CN107300561B - 基于多遥感器联合探测的海洋盐度卫星 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于多遥感器联合探测的海洋盐度卫星，同时配置多种遥感器对海洋盐度进行同步探测，多种遥感器被置于海洋盐度探测遥感卫星的平台上并且至少包括：L波段二维综合孔径微波辐射计、L波段一维综合孔径微波辐射计、L波段数字波束形成散射计、C波段微波辐射计、Ku波段微波辐射计和K波段微波辐射计.因此，本发明采用联合观测、同程观测的手段，既完成了高分辨与高稳定的结合，又具备同程观测数据精确校正L波段亮度温度的能力。与此同时，一维综合孔径与散射计等多个频段共用同一柱形反射面天线，降低了系统的复杂度。

Description

基于多遥感器联合探测的海洋盐度卫星
技术领域
本发明属于海洋遥感卫星的观测技术，涉及海洋盐度探测卫星的遥感器配置，具体涉及一种基于多遥感器联合探测的海洋盐度卫星，同时配置多种遥感器对海洋盐度进行同步探测。
背景技术
海洋遥感是对海洋信息监测的重要手段，包括卫星、航空、舰船、海洋台站等多种方式。
海洋动力环境要素对海洋防灾减灾、国家安全、资源开发、航行保障、科学研究等领域而言是十分重要的信息，其基础的要素包括海水温度、盐度、密度、波浪、海流、水位等。使用卫星遥感探测这些海洋动力环境要素是公认有效的方法。
海水盐度是海洋的一个重要的物理和化学参数，也是决定海水基本性质的最重要因素之一。海水盐度不仅是探索热盐环流、全球海平面变化等海洋现象中必不可少的环境变量，而且也为水团分析以及全球海洋模式等研究提供了参数依据。与此同时，全球气候变迁和异常气象事件预测均受到极大关注。通过改进完善复杂的数值预报模式，天气预报和气候预测取得了很大进展，但是若要更为准确的预报就需要依赖于全球海洋表层盐度的观测。
海水盐度的改变会影响海水本身的介电常数，进而影响海面的发射率，形成不同的微波辐射亮温。使用辐射计实现对海表亮温探测，进而基于模型反演得到海表盐度信息。
星载微波辐射计观测的天线亮温包括上行大气辐射、反射的下行大气和宇宙背景噪声辐射以及海洋表面的直接辐射，在微波低频段，辐射亮温对海面粗糙度、海温、水汽、液态水等参数的敏感性也相对较小，可通过多种数据源进行校正。因此，在同一颗卫星搭配多种遥感器获得同一区域、同一观测时刻的多种观测数据，这对于提高海表盐度观测精度很有优势的。
然而，受到卫星规模的限制，不可能将全部的遥感器都搭载在一颗卫星上，因此，优化选择遥感器的配置是卫星系统设计中的一项重要工作。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，并充分利用现有的技术能力，本发明提出了一种海洋盐度探测的遥感器配置方案，在一颗遥感卫星上同时配置了多种遥感器，对海表盐度及其影响因素信息进行同步探测，使被测的海表亮温能够获得完整的校正信息，充分发挥了遥感卫星的系统效能。
本发明提供了一种海洋盐度探测遥感卫星，同时配置多种遥感器对海洋盐度进行同步探测，多种遥感器被置于海洋盐度探测遥感卫星的平台上并且至少包括：L波段二维综合孔径微波辐射计、L波段一维综合孔径微波辐射计、L波段数字波束形成散射计、C波段微波辐射计、Ku波段微波辐射计和K波段微波辐射计。
L波段二维综合孔径微波辐射计和L波段一维综合孔径微波辐射计均是由遥感卫星的天线上的多个相关干涉仪组成的干涉是辐射计阵列系统，并且用于：通过相关干涉测量，对视场内辐射亮温分布的空间频率域进行采样，并得到可见度函数；对可见度函数进行傅立叶变换或数字运算，从而反演形成亮温分布图像；以及通过接收海面和传输路径上的辐射亮温信息，获得海表盐度信息。
具体地，L波段一维综合孔径微波辐射计用于：在顺轨方向，利用天线的单元天线长孔径方向上的真实窄波束，实现所需分辨率；在交轨方向，采用综合孔径体制获得所需的窄波束，并利用推扫来实现二维成像。L波段二维综合孔径微波辐射计用于：在顺轨和交轨方向上均采用综合孔径体制获取高空间分辨率，从而无需推扫地实现成像。
