——记南京信息工程大学海洋科学学院教授张彪

本刊记者  刘玉杰

1999年，张彪考入在中国石油大学（华东）学习测绘工程专业，与海洋并无关系。大三时，为专业实习他南下青岛，那是他第一次看见大海，美丽至极的碧海蓝天使他流连忘返，“我就想，从本科到研究生能不能把专业知识和某个行业，比如气象或海洋结合起来，进行学科交叉研究，也许会出一些创新成果”。怀揣梦想，张彪报考了位于青岛南海路的中国科学院海洋研究所。

功夫不负有心人，2003年9月，张彪顺利考取中国科学院海洋研究所，开始了为期5年的硕博连读历程。面对导师给定的5、6个研究方向，他花了整整3个星期沉浸在网络中，查阅了大量国内外相关文献和最新研究动态，最后确定了同为国际前沿方向的“干涉合成孔径雷达遥感海面波浪”作为自己日后的研究领域。此后，在漫漫科研路上，张彪伴着碧海、蓝天和雷达，越走越远……

结缘合成孔径雷达

传统光学传感器是所见即所得，而合成孔径雷达可以全天时、全天候进行观测，且空间分辨率比较高，不受云层的影响。“如果空中有云光学传感器就无法观测到海面上的现象，合成孔径雷达发射的电磁波可以穿透云层到达海面，所以不受云层的影响”，张彪道出了这种微波传感器的优势原理，更重要的是即使在夜间没有光照的情况下它也可以正常工作，光学传感器只能在白天作业。

那么，何为合成孔径雷达？它是一种高分辨率成像雷达，可以在能见度极低的气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像。利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效天线孔径，也称综合孔径雷达。

时光荏苒，2008年6月，张彪通过博士论文答辩，同时他也被置于人生的十字路口面临抉择。“可以留在所里继续做科研，但我还是想去国外接触一些最顶端的研究，同一些世界优秀科学家进一步学习，拓宽自己的知识范围、丰富知识储备，同时也使自己的研究水平更上一层楼”。在这样的愿景下，张彪决定出国做博士后。

一切就绪，他踏上了飞往大洋彼岸的班机，最终落户在世界三大海洋研究机构之一的加拿大Bedford海洋研究所，师从国际著名海浪专家William Perrie教授合作开展海洋遥感研究工作。后来，在长达8年的研究中，张彪一直从事合成孔径雷达海洋动力环境遥感研究。殊不知，加拿大合成孔径雷达是世界之林中为数不多的雷达中非常具代表性的一个，而且就在张彪到达前，也就是2007年，加拿大航天局刚刚发射了一颗先进的合成孔径雷达卫星。“我很幸运，刚到加拿大就能接触到海量的合成孔径雷达卫星数据”，这无疑为他博士后工作期间提供了有效的数据源，也为他日后收获诸多科研成果起到铺垫性作用。

近年来，张彪先后承担了国家“863”高技术研究计划子课题，国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目，在星载成像雷达和辐射计海洋遥感理论与应用领域展开了深入的探索研究，在高海况台风海面风场和波浪遥感成像机理和信息提取技术、海洋溢油和人工目标微波散射机制与探测技术，海洋动力环境监测等方面取得了系列创新研究成果。先后在美国气象学会、地球物理学会、国际遥感学会等国际主流学术期刊如BAMS、JGR、GRL、JTECH、IEEE TGRS、RSE、IJRS上发表SCI检索论文27篇，并受到国内外同行的广泛引用和积极评价。此外，发表EI检索论文20篇，中文核心期刊论文8篇，合作出版专著一部。2014年荣获国家海洋科学技术奖一等奖（排名第一），2014年荣获教育部高等学校科学研究优秀成果奖二等奖（排名第二），2009年荣获国家海洋局海洋创新成果奖二等奖（排名第六），2013年荣获江苏省科技创新团队核心成员荣誉称号。

