CN106054147A - 一种微波辐射计亮温非线性校正的方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种微波辐射计亮温非线性校正的方法与系统，包括一种微波辐射计亮温非线性校正系统与一种微波辐射计亮温非线性校正方法；一种微波辐射计亮温非线性校正系统中各模块的功能为：地面真空定标试验模块A开展地面真空定标试验，在地面真空罐中测量微波辐射计观测热定标源和冷定标源的接收机响应值；卫星在轨测量黑体和冷空模块B的功能是微波辐射计发射入轨后，观测热源黑体和深空冷源得到接收机响应；低温点订正模块C的功能是通过两点定标观察延展后的接收机计数值和辐射计在轨直接观测深空冷源2.73k的计数值之间的差异，开展低温订正；非线性订正模块D采用地面真空定标试验模块A得到的数据，列出各通道高次方程，再开展非线性订正。

Description

一种微波辐射计亮温非线性校正的方法与系统

技术领域

本发明涉及一种微波辐射计亮温非线性校正的方法与系统，属于微波仪器定标技术领域。

背景技术

微波辐射计是目前唯一能够同时探测大气垂直温湿度阔线的星载微波遥感仪器。由于它的特定通道对于大气中的氧气和水汽具有吸收作用，利用这些物理特性可以探测到大气垂直温湿度阔线。

国际上目前比较流行的微波辐射计亮温非线性校正方法主要是欧洲的AMSU的非线性系数U校正方法和美国的ATMS线性定标加拉格朗日中值定理的非线性校正方法，这两种方法对于微波辐射计在地面真空定标试验中接收机非线性响应特性呈现二次数学模型的形式具有较好的校正效果，但是对于接收机非线性响应特性呈现多次数学模型的形式却难以校正。

AIRS PROJECT.ALGORITHM THEORETICAL BASIS DOCUMENT.Level 1b，Part 3：Microwave Instruments.JET PROPULSION LABORATORY California Institute ofTechnology Pasadena，California。此文揭示了欧洲对于微波辐射计真空定标数据采用小U方法开展非线性订正的详细描述，并取得了良好效果；然而，文中的小U方法只能针对微波辐射计响应呈现二次曲线数学模型形式有效，对于微波辐射计响应呈现多次曲线数学模型形式无效。

因此，在针对非线性特性呈现多次数学模型形式进行校正的应用方面，需要提出一种针对微波辐射计真空定标试验响应数据建立高次方程模型的非线性订正定标方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于有效去除微波辐射计真空定标试验接收机响应呈现多次数学模型形式所带来的偏差，提出一种微波辐射计亮温非线性校正的方法与系统。

为实现上述目的，一种微波辐射计亮温非线性校正的方法与系统，包括一种 微波辐射计亮温非线性校正系统与一种微波辐射计亮温非线性校正方法；

其中，一种微波辐射计亮温非线性校正系统包括地面真空定标试验模块A、卫星在轨测量黑体和冷空模块B、低温点订正模块C以及非线性订正模块D；

其中，地面真空定标试验模块A中的操作主要包括地面真空罐、变温源和接收机；

一种微波辐射计亮温非线性校正系统中各模块的功能如下：

地面真空定标试验模块A用于开展地面真空定标试验，在地面真空罐中的微波辐射计观测热定标源和冷定标源的接收机响应值，其中，热定标源为热源黑体293k，冷定标源为低温源95k；卫星在轨测量黑体和冷空模块B的功能是微波辐射计发射入轨后，观测热源黑体293k和深空冷源2.73k得到接收机响应；低温点订正模块C根据地面真空定标试验延展的2.73k深空冷源响应与微波辐射计发射入轨后测量的接收机响应值之间的差异，开展线性低温订正；非线性订正模块D的功能是采用地面真空定标试验模块A得到的数据，列出各通道高次方程，再基于低温点订正模块C中得到的差异，开展非线性订正；