L波段数字波束形成散射计为微波散射计并且用于：发射扇形波束信号；通过数字波束形成体制，进行交轨方向扫描来观测幅宽；测量海面的后向散射系数；以及通过反演，获得海面粗糙度对海洋盐度的影响信息。
C波段微波辐射计和Ku波段微波辐射计均采用与L波段一维综合孔径微波辐射计相同的综合孔径体制并且均用于：接收海面和传输路径上的辐射亮温信息；以及通过反演联合获得海表温度信息。
K波段微波辐射计采用与L波段一维综合孔径微波辐射计相同的综合孔径体制并且用于：接收传输路径上的辐射亮温信息；以及通过反演，获得传输路径上对流层对微波传输的影响信息。
L波段二维综合孔径微波辐射计、L波段一维综合孔径微波辐射计、L波段数字波束形成散射计、C波段微波辐射计、Ku波段微波辐射计和K波段微波辐射计的联合应用，实现海洋动力中对海表盐度的观测并获取影响要素信息，从而实现多源数据的同步获取。
影响要素信息用于校正海表盐度精度并且至少包括：海面粗糙度、海面温度、大气、水汽。
L波段二维综合孔径微波辐射计、L波段一维综合孔径微波辐射计、L波段数字波束形成散射计、C波段微波辐射计、Ku波段微波辐射计和K波段微波辐射计的联合应用，通过校正来提升反演的额精度，从而提高了数据产品的质量。
因此，与现有技术相比，采用本发明可以实现以下的有益效果：
1)在一颗低轨遥感卫星上配置多种用于海表盐度探测的遥感器，有利于提升观测精度；
2)同时近同步获得了L波段亮度温度、L波段数字波束形成散射计测量的后向散射系数、C波段亮度温度、Ku波段亮度温度和K波段亮度温度等遥感数据，可反演获得海表盐度，并实现同一观测范围内多种影响要素的观测，提高反演精度和数据应用能力；以及
3)一维综合孔径与散射计等多个频段共用同一柱形反射面天线，降低了系统的复杂度。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的海洋盐度探测遥感卫星的系统组成图；
图2为综合孔径辐射计的系统构成图；以及
图3为L波段数字波束形成散射计的系统组成图。
具体实施方式
本发明在一颗遥感卫星上同时配置了L波段二维综合孔径微波辐射计、L波段一维综合孔径微波辐射计、L波段数字波束形成散射计、C波段微波辐射计、Ku波段微波辐射计和K波段微波辐射计六种遥感器，同步获取海洋动力要素中的海表盐度及对海表盐度反演有影响的海面粗糙度、海面温度等信息，使被测的海表盐度得以校正，同时利用各遥感器工作特性进行优化设计，满足卫星系统设计的各项约束条件，并确保各遥感器之间不相互影响，充分发挥了遥感卫星的系统效能。
应了解，本发明的海洋盐度探测遥感卫星的配置如下：L波段二维综合孔径微波辐射计、L波段一维综合孔径微波辐射计、L波段数字波束形成散射计、C波段微波辐射计、Ku波段微波辐射计和K波段微波辐射计。其中，L波段二维综合孔径微波辐射计、L波段一维综合孔径微波辐射计、L波段数字波束形成散射计、C波段微波辐射计、Ku波段微波辐射计和K波段微波辐射计置于遥感卫星平台上。
综合孔径微波辐射计由天线上多个相关干涉仪组成的干涉式辐射计阵列系统，其通过相关干涉测量对视场内辐射亮温分布的空间频率域进行采样，得到可见度函数，对可见度函数进行傅立叶反变换或其他数学运算来反演形成亮温分布图像。通过接收海面和传输路径上的辐射亮温信息获得海表盐度信息。L波段一维综合孔径微波辐射计在顺轨方向利用单元天线的长孔径方向上的真实窄波束实现所需的分辨率，而在交轨方向采用综合孔径技术获得所需的窄波束，利用推扫实现二维成像。L波段二维综合孔径微波辐射计在顺轨和交轨方向均是采用综合孔径技术来实现获取高空间分辨率，无需推扫即可实现成像。
L波段数字波束形成散射计是一种发射扇形波束信号，通过数字波束形成技术实现交轨方向扫描实现观测幅宽的微波散射计，测量海面的后向散射系数，反演获得海面粗糙度对海洋盐度的影响信息；
C波段微波辐射计采用的体制与一维综合孔径微波辐射计相同，接收海面和传输路径上辐射亮温信息，可用于反演获得海表温度信息。
