碧海、藍天和雷達
——記南京信息工程大學海洋科學學院教授張彪

碧海、藍天和雷達
——記南京信息工程大學海洋科學學院教授張彪

本刊記者 劉玉杰

參加2016年教育部氣象災害重點實驗室年會

1999年，張彪考入在中國石油大學（華東）學習測繪工程專業(yè)，與海洋并無關系。大三時，為專業(yè)實習他南下青島，那是他第一次看見大海，美麗至極的碧海藍天使他流連忘返，“我就想，從本科到研究生能不能把專業(yè)知識和某個行業(yè)，比如氣象或海洋結(jié)合起來，進行學科交叉研究，也許會出一些創(chuàng)新成果”。懷揣夢想，張彪報考了位于青島南海路的中國科學院海洋研究所。

功夫不負有心人，2003年9月，張彪順利考取中國科學院海洋研究所，開始了為期5年的碩博連讀歷程。面對導師給定的5、6個研究方向，他花了整整3個星期沉浸在網(wǎng)絡中，查閱了大量國內(nèi)外相關文獻和最新研究動態(tài)，最后確定了同為國際前沿方向的“干涉合成孔徑雷達遙感海面波浪”作為自己日后的研究領域。此后，在漫漫科研路上，張彪伴著碧海、藍天和雷達，越走越遠……

結(jié)緣合成孔徑雷達

傳統(tǒng)光學傳感器是所見即所得，而合成孔徑雷達可以全天時、全天候進行觀測，且空間分辨率比較高，不受云層的影響。“如果空中有云光學傳感器就無法觀測到海面上的現(xiàn)象，合成孔徑雷達發(fā)射的電磁波可以穿透云層到達海面，所以不受云層的影響”，張彪道出了這種微波傳感器的優(yōu)勢原理，更重要的是即使在夜間沒有光照的情況下它也可以正常工作，光學傳感器只能在白天作業(yè)。

那么，何為合成孔徑雷達？它是一種高分辨率成像雷達，可以在能見度極低的氣象條件下得到類似光學照相的高分辨雷達圖像。利用雷達與目標的相對運動把尺寸較小的真實天線孔徑用數(shù)據(jù)處理的方法合成一較大的等效天線孔徑，也稱綜合孔徑雷達。

時光荏苒，2008年6月，張彪通過博士論文答辯，同時他也被置于人生的十字路口面臨抉擇。“可以留在所里繼續(xù)做科研，但我還是想去國外接觸一些最頂端的研究，同一些世界優(yōu)秀科學家進一步學習，拓寬自己的知識范圍、豐富知識儲備，同時也使自己的研究水平更上一層樓”。在這樣的愿景下，張彪決定出國做博士后。

一切就緒，他踏上了飛往大洋彼岸的班機，最終落戶在世界三大海洋研究機構(gòu)之一的加拿大Bedford海洋研究所，師從國際著名海浪專家William Perrie教授合作開展海洋遙感研究工作。后來，在長達8年的研究中，張彪一直從事合成孔徑雷達海洋動力環(huán)境遙感研究。殊不知，加拿大合成孔徑雷達是世界之林中為數(shù)不多的雷達中非常具代表性的一個，而且就在張彪到達前，也就是2007年，加拿大航天局剛剛發(fā)射了一顆先進的合成孔徑雷達衛(wèi)星。“我很幸運，剛到加拿大就能接觸到海量的合成孔徑雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)”，這無疑為他博士后工作期間提供了有效的數(shù)據(jù)源，也為他日后收獲諸多科研成果起到鋪墊性作用。

近年來，張彪先后承擔了國家“863”高技術(shù)研究計劃子課題，國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等項目，在星載成像雷達和輻射計海洋遙感理論與應用領域展開了深入的探索研究，在高海況臺風海面風場和波浪遙感成像機理和信息提取技術(shù)、海洋溢油和人工目標微波散射機制與探測技術(shù)，海洋動力環(huán)境監(jiān)測等方面取得了系列創(chuàng)新研究成果。先后在美國氣象學會、地球物理學會、國際遙感學會等國際主流學術(shù)期刊如BAMS、JGR、GRL、JTECH、IEEE TGRS、RSE、IJRS上發(fā)表SCI檢索論文27篇，并受到國內(nèi)外同行的廣泛引用和積極評價。此外，發(fā)表EI檢索論文20篇，中文核心期刊論文8篇，合作出版專著一部。2014年榮獲國家海洋科學技術(shù)獎一等獎（排名第一），2014年榮獲教育部高等學校科學研究優(yōu)秀成果獎二等獎（排名第二），2009年榮獲國家海洋局海洋創(chuàng)新成果獎二等獎（排名第六），2013年榮獲江蘇省科技創(chuàng)新團隊核心成員榮譽稱號。

