海面監測

海面監測的主要手段是微波雷達和被動紅外，主要負責海洋環境監測、污染監測、生態監測及陸源入海污染物監測等的實時檢測反饋，負責海洋環境和海洋生態監視、溢油指紋庫和污損事件數據資料庫的管理。

海面監測對研究全球海洋環境保護、海洋生態保護與建設的規劃和海洋環境標準、開展赤潮、海冰等災害的具有重要研究意義。

基本介紹

• 中文名：海面監測
• 外文名：Sea surface monitoring
• 探測手段：微波雷達和被動紅外
• 檢測內容：環境、污染、陸源入海污染物等
• 研究意義：開展赤潮、海冰等災害的研究等
• 套用學科：海洋科學、測繪科學、大氣學

定義

海面監測的主要負責海洋環境監測、污染監測、生態監測及陸源入海污染物監測等的實時檢測反饋，負責海洋環境和海洋生態監視、溢油指紋庫和污損事件數據資料庫的管理。海面監測對研究全球海洋環境保護、海洋生態保護與建設的規劃和海洋環境標準；擬訂重點海域排污總量控制標準和實施方案、海洋石油勘探開發重大海上溢油應急計畫、海洋傾廢評價程式和標準；開展赤潮、海冰等災害的具有重要研究意義。

檢測手段

目前，遙感探測海面環境的主要手段是微波雷達和被動紅外，微波雷達成像距離遠，但在近距離處存在盲區；被動紅外可彌補盲區目標探測，但只能獲取目標紅外輻射強度輪廓像，不能獲取目標的距離信息，不能對目標進行空間位置評估；受海上環境影響較大，如目標的紅外輻射特性與背景相近時，將極大影響成像對比度，探測率有待進一步提高。

條紋管雷射成像雷達是一種先進的光電成像技術，它可同時提供反映目標材質信息的強度像和反映目標空間位置及表面結構信息的三維幾何距離像，統稱為四維像。

成像雷達近程

基本原理

條紋管雷射成像雷達是閃光式體制的，可一次成像，並能高速獲取目標四維像數據。該雷達依據瞬態光學中高精度微弱信號測量原理，使用條紋管作為成像雷達的四維像探測器，其工作原理如1所示。

圖1：條紋管的工作原理

光學系統將回波光信號的像成在狹縫上，狹縫取出的一維空間信息通過中繼透鏡成像在變像管的光電陰極上。當光電陰極上的狹縫部分被光脈衝照明時，將發射光電子，其瞬態發射密度正比於該時刻的光脈衝強度，因此光電陰極發出的電子脈衝在時空結構上是入射光脈衝的複製品。電子脈衝經靜電聚焦系統聚焦後，進入偏轉系統。偏轉系統上加有隨時間線性變化的斜坡電壓，由於不同時刻進入偏轉系統的電子受到不同偏轉電壓的作用，按照脈衝到達的時間先後順序，經MCP（微通道板）放大後到達螢光屏。在螢光屏上將沿垂直於狹縫的方向展開，這一方向對應於時間軸，可以得到沿狹縫每一點展開的時間信息，重構後便可以得到回波信號所對應的距離信息，即目標的距離像。

研究現狀

條紋管雷射成像雷達（streaktu beimaginglidar，STIL）是21世紀初美國提出並試驗演示了的一種新型非掃描閃光式雷射成像雷達，採用高探測靈敏度的條紋管作為四維像探測器，海洋透過“視窗”532nm綠光雷射為光源，利用條紋管快速探測器對不同時間到來的光子偏轉差異，實現三維空間信息和強度信息的獲取，成功地演示了水雷探測、海底地形地貌勘探等實驗，並做到了小型化。

2000年前後，美國國家海洋管理局（NOAA）與AreteAssociate聯合利用條紋管雷射成像雷達，成功地實現了大範圍海下水雷搜尋、海底地貌，並很快裝配於直升機和潛艇上，使這種體制的雷射雷達在地貌勘察、海洋監測等領域進入實用階段。2004年，已經有條紋管雷射成像雷達進行實際演練的報導

隨後，美國將該技術引入到機載遙感成像中，公布了機載條紋管雷射成像雷達航拍試驗結果[8]，通過推掃成像方式，獲取了高分辨的地面建築物場景三維距離像，如圖2所示。

圖2：機載航拍試驗

優點

由國外實驗報導可以看出，條紋管雷射成像雷達在大視場條件下，能獲得高分辨及高探測靈敏度的雷射強度像和距離像，特別是距離像，能獲取場景目標空間位置關係和目標表面空間結構，這極大簡化了複雜場景中目標分割提取的算法複雜度，因此具有較高的目標探測識別機率，這非常有利於在近程海面成像監測過程中高效檢測場景內目標，這是目前被動紅外成像體制所不具備的。

雷射成像雷達的優勢在於高空間解析度和距離解析度，其劣勢在於不能遠距離成像。目前國際上一般能獲得3km的雷射四維像。條紋管雷射雷達由於採用高探測靈敏度條紋管為探測器，可將成像距離提高到5km左右，這極大地擴展了雷射雷達的套用範圍，也能滿足近程海面監測的需求。並且隨著技術的進一步發展，獲得更遠距離的雷射四維像也是指日可待的。