Ku波段微波辐射计采用的体制与一维综合孔径微波辐射计相同，接收海面和传输路径上辐射亮温信息，可用于反演获得海表温度信息。
K波段微波辐射计采用的体制与一维综合孔径微波辐射计相同，接收传输路径上辐射亮温信息，可用于反演获得路径上对流层对微波传输的影响信息。
上述L波段二维综合孔径微波辐射计、L波段一维综合孔径微波辐射计、L波段数字波束形成散射计、C波段微波辐射计、Ku波段微波辐射计和K波段微波辐射计的联合应用实现海洋动力中海表盐度的观测，并获取可用来校正海表盐度精度的海面粗糙度、海面温度等影响要素信息，实现多源数据的同步获取，在应用环节能够通过校正提升反演精度，提高数据产品质量。
下面结合附图1-3及具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，海洋盐度探测遥感卫星包括L波段二维综合孔径微波辐射计、L波段一维综合孔径微波辐射计、L波段数字波束形成散射计、C波段微波辐射计、Ku波段微波辐射计和K波段微波辐射计六种遥感器和卫星平台部分。
如图2所示，L波段综合孔径微波辐射计就是基于孔径综合概念、由多个双天线相关干涉仪组成的干涉式辐射计阵列系统，其通过相关干涉测量对视场内辐射亮温分布的空间频率域进行采样，得到可见度函数，然后对可见度函数进行傅立叶反变换或其他数学运算来反演形成亮温分布图像。
L波段二维综合孔径微波辐射计由天线、中心接收机、本振、数字相关器、中心配电器、数据采集器、数据处理器。天线包括L波段二维稀疏天线阵、接收前端、定标网络、单元控制配电器等硬件产品。接收前端完成对天线单元输出的微波信号进行接收放大。定标网络由定标源和功分网络组成，用于完成载荷的内定标。本振由频率源、放大器及功分器组成，主要产生中心接收机所需的相干本振信号。数据采集器实现中频信号的采集、数字检波、数字滤波、数字同向正交(In-phase/Quadrature，以下简称为IQ)变换等。数据处理器主要对采集板传输过来的量化信号进行两两互相关运算。
L波段一维综合孔径微波辐射计由天线、L波段辐射计馈源、接收机、定标网络、数字单元、供配电单元等部分组成。天线形式采用抛物柱形反射面天线，由沿抛物柱面焦线排列的稀疏馈源阵列实现综合孔径体制，在交轨向形成扇形波束；馈源与柱形反射面共同构成扇形波束方向图；定标网络实现发射、接收和内校准；接收机完成接收信号的低噪声放大、混频、中频接收和相位检波等功能，最终生成正交的I/Q信号；数字单元完成对正交I/Q通道的采集、快速傅里叶变换(Fast Fourier transformation，以下简称为FFT)等功能；供配电单元将卫星提供的电源变换成各设备所需的电源品种。
如图3所示，L波段微波散射计对表面粗糙度具有良好的敏感性，要可用于海面粗糙度的同步测量。利用数字波束形成技术实现交轨方向扫描，并且同时利用线性调频信号获取距离向分辨率。将微波辐射计和散射计集成起来应用于盐度遥感，利用辐射计进行亮温测量，用散射计进行表面粗糙度的修正，可以获得更高精度的海表盐度产品。
L波段散射计由天线、L波段散射计馈源、功放、收发组件、数字单元、供配电单元等组成。其中，柱形反射面由各频段馈源公用；收发组件完成信号上、下变频及频率分配功能；数字单元完成信号处理、信号产生和时序控制功能；供配电单元将卫星提供的电源变换成各设备所需的电源品种。
C波段微波辐射计采用的体制与一维综合孔径微波辐射计相同，接收海面和传输路径上辐射亮温信息，可用于反演获得海表温度信息。
Ku波段微波辐射计采用的体制与一维综合孔径微波辐射计相同，接收海面和传输路径上辐射亮温信息，可用于反演获得海表温度信息。
K波段微波辐射计采用的体制与一维综合孔径微波辐射计相同，接收传输路径上辐射亮温信息，可用于反演获得路径上对流层对微波传输的影响信息。
应了解，遥感卫星平台各分系统除实现能源供给、温度控制、遥测遥控、数据调度与存储、数据下行传输、卫星姿态指向控制等遥感卫星的功能。