星載成像雷達遙感臺風海面風場

在中等海況下，合成孔徑雷達可以較好地獲取開闊大洋和海岸帶區(qū)域高分辨率海面風場。然而，在高海況下，傳統(tǒng)地球物理模式風速反演模式函數(shù)存在“飽和”特性，即當海面風速接近臺風臨界風速時，海面微波后向散射不再隨風速的增加而增大，從而導致反演的風速存在多個數(shù)值解，不能得到正確的海面高風速。“雖然國內(nèi)外研究學者在傳統(tǒng)垂直極化雷達遙感中等海況海面風場做了許多研究工作，但是交叉極化雷達高海況海面微波散射機理尚不清楚，也沒有適用于該模式的高風速反演模式”。

參加2016年國際地球科學與遙感大會

經(jīng)過刻苦攻關，張彪揭示了新型成像模式雷達高海況海面微波散射機制，即交叉極化雷達后向散射在高風速下對雷達入射角和風速不敏感，而與海面風速線性相關；交叉極化雷達后向散射在高風速下不“飽和”——隨風速的增加而增大。“這與傳統(tǒng)垂直極化雷達對海觀測的認識發(fā)生了翻天覆地的變化，比如海面風速為25米/秒和40米/秒時所對應的海面后向散射是不一樣的，風速越大，后向散射越大；而對于傳統(tǒng)垂直極化雷達后向散射來說，當風速超過25米/秒時，后向散射就不再隨著風速的增加而增大，這樣就無法反演出海面高風速的信息了”，他解釋道。在此基礎上，張彪又發(fā)展了臺風高海況海面風速信息提取模型，即建立了交叉極化雷達高風速反演模式。

這是張彪首次揭示了新型雷達成像模式高海況海面微波散射機制，不僅有效突破了傳統(tǒng)地球物理模式無法準確獲取高風速的瓶頸問題，還較大程度簡化了成像雷達臺風海面風場反演流程，提高了高風速反演精度。有數(shù)據(jù)顯示，精度相對于傳統(tǒng)方法可提高近50%。俄羅斯國家水文氣象大學首席科學家Elizaveta Zabolotskikh教授于2014年發(fā)表在Remote Sensing of Environment上的文章引用了張彪關于交叉極化雷達遙感臺風海面風速創(chuàng)新研究成果，并給予積極評價，他這樣寫道“交叉極化雷達提供了一種測量海面高風速的新技術(shù)！”

除了“飽和”特性問題，傳統(tǒng)地球物理模式函數(shù)在反演臺風海面風速時還需要輸入外部風向，也就是無法實現(xiàn)風速和風向信息同步獲取。如果風向信息存在誤差，則會直接影響風速反演精度。另外，傳統(tǒng)成像雷達臺風海面風速遙感信息提取模型沒有經(jīng)過空天地不同數(shù)據(jù)源的有效驗證和評估，因此無法知曉模型的準確性和適用性。

由此，張彪建立了雙極化雷達臺風高分辨率海面風場遙感信息模型，實現(xiàn)了海面風速和風向同步信息獲取，避免了風向誤差對高風速反演精度的影響；同時還發(fā)展了臺風海面風速遙感驗證方法，利用機載輻射計、星載散射計、大氣數(shù)值模式和浮標數(shù)據(jù)有效驗證了風速反演模型的準確性。“這可以有效擺脫傳統(tǒng)地球物理模式函數(shù)對外部風向的依賴，也是首次對不同地球物理模式反演的臺風海面風速進行了集合驗證。”

回憶起在歐洲會議上第一次展示星載成像雷達臺風遙感創(chuàng)新工作時，張彪記憶猶新，“結(jié)束后有很多同行過來交流，當文章發(fā)表后又得到了許多積極評價，這是通過自己努力做出的創(chuàng)新成果，得到了大家的認可”，話語間依舊能透露出他的欣喜與自豪。

干涉與極化雷達遙感海面波浪

20世紀80年代初期，國內(nèi)外研究學者開始研究如何利用星載合成孔徑雷達觀測獲取大范圍二維海面波浪信息，陸續(xù)發(fā)展出非線性初始猜測譜方法、經(jīng)驗波模式方法、半?yún)?shù)化方法等。然而，這些方法均基于單天線、單極化成像模式，存在一定的局限性。近年來，隨著衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，星載成像雷達已經(jīng)能夠以各種工作模式對海觀測，如雙天線干涉模式、全極化模式等，但如何利用這些先進成像模式遙感海面波浪是一個急需解決的問題。此外，如何利用多通道雷達觀測同時獲取海面波浪和海面風場信息也是值得研究的科學問題。

“我針對這些關鍵問題，發(fā)展了全極化雷達海面波浪和海面風場同步信息反演模式，建立了沿軌跡干涉合成孔徑雷達相位譜與海浪譜非線性積分映射關系，并揭示出干涉雷達海浪成像機制，也發(fā)展了雙天線干涉雷達海浪譜參數(shù)化反演方法”。這項工作的創(chuàng)新意義在于他成功利用多極化雷達觀測實現(xiàn)了海面波浪和海面風場信息同步獲取；而且使干涉雷達參數(shù)化反演方法不需要海浪數(shù)值模式提供的先驗波譜，也不需要衛(wèi)星散射計提供先驗風場信息。

