CN109212496A - 一种星载微波辐射计天线误差校正方法 - Google Patents

Abstract

一种星载微波辐射计天线误差校正方法，属于微波遥感领域。本发明方法提供了一种星载微波辐射计天线误差校正方法，能够校正有限的天线波束效率引入的定标误差和地球亮温观测误差；通过在卫星轨道坐标系下将空间区域划分为地球区域和冷空区域两部分，在考虑卫星姿态因素影响的情况下，利用旋转矩阵法得到卫星轨道坐标系下空间任意点在天线坐标系下坐标，然后分别在地球区域和冷空区域进行积分得到对应于地球观测和冷空观测的天线波束效率因子，分别对地球观测亮温和冷空定标亮温进行修正，提高了仪器亮温测量精度。

Description

一种星载微波辐射计天线误差校正方法

技术领域

本发明涉及一种星载微波辐射计天线误差校正方法，属于微波遥感领域。

背景技术

星载微波辐射计通过被动接收海面微波辐射信号对海洋环境参数如海面温 度、风速、大气液态水含量和大气水气含量等进行遥感测量。星载微波辐射计 通过天线周期性旋转实现海洋目标的连续扫描观测，在每个扫描周期中，微波 辐射计依次对地球场景、高温定标源和低温定标源进行观测。高温定标源利用 受到精密温控处于恒定温度的微波吸收体实现，低温定标源由波束指向宇宙冷 空背景的天线实现。在每个扫描周期中通过观测两个定标源并结合地面测试参 数可确定系统定标参数，进而将地球场景观测计数值转换为亮温。

在星载微波辐射计观测地球场景和冷空时，天线实际接收亮温为天线方向 图在整个4π空间区域内对空间分布亮温T_B(θ,φ)积分，即

其中T_B(θ,φ)为空间任意方向(θ,φ)辐射亮温，α和ω分别表示天线波束观测 角和方位角，F_n(β,γ)表示在波束指向(α,ω)方向时空间任意点(θ,φ)对应的天线方 向图。

根据星载微波辐射计观测几何特性和空间辐射亮温分布特性，可将整个4π 空间区域划分为地球区域和冷空区域两部分，天线实际接收亮温表达式可写为：

为天线波束效率归一化因子，Ω_E和Ω_CS分别表示地球区域和冷空区域。

按照不同的积分区域，可将上式表示为波束效率因子对辐射亮温加权求和 形式：

f_E(α,ω)+f_CS(α,ω)＝1 (3-6)

表示地球平均辐射亮温，T_C0表示冷空标称辐射亮温，f_E(α,ω)和f_CS(α,ω)分别表示在天线波束指向(α,ω)方向时地球区域和冷空区域在天线方向图中所占波束 效率因子。

从式(3-3)可以看出，当星载微波辐射计在进行对地观测时，受到天线波 束效率因子影响，f_E(α,ω)<1，且导致天线实际接收亮温T_A小于地球场景真 实辐射亮温当星载微波辐射计在每个扫描周期内进行冷空定标观测时，同 样因为受到天线波束效率因子影响，f_CS(α,ω)<1，且导致天线实际接收亮 温大于冷空标称辐射亮温，即T_A>T_C0，若直接采用冷空标称辐射亮温T_C0进行定标， 将导致定标出的亮温小于场景真实辐射亮温，带来测量误差。综上所述，在星 载微波辐射计进行对地观测和冷空定标观测时有限的波束效率导致地球观测亮 温小于场景真实辐射亮温，需要结合星载微波辐射计天线方向图数据和观测几 何参数对仪器亮温观测数据进行校正，提高仪器测量精度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星载微波辐 射计天线误差校正方法，能够校正有限的天线波束效率引入的定标误差和地球 亮温观测误差。本发明通过在卫星轨道坐标系下将空间区域划分为地球区域和 冷空区域两部分，在考虑卫星姿态因素影响的情况下，利用旋转矩阵法得到卫 星轨道坐标系下空间任意点在天线坐标系下坐标，然后分别在地球区域和冷空 区域进行积分得到对应于地球观测和冷空观测的天线波束效率因子，分别对地 球观测亮温和冷空定标亮温进行修正，提高了仪器亮温测量精度。

