碧海、藍(lán)天和雷達(dá)
——記南京信息工程大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院教授張彪

本刊記者 劉玉杰

參加2016年教育部氣象災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室年會(huì)

1999年，張彪考入在中國(guó)石油大學(xué)（華東）學(xué)習(xí)測(cè)繪工程專(zhuān)業(yè)，與海洋并無(wú)關(guān)系。大三時(shí)，為專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)他南下青島，那是他第一次看見(jiàn)大海，美麗至極的碧海藍(lán)天使他流連忘返，“我就想，從本科到研究生能不能把專(zhuān)業(yè)知識(shí)和某個(gè)行業(yè)，比如氣象或海洋結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行學(xué)科交叉研究，也許會(huì)出一些創(chuàng)新成果”。懷揣夢(mèng)想，張彪報(bào)考了位于青島南海路的中國(guó)科學(xué)院海洋研究所。

功夫不負(fù)有心人，2003年9月，張彪順利考取中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，開(kāi)始了為期5年的碩博連讀歷程。面對(duì)導(dǎo)師給定的5、6個(gè)研究方向，他花了整整3個(gè)星期沉浸在網(wǎng)絡(luò)中，查閱了大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和最新研究動(dòng)態(tài)，最后確定了同為國(guó)際前沿方向的“干涉合成孔徑雷達(dá)遙感海面波浪”作為自己日后的研究領(lǐng)域。此后，在漫漫科研路上，張彪伴著碧海、藍(lán)天和雷達(dá)，越走越遠(yuǎn)……

結(jié)緣合成孔徑雷達(dá)

傳統(tǒng)光學(xué)傳感器是所見(jiàn)即所得，而合成孔徑雷達(dá)可以全天時(shí)、全天候進(jìn)行觀(guān)測(cè)，且空間分辨率比較高，不受云層的影響?！叭绻罩杏性乒鈱W(xué)傳感器就無(wú)法觀(guān)測(cè)到海面上的現(xiàn)象，合成孔徑雷達(dá)發(fā)射的電磁波可以穿透云層到達(dá)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(shì)原理，更重要的是即使在夜間沒(méi)有光照的情況下它也可以正常工作，光學(xué)傳感器只能在白天作業(yè)。

那么，何為合成孔徑雷達(dá)？它是一種高分辨率成像雷達(dá)，可以在能見(jiàn)度極低的氣象條件下得到類(lèi)似光學(xué)照相的高分辨雷達(dá)圖像。利用雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)把尺寸較小的真實(shí)天線(xiàn)孔徑用數(shù)據(jù)處理的方法合成一較大的等效天線(xiàn)孔徑，也稱(chēng)綜合孔徑雷達(dá)。

時(shí)光荏苒，2008年6月，張彪通過(guò)博士論文答辯，同時(shí)他也被置于人生的十字路口面臨抉擇?！翱梢粤粼谒锢^續(xù)做科研，但我還是想去國(guó)外接觸一些最頂端的研究，同一些世界優(yōu)秀科學(xué)家進(jìn)一步學(xué)習(xí)，拓寬自己的知識(shí)范圍、豐富知識(shí)儲(chǔ)備，同時(shí)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(guó)做博士后。

一切就緒，他踏上了飛往大洋彼岸的班機(jī)，最終落戶(hù)在世界三大海洋研究機(jī)構(gòu)之一的加拿大Bedford海洋研究所，師從國(guó)際著名海浪專(zhuān)家William Perrie教授合作開(kāi)展海洋遙感研究工作。后來(lái)，在長(zhǎng)達(dá)8年的研究中，張彪一直從事合成孔徑雷達(dá)海洋動(dòng)力環(huán)境遙感研究。殊不知，加拿大合成孔徑雷達(dá)是世界之林中為數(shù)不多的雷達(dá)中非常具代表性的一個(gè)，而且就在張彪到達(dá)前，也就是2007年，加拿大航天局剛剛發(fā)射了一顆先進(jìn)的合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星?！拔液苄疫\(yùn)，剛到加拿大就能接觸到海量的合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)”，這無(wú)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(lái)，張彪先后承擔(dān)了國(guó)家“863”高技術(shù)研究計(jì)劃子課題，國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目，在星載成像雷達(dá)和輻射計(jì)海洋遙感理論與應(yīng)用領(lǐng)域展開(kāi)了深入的探索研究，在高海況臺(tái)風(fēng)海面風(fēng)場(chǎng)和波浪遙感成像機(jī)理和信息提取技術(shù)、海洋溢油和人工目標(biāo)微波散射機(jī)制與探測(cè)技術(shù)，海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面取得了系列創(chuàng)新研究成果。先后在美國(guó)氣象學(xué)會(huì)、地球物理學(xué)會(huì)、國(guó)際遙感學(xué)會(huì)等國(guó)際主流學(xué)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(guó)內(nèi)外同行的廣泛引用和積極評(píng)價(jià)。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(zhuān)著一部。2014年榮獲國(guó)家海洋科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（排名第一），2014年榮獲教育部高等學(xué)校科學(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（排名第二），2009年榮獲國(guó)家海洋局海洋創(chuàng)新成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（排名第六），2013年榮獲江蘇省科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)核心成員榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)。

