CN106569186A - 一种星载微波辐射计的偏差校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星载微波辐射计的偏差校正方法，该方法通过对微波辐射计发射前的热真空定标试验数据和仪器备份数据，以及微波辐射计在轨运行遥测数据和遥感数据的偏差校正，进而得到精确的亮温值，从而对成功发射的卫星进行在轨定标精度分析，提高卫星数据质量,更好的应用于气候研究和资料同化。

Description

一种星载微波辐射计的偏差校正方法

技术领域

本发明涉及星载微波辐射计技术领域，特别涉及一种星载微波辐射计的偏差校正方法。

背景技术

目前，在卫星发射前，地面测试需要对仪器各功能的性能指标进行全面测试，以确保卫星能发射成功。但是，由于仪器各功能部件的研制进度和研制所需要的时间均各不相同，造成了我们对各仪器部件所测得的基于热真空定标实验数据，仪器备份件和仪器在轨业务运行的实测数据存在实质性偏差。因此，需要对仪器各部件的性能进行验证测试，从而对星载微波辐射计进行偏差校正。

现有的偏差校正技术，仅仅是在卫星未离开地面且非系统性的一种偏差校正，不能确定仪器在不同温度下的工作特性，无法对微波辐射计性能进行验证测试和修正，以及对在轨微波辐射计测得的亮温值存在误差。因此，迫切需要一种系统而又全面的偏差校正方法来实现亮温值的高精确度，进而进行在轨定标精度分析。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的偏差校正方法缺乏系统性、可靠性的验证和偏差修正，无法提供一个高精确度的亮温值，进而造成对在轨卫星进行定标精度分析的问题，本发明提供了一种星载微波辐射计的偏差校正方法。

本发明提供了一种星载微波辐射计的偏差校正方法，所述的星载微波辐射计的偏差校正方法通过对微波辐射计发射前的热真空定标试验数据和仪器备份数据，以及微波辐射计在轨运行遥测数据和遥感数据的偏差校正，进而得到精确的亮温值，从而对成功发射的卫星进行在轨定标精度分析。具体步骤如下：

步骤1)根据在轨运行的星载微波辐射计下传的遥测数据包，利用通信分析，主备分析，电源分析和温度分析，判断仪器是否工作在正常状态；

步骤2)利用在轨运行的星载微波辐射计下传到地面数据接收站的遥感数据包，判断仪器各通道增益和信号输出电压值范围，参考仪器设计方提供的参考范围判断阈值,确定观测的数据是否有效；

步骤3)利用ECMWF/WRF仿真生成与星载微波辐射计时间和地理匹配的廓线数据，利用ARTS仿真模式进行亮度数据仿真验证，获得亮温值；

步骤4)根据微波辐射计MWHS在轨观测数据，测得亮温值；根据像元的辐射混合和极化混合的影响情况，获得精确的亮温值；

步骤5)然后，再结合国外同类型的微波辐射计，即AMSU-/B获得的代表国际先进水平的亮温值；

步骤6)在轨定标精度分析，通过上述步骤3)、4)和5)测得的亮温值，最终确定微波辐射机计仪器在轨定标精度，得到定量化结果。

优选的，所述的步骤1)进一步包含：

步骤a)在常温常压下，测出中心频点的频率，对该频率进行测试，进而确认该频率值；通过采用带宽修正方法，对带宽修正进行分析并计算微波辐射计带宽修正系数和在地面测得亮温值；

步骤b)在真空环境下，分别对在不同的工作温度和不同的变温源情况下，确定微波辐射计的系统非线性参数并分别加权，然后对非线性参数进行特性分析，并测得真空环境下的亮温值；

步骤c)根据步骤a)和步骤b)测得的中心频点频率，带宽修正系数以及非线性参数这些地面和热真空环境下的分析结果，对在地面测得的变温源亮温值和真空环境下定标测得的亮温值进行比对，获得一个精确度较高的亮温值，从而进行热真空定标精度分析；

步骤d)根据微波辐射计备份件天线方向图测试结果，进行天线特性测试分析和修正,为扫描线间及像元间辐射混合和极化混合计算提供天线修正系数；

步骤e)根据测得的射频及中频特性，利用微波辐射计备份件测试射频及中频响应。

优选的，在热真空环境下，工作温度在2-25度范围内。

优选的，所述的非线性参数在进行特性分析的过程中，在工作温度为2-25度范围内，采用变温源95-335K，间隔15K，逐点进行计算，得到每个温度点的非线性参数u，即非线性参数中的一个参数，并对所测结果进行加权平均；另外，对变温源95-335K间所有测试结果进行非线性拟合，将二者得到的结果再进行加权平均，确定仪器在不同工作温度下的非线性参数u。