本发明的技术解决方案是：一种星载微波辐射计天线误差校正方法，包括 如下步骤：

S1，在卫星轨道坐标系下将整个空间区域划分为冷空区域和地球区域，分 别计算当天线波束指向地球区域和冷空区域进行观测时的地球波束效率因子和 冷空波束效率因子；

S2，利用S1中所述冷空波束效率因子对冷空定标亮温进行校正，得到冷 空定标亮温校正值；

S3，利用S2中所述冷空定标亮温校正值和空间参数对各个天线波束指向 下的地球场景观测计数值进行定标，得到地球观测亮温定标值；所述空间参数 包括热源观测计数值、冷空观测计数值、热源亮温和通道非线性系数；

S4，利用S1中所述地球波束效率因子对S3中所述地球观测亮温定标值 进行校正，得到校正后的地球观测亮温。

进一步地，所述校正后的地球观测亮温为其中，α_e和ω_e分别为在卫星本体坐标系下天线波束指向地球时的观测角和方位角， T_A(α_e,ω_e)为地球观测亮温定标值，T_C0为冷空标称辐射亮温，f_EE(α_e,ω_e)和 f_ECS(α_e,ω_e)分别为天线波束指向地球区域时的地球波束效率因子和冷空波束效 率因子，且满足f_EE(α_e,ω_e)+f_ECS(α_e,ω_e)＝1。

进一步地，所述地球观测亮温定标值为 其中，C_S(α_e,ω_e)为地球场景观测计数 值，和为系数，T_CCor为 冷空定标亮温校正值，C_H为热源观测计数值，C_C为冷空观测计数值，T_H为热 源亮温，u为通道非线性系数。

进一步地，所述冷空定标亮温校正值为其中，为 地球平均辐射亮温，T_C0为冷空标称辐射亮温，f_CE和f_CCS分别为天线波束指向冷 空区域时的地球波束效率因子和冷空波束效率因子，且满足f_CE+f_CCS＝1。

进一步地，所述计算冷空波束效率因子的方法为：在天线波束指向冷空区 域进行观测时，在天线坐标系下按冷空区域对天线方向图进行积分，得到所述 冷空波束效率因子为0≤θ≤θ_e,和 θ_e<θ≤π,且f_CE+f_CCS＝1；其中，F_n(β,γ)为归 一化天线方向图，N为天线方向图积分归一化因子， R_e为地球平均半径，H_e为卫星轨道高度。

进一步地，所述计算地球波束效率因子的方法为：在天线波束指向地球区 域进行观测时，在天线坐标系下按地球区域对天线方向图进行积分，得到所述 地球波束效率因子为0≤θ≤θ_e,和 θ_e<θ≤π,且f_EE(α_e,ω_e)+f_ECS(α_e,ω_e)＝1； 其中，F_n(β,γ)为归一化天线方向图，N为天线方向图积分归一化因子， R_e为地球平均半径，H_e为卫星轨道高度。

优选地，将所述卫星轨道坐标系转换为所述天线坐标系的方法为：取卫星 轨道坐标系任意点则该点坐标转换为天线坐标系坐标为 β和γ分别为在天线坐标系中的俯仰角和方位角， x＝sinθcosθ，z＝cosθ。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用旋转矩阵法实现卫星轨道坐标系下空间任意点坐标至天线 坐标系中坐标转换，直接利用根据星载微波辐射计天线波束观测角和方位角计 算出的坐标转换矩阵进行卫星轨道坐标系到天线坐标系的转换。相比于传统采 用建立辅助坐标系和在空间多次投影实现坐标转换的方法相比，本发明采用的 坐标转换方法更为简单和易于实现。

(2)本发明在卫星轨道坐标系到天线坐标系转换过程中考虑了星载微波辐 射计在轨扫描观测过程中卫星姿态角(俯仰角、偏航角和横滚角)变化影响， 修正了由卫星姿态角变化带来的地球和冷空波束效率因子计算误差，提高了星 载微波辐射计定标精度和地球观测亮温修正精度，可进一步提升星载微波辐射 计数据应用效果。

附图说明

图1为微波辐射计定标原理框图；

图2为本发明方法实施流程框图。

具体实施方式

如图1所示为微波辐射计定标原理框图。

本发明方法星载微波辐射计天线误差校正步骤如下：

(1)波束效率因子计算

在卫星轨道坐标系下将整个空间区域划分为冷空和地球两部分，在天线波 束指向不同区域进行观测时(地球观测和冷空定标观测)，可按照冷空和地球两 部分区域对天线方向图进行积分，得到不同波束指向位置处地球和冷空区域波 束效率因子。设卫星轨道高度为H_e，地球平均半径为R_e，则地球与冷空区域边 界对应的天底角为：