套用分析

通過分析條紋管雷射成像雷達自身特點，如下條件使條紋管雷射成像雷達具備滿足近程海面監測的需求：

（1）高探測靈敏度：條紋管探測其內部有MCP，能對微弱信號進行放大，使探測器具有極高的探測靈敏度，有利於完成遠距離探測；

（2）高距離解析度：偏轉系統能提高距離解析度，使條紋管的距離解析度達到厘米量級，測距精度高；

（3）大視場成像：條紋管雷射雷達的像元數與光陰極材料線對數和尺寸有關，一般線對數為25l.p./mm，對Φ17mm光陰極來講，其像元數為1×425，因此可做到大視場和高空間解析度。

衛星測高技術

衛星測高數據可以幾公里到幾十公里以及近於全球的空間採樣解析度和覆蓋率，以及幾天到十幾天的時間採樣重複率，填補全球海岸以外廣闊海洋潮汐觀測的空白，提供豐富的海平面變化信息和平均海面全球精細結構以及海洋流場時空變化信息。目前，T/P和ERS2測高衛星在星載GPS定位和最新的JGM-3和EGM全球重力場模型的支持下，測高精度已達到cm級，因此衛星測高技術已成為監測海平面變化的重要手段之一。

研究海潮信息

該項研究利用的TOPEX/Poseidon衛星測高數據是由法國空間研究中心CNES提供的綜合地球物理數據記錄(MergedGeophysicalData Records，簡稱MGDR)，該數據包括了TOPEX/ Poseidon的雷達測高數據及相應的改正參考值。衛星測高技術觀測的是衛星到瞬時海面的光行時，經過大氣對流層延遲、電離層延遲改正後得到衛星到瞬時海面的距離。根據衛星的精密星曆和參考面模型(可選擇為參考橢球面、大地水準面或平均海平面)就可以計算出瞬時海面相對於參考面的高度，在進行潮汐、固體潮和極潮等地球物理項的改正就可以計算出平均海面高度。

衛星測高資料中包含了海冰和部分陸地的觀測數據，在剔除這些資料後，還應考慮由於高度計等星載儀器異常而導致的觀測異常，對此，MGDR提供了數據質量控制的標準。處理用上述標準外，本項工作增加了測高海面高度相對於平均海平面高模型值偏差的標準。該值包含了軌道、潮汐、儀器等各種改正模型的誤差和隨機噪聲，一般情況下不超過±1m。衛星飛行過程中，特別是當從陸地進入海洋上空時，可能會出現高度計失鎖，這時，計算得到的相對於平均海平面模型的海面高度會出現很大的異常，有時達到幾十米，但根據其他質控標準又不能將其剔除，故以±3m的標準控制這種測高計異常現象。

研究ElNino過程

每隔2～7年，南美太平洋沿岸的海水表面溫度將出現異常的增暖，一般比常年增高5°～6°，這就是ElNino事件。ElNino事件一般持續一年以上，在這期間伴隨著大尺度的海洋和大氣活動異常，對全球的氣候變化產生影響。在1982～1983年期間發生了那次較強的ElNino事件後，分別於1986～1987年，1991～1992年，1993年和1994～1995年都出現過較弱的ElNino的產生機制和對全球氣候的影響過程。

海洋測高衛星的測高精度為±2cm～±3cm，加上其他地球物理模型的改正誤差，測量海面高度的精度可以達到±5cm左右。一般在TOPEX衛星觀測的2個月後可得到它的觀測數據。因此利用這一資料，可以近實時地監測全球海平面的變化。

當利用TOPEX觀測數據計算相對於參考橢球的海面高時，使用的改正模型與表1所列大致相同，僅參考面從大地水準面改為參考橢球面，極潮模型改用Applied模型。

TOPEX衛星採用嚴格重複軌道，其重複周期為9.9156天。對每個重複周期內的數據先後進行經度方向和緯度方向內插以得到1°×1°的海面高度值。對這一數據進行時間平均得到月平均的海面高度值。為了更好地看出海面高度的變化情況，在上述數據中扣除正常年份(即無厄爾尼諾年份，如1995年)平均的海平面高度值，從而得到相對於1995年度平均值的海面高數據。

研究海平面季節性變化

本項研究利用了7年的TOPEX/Poseidon數據(第9周期至249周期)，由共線法研究了全球海平面和中國海域海平面季節性變化。

T/P數據使用了AVISO最新處理的第三版本光碟，編輯標準除以AVISO使用手冊的準則之外，還採用了OSU(Rapp等1994)的編輯標準。地球物理改正採用了乾對流層改正、濕對流層改正、TOPEX雙頻電離層改正和DORIS電離層改正分別用於TOPEX和Poseidon數據中，海洋狀態(K1)改正，以及海潮(CSR3.0)、固體潮和極潮改正，逆氣壓改正採用了第一周期平均大氣壓計算的改正數。