星载成像雷达遥感台风海面风场

在中等海况下，合成孔径雷达可以较好地获取开阔大洋和海岸带区域高分辨率海面风场。然而，在高海况下，传统地球物理模式风速反演模式函数存在“饱和”特性，即当海面风速接近台风临界风速时，海面微波后向散射不再随风速的增加而增大，从而导致反演的风速存在多个数值解，不能得到正确的海面高风速。“虽然国内外研究学者在传统垂直极化雷达遥感中等海况海面风场做了许多研究工作，但是交叉极化雷达高海况海面微波散射机理尚不清楚，也没有适用于该模式的高风速反演模式”。

经过刻苦攻关，张彪揭示了新型成像模式雷达高海况海面微波散射机制，即交叉极化雷达后向散射在高风速下对雷达入射角和风速不敏感，而与海面风速线性相关；交叉极化雷达后向散射在高风速下不“饱和”——随风速的增加而增大。“这与传统垂直极化雷达对海观测的认识发生了翻天覆地的变化，比如海面风速为25米/秒和40米/秒时所对应的海面后向散射是不一样的，风速越大，后向散射越大；而对于传统垂直极化雷达后向散射来说，当风速超过25米/秒时，后向散射就不再随着风速的增加而增大，这样就无法反演出海面高风速的信息了”，他解释道。在此基础上，张彪又发展了台风高海况海面风速信息提取模型，即建立了交叉极化雷达高风速反演模式。

这是张彪首次揭示了新型雷达成像模式高海况海面微波散射机制，不仅有效突破了传统地球物理模式无法准确获取高风速的瓶颈问题，还较大程度简化了成像雷达台风海面风场反演流程，提高了高风速反演精度。有数据显示，精度相对于传统方法可提高近50%。俄罗斯国家水文气象大学首席科学家Elizaveta Zabolotskikh教授于2014年发表在Remote Sensing of Environment上的文章引用了张彪关于交叉极化雷达遥感台风海面风速创新研究成果，并给予积极评价，他这样写道“交叉极化雷达提供了一种测量海面高风速的新技术！”

除了“饱和”特性问题，传统地球物理模式函数在反演台风海面风速时还需要输入外部风向，也就是无法实现风速和风向信息同步获取。如果风向信息存在误差，则会直接影响风速反演精度。另外，传统成像雷达台风海面风速遥感信息提取模型没有经过空天地不同数据源的有效验证和评估，因此无法知晓模型的准确性和适用性。

由此，张彪建立了双极化雷达台风高分辨率海面风场遥感信息模型，实现了海面风速和风向同步信息获取，避免了风向误差对高风速反演精度的影响；同时还发展了台风海面风速遥感验证方法，利用机载辐射计、星载散射计、大气数值模式和浮标数据有效验证了风速反演模型的准确性。“这可以有效摆脱传统地球物理模式函数对外部风向的依赖，也是首次对不同地球物理模式反演的台风海面风速进行了集合验证。”

回忆起在欧洲会议上第一次展示星载成像雷达台风遥感创新工作时，张彪记忆犹新，“结束后有很多同行过来交流，当文章发表后又得到了许多积极评价，这是通过自己努力做出的创新成果，得到了大家的认可”，话语间依旧能透露出他的欣喜与自豪。

干涉与极化雷达遥感海面波浪

20世纪80年代初期，国内外研究学者开始研究如何利用星载合成孔径雷达观测获取大范围二维海面波浪信息，陆续发展出非线性初始猜测谱方法、经验波模式方法、半参数化方法等。然而，这些方法均基于单天线、单极化成像模式，存在一定的局限性。近年来，随着卫星技术的快速发展，星载成像雷达已经能够以各种工作模式对海观测，如双天线干涉模式、全极化模式等，但如何利用这些先进成像模式遥感海面波浪是一个急需解决的问题。此外，如何利用多通道雷达观测同时获取海面波浪和海面风场信息也是值得研究的科学问题。

“我针对这些关键问题，发展了全极化雷达海面波浪和海面风场同步信息反演模式，建立了沿轨迹干涉合成孔径雷达相位谱与海浪谱非线性积分映射关系，并揭示出干涉雷达海浪成像机制，也发展了双天线干涉雷达海浪谱参数化反演方法”。这项工作的创新意义在于他成功利用多极化雷达观测实现了海面波浪和海面风场信息同步获取；而且使干涉雷达参数化反演方法不需要海浪数值模式提供的先验波谱，也不需要卫星散射计提供先验风场信息。