在卫星轨道坐标系下地球区域和冷空区域可表示为表4-1中所示角度范围：

表4-1地球区域和冷空区域角度范围

当星载微波辐射计天线波束指向冷空进行冷空定标观测时，设天线波束主 轴z_a在卫星本体坐标下与卫星本体坐标系z_s轴夹角为α_cs，z_a在x_so_sy_s平面内投影 与x_s夹角为ω_cs，在进行冷空定标观测时α_cs和ω_cs通常为固定角度，则校正系数为：

f_CE+f_CCS＝1 (4-4)

当星载微波辐射计波束指向地球观测地球场景目标时，设波束主轴z_a在卫 星本体坐标下与z_s轴夹角为α_e，z_a在x_so_sy_s平面内投影与x_s夹角为ω_e，则校正系数 为：

f_EE(α_e,ω_e)+f_ECS(α_e,ω_e)＝1 (4-7)

由于空间任意点(θ,φ)与天线方向图F_n(β,γ)存在一一对应关系，因此在 星载微波辐射计天线波束指向空间任意方向时均能计算得到在该波束指向 下地球区域和冷空区域波束效率因子，进而通过对空间各区域辐射亮温值加 权求和得到天线实际接收亮温。

卫星轨道坐标系下空间任意一点在特定波束指向(指向地球和冷空) 下对应在天线坐标系下的角度(β,γ)可按照如下步骤计算：

a)定义卫星轨道坐标系o_ox_oy_oz_o，坐标系原点为卫星中心，x_o、z_o轴在卫星轨 道平面内，z_o轴指向地心，x_o轴指向卫星运动方向，y_o轴按右手正交定则定义。 在卫星轨道坐标系下空间任意点方向表示为则沿着从卫星轨道坐标系原点 到该点方向的单位矢量为：

b)定义卫星本体坐标系o_sx_sy_sz_s，原点为卫星中心，x_s轴指向卫星星体纵轴，z_s轴位于第一象限，指向卫星运动时面向地球的方向，y_s轴按右手正交定则定义。 设卫星偏航、横滚和俯仰三个姿态角度分别为yaw、roll和pitch，可以得到卫星本 体坐标系到卫星轨道坐标系转换矩阵：

M_OS＝M_pitch·(M_roll·M_yaw) (4-9)

在卫星本体坐标系下矢量为：

c)定义天线坐标系o_ax_ay_az_a，原点o_a为卫星中心，z_a为波束主轴方向，设从o_a到 地心的单位长度矢量为则x_a轴满足右手法则。设波束主轴z_a在 卫星本体坐标下与z_s轴夹角为α，z_a在x_so_sy_s平面内投影与x_s夹角为ω，则从卫星 本体坐标系到天线坐标系转换矩阵为：

d)根据卫星本体坐标系和天线坐标系转换关系可将转换至天线坐标系：

根据坐标可计算出空间任意点(θ,φ)对应在天线坐标系下的角度：

根据β、γ和天线方向图数据采用查找表方法可得到空间任意点对应的 天线方向图数据F_n(β,γ)，最后可计算出不同波束指向下地球区域和冷空区域对 应的波束效率因子。

(2)冷空定标亮温校正

根据式(4-2)和(4-3)在计算得到天线波束效率因子f_CE和f_CCS后，对冷 空定标亮温进行校正：

为地球平均辐射亮温，T_C0为冷空标称辐射亮温。

(3)地球观测亮温定标

利用冷空定标亮温校正值T_CCor﹑热源观测计数值C_H、冷空观测计数值C_C﹑ 热源亮温T_H和通道非线性系数u对在各个天线波束指向下得到的地球场景观测 计数值C_S(α_e,ω_e)进行定标，得到地球观测亮温定标值T_A(α_e,ω_e)。

(4)地球观测亮温校正

根据式(4-5)和式(4-6)计算出的校正系数可对(3)步骤中地球观测亮 温定标值进行校正，校正在进行地球场景观测时冷空辐射带来的误差，校正后 的地球观测亮温为：

