12.7. 测高法¶
测高法
为了考虑测高，我们必须从点测量到地球表面的线性测量。飞机和天基高度计可以直接测量狭窄路径上的海拔高度。我们可以很容易地将这些高程绘制成剖面图。一系列的平行轮廓作为轮廓的框架。高度计向反射面发送自生（主动）信号，并采集反射信号。然后，他们测量目标（坚实的土地、树梢、冰或水）往返的总时间。信号可以是无线电脉冲（包括雷达）或光脉冲（激光）。
激光是受激辐射光放大的缩写。典型的固体激光装置是一种掺铬红宝石（Al:Sub:2`o3 ）当外部辐射源（如从封闭的闪光管）作用于形状（通常是圆柱形）的红宝石晶体上时，其一端镀银以充当镜子，分散在晶格中的铬（Cr）离子被激发到新的能量状态（电子上升到某个新的轨道水平）。当电子回落到较低的能量水平时，受激发射产生激光状态（记住，从CH27第26章的推导中，公式：e=hc/
）大部分的光从晶体中横向穿过，但是沿着圆柱体轴向移动的光在反复反射时会遇到其他的铬离子。多个复型进一步激发离子，并建立或放大（称为光抽运）光能，直到它以一个离散波长（实际上是一个狭窄的频率范围；对于红宝石激光器，光是粉红色的）强相干辐射脉冲（由闪光灯控制）的形式放电。它被准直，形成一个单向光束，可以瞄准。其他激光材料包括砷化镓和激发气体，如氖或氦。可见光和红外线波长光都可以这样产生。
几十年来，激光测高一直在飞机平台上进行。定时装置可以非常精确地确定通过时间，从而可以在确定导线沿线的高程（及其差或起伏）时达到几厘米的精度。飞机可以在良好的天气条件下飞行，抵消了使用云与光束干涉产生的激光的主要缺点。例如，亚利桑那州陨石坑的这一剖面图（见第18节），由美国宇航局（NASA）任务获得（由J.加文提供）：
激光高度计开始在宇宙飞船上飞行。轨道仿形激光高度计是一种脉冲式飞行时间光学（1.024微米）传感器，在窄光束中每秒发送10个脉冲（pps）（直径30-150米，采样150-700米）。 [492-2296 ft] 间隔）1996年1月在奋进号航天飞机上运行，垂直精度达到0.75米。 [29.5英寸] . 每一次激光发射的停留时间只有2-10纳秒，在定时电子设备的1-10 nsec分辨率范围内；利用这种快速返回率，只要空间飞行器位置已知，地面位置就容易确定。这是一个典型的剖面图，是在夏威夷大岛上的冒纳凯亚火山经过时获得的：
1996年底，与火星全球高度计发射到这颗红色星球的传感器基本相同。EOS系列（见第16节）中的一颗专用卫星（ALT）计划于2003年发射，将安装地球科学激光高度计系统（GLAS），该系统旨在测量冰盖地形以及云和大气特性，但也将测量选定的陆地和水面。40脉冲/秒的光束由钕：钇铝石榴石（Nd:YAG）晶体产生，产生两级能量输出：1.064微米（红外线）用于表面测量，0.532微米信号用于大气（云和气溶胶）测量。每个脉冲将在70米（230英尺）的地面点上传播，脉冲之间的间隔高达170米（558英尺）。从705公里（440英里）的轨道高度，该仪器可以测量10厘米（4英寸）精度的冰上的高度差；改变后的返回脉冲的特性表明表面粗糙度。
激光也是确定与在轨卫星距离的可靠和非常精确的工具。反射镜是安装在航天器上的小棱镜（通常是石英）。即使在轨道速度很高的情况下，这些航天器也可以从地面站截获激光束脉冲，然后由反射镜反射回来。与GPS一起，这是一种精确确定卫星轨道位置的方法。在后来的阿波罗任务中，宇航员们将反光镜留在月球表面，作为进一步了解月球轨道运动的一种手段，包括它从地球上的衰退。