其中，k为温度单位，开尔文；

一种微波辐射计亮温非线性校正系统中各模块的连接关系是串联关系，即：地面真空定标试验模块A连接卫星在轨测量黑体和冷空模块B；卫星在轨测量黑体和冷空模块B连接低温点订正模块C；低温点订正模块C连接非线性订正模块D；

一种微波辐射计亮温非线性校正方法，具体步骤为：

步骤一、地面真空定标试验模块A进行地面真空定标试验，在地面真空罐中的微波辐射计观测热定标源和冷定标源的亮温源值和相应的接收机响应值，具体为：

步骤1.1根据热定标源及冷定标源的亮温源值和接收机响应值，列如下方程，并解出a和b：

T_C＝a*V_C+b (1)

T_H＝a*V_H+b (2)

其中，a和b是两点线性定标的亮温曲线系数，其中，a是两点线性定标的亮温曲线斜率，b是两点线性定标的亮温曲线截距；V_H和V_C分别代表冷定标源和热定标源的接收机响应值；

其中，a通过a＝(T_H-T_C)/(V_H-V_C)计算，b通过＝(V_H*T_C-V_C*T_H)/(V_H-V_C)计算；T_C是热定标源的亮温源值，T_H是冷定标源的亮温源值；

其中，所述的热定标源T_C是热源黑体，其亮温源值为293k，所述的冷定标源T_H是低温源，其亮温源值为95k；

步骤1.2根据(1)式和(2)式解出的a和b值，将公式(1)和(2)计算出两点线性定标的亮温曲线延展到深空冷源T_S，即：通过公式(3)求出延展后的接收机响应V_S；

T_S＝a*V_S+b (3)

其中，所述的深空冷源的亮温源值为2.73k；

步骤1.3在地面真空定标试验模块A的地面真空罐试验，在变温源可观测的温度范围内，对接收机的N个通道进行观测，得到响应的接收机响应值即：测量亮温，再进一步通过高次方程拟合得出的测量亮温偏差Q；

其中，所述的变温源是在地面真空定标试验模块A的地面真空罐试验中，微波辐射计接收机观测的目标源，该目标源可以变化温度，即变温源；

所述的变温源可观测的温度范围为95～320k；

其中，观测的接收机通道数N的计算过程如下：

1)首先，计算变温源温度变化范围，即：T_max-T_min；

2)其次，再用1)计算的结果除以测试亮温间隔，再取向下整数，计算公式为：

其中，所述的亮温间隔K_f范围为：5k到15k；T_max是变温源可以测试的最高温度，T_min是变温源可以测试的最低温度；是向下取整操作；

其中，所述的测量亮温偏差Q，其定义为：Q＝变温源亮温源值-测量亮温；

具体来说，通过高次方程拟合得出所测的测量亮温偏差Q，具体为：

Q＝d_n*Vⁿ+d_n-1*V^n-1+..+d₀ (5)

其中，d_n，d_n-1，...d₀代表高次方程拟合系数，V代表所测的接收机响应值，具体对应接收机通道i的测量亮温V_i，其测量亮温偏差为Q_i，下标i取值范围为1到N，分别对应N个接收机通道；

步骤1.4根据步骤1.3测得的一定范围内的变温源的测量亮温，采用最小二乘法向低温段延展至2.73k，对应的接收机响应为V_S；

步骤二、通过卫星在轨测量黑体和冷空模块B，在轨观测热源黑体和宇宙冷空的接收机响应值；再通过两点线性定标，计算在轨实测亮温曲线参数，进一步计算出接收机的N个通道变温源观测温度范围的在轨测量亮温偏差；

具体为：

步骤2.1在卫星在轨测量黑体和冷空模块B中，采用星载微波辐射计分别观测热源黑体及宇宙冷空，分别得到两者的接收机响应值；

其中，所述的热源黑体与步骤一中的热源黑体相同，其亮温源值为293k，所 述的宇宙冷空，其亮温源值为2.73k；

步骤2.2根据步骤2.1测得的结果进行两点线性定标，计算出在轨实测亮温曲线参数a’和b’；

具体为：

根据热源黑体及宇宙冷空的亮温源值和接收机响应值，列如下方程，并解出a’和b’：

T_S＝a’*V_S2+b’ (6)