星載成像雷達(dá)遙感臺(tái)風(fēng)海面風(fēng)場(chǎng)

在中等海況下，合成孔徑雷達(dá)可以較好地獲取開(kāi)闊大洋和海岸帶區(qū)域高分辨率海面風(fēng)場(chǎng)。然而，在高海況下，傳統(tǒng)地球物理模式風(fēng)速反演模式函數(shù)存在“飽和”特性，即當(dāng)海面風(fēng)速接近臺(tái)風(fēng)臨界風(fēng)速時(shí)，海面微波后向散射不再隨風(fēng)速的增加而增大，從而導(dǎo)致反演的風(fēng)速存在多個(gè)數(shù)值解，不能得到正確的海面高風(fēng)速?！半m然國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在傳統(tǒng)垂直極化雷達(dá)遙感中等海況海面風(fēng)場(chǎng)做了許多研究工作，但是交叉極化雷達(dá)高海況海面微波散射機(jī)理尚不清楚，也沒(méi)有適用于該模式的高風(fēng)速反演模式”。

參加2016年國(guó)際地球科學(xué)與遙感大會(huì)

經(jīng)過(guò)刻苦攻關(guān)，張彪揭示了新型成像模式雷達(dá)高海況海面微波散射機(jī)制，即交叉極化雷達(dá)后向散射在高風(fēng)速下對(duì)雷達(dá)入射角和風(fēng)速不敏感，而與海面風(fēng)速線(xiàn)性相關(guān)；交叉極化雷達(dá)后向散射在高風(fēng)速下不“飽和”——隨風(fēng)速的增加而增大?！斑@與傳統(tǒng)垂直極化雷達(dá)對(duì)海觀(guān)測(cè)的認(rèn)識(shí)發(fā)生了翻天覆地的變化，比如海面風(fēng)速為25米/秒和40米/秒時(shí)所對(duì)應(yīng)的海面后向散射是不一樣的，風(fēng)速越大，后向散射越大；而對(duì)于傳統(tǒng)垂直極化雷達(dá)后向散射來(lái)說(shuō)，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)25米/秒時(shí)，后向散射就不再隨著風(fēng)速的增加而增大，這樣就無(wú)法反演出海面高風(fēng)速的信息了”，他解釋道。在此基礎(chǔ)上，張彪又發(fā)展了臺(tái)風(fēng)高海況海面風(fēng)速信息提取模型，即建立了交叉極化雷達(dá)高風(fēng)速反演模式。

這是張彪首次揭示了新型雷達(dá)成像模式高海況海面微波散射機(jī)制，不僅有效突破了傳統(tǒng)地球物理模式無(wú)法準(zhǔn)確獲取高風(fēng)速的瓶頸問(wèn)題，還較大程度簡(jiǎn)化了成像雷達(dá)臺(tái)風(fēng)海面風(fēng)場(chǎng)反演流程，提高了高風(fēng)速反演精度。有數(shù)據(jù)顯示，精度相對(duì)于傳統(tǒng)方法可提高近50%。俄羅斯國(guó)家水文氣象大學(xué)首席科學(xué)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(guān)于交叉極化雷達(dá)遙感臺(tái)風(fēng)海面風(fēng)速創(chuàng)新研究成果，并給予積極評(píng)價(jià)，他這樣寫(xiě)道“交叉極化雷達(dá)提供了一種測(cè)量海面高風(fēng)速的新技術(shù)！”

