Remote sensing of ocean waves by along-track interferometric synthetic aperture radar

A new wave retrieval method for the Along-Track Interferometric Synthetic Aperture Radar (AT-InSAR) phase image is presented. The new algorithm, named parametric retrieval algorithm (PRA), uses the full nonlinear mapping relations. It differs from previous retrieval algorithms in that it does not require a priori information about the sea state or the wind vector from scatterometer data. Instead, it combines the observed AT-InSAR phase spectrum and assumed wind vector to estimate the wind sea spectrum. The method has been validated using several C-band and X-band HH-polarized AT-InSAR observations collocated with spectral buoy measurements. In this paper, X-band and C-band HH-polarized AT-InSAR phase images of ocean waves are first used to study AT-InSAR wave imaging fidelity. The resulting phase spectra are quantitatively compared with forward-mapped in situ directional wave spectra collocated with the AT-InSAR observations. Subsequently, we combine the parametric retrieval algorithm (PRA) with X-band and C-band HH-polarized AT-InSAR phase images to retrieve ocean wave spectra. The results show that the ocean wavelengths, wave directions, and significant wave heights estimated from the retrieved ocean wave spectra are in agreement with the buoy measurements.

On the nonlinear integral transform of an ocean wave spectrum into an along-track interferometric synthetic aperture radar image spectrum

We present a new nonlinear integral transform relating the ocean wave spectrum to the along-track interferometric synthetic aperture radar (AT-INSAR) image spectrum. The AT-INSAR, which is a synthetic aperture radar (SAR) employing two antennas displaced along the platform's flight direction, is considered to be a better instrument for imaging ocean waves than the SAR. This is because the AT-INSAR yields the phase spectrum and not only the amplitude spectrum as with the conventional SAR. While the SAR and AT-INSAR amplitude spectra depend strongly on the modulation of the normalized radar cross section (NRCS) by the long ocean waves, which is poorly known, the phase spectrum depends only weakly on this modulation. By measuring the phase difference between the signals received by both antennas, AT-INSAR measures the radial component of the orbital velocity associated with the ocean waves, which is related to the ocean wave height field by a well-known transfer function. The nonlinear integral transform derived in this paper differs from the one previously derived by Bao et al. [1999] by an additional term containing the derivative of the radial component of the orbital velocity associated with the long ocean waves. By carrying out numerical simulations, we show that, in general, this additional term cannot be neglected. Furthermore, we present two new quasi-linear approximations to the nonlinear integral transform relating the ocean wave spectrum to the AT-INSAR phase spectrum.

现代黄河三角洲地区地面沉降特征研究

针对目前现代黄河三角洲地区普遍存在的地面沉降问题，本文以整个现代黄河三角洲平原地区为研究对象，通过收集的重复性水准测量数据、遥感影像、渤海海底及三角洲平原沉积物物理力学数据、长期验潮站数据以及前人文献数据等资料，综合运用雷达差分干涉测量技术（D-InSAR）、工程地质学、GIS和随机动态分析方法，探讨了现代黄河三角洲地区近期地面沉降的现状，并对其自然因素影响下的形成与发展过程进行了综合分析，最后探讨了地面沉降对三角洲发育演化的环境地质效应。 研究结果表明：现代黄河三角洲在以宁海为顶点的河口扇形区域，近期均经历了不同程度的地表下沉过程，但是随区域地理位置和时间的不同，地表变化空间差异性比较明显；三角洲顶点附近区域的下沉速率自上世纪末开始逐渐减小，后期甚至出现轻微的抬升；滨海沿岸附近地区的地表形变特征相对比较复杂，各期叶瓣相互叠置及其各类沉积物的不均匀分配，使由沉积物自然固结压实引起的地表形变具有显著的空间差异；目前，除清水沟流路叶瓣表现为快速沉降以外，其它滨海沿岸区基本上都表现为微弱的下沉。自然状态下三角洲平原的地面沉降分布主要受中―高压缩性软土层和黏性土层固结沉降的控制，分别占沉积物总固结沉降量的40～95%和3～12%（或30～50%）。三角洲平原区沉积层的自重固结沉降已进入后期缓慢沉降阶段，软弱土层的性质及厚度是控制本区不均匀沉降的主导因素。黄河新近沉积物的自重应力对海底浅层沉积物和前三角洲沉积层的固结压缩影响较大，特别是海底淤泥和淤泥质土层在受压初期会发生快速固结压缩，足以引起明显的地表下沉。近几十年来，因区域构造运动和均衡运动引起的地表绝对下沉速率约为3.42 mm/a。该区地面沉降的时空差异性及其在相对海平面上升中的叠加作用，不仅关系到三角洲的垂向发育过程，且对黄河尾闾的摆动、下游河道的淤积、海岸侵蚀和潮滩冲刷等方面都有着重要的影响。