T_C＝a’*V_C2+b’ (7)

其中，V_C2和V_S2分别代表采用星载微波辐射计测得的热源黑体及宇宙冷空的接收机响应值；a’和b’是两点线性定标的在轨实测亮温曲线系数，其中，a’是两点线性定标的在轨实测亮温曲线斜率，b’是两点线性定标的在轨实测亮温曲线截距；其中，T_C是热源黑体的亮温源值，293k，T_S是宇宙冷空的亮温源值，2.73k；

其中，a’通过a’＝(T_C-T_S)/(V_C2-V_S2)计算，b’通过b’＝(V_C2*T_S-V_S2*T_C)/(V_C2-V_S2)计算；

步骤2.3根据步骤2.2得出的在轨实测亮温曲线参数，计算出接收机的N个通道变温源观测温度范围的测量亮温偏差，即为线性订正误差；

具体计算过程为：

分别将步骤1.3中接收机的N个通道观测的变温源值：T₁＝T_min，T₂＝T_min+K_f，T₃＝T_min+2K_f，……，T_N＝T_max，分别带入步骤1.1计算的结果a和b以及步骤2.2的计算结果a’和b’带入如下方程(8)和(9)中，求出对应的接收机响应值：

T_i＝a*V_i1+b (8)

T_i＝a’*V_i2+b’ (9)

公式(8)和(9)中T_i、V_i1和V_i2的下标i取值范围为1到N，T_i对应接收机通道i观测的变温源值；V_i1对应接收机通道i的地面真空定标接收机响应；V_i2对应接收机通道i观测的在轨接收机响应；

步骤2.4根据步骤2.3的计算结果：各个通道的地面真空定标接收机响应减去对应通道的在轨接收机响应，得出线性订正误差；

$T_{LIN}^i=V_{i}1-V_{i}2---\left(10\right)$

公式(10)中的表示接收机通道i观测的线性订正误差，下标i取值范围为1到N；

步骤三、低温点订正模块C进行线性低温偏差订正；

具体包括：

3.1将星载微波辐射计在轨测量的宇宙冷空的接收机响应值V_S2订正为步骤1.2的计算结果V_S；

3.2将星载微波辐射计在轨测量的接收机通道i的测量亮温减去步骤2.4计算的接收机通道i的线性订正误差，

步骤四、非线性订正模块D中进一步对经过步骤三线性低温偏差订正的在轨测量的接收机响应值进行非线性订正；

具体为：

将步骤三中3.2的输出，即经过线性订正的在轨测量N个接收机通道的测量亮温分别加上步骤1.3经过高次方程拟合得出的各个接收机通道的测量亮温偏差Q_i，得出非线性订正后的N个通道的接收机响应值；

至此，从步骤一到步骤四，完成了一种微波辐射计亮温非线性校正方法。

有益效果

本发明一种微波辐射计亮温非线性校正的方法与系统，与现有校正方法与系统相比，具有如下有益效果：

1.本发明一种微波辐射计亮温非线性校正方法的能够克服非线性特性呈现多次数学模型的形式的校正，取得良好效果；

2.本发明一种微波辐射计亮温非线性校正方法具有方法定义简单明确，计算量小，且收敛速度较快，具有广阔的通用性和普适性。

附图说明

图1为本发明一种微波辐射计亮温非线性校正系统与方法的流程图；

图2为本发明一种微波辐射计亮温非线性校正系统与方法中的低温点修正示意图；

其中，横坐标为变温源温度即：变温源的亮温源值，纵坐标代表测量亮温；

图3为本发明一种微波辐射计亮温非线性校正系统与方法中真空定标非线性订正模块进行偏差订正过程中测量到的偏差特性示意图；

其中，系列1到系列13分别对应着FY3C型号辐射计的第1到第13个工作频率。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

