓋媒質(zhì)中非相干散射作用和層間相干作用的分層媒質(zhì)綜合輻射與散射前向模型，并提出了利用UHF和VHF波段探冰雷達(dá)回波剖面測量估計冰蓋積雪層密度波動特征的方法。在此基礎(chǔ)上，利用發(fā)展的積雪層輻射修正模型對輻射亮溫中積雪層作用的影響進(jìn)行了有效估計和修正。進(jìn)而，聯(lián)合探冰雷達(dá)回波剖面測量估計的冰體介電吸收衰減與P-L波段寬帶輻射亮溫觀測提供的互補(bǔ)約束信息，研究人員基于貝葉斯估計架構(gòu)提出了冰蓋內(nèi)部溫度廓線的主被動聯(lián)合反演算法，并基于機(jī)載主被動遙感探測數(shù)據(jù)，對格陵蘭冰蓋測線上的內(nèi)部溫度廓線和積雪層密度隨機(jī)波動特征進(jìn)行了反演和驗證。研究結(jié)果表明，利用主被動聯(lián)合遙感探測方法能夠顯著提高冰蓋內(nèi)部溫度和密度垂直分布特征的探測能力。在與實際冰芯測量的比較中看到，根據(jù)探冰雷達(dá)回波剖面估計的密度波動標(biāo)準(zhǔn)差分布是對冰芯測量的密度波動隨深度變化特征的有效描述。密度波動參數(shù)的估計結(jié)果能夠用于修正冰蓋輻射前向模擬，降低積雪層密度波動特征引入的不確定度。此外，相比于單獨利用被動輻射探測通道反演冰蓋溫度廓線的方式，聯(lián)合探冰雷達(dá)回波衰減特征與寬帶輻射亮溫觀測能夠顯著提高深層冰蓋溫度的反演精度，實現(xiàn)冰蓋內(nèi)部溫度廓線的有效約束。這將為未來冰蓋主被動聯(lián)合遙感探測的研究和發(fā)展打下重要基礎(chǔ)?！ ≡谇捌陉P(guān)于關(guān)于利用探冰雷達(dá)回波剖面約束的積雪層密度波動特征提高輻射前向模型對冰蓋實測亮溫模擬能力的研究成果（IGARSS??2020和IGARSS 2022）的基礎(chǔ)上，關(guān)于分層媒質(zhì)綜合輻射模型的研究成果已被IEEE Transactions on Geoscience??and Remote Sensing接收（https://doi.org/10.1109/TGRS.2023.3249793）。(a) B29冰芯區(qū)域密度估計與測量值比較? ? (b) GRIP區(qū)域輻射亮溫中積雪層作用的修正 圖1? 格陵蘭冰蓋積雪層密度波動特征估計及輻射亮溫修正結(jié)果 (a) 分析區(qū)域測線? ? ? ?(b) 冰蓋溫度廓線反演? ? (c) 鉆孔區(qū)域溫度反演結(jié)果比較 圖2? 冰蓋內(nèi)部溫度廓線反演分析區(qū)域及反演結(jié)果 ?。ü└澹何⒉ㄊ遥?/abbr>
2023-03-21
海表流場是關(guān)鍵海洋動力環(huán)境要素，對海洋多尺度動量與能量過程、海氣耦合、海洋物質(zhì)能量輸運(yùn)和生化循環(huán)過程等研究都具有重要意義。目前全球海表流場的觀測主要利用漂流浮標(biāo)的原位測量數(shù)據(jù)，以及利用衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)反演得到的地轉(zhuǎn)流，在空間分辨率和對流場表征的完整性上都存在不足?；诤Ｃ婊夭ǘ嗥绽疹l移測量的多普勒散射計可實現(xiàn)對全球海表全流場矢量全天時、全天候、寬刈幅的連續(xù)觀測，是衛(wèi)星海洋學(xué)的重要前沿方向。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)院重點實驗室董曉龍研究員課題組的苗媛靜等人針對海面全流場衛(wèi)星遙感的多普勒測量和反演，基于海面后向散射多普勒模型分析了不同海浪譜模型對海表流場反演的影響，利用現(xiàn)有星載、機(jī)載和岸基觀測結(jié)果優(yōu)化了海面后向散射多普勒模型的海浪方向譜模型，對風(fēng)-浪引起的多普勒頻移進(jìn)行了定量估計和分析。研究結(jié)果表明：海面波浪譜模型的選擇對于海表流場的反演有較大影響；在海面流場觀測時進(jìn)行同程海浪譜和海面風(fēng)場的測量，可進(jìn)一步減小海浪譜模型誤差和海面風(fēng)場誤差對流場反演的影響；直接利用后向散射測量數(shù)據(jù)發(fā)展聯(lián)合反演理論和方法可有效減小海面風(fēng)場誤差引入的流場誤差，是提高流場反演精度的重要研究方向。上述結(jié)果為未來海面全流場的衛(wèi)星遙感觀測技術(shù)發(fā)展提供了重要參考。圖 基于海面后向散射多普勒模型計算的風(fēng)-浪引起的多普勒速度與半經(jīng)驗多普勒模型的對比結(jié)果該研究得到中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項背景型號“全球海表流場觀測衛(wèi)星（OSCOM）”預(yù)先研究課題的支持，研究成果發(fā)表在地學(xué)和遙感領(lǐng)域著名期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing （IEEE TGRS ，IF 5.6 ，Scopus CiteScore 11.1）上。Citation: Yuanjing. Miao ,Xiaolong. Dong*,Mark. A. Bourassa and Di. Zhu,"Effects of Ocean Wave Directional Spectra on Doppler Retrievals of Ocean Surface Current,"in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,vol. 60,pp. 1-12,2022,Art no. 4204812,doi: 10.1109/TGRS.2021.3126327.（供稿：微波室）
2022-03-31