优选的，所述的天线特性测试分析和修正，采用一个扫描周期内所有的扫描像元与3个冷空观测像元和3个热空观测像元的旁瓣、空间溢出的修正方法，交叉极化订正算法研究，以及天线订正矩阵；进而研究天线指向对于测量结果的影响，以及在轨辐射偏差修正模型。

优选的，在轨定标精度分析，采用ECMWF，WRF，ARTS三种模式结合的手段，利用全球海洋和陆地以及岛屿上空廓线仿真得到亮温值。

本发明的优点在于：通过将星载微波辐射计发射前的热真空定标试验数据进行补充分析，从而进一步确定仪器在不同工作温度状态下的工作特性，进而对星载微波辐射计仪器备份件进行再测试，完成天线亮温的冷空间溢出和交叉极化、辐射非对称性等关键性能参数的理论分析及建模，明确仪器输入输出响应的正确性，并对在轨运行遥感及遥测数据进行在轨监测和分析，实现对星载微波辐射计亮温值的更高的精确度。

附图说明

图1是本发明中的带宽修正方法示意图。

图2是本发明中的像元混叠相关性分析示意图。

图3是本发明中的像元间极化混合分析示意图。

图4是本发明中的在轨定标精度定量化数据处理流程示意图。

图5是本发明中的星载微波辐射计的偏差校正方法的流程示意图

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图4所示，本发明提供了一种星载微波辐射计的偏差校正方法，所述的星载微波辐射计的偏差校正方法通过对微波辐射计发射前的热真空定标试验数据和仪器备份数据，以及微波辐射计在轨运行遥测数据和遥感数据的偏差校正，进而得到精确的亮温值，从而对成功发射的卫星进行在轨定标精度分析。具体步骤如下：

步骤1)根据在轨运行的星载微波辐射计下传的遥测数据包，利用通信分析，主备分析，电源分析和温度分析，判断仪器是否工作在正常状态；

步骤2)利用在轨运行的星载微波辐射计下传到地面数据接收站的遥感数据包，判断仪器各通道增益和信号输出电压值范围，参考仪器设计方提供的参考范围判断阈值,确定观测的数据是否有效；

步骤3)利用欧洲中值预报中心再分析数据ECMWF/美国国家大气研究中心(NCAR)研发的高分辨率天气研究与预报模式WRF，仿真生成与星载微波辐射计时间和地理匹配的廓线数据，利用大气辐射传输仿真软件ARTS仿真模式进行亮度数据仿真验证，获得较为精确的亮温值。

步骤4)MWHS是国内同类型的微波辐射计的一种，根据微波辐射计MWHS在轨观测数据，测得亮温值，所测得的亮温值根据像元间的辐射混合和极化混合的修正，获得一个较为精确的亮温值；

步骤5)然后，通过在轨运行的国外类型的微波辐射计，即AMSU-B，测得一个较精确的亮温值；

步骤6)在轨定标精度分析，通过上述步骤3)、4)和5)测得的亮温值，最终确定微波辐射机计仪器在轨定标精度，得到定量化结果。

所述的步骤1)进一步包含以下步骤：

对星载微波辐射计进行分析试验，如图5所示，具体步骤如下：

步骤a)；在星载微波辐射计发射前，首先，通过频谱仪测得中心频点的频率，对该频率进行测试，进而确认该频率值；通过采用带宽修正方法，对带宽修正进行分析并计算微波辐射计带宽修正系数。如图1所示，由于微波辐射计实际带宽较宽，不能完全满足单色光的要求。因此，关键是获取整个通带内的频响函数数据，需要在整个通带内对Planck函数进行积分，即f为中心频率，-f₀至f₀通带内的积分量T和-f₁至f₁及-f₂至f₂两个通带内的积分量之和T_m，对两个值进行线形拟合，来得到转换系数b₀和b₁。

用公式表示为：

T_m＝b₀+b₁T (1)

其中T为黑体的温度，b₀，b₁为带宽修正系数，即转换系数。

黑体温度T需要先经过公式(1)转换为校正温度T_m，然后才可以通过Planck定律转换为辐射量用来进行定标。黑体辐射与校正温度T_m之间用Planck定律表示为：

其中，h是普朗克常数，c、k、ν分别为光速、波尔兹曼常数和频率。e是黑体的发射率。辐射量，单位为mW/m²×sr×cm^-1。而辐射量再转换为温度，即黑体的亮温值，可通过求解(2)的逆运算来得到，也可以在(1)之前乘以发射率直接得到。即

