近三十年來(lái)，星載雷達(dá)高度計(jì)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)已成為反演高精度、高分辨率海洋重力場(chǎng)和海底地形的重要數(shù)據(jù)源。然而傳統(tǒng)星下點(diǎn)雷達(dá)高度計(jì)只能測(cè)得一維沿軌的海面高度，觀測(cè)效率低、時(shí)空分辨能力受限，且其交軌方向的測(cè)高精度難以與沿軌方向保持一致，限制了海洋重力場(chǎng)反演精度的進(jìn)一步提升。

寬刈幅成像雷達(dá)高度計(jì)以其卓越的寬刈幅測(cè)繪能力、高分辨率成像能力和高精度測(cè)高能力，有望帶來(lái)海洋重力場(chǎng)反演技術(shù)新的突破。寬刈幅成像高度計(jì)采用偏離天頂點(diǎn)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(cè)刈幅上對(duì)海洋表面進(jìn)行高精度三維成像測(cè)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(hào)三維成像高度計(jì)是國(guó)際上首個(gè)進(jìn)入太空的寬刈幅成像雷達(dá)高度計(jì)，也是國(guó)際上首個(gè)星載小入射角成像雷達(dá)，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制。自2016年9月15日隨天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射升空以來(lái)，天宮二號(hào)高度計(jì)獲取了海量小入射角雷達(dá)圖像和寬刈幅海面測(cè)高數(shù)據(jù)，為人類對(duì)地觀測(cè)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(jià)值。

近期，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張?jiān)迫A研究員團(tuán)隊(duì)的孫孟博士生等設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一整套適用于寬刈幅成像高度計(jì)數(shù)據(jù)的重力異常反演方法。具體包括：開(kāi)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(duì)寬刈幅數(shù)據(jù)的垂線偏差解算方法及GPU實(shí)現(xiàn)等，并在南海復(fù)雜地形海域開(kāi)展了基于天宮二號(hào)高度計(jì)數(shù)據(jù)的重力反演實(shí)驗(yàn)。圖一所示為天宮二號(hào)高度計(jì)和國(guó)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(duì)比表明，天宮二號(hào)高度計(jì)反演結(jié)果在更高的空間分辨率下波動(dòng)較小。同時(shí)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(hào)高度計(jì)在近岸的表現(xiàn)更優(yōu)異。

圖一：南海區(qū)域天宮二號(hào)高度計(jì)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(píng)估方面，以國(guó)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(hào)高度計(jì)反演結(jié)果的均方根誤差比傳統(tǒng)高度計(jì)結(jié)果小1mGal左右；以美國(guó)國(guó)家環(huán)境信息中心（NCEI）的船測(cè)重力數(shù)據(jù)為參考，天宮二號(hào)高度計(jì)反演結(jié)果的均方根誤差比傳統(tǒng)高度計(jì)約小0.6mGal。圖一的反演結(jié)果采用了191軌的天宮二號(hào)高度計(jì)數(shù)據(jù)和3018軌的Jason-2 (1406軌) + SARAL (1612軌)數(shù)據(jù)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分展示和驗(yàn)證了天宮二號(hào)雷達(dá)高度計(jì)具有的更高觀測(cè)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(shì)

鑒于南海區(qū)域島嶼眾多且海岸線復(fù)雜，研究團(tuán)隊(duì)以離海岸線距離進(jìn)一步劃分實(shí)驗(yàn)區(qū)域，開(kāi)展了更精細(xì)的對(duì)比研究。圖二所示結(jié)果表明，盡管天宮二號(hào)高度計(jì)和傳統(tǒng)高度計(jì)的反演精度都會(huì)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(hào)高度計(jì)的均方根誤差始終小于傳統(tǒng)高度計(jì)。此外，天宮二號(hào)高度計(jì)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(jì)在近岸海面測(cè)高和重力反演上的較大提升潛力。

圖三：天宮二號(hào)高度計(jì)反演所得西太平洋（左）及中國(guó)南海（右）特定區(qū)域的海底地形

在高精度海洋重力場(chǎng)反演的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)翟文帥副研究員等進(jìn)一步開(kāi)展了海底地形反演研究。他們基于天宮二號(hào)高度計(jì)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(guó)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(jì)數(shù)據(jù)所繪制的海底地形圖。以船測(cè)水深數(shù)據(jù)為參考，兩個(gè)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(guó)際上五個(gè)權(quán)威全球地形模型的最新版本相比較，天宮二號(hào)高度計(jì)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）