此外，在交叉軌跡干涉合成孔徑雷達海浪遙感方面，張彪發(fā)展了包含海表面高度和速度聚束的涌浪干涉相位模型，建立了涌浪成像的解析表達式；揭示了交軌干涉雷達沿方位向傳播的涌浪成像機制。在全極化合成孔徑雷達海浪遙感方面，他建立了全極化合成孔徑雷達海浪斜率譜反演方法，驗證了該方法的準確性和適用性。“它的科學意義在于可以為國內(nèi)外新型傳感器海浪監(jiān)測提供理論基礎和技術(shù)支撐，為海浪數(shù)值模式提供相對準確的初始輸入場，有利于提高模式預報精度。”上述創(chuàng)新研究成果于2015年發(fā)表于美國地球物理學會期刊Journal of Geophysical Research-Oceans，影響因子為3.42。

2016年訪問俄羅斯科學院

極化雷達遙感海面溢油

海上溢油事故對海洋環(huán)境和海洋生物資源的危害無疑是相當嚴重的。因此，實時監(jiān)測溢油事故并采取緊急處理措施是降低其危害的重要手段，常見的方法有傳統(tǒng)單極化雷達海面溢油和人工目標探測方法。它們通常基于計算機器智能學習算法，例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機、貝葉斯分類、馬爾可夫模型等。利用上述方法探測海面溢油和人工目標時，需要進一步結(jié)合人工判讀，輔助解譯探測結(jié)果，這不僅存在主觀誤判而且依靠人工并不方便。

漸漸地，全極化雷達成像模式應運而生，相對于傳統(tǒng)單極化雷達僅能提供后向散射強度信息，前者可以同時提供共極化和交叉極化通道觀測。近年來，張彪對全極化雷達成像模式展開了深入探索，揭示了海面溢油覆蓋區(qū)域內(nèi)的微波散射機制；發(fā)展了全極化雷達海面溢油探測的非監(jiān)督分類方法。“如果海面出現(xiàn)溢油的時，溢油會衰減表面的毛細波和重力波，減小海面粗糙度，在圖像上看到的就是一塊黑色的區(qū)域。相較于傳統(tǒng)單極化雷達，它可以測量海面目標點的散射矩陣，不僅能夠測量電磁波回波強度，還能測量相位信息，這樣可以用于研究海面溢油覆蓋區(qū)域和未溢油區(qū)域不同的散射機制，從物理角度解析清潔海面和有溢油覆蓋區(qū)域的不同散射機制”。而且全極化海面溢油探測方法不需要設定經(jīng)驗閾值，適合于業(yè)務化海洋溢油監(jiān)測。美國南弗羅里達大學杰出教授Robert H. Weisberg教授在2012年出版的學術(shù)專著Monitoring and Modeling the Deepwater Horizon Oil Spill: A Record-Breaking Enterprise積極評價了張彪關于全極化雷達海洋溢油探測工作，如“在溢油遙感領域，有幾個例子值得提及，其中一個是全極化合成孔徑雷達海洋溢油探測”。

萬物皆不完美，全極化雷達雖然能夠提供高分辨率同極化和交叉極化觀測，但也存在缺點，即成像區(qū)域較小（25～50公里），無法大面積監(jiān)測海面特征目標。相應的，簡縮極化是一種新型雷達成像模式，其特點是成像區(qū)域較大（350～500公里），并且包含豐富的極化信息，在陸地遙感領域已經(jīng)成為研究熱點。然而，將該成像模式應用于海洋目標探測的研究尚不多見。張彪敏銳地發(fā)現(xiàn)新領域，就此開展系統(tǒng)研究，揭示了不同簡縮極化重構(gòu)算法在不同海況和雷達參數(shù)條件下的適用性；發(fā)展了簡縮極化海洋石油平臺和海面溢油探測方法。其創(chuàng)新性在于證明了利用簡縮極化成像模式觀測探測海面目標的可行性。不僅可以為我國新型成像雷達業(yè)務化監(jiān)測海洋溢油和人工目標提供理論基礎和關鍵技術(shù)支持；同時也為海洋溢油污染清理和災后損失評估提供參考觀測數(shù)據(jù)和決策支持。

在合成孔徑雷達遙感領域，張彪的建樹可謂是頗為豐碩，但在南方那個美麗的校園里，他仍然跟蹤著國內(nèi)外最新的研究動態(tài)，閱讀最新出版的科技文獻，提煉關鍵科學問題并撰寫相關項目建議書；處理數(shù)據(jù)，建模，提取信息并反演，發(fā)表英文科技文章，給學生講授海洋技術(shù)、海洋科學課程……2016年，張彪榮獲國家優(yōu)秀青年科學基金資助，他將繼續(xù)奮斗在路上，樂此不疲。