L波段二维综合孔径微波辐射计和一维L波段综合孔径微波辐射可分别获得海洋盐度数据，L波段散射计可以获得海面粗糙度数据，C波段微波辐射计和Ku波段微波辐射计联合可获得海面温度数据，K波段微波辐射计可以获得大气水汽数据。
综上所述，本发明采用联合观测、同程观测的手段，既完成了高分辨与高稳定的结合，又具备同程观测数据精确校正L波段亮度温度的能力。与此同时，一维综合孔径与散射计等多个频段共用同一柱形反射面天线，降低了系统的复杂度。
本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于多遥感器联合探测的海洋盐度卫星，同时配置多种遥感器对海洋盐度进行同步探测，其特征在于，所述多种遥感器被置于卫星平台上并且至少包括：L波段二维综合孔径微波辐射计、L波段一维综合孔径微波辐射计、L波段数字波束形成散射计、C波段微波辐射计、Ku波段微波辐射计和K波段微波辐射计，
所述C波段微波辐射计、所述Ku波段微波辐射计和所述K波段微波辐射计均采用与所述L波段一维综合孔径微波辐射计相同的综合孔径体制，
所述多个频段一维综合孔径微波辐射计与微波散射计共用同一柱形反射面天线。
2.根据权利要求1所述的基于多遥感器联合探测的海洋盐度卫星，其特征在于，所述L波段二维综合孔径微波辐射计和所述L波段一维综合孔径微波辐射计均是由所述遥感卫星的天线上的多个相关干涉仪组成的干涉是辐射计阵列系统，并且用于：
通过相关干涉测量，对视场内辐射亮温分布的空间频率域进行采样，并得到可见度函数；
对所述可见度函数进行傅立叶变换或数字运算，从而反演形成亮温分布图像；以及
通过接收海面和传输路径上的辐射亮温信息，获得海表盐度信息。
3.根据权利要求2所述的基于多遥感器联合探测的海洋盐度卫星，其特征在于，所述L波段一维综合孔径微波辐射计用于：
在顺轨方向，利用所述天线的单元天线长孔径方向上的真实窄波束，实现所需分辨率；
在交轨方向，采用综合孔径体制获得所需的窄波束，并利用推扫来实现二维成像。
4.根据权利要求2所述的基于多遥感器联合探测的海洋盐度卫星，其特征在于，所述L波段二维综合孔径微波辐射计用于：在顺轨和交轨方向上均采用综合孔径体制获取高空间分辨率，从而无需推扫地实现成像。
5.根据权利要求1所述的基于多遥感器联合探测的海洋盐度卫星，其特征在于，所述L波段数字波束形成散射计为微波散射计并且用于：
发射扇形波束信号；
通过数字波束形成体制，进行交轨方向扫描来观测幅宽；
测量海面的后向散射系数；以及
通过反演，获得海面粗糙度对所述海洋盐度的影响信息。
6.根据权利要求1所述的基于多遥感器联合探测的海洋盐度卫星，其特征在于，所述C波段微波辐射计和所述Ku波段微波辐射计均用于：
接收海面和传输路径上的辐射亮温信息；以及
通过反演联合获得海表温度信息。
7.根据权利要求1所述的基于多遥感器联合探测的海洋盐度卫星，其特征在于，所述K波段微波辐射计用于：
接收传输路径上的辐射亮温信息；以及
通过反演，获得所述传输路径上对流层对微波传输的影响信息。
8.根据权利要求1述的基于多遥感器联合探测的海洋盐度卫星，其特征在于，所述L波段二维综合孔径微波辐射计、所述L波段一维综合孔径微波辐射计、所述L波段数字波束形成散射计、所述C波段微波辐射计、所述Ku波段微波辐射计和所述K波段微波辐射计的联合应用，实现海洋动力中对海表盐度的观测并获取影响要素信息，从而实现多源数据的同步获取。
9.根据权利要求8所述的基于多遥感器联合探测的海洋盐度卫星，其特征在于，所述影响要素信息用于校正海表盐度精度并且至少包括：海面粗糙度、海面温度、大气、水汽。
10.根据权利要求9所述的基于多遥感器联合探测的海洋盐度卫星，其特征在于，所述L波段二维综合孔径微波辐射计、所述L波段一维综合孔径微波辐射计、所述L波段数字波束形成散射计、所述C波段微波辐射计、所述Ku波段微波辐射计和所述K波段微波辐射计的所述联合应用，通过校正来提升反演的精度，从而提高了数据产品的质量。
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