此外，在交叉轨迹干涉合成孔径雷达海浪遥感方面，张彪发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达式；揭示了交轨干涉雷达沿方位向传播的涌浪成像机制。在全极化合成孔径雷达海浪遥感方面，他建立了全极化合成孔径雷达海浪斜率谱反演方法，验证了该方法的准确性和适用性。“它的科学意义在于可以为国内外新型传感器海浪监测提供理论基础和技术支撑，为海浪数值模式提供相对准确的初始输入场，有利于提高模式预报精度。”上述创新研究成果于2015年发表于美国地球物理学会期刊Journal of Geophysical Research-Oceans，影响因子为3.42。

极化雷达遥感海面溢油

海上溢油事故对海洋环境和海洋生物资源的危害无疑是相当严重的。因此，实时监测溢油事故并采取紧急处理措施是降低其危害的重要手段，常见的方法有传统单极化雷达海面溢油和人工目标探测方法。它们通常基于计算机器智能学习算法，例如人工神经网络、支持向量机、贝叶斯分类、马尔可夫模型等。利用上述方法探测海面溢油和人工目标时，需要进一步结合人工判读，辅助解译探测结果，这不仅存在主观误判而且依靠人工并不方便。

渐渐地，全极化雷达成像模式应运而生，相对于传统单极化雷达仅能提供后向散射强度信息，前者可以同时提供共极化和交叉极化通道观测。近年来，张彪对全极化雷达成像模式展开了深入探索，揭示了海面溢油覆盖区域内的微波散射机制；发展了全极化雷达海面溢油探测的非监督分类方法。“如果海面出现溢油的时，溢油会衰减表面的毛细波和重力波，减小海面粗糙度，在图像上看到的就是一块黑色的区域。相较于传统单极化雷达，它可以测量海面目标点的散射矩阵，不仅能够测量电磁波回波强度，还能测量相位信息，这样可以用于研究海面溢油覆盖区域和未溢油区域不同的散射机制，从物理角度解析清洁海面和有溢油覆盖区域的不同散射机制”。而且全极化海面溢油探测方法不需要设定经验阈值，适合于业务化海洋溢油监测。美国南弗罗里达大学杰出教授Robert H. Weisberg教授在2012年出版的学术专著Monitoring and Modeling the Deepwater Horizon Oil Spill: A Record-Breaking Enterprise积极评价了张彪关于全极化雷达海洋溢油探测工作，如“在溢油遥感领域，有几个例子值得提及，其中一个是全极化合成孔径雷达海洋溢油探测”。

万物皆不完美，全极化雷达虽然能够提供高分辨率同极化和交叉极化观测，但也存在缺点，即成像区域较小（25～50公里），无法大面积监测海面特征目标。相应的，简缩极化是一种新型雷达成像模式，其特点是成像区域较大（350～500公里），并且包含丰富的极化信息，在陆地遥感领域已经成为研究热点。然而，将该成像模式应用于海洋目标探测的研究尚不多见。张彪敏锐地发现新领域，就此开展系统研究，揭示了不同简缩极化重构算法在不同海况和雷达参数条件下的适用性；发展了简缩极化海洋石油平台和海面溢油探测方法。其创新性在于证明了利用简缩极化成像模式观测探测海面目标的可行性。不仅可以为我国新型成像雷达业务化监测海洋溢油和人工目标提供理论基础和关键技术支持；同时也为海洋溢油污染清理和灾后损失评估提供参考观测数据和决策支持。

在合成孔径雷达遥感领域，张彪的建树可谓是颇为丰硕，但在南方那个美丽的校园里，他仍然跟踪着国内外最新的研究动态，阅读最新出版的科技文献，提炼关键科学问题并撰写相关项目建议书；处理数据，建模，提取信息并反演，发表英文科技文章，给学生讲授海洋技术、海洋科学课程……2016年，张彪荣获国家优秀青年科学基金资助，他将继续奋斗在路上，乐此不疲。