T_B＝eT_m (3)

T_B为黑体的亮温值；

这里用到的常数为：光速c＝2.998×1010cm/s；普朗克常数h＝6.626×10-27erg.s；波尔兹曼常数k＝1.381×10-16erg/K；频率ν单位为Hz，采用K作为亮温和温度的单位，计算微波辐射计带宽修正系数b₀，b₁。

步骤b)在真空环境下，分别对在不同的工作温度和不同的变温源情况下，确定微波辐射计的系统非线性参数并分别加权，然后对非线性参数进行特性分析，并测得真空环境下的亮温值；

具体实现方法如下：在真空定标时，每次利用温度和输出电压值已知的热源和冷源两个观测点，得到定标方程，再根据观测的电压值，定标得到测量的亮温值。在每次利用两点定标得出的测量亮温值为R_m，而对应的目标真实亮温值为R_r，这样测量结果与真实结果之间的差值Q：

Q＝R_r-R_m (12)

根据二次拟和方法就可以确定在每个目标温度点处的非线性系数u。

其中，对非线性参数u，即非线性参数中的一个参数，在工作温度为2度，12度和22度情况下，采用变温源95-335K，间隔15K，逐点进行计算，得到每个温度点的非线性参数u，并对所测结果进行加权平均；另外，对变温源95-335K间所有测试结果进行非线性拟合，将二者得到的结果再进行加权平均，确定仪器在不同工作温度下的非线性参数u。

步骤c)根据步骤a)和步骤b)测得的中心频点频率，带宽修正系数以及非线性参数这些地面和热真空环境下的分析结果，对在地面测得的变温源亮温值和真空环境下定标测得的亮温值进行比对，获得一个精确度较高的亮温值，从而进行热真空定标精度分析；

步骤d)：根据微波辐射计备份件天线方向图测试结果，即分别对所选吸收峰频率水平极化HH、交叉极化VH，窗区频率垂直极化HH、交叉极化HV进行1.5°扫描和15°扫描，以及45°范围内方位角衰减和仰角衰减测量，进行天线特性测试分析；尽管微波辐射计主波束效率都大于92％和95％，但是仍有少量辐射来自主波束以外，线间以及像元间会有辐射混合。通过试验分析临近像元影响情况，如图2所示，每一个椭圆代表一个像元，而每一个像元是该范围内天线接收到的能量的积分值，即代表一个亮温值，每一个亮温值都会受到来自周边的亮温值的影响。按照刈幅像元分布示意，扫描线间主波束搭接，扫描线上像元间主波束没有搭接，那么无论是线间还是像元间都会有辐射混合。

采用像元间及扫描线间信息混合处理方法进行校正，即利用相邻9个像元进行加权平均，计算公式：

A(ρ)＝C+(1-C)*[1-(ρ/α)²] (4)

其中，ρ为可变的像元半径，α是固定像元半径，C与边界相关，ET单位为dB，是边缘锥度，A(ρ)可看作是一个亮温值。

C＝10^ET/20 (5)

ET的单位为dB.

通过公式(4)、(5)可获得每个像元的亮温值，然后将这9个亮温值进行加权平均，获得一个较为精确的亮温值。

如图3所示，当反射面天线扫描角度为时，它接收的能量包括地球表面水平和垂直极化的共同辐射，且随着扫描角度的改变而改变。对于水平极化端口和垂直极化端口天线温度在一个扫描周期内的变化是不同的,极化角的对准误差也将引起二者的测量差异。

像元间极化混合分析方法如下：

θ表示反射面天线的法向角，φ是馈源的极化角。系数A和B可以表示为：

其中，

对于微波辐射计水平极化，θ＝45°，φ＝90°，因此：

而对于微波辐射计垂直极化，θ＝45°，φ＝0°，因此：

因此，

T_AH,T_AV为亮温值；

可见，在地表类型和大气廓线基本对称的情况下，利用新型微波辐射计在轨观测数据，分析每个像元的极化混合情况，进而建立像元极化混合误差，最终精确亮温值。

步骤e)根据测得的射频及中频特性，利用微波辐射计备份件测试射频及中频响应。

如图4所示，根据欧洲中尺度数值预报中心(ECMWF)提供的全球6小时间隔的栅格为0.75°*0.75°的大气栅格数据，驱动天气研究和预报系统(WRF)根据需求修改模式参数，生成满足时空匹配要求的全球或区域廓线数据和海/地表数据(如温湿度，气压，风向，风速，降雨率等)。