除了“飽和”特性問(wèn)題，傳統(tǒng)地球物理模式函數(shù)在反演臺(tái)風(fēng)海面風(fēng)速時(shí)還需要輸入外部風(fēng)向，也就是無(wú)法實(shí)現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)向信息同步獲取。如果風(fēng)向信息存在誤差，則會(huì)直接影響風(fēng)速反演精度。另外，傳統(tǒng)成像雷達(dá)臺(tái)風(fēng)海面風(fēng)速遙感信息提取模型沒(méi)有經(jīng)過(guò)空天地不同數(shù)據(jù)源的有效驗(yàn)證和評(píng)估，因此無(wú)法知曉模型的準(zhǔn)確性和適用性。

由此，張彪建立了雙極化雷達(dá)臺(tái)風(fēng)高分辨率海面風(fēng)場(chǎng)遙感信息模型，實(shí)現(xiàn)了海面風(fēng)速和風(fēng)向同步信息獲取，避免了風(fēng)向誤差對(duì)高風(fēng)速反演精度的影響；同時(shí)還發(fā)展了臺(tái)風(fēng)海面風(fēng)速遙感驗(yàn)證方法，利用機(jī)載輻射計(jì)、星載散射計(jì)、大氣數(shù)值模式和浮標(biāo)數(shù)據(jù)有效驗(yàn)證了風(fēng)速反演模型的準(zhǔn)確性?！斑@可以有效擺脫傳統(tǒng)地球物理模式函數(shù)對(duì)外部風(fēng)向的依賴(lài)，也是首次對(duì)不同地球物理模式反演的臺(tái)風(fēng)海面風(fēng)速進(jìn)行了集合驗(yàn)證?！?/p>

回憶起在歐洲會(huì)議上第一次展示星載成像雷達(dá)臺(tái)風(fēng)遙感創(chuàng)新工作時(shí)，張彪記憶猶新，“結(jié)束后有很多同行過(guò)來(lái)交流，當(dāng)文章發(fā)表后又得到了許多積極評(píng)價(jià)，這是通過(guò)自己努力做出的創(chuàng)新成果，得到了大家的認(rèn)可”，話(huà)語(yǔ)間依舊能透露出他的欣喜與自豪。

干涉與極化雷達(dá)遙感海面波浪

20世紀(jì)80年代初期，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者開(kāi)始研究如何利用星載合成孔徑雷達(dá)觀(guān)測(cè)獲取大范圍二維海面波浪信息，陸續(xù)發(fā)展出非線(xiàn)性初始猜測(cè)譜方法、經(jīng)驗(yàn)波模式方法、半?yún)?shù)化方法等。然而，這些方法均基于單天線(xiàn)、單極化成像模式，存在一定的局限性。近年來(lái)，隨著衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，星載成像雷達(dá)已經(jīng)能夠以各種工作模式對(duì)海觀(guān)測(cè)，如雙天線(xiàn)干涉模式、全極化模式等，但如何利用這些先進(jìn)成像模式遙感海面波浪是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。此外，如何利用多通道雷達(dá)觀(guān)測(cè)同時(shí)獲取海面波浪和海面風(fēng)場(chǎng)信息也是值得研究的科學(xué)問(wèn)題。

“我針對(duì)這些關(guān)鍵問(wèn)題，發(fā)展了全極化雷達(dá)海面波浪和海面風(fēng)場(chǎng)同步信息反演模式，建立了沿軌跡干涉合成孔徑雷達(dá)相位譜與海浪譜非線(xiàn)性積分映射關(guān)系，并揭示出干涉雷達(dá)海浪成像機(jī)制，也發(fā)展了雙天線(xiàn)干涉雷達(dá)海浪譜參數(shù)化反演方法”。這項(xiàng)工作的創(chuàng)新意義在于他成功利用多極化雷達(dá)觀(guān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了海面波浪和海面風(fēng)場(chǎng)信息同步獲??；而且使干涉雷達(dá)參數(shù)化反演方法不需要海浪數(shù)值模式提供的先驗(yàn)波譜，也不需要衛(wèi)星散射計(jì)提供先驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)信息。

此外，在交叉軌跡干涉合成孔徑雷達(dá)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(dá)式；揭示了交軌干涉雷達(dá)沿方位向傳播的涌浪成像機(jī)制。在全極化合成孔徑雷達(dá)海浪遙感方面，他建立了全極化合成孔徑雷達(dá)海浪斜率譜反演方法，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和適用性?！八目茖W(xué)意義在于可以為國(guó)內(nèi)外新型傳感器海浪監(jiān)測(cè)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，為海浪數(shù)值模式提供相對(duì)準(zhǔn)確的初始輸入場(chǎng)，有利于提高模式預(yù)報(bào)精度。”上述創(chuàng)新研究成果于2015年發(fā)表于美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)期刊Journal of Geophysical Research-Oceans，影響因子為3.42。