以FY3C型号微波辐射计接收机实现本发明一种微波辐射计亮温非线性校正方法为例；

所述的FY3C辐射计有13个工作频率，每一个工作频率都可以进行亮温校正，利用此型号进行亮温非线性校正，其步骤如下：

首先，地面真空定标试验模块A中进行地面真空定标试验，根据星载黑体和冷空的测量亮温，通过两点线性定标确定亮温曲线的斜率和截距；

图2是一种微波辐射计亮温非线性校正系统与方法中的线性低温修正示意 图；

其中，变温源真实亮温值对应的是测量亮温，经过两点线性定标得出；

其次，再用变温源测试的最高温度减去变温源测试的最低温度，其结果再除以测试亮温间隔，再取向下整数，计算公式为说明书主体中的公式(4)所示，即：

其中，所述的亮温间隔K_f为15k；T_max是变温源测试的最高温度，本实施例中为330k，T_min是变温源可以测试的最低温度，本实施例中为90k；

线性低温偏差Q的定义为：Q＝变温源亮温源值-测量亮温；

然后在地面真空定标试验模块A中的地面真空环境中，微波辐射计观测变温源的温度从95k到320k变化，每间隔15k记录一次测得的测量亮温；

95k的冷定标源以及290k的热定标源分别为亮温源值的起始点；

微波辐射计周期性依次观测变温源的温度从90k开始，15k间隔，温度依次升高的测量亮温；

再利用三次方程拟合，得到各个测量通道的非线性偏差：T_NL(T_NL＝y_i)；

非线性偏差y_i的拟合过程如下：

y_i＝c_3i×x³+c_2i×x²+c_1i×x+c_0i (11)；

其中，下标i的变化范围为1到13，分别对应着13个工作频率，即进行13次非线性订正；

图3是微波辐射计真空定标数据，纵坐标是非线性偏差＝测量亮温-变温源亮温值；微波辐射计真空定标数据非线性偏差T_NL，横坐标是16个测量亮温和变温源亮温源值，纵坐标是非线性偏差＝变温源真实亮温值-两点线性定标变温源亮温源值，13个系列代表13个工作频率，即进行了13次非线性订正；

[-4.7513e-07，4.1821e-04，-0.1022，6.1876]

[5.3553e-07，-1.9884e-04，0.0104，0.4144]

[1.0252e-06，-6.7964e-04，0.1391，-8.3636]

[5.2842e-08，4.4948e-05，-0.0239，1.8579]

[4.5432e-08，2.6263e-04，-0.1074，7.8403]

[9.0046e-07，-5.4639e-04，0.1036，-5.9763]

[3.5792e-07，-7.6730e-06，-0.0423，3.9607]

[8.0792e-07，-4.5181e-04，0.0789，-4.5626]

[7.5886e-07，-2.9693e-04，0.0204，0.3425]

[-1.7211e-07，1.1644e-04，-0.0200，0.4043]

[-3.1408e-07，3.7274e-04，-0.1061，6.9605]

[1.8504e-07，2.0114e-05，-0.0311，2.6942]

[-1.6471e-07，1.9024e-04，-0.0526，3.3427]

最后，根据新的定标方程得到真实星载亮温数据，即＝T_LIN+T_NL，T_NL＝y_i；

至此，完成了一种微波辐射计亮温非线性校正方法。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微波辐射计亮温非线性校正的方法与系统，其特征在于：

包括一种微波辐射计亮温非线性校正系统与一种微波辐射计亮温非线性校正方法；

其中，一种微波辐射计亮温非线性校正系统包括地面真空定标试验模块A、卫星在轨测量黑体和冷空模块B、低温点订正模块C以及非线性订正模块D；

其中，地面真空定标试验模块A中的操作主要包括地面真空罐、变温源和接收机；

一种微波辐射计亮温非线性校正系统中各模块的功能如下：

地面真空定标试验模块A用于开展地面真空定标试验，在地面真空罐中的微波辐射计观测热定标源和冷定标源的接收机响应值，其中，热定标源为热源黑体293k，冷定标源为低温源95k；卫星在轨测量黑体和冷空模块B的功能是微波辐射计发射入轨后，观测热源黑体293k和深空冷源2.73k得到接收机响应；低温点订正模块C根据地面真空定标试验延展的2.73k深空冷源响应与微波辐射计发射入轨后测量的接收机响应值之间的差异，开展线性低温订正；非线性订正模块D的功能是采用地面真空定标试验模块A得到的数据，列出各通道高次方程，再基于低温点订正模块C中得到的差异，开展非线性订正；