从空间上看，真正的孔径微波（雷达）高度计已经用于测量海况的各个方面，例如相对于大地水准面的高度、波的几何结构、海冰，以及间接的环流特征，如水流和涡流。像激光一样，这些信号以短脉冲发送，但在较长的雷达波长，这些信号可以穿透云层。再次，使用往返时间的仪器作为一个护林员，以确定距离目标。设计用于保护来自海洋表面数据的雷达高度计使用小天线，通过宽波束发送长波长脉冲，产生宽覆盖面积，其尺寸由脉冲长度决定。这种脉冲限制类型在光滑表面上运行得最好，但对后向散射脉冲（回波）的“拉伸”程度的分析会产生关于表面波高度（粗糙度）的信息。对于陆地测量，特别是在地势较高的表面上，限束高度计需要一个较大的天线（实际限制），能够产生较窄的波束（因此，能够更好地区分坡度变化的较小的占地面积）和较短的波长。必须以高精度和高精度确定传感器平台的轨道位置，以确定大地水准面的位置和表面与大地水准面的局部偏差；需要考虑大气对信号的修改，通常通过对随附辐射计获得的数据进行校正。
1973年的天空实验室任务中进行了第一次星载高度计实验。其次是1975年的GEOS-3（地球动力学实验海洋卫星），它测量的高度差大于60厘米。1978年，JPL的SESAT（99天后失败，但在此期间返回了非常有价值的海、陆数据）。它的高度计是包括一个合成孔径雷达在内的五种仪器之一，它能够确定海况，这个术语包括波高的测量，以及海面的总高度变化（波浪叠加在其上）以及风速的指示。波高的测定精度为10cm。在哥伦比亚大学制作的全球海底地图（第8-7页）中，我们已经看到了高度计数据、由此得出的重力场数据和海洋地形之间相关性的一个惊人的产物。
1985年，国防部作为大地测量员发射了一种性能类似于SEASAT的仪器。同年，由NASA/JPL和CNES（国家空间研究中心）共同执行的TOPEX/POSEIDON任务开始了规划和开发，最终于1992年8月成功启动。其双频高度计（13.6 GHz和5.3 GHz [进行电离层校正] ）和一台三通道微波辐射计（用于对流层水汽校正），平均每天在±63.1°的纬度带上进行50000次观测。可以检测到小于4.3厘米（1.6英寸）的波高。Topex/Poseidon制作了全球地图，显示了由于区域温度变化（海水的外部3米（~10英尺）包含的热量与整个大气的热量）导致的海水膨胀所导致的海平面季节性变化。此处显示一个示例：
|全球海平面季节变化的彩色topex/poseidon图像。|
这些数据集也可以解释为跟随由热上升流、风和科里奥利力控制的洋流循环（通常是向极流）的变化，以及潮汐的影响、涡流的发展和厄尔尼诺现象（由于热影响而引起的水赤道移动）的监测。所有这些观察结果都与全球气候变化的主要方面有关。
最近，整个海洋领域的高度计数据是在ERS-1大地测量任务期间获得的。将测高测量与卫星轨道变化（由于与地下地球的重力差异而引起的加速度变化）相结合，可以形成海洋表面重力场。当这种情况发生逆转时，其结果是根据深度（水深测量）绘制的海底“地图”，由地表和海底之间的水厚度变化表示。这是一张来自ERS-1的全球水深图。
空间图像可以在适合立体观察的模式下获取，原则上也可以由立体绘图仪进行分析和轮廓绘制。雷达图像能够显示三维效果，但由于叠加、距离效应和其他畸变，这通常不如航空摄影那样“真实”（见第8节）。
11-17: Why hasn't altimetry from space as yet replaced conventional methods for making topographic maps? `ANSWER <answers.html#11-17>`__