基于GIS的黄河三角洲地面沉降研究及相关分析

黄河三角洲存在着不可忽视的地面沉降现象，并在一定程度上阻碍着三角洲的快速发展。对黄河三角洲地面沉降的研究在黄河三角洲防灾减灾、土地利用、河口河道治理等方面具有理论与实践指导意义。 本文收集了黄河三角洲地区1956年、1967年、1980年和1995年四个时期的1：5万地形图，提取高程信息，应用地理信息系统（GIS）软件生成数字高程模型并展开了相应的空间分析，得到各个时间段内黄河三角洲的地面沉降速率图，通过对各沉降速率图的统计分析得出了三角洲地区地面沉降的时空变化规律。文章继而分析了引发黄河三角洲地面沉降的三个主要诱导因子、它们在影响范围、作用时间、作用强度等方面的特点，以及在不同时间段内各诱导因子在引发地面沉降方面所发挥作用的主次。随后，在列举地面沉降对黄河三角洲产生的影响之后，归纳总结了防治地面沉降及其引发灾害的对策。最后，基于采用常规水准测量方法进行地面沉降监测费时费力，提出利用InSAR技术对黄河三角洲地面沉降进行监测的设想，并简要分析了其可行性。

干涉合成孔径雷达海浪遥感理论与应用研究

干涉合成孔径雷达 (Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR) 是以合成孔径雷达复数据提取的相位为信息源获取地表三维信息和海表散射体运动信息的新型微波成像雷达。 InSAR通过两幅天线同时观测 (单轨模式)，或两次近平行的观测 (重复轨道模式)，获取地面或海面同一景观的复图像对。20世纪90年代以来，InSAR陆地和海洋研究成为微波遥感的热点，广泛应用于地表变形监测、南极冰流测量、地面或海面慢速运动目标检测等领域。 近年来，国际上逐渐应用机载顺轨或交轨干涉合成孔径雷达进行海表面流速测量以及海面波成像机制研究。相对于传统单天线合成孔径雷达 (Synthetic Aperture Radar, SAR)，双天线干涉合成孔径雷达 (InSAR) 测量海表面波有着独特的优势： (1) InSAR复图像的相位近似正比于海面散射体的径向速度，这种内在的成像机制提供了直接测量海表面动态运动的机会。 (2) 真实孔径雷达调制传递函数几乎对InSAR相位图像没有影响，而对传统SAR图像影响较大。 基于干涉合成孔径雷达测量海浪的优势，本文做了一些干涉合成孔径雷达海浪遥感理论与应用研究工作，主要内容大致可归纳如下： (1)基于新建立的顺轨干涉合成孔径雷达 (Along-Track Interferometric Synthetic Aperture Radar，ATI-SAR) 相位谱与海浪谱之间的非线性映射关系，通过数值模拟研究了不同雷达参数和海况参数对应的ATI-SAR相位谱。数值模拟结果表明：距离速度比率、雷达入射角、天线间距和有效波高和波长比率是影响ATI-SAR海浪成像的重要因素。进一步，利用机载X波段水平极化相位图像和机载C波段水平极化相位图像谱结合方向波骑士浮标测量的海浪方向谱验证了ATI-SAR相位谱与海浪谱之间的非线性映射关系。结果显示用前向映射关系计算的相位谱与实际观测的相位谱较为一致，二者相关系数总体大于0.6，而且对成像非线性不敏感. (2)建立了包含海表面高度和速度聚束的交轨干涉合成孔径雷达 (Across-Track Interferometric Synthetic Aperture Radar，XTI-SAR) 涌浪干涉相位模型，得到了涌浪成像的解析表达式，进一步研究了XTI-SAR沿方位向传播的涌浪成像机制。定义二次谐波振幅与基波振幅比率来表征成像非线性，通过比较XTI-SAR和ATI-SAR相位的二阶调和分量，分析不同海况和干涉SAR参数情况下的数值模拟，结果表明：当速度聚束弱时，XTI-SAR相位比ATI-SAR相位具有较强的非线性，ATI-SAR比XTI-SAR更适合测量海浪。当速度聚束强时，XTI-SAR相位比ATI-SAR相位具有较弱的非线性，XTI-SAR比ATI-SAR更适合测量海浪。 (3)基于包含海表面高度和速度聚束的交轨干涉合成孔径雷达 (XTI-SAR) 涌浪干涉相位模型，结合多维高斯变量的特征函数方法建立了新的XTI-SAR相位谱与海浪谱非线性积分变换。新积分变换不同于Bao (1999) 建立的积分变换，两者形式上区别在于新积分变换中包含了长波径向轨道速度一阶倒数项。数值模拟显示：通常情况下，长波径向轨道速度一阶倒数项不能忽略。进一步，我们针对不同雷达参数和海况结合新非线积分变换对XTI-SAR海浪成像进行了数值模拟，结果表明：同顺轨干涉合成孔径雷达 (ATI-SAR) 海浪成像一致，距离速度比率 和有效波高与波长比率 是影响XTI-SAR海浪成像的重要因子。 (4)基于新的ATI-SAR相位谱与海浪谱之间的非线性映射关系，发展了利用ATI-SAR相位图像反演海浪方向谱的参数化反演模式，并由此得到海浪波长、波向和有效波高。反演结果与现场浮标观测结果比较一致。相对于其它反演模式，参数化反演模式的优点在于：(1) 不需要任何附加信息如初猜海浪谱、散射计提供的风速风向等信息。 (2) 不需要对相位图像进行辐射定标，可以由反演的海浪谱直接计算有效波高。(3) 反演结束后还可以得到成像区域的局地风速信息。因此，参数化反演模式可以实现风、浪信息的联合反演。