其中，k为温度单位，开尔文；

一种微波辐射计亮温非线性校正系统中各模块的连接关系是串联关系，即：地面真空定标试验模块A连接卫星在轨测量黑体和冷空模块B；卫星在轨测量黑体和冷空模块B连接低温点订正模块C；低温点订正模块C连接非线性订正模块D。

2.如权利要求1所述的一种微波辐射计亮温非线性校正的方法与系统，其特征还在于：

所述的一种微波辐射计亮温非线性校正方法，具体步骤为：

步骤一、地面真空定标试验模块A进行地面真空定标试验，在地面真空罐中的微波辐射计观测热定标源和冷定标源的亮温源值和相应的接收机响应值；

步骤二、通过卫星在轨测量黑体和冷空模块B，在轨观测热源黑体和宇宙冷空的接收机响应值；再通过两点线性定标，计算在轨实测亮温曲线参数，进一步计算出接收机的N个通道变温源观测温度范围的在轨测量亮温偏差；

步骤三、低温点订正模块C进行线性低温偏差订正；

步骤四、非线性订正模块D中进一步对经过步骤三线性低温偏差订正的在轨测量的接收机响应值进行非线性订正；

至此，从步骤一到步骤四，完成了一种微波辐射计亮温非线性校正方法。

3.如权利要求2所述的一种微波辐射计亮温非线性校正方法，其特征还在于：

步骤一具体为：

步骤1.1根据热定标源及冷定标源的亮温源值和接收机响应值，列如下方程，并解出a和b：

T_C＝a*V_C+b (1)

T_H＝a*V_H+b (2)

其中，a和b是两点线性定标的亮温曲线系数，其中，a是两点线性定标的亮温曲线斜率，b是两点线性定标的亮温曲线截距；V_H和V_C分别代表冷定标源和热定标源的接收机响应值；

其中，a通过a＝(T_H-T_C)/(V_H-V_C)计算，b通过＝(V_H*T_C-V_C*T_H)/(V_H-V_C)计算；T_C是热定标源的亮温源值，T_H是冷定标源的亮温源值；

其中，所述的热定标源T_C是热源黑体，其亮温源值为293k，所述的冷定标源T_H是低温源，其亮温源值为95k；

步骤1.2根据(1)式和(2)式解出的a和b值，将公式(1)和(2)计算出两点线性定标的亮温曲线延展到深空冷源T_S，即：通过公式(3)求出延展后的接收机响应V_S；

T_S＝a*V_S+b (3)

其中，所述的深空冷源的亮温源值为2.73k；

步骤1.3在地面真空定标试验模块A的地面真空罐试验，在变温源可观测的温度范围内，对接收机的N个通道进行观测，得到响应的接收机响应值即：测量亮温，再进一步通过高次方程拟合得出测量亮温偏差Q；

其中，所述的变温源是在地面真空定标试验模块A的地面真空罐试验中，微波辐射计接收机观测的目标源，该目标源可以变化温度，即变温源；

所述的变温源可观测的温度范围为95～320k；

其中，观测的接收机通道数N的计算过程如下：

1)首先，计算变温源温度变化范围，即：T_max-T_min；

2)其次，再用1)计算的结果除以测试亮温间隔，再取向下整数，计算公式为：

其中，所述的亮温间隔K_f范围为：5k到15k；T_max是变温源可以测试的最高温度，T_min是变温源可以测试的最低温度；是向下取整操作；

其中，所述的测量亮温偏差Q，其定义为：Q＝变温源亮温源值-测量亮温；

具体来说，通过高次方程拟合得出所测的测量亮温偏差Q，具体为：

Q＝d_n*Vⁿ+d_n-1*V^n-1+..+d₀ (5)