ECMWF再分析数据集采用先进的全球资料同化系统和完善的数据库，对地面、无线电探空、飞机、卫星等资料来源的观测资料进行质量控制和同化处理，获得实时格点再分析数据资料。

WRF模式提供全球高时空分辨率数据，通过设置物理参数，能够满足数据样本的需求，避免星载微波辐射计参数反演过程中时空匹配不精确以及仿真与实测亮温值误差较大的不足。

利用辐射传输仿真模型ARTS对WRF生成的数据建立信号正向传输流程，根据需求修改模式的各种参数及对调用子程序进行选择和修改，得到针对微波辐射计不同天线主波束效率、频率、极化、带宽、观测入射角等具体参数的辐射亮温值输入矩阵。

ARTS与其它星载微波辐射传输模型相比，充分考虑到卷云在微波区域的相互作用，尤其是大气粒子间多重散射的计算，避免了目前星载微波辐射计参数反演过程中出现星载微波辐射计正向传输仿真与实测亮温值差距较大的不足。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种星载微波辐射计的偏差校正方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：

步骤1)根据在轨运行的星载微波辐射计下传的遥测数据包，利用通信分析，主备分析，电源分析和温度分析，判断仪器是否工作在正常状态；

步骤2)利用在轨运行的星载微波辐射计下传到地面数据接收站的遥感数据包，判断仪器各通道增益和信号输出电压值范围，参考仪器设计方提供的参考范围判断阈值,确定观测的数据是否有效；

步骤3)利用ECMWF/WRF仿真生成与星载微波辐射计时间和地理匹配的廓线数据，利用ARTS仿真模式进行亮度数据仿真验证，获得亮温值；

步骤4)根据微波辐射计MWHS在轨观测数据，测得亮温值；根据像元的辐射混合和极化混合的影响情况，获得精确的亮温值；

步骤5)然后，再结合国外同类型的微波辐射计，即AMSU-/B获得的代表国际先进水平的亮温值；

步骤6)在轨定标精度分析，通过上述步骤3)、4)和5)测得的亮温值，最终确定微波辐射机计仪器在轨定标精度，得到定量化结果。

2.根据权利要求1所述的星载微波辐射计的偏差校正方法，其特征在于，所述的步骤1)进一步包含：

步骤a)在常温常压下，测出中心频点的频率，对该频率进行测试，进而确认该频率值；通过采用带宽修正方法，对带宽修正进行分析并计算微波辐射计带宽修正系数和在地面测得亮温值；

步骤b)在真空环境下，分别对在不同的工作温度和不同的变温源情况下，确定微波辐射计的系统非线性参数并分别加权，然后对非线性参数进行特性分析，并测得真空环境下的亮温值；

步骤c)根据步骤a)和步骤b)测得的中心频点频率，带宽修正系数以及非线性参数这些地面和热真空环境下的分析结果，对在地面测得的变温源亮温值和真空环境下定标测得的亮温值进行比对，获得一个精确度较高的亮温值，从而进行热真空定标精度分析；

步骤d)根据微波辐射计备份件天线方向图测试结果，进行天线特性测试分析和修正,为扫描线间及像元间辐射混合和极化混合计算提供天线修正系数；

步骤e)根据测得的射频及中频特性，利用微波辐射计备份件测试射频及中频响应。

3.根据权利要求2所述的星载微波辐射计的偏差校正方法，其特征在于，在热真空环境下，工作温度在2-25度范围内。

4.根据权利要求2所述的星载微波辐射计的偏差校正方法，其特征在于，所述的非线性参数在进行特性分析的过程中，在工作温度为2-25度范围内，采用变温源95-335K，间隔15K，逐点进行计算，得到每个温度点的非线性参数u，即非线性参数中的一个参数，并对所测结果进行加权平均；另外，对变温源95-335K间所有测试结果进行非线性拟合，将二者得到的结果再进行加权平均，确定仪器在不同工作温度下的非线性参数u。

5.根据权利要求2所述的星载微波辐射计的偏差校正方法，其特征在于，所述的天线特性测试分析和修正，采用一个扫描周期内所有的扫描像元与3个冷空观测像元和3个热空观测像元的旁瓣、空间溢出的修正方法，交叉极化订正算法研究，以及天线订正矩阵；进而研究天线指向对于测量结果的影响，以及在轨辐射偏差修正模型。

6.根据权利要求1所述的星载微波辐射计的偏差校正方法，其特征在于，在轨定标精度分析，采用ECMWF，WRF，ARTS三种模式结合的手段，利用全球海洋和陆地以及岛屿上空廓线仿真得到亮温值。