海面微波散射（CSDN_0012_20221029）_bragg散射模型

文章编号：CSDN_0012_20221029_braag反射        

 

        使用雷达对海洋场景进行观测时，海水的节点性质会影响雷达波的穿透深度。在SAR常使用的波段上，雷达波的能量衰减值海水表面处能量的1/e时，海水穿透深度仅为0.1mm~10cm（怎样计算？），远小于干燥陆地的穿透深度，所以海洋微波遥感的后向散射主要发生在海面处，即海面状况对SAR图像有着重要的影响。

       在平静无风的理想情况下，雷达波在海面处仅发生镜面发射，而SAR主要工作在侧视模式下，因此无法接受海面发射的雷达回波。在实际情况下，在洋流、海风、短重力波等因素的影响下会变得比较粗糙，此时可以认为海面上有很多可以向不同方向发射雷达波的小反射面。对于海面而言，即使在最粗糙的情况下也不会产生相对水平面倾斜20度以上的倾斜面，所以，镜面发射只能发生在比较小的入射角情况下（通常在15度以内）。然而，SAR的观测角通常为20°~70° ，传感器只能通过海面的散射接收回波信号，回波信号的强度与海面粗糙度和观测角度等有关。

       海面粗糙度对SAR图像有重要影响。海面比较光滑时，雷达波在海面处主要发生类似镜面的反射效应，基本上没有后向散射，SAR传感器接收的能量极少，SAR图像比较暗；海面中等粗糙时，雷达波在海面处同时发生反射效应和散射效应，SAR传感器接收的能量增加；海面粗糙程度进步不加剧时，散射方向图继续展宽，SAR传感器接收的能量也随之增加。综上所示，一般情况下，雷达波的后向散射与海面粗糙度成正比，下图给出了不同粗糙度海面下的散射方向图[1]。

定量描述海面粗糙度的方法有二分法和三分法。基于Rayleigh判据，二分法[朗, 陈, 春, et al. 陆地和海面的雷达反射特性[M]. 国防工业出版社, 1983.]认为 时为光滑海面，反之则为粗糙海面，其中， 为海面的有效波高， 为雷达入射角， 为雷达波长。三分法认为 时为光滑海面， 时为粗糙平面，否则为中等粗糙平面。

SAR的观测角通常为20°~70° ，使用Bragg散射模型能够比较准确的描述SAR回波的散射过程。所谓的Bragg共振散射，是指雷达波在海面发射散射后，其回波中的各种分量在远场区相干叠加，从而产生的增强了某个特定尺度的具有周期性结构的散射，并且减弱了其他周期性结构散射的现象。下图展示了Bragg共振散射模型原理图，当粗糙海面波长λs、雷达入射波波长λ和雷达入射角θ满足关系式2.8时，两处回波信号的相位差是2π，后向散射电磁波的相位相同，两处回波信号的同相相加增强了该周期性结构的散射，故而产生Bragg共振。

      根据Bragg散射理论，由Bragg共振散射产生的NRCS在一阶近似时可以表示为[19]：

其中， 是雷达波数， 是与极化方式有关的调制权重， 是海水复介电常数， 是极坐标下海面波浪的波数谱， 是Bragg波（与雷达波产生Bragg共振的海面波浪）波数，θ 为雷达入射角，φ 是相对风向角，下标HH与VV表示雷达发射和接收信号的极化方式。从上述公式中可以看出，海面NRCS与雷达入射角和雷达波束的方位角有关，这两个参数是海面风速反演的重要变量。 

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