其中，d_n，d_n-1，...d₀代表高次方程拟合系数，V代表所测的接收机响应值，具体对应接收机通道i的测量亮温V_i，其测量亮温偏差为Q_i，下标i取值范围为1到N，分别对应N个接收机通道；

步骤1.4根据步骤1.3测得的一定范围内的变温源的测量亮温，采用最小二乘法向低温段延展至2.73k，对应的接收机响应为V_S。

4.如权利要求2所述的一种微波辐射计亮温非线性校正方法，其特征还在于：

步骤二具体为：

步骤2.1在卫星在轨测量黑体和冷空模块B中，采用星载微波辐射计分别观测热源黑体及宇宙冷空，分别得到两者的接收机响应值；

其中，所述的热源黑体与步骤一中的热源黑体相同，其亮温源值为293k，所述的宇宙冷空，其亮温源值为2.73k；

步骤2.2根据步骤2.1测得的结果进行两点线性定标，计算出在轨实测 亮温曲线参数a’和b’；

具体为：

根据热源黑体及宇宙冷空的亮温源值和接收机响应值，列如下方程，并解出a’和b’：

T_S＝a’*V_S2+b’ (6)

T_C＝a’*V_C2+b’ (7)

其中，V_C2和V_S2分别代表采用星载微波辐射计测得的热源黑体及宇宙冷空的接收机响应值；a’和b’是两点线性定标的在轨实测亮温曲线系数，其中，a’是两点线性定标的在轨实测亮温曲线斜率，b’是两点线性定标的在轨实测亮温曲线截距；其中，T_C是热源黑体的亮温源值，293k，T_S是宇宙冷空的亮温源值，2.73k；

其中，a’通过a’＝(T_C-T_S)/(V_C2-V_S2)计算，b’通过b’＝(V_C2*T_S-V_S2*T_C)/(V_C2-V_S2)计算；

步骤2.3根据步骤2.2得出的在轨实测亮温曲线参数，计算出接收机的N个通道变温源观测温度范围的测量亮温偏差，即为线性订正误差；

具体计算过程为：

分别将步骤1.3中接收机的N个通道观测的变温源值：T₁＝T_min，T₂＝T_min+K_f，T₃＝T_min+2K_f，……，T_N＝T_max，分别带入步骤1.1计算的结果a和b以及步骤2.2的计算结果a’和b’带入如下方程(8)和(9)中，求出对应的接收机响应值：

T_i＝a*V_i1+b (8)

T_i＝a’*V_i2+b’ (9)

公式(8)和(9)中T_i、V_i1和V_i2的下标i取值范围为1到N，T_i对应接收机通道i观测的变温源值；V_i1对应接收机通道i的地面真空定标接收机响应；V_i2对应接收机通道i观测的在轨接收机响应；

步骤2.4根据步骤2.3的计算结果：各个通道的地面真空定标接收机响应减去对应通道的在轨接收机响应，得出线性订正误差；

公式(10)中的表示接收机通道i观测的线性订正误差，下标i取值范围为1到N。

5.如权利要求2所述的一种微波辐射计亮温非线性校正方法，其特征还在于：

步骤三具体包括：

3.1将星载微波辐射计在轨测量的宇宙冷空的接收机响应值V_S2订正为步骤1.2的计算结果V_S；

3.2将星载微波辐射计在轨测量的接收机通道i的测量亮温减去步骤2.4计算的接收机通道i的线性订正误差，

6.如权利要求2所述的一种微波辐射计亮温非线性校正方法，其特征还在于：

步骤四具体为：

将步骤三中3.2的输出，即经过线性订正的在轨测量N个接收机通道的测量亮温分别加上步骤1.3经过高次方程拟合得出的各个接收机通道的 测量亮温偏差Q_i，得出非线性订正后的N个通道的接收机响应值。