2016年訪(fǎng)問(wèn)俄羅斯科學(xué)院

極化雷達(dá)遙感海面溢油

海上溢油事故對(duì)海洋環(huán)境和海洋生物資源的危害無(wú)疑是相當(dāng)嚴(yán)重的。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jiàn)的方法有傳統(tǒng)單極化雷達(dá)海面溢油和人工目標(biāo)探測(cè)方法。它們通?；谟?jì)算機(jī)器智能學(xué)習(xí)算法，例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、貝葉斯分類(lèi)、馬爾可夫模型等。利用上述方法探測(cè)海面溢油和人工目標(biāo)時(shí)，需要進(jìn)一步結(jié)合人工判讀，輔助解譯探測(cè)結(jié)果，這不僅存在主觀(guān)誤判而且依靠人工并不方便。

漸漸地，全極化雷達(dá)成像模式應(yīng)運(yùn)而生，相對(duì)于傳統(tǒng)單極化雷達(dá)僅能提供后向散射強(qiáng)度信息，前者可以同時(shí)提供共極化和交叉極化通道觀(guān)測(cè)。近年來(lái)，張彪對(duì)全極化雷達(dá)成像模式展開(kāi)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(jī)制；發(fā)展了全極化雷達(dá)海面溢油探測(cè)的非監(jiān)督分類(lèi)方法?！叭绻Ｃ娉霈F(xiàn)溢油的時(shí)，溢油會(huì)衰減表面的毛細(xì)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(dá)，它可以測(cè)量海面目標(biāo)點(diǎn)的散射矩陣，不僅能夠測(cè)量電磁波回波強(qiáng)度，還能測(cè)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(jī)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(jī)制”。而且全極化海面溢油探測(cè)方法不需要設(shè)定經(jīng)驗(yàn)閾值，適合于業(yè)務(wù)化海洋溢油監(jiān)測(cè)。美國(guó)南弗羅里達(dá)大學(xué)杰出教授Robert H. Weisberg教授在2012年出版的學(xué)術(shù)專(zhuān)著Monitoring and Modeling the Deepwater Horizon Oil Spill: A Record-Breaking Enterprise積極評(píng)價(jià)了張彪關(guān)于全極化雷達(dá)海洋溢油探測(cè)工作，如“在溢油遙感領(lǐng)域，有幾個(gè)例子值得提及，其中一個(gè)是全極化合成孔徑雷達(dá)海洋溢油探測(cè)”。

萬(wàn)物皆不完美，全極化雷達(dá)雖然能夠提供高分辨率同極化和交叉極化觀(guān)測(cè)，但也存在缺點(diǎn)，即成像區(qū)域較?。?5～50公里），無(wú)法大面積監(jiān)測(cè)海面特征目標(biāo)。相應(yīng)的，簡(jiǎn)縮極化是一種新型雷達(dá)成像模式，其特點(diǎn)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(lǐng)域已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。然而，將該成像模式應(yīng)用于海洋目標(biāo)探測(cè)的研究尚不多見(jiàn)。張彪敏銳地發(fā)現(xiàn)新領(lǐng)域，就此開(kāi)展系統(tǒng)研究，揭示了不同簡(jiǎn)縮極化重構(gòu)算法在不同海況和雷達(dá)參數(shù)條件下的適用性；發(fā)展了簡(jiǎn)縮極化海洋石油平臺(tái)和海面溢油探測(cè)方法。其創(chuàng)新性在于證明了利用簡(jiǎn)縮極化成像模式觀(guān)測(cè)探測(cè)海面目標(biāo)的可行性。不僅可以為我國(guó)新型成像雷達(dá)業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)海洋溢油和人工目標(biāo)提供理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)支持；同時(shí)也為海洋溢油污染清理和災(zāi)后損失評(píng)估提供參考觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和決策支持。

在合成孔徑雷達(dá)遙感領(lǐng)域，張彪的建樹(shù)可謂是頗為豐碩，但在南方那個(gè)美麗的校園里，他仍然跟蹤著國(guó)內(nèi)外最新的研究動(dòng)態(tài)，閱讀最新出版的科技文獻(xiàn)，提煉關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題并撰寫(xiě)相關(guān)項(xiàng)目建議書(shū)；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(xué)生講授海洋技術(shù)、海洋科學(xué)課程……2016年，張彪榮獲國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金資助，他將繼續(xù)奮斗在路上，樂(lè)此不疲。