下面结合附图进一步说明。

如图2所示，本专利提出的冷空定标亮温修正方法实施过程。

(1)在卫星轨道坐标系下将整个空间区域划分为地球区域和冷空区域两部 分，采用旋转矩阵法得到卫星轨道坐标系下空间任意点坐标在天线坐标系中对 应坐标，当天线波束指向地球区域时，分别在地球区域和冷空区域对天线方向 图进行积分得到用于校正地球场景观测亮温误差的天线波束效率因子。当天线 波束指向冷空区域时，分别在地球和冷空区域对天线方向图进行积分得到用于 校正冷空定标亮温的天线波束效率因子。

(2)冷空定标亮温校正

利用冷空定标观测时计算出的天线波束效率因子对冷空定标亮温进行校 正，校正星载微波辐射计在进行冷空定标观测时地球场景辐射对冷空定标观测 带来的误差。

(3)地球场景观测亮温定标

利用冷空定标亮温修正值、热源温度、冷空定标观测计数值、热源观测计 数值和通道非线性系数对地球场景观测计数值进行定标，得到地球场景亮温定 标值。

(4)利用天线波束指向地球区域时计算出的天线波束效率因子对(3)中 的地球场景亮温定标值进行校正，校正星载微波辐射计观测地球场景时天线有 限波束效率带来的亮温测量误差。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种星载微波辐射计天线误差校正方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1，在卫星轨道坐标系下将整个空间区域划分为冷空区域和地球区域，分别计算当天线波束指向地球区域和冷空区域进行观测时的地球波束效率因子和冷空波束效率因子；

S2，利用S1中所述冷空波束效率因子对冷空定标亮温进行校正，得到冷空定标亮温校正值；

S3，利用S2中所述冷空定标亮温校正值和空间参数对各个天线波束指向下的地球场景观测计数值进行定标，得到地球观测亮温定标值；所述空间参数包括热源观测计数值、冷空观测计数值、热源亮温和通道非线性系数；

S4，利用S1中所述地球波束效率因子对S3中所述地球观测亮温定标值进行校正，得到校正后的地球观测亮温。

2.根据权利要求1所述的一种星载微波辐射计天线误差校正方法，其特征在于：所述校正后的地球观测亮温为其中，α_e和ω_e分别为在卫星本体坐标系下天线波束指向地球时的观测角和方位角，T_A(α_e,ω_e)为地球观测亮温定标值，T_C0为冷空标称辐射亮温，f_EE(α_e,ω_e)和f_ECS(α_e,ω_e)分别为天线波束指向地球区域时的地球波束效率因子和冷空波束效率因子，且满足f_EE(α_e,ω_e)+f_ECS(α_e,ω_e)＝1。

3.根据权利要求1所述的一种星载微波辐射计天线误差校正方法，其特征在于：所述地球观测亮温定标值为其中，C_S(α_e,ω_e)为地球场景观测计数值，和为系数，T_CCor为冷空定标亮温校正值，C_H为热源观测计数值，C_C为冷空观测计数值，T_H为热源亮温，u为通道非线性系数。

4.根据权利要求1所述的一种星载微波辐射计天线误差校正方法，其特征在于：所述冷空定标亮温校正值为其中，为地球平均辐射亮温，T_C0为冷空标称辐射亮温，f_CE和f_CCS分别为天线波束指向冷空区域时的地球波束效率因子和冷空波束效率因子，且满足f_CE+f_CCS＝1。

5.根据权利要求1所述的一种星载微波辐射计天线误差校正方法，其特征在于：所述计算冷空波束效率因子的方法为：在天线波束指向冷空区域进行观测时，在天线坐标系下按冷空区域对天线方向图进行积分，得到所述冷空波束效率因子为和且f_CE+f_CCS＝1；其中，F_n(β,γ)为归一化天线方向图，N为天线方向图积分归一化因子， R_e为地球平均半径，H_e为卫星轨道高度。

6.根据权利要求1所述的一种星载微波辐射计天线误差校正方法，其特征在于：所述计算地球波束效率因子的方法为：在天线波束指向地球区域进行观测时，在天线坐标系下按地球区域对天线方向图进行积分，得到所述地球波束效率因子为和且f_EE(α_e,ω_e)+f_ECS(α_e,ω_e)＝1；其中，F_n(β,γ)为归一化天线方向图，N为天线方向图积分归一化因子，R_e为地球平均半径，H_e为卫星轨道高度。

7.根据权利要求5或6所述的一种星载微波辐射计天线误差校正方法，其特征在于：将所述卫星轨道坐标系转换为所述天线坐标系的方法为：取卫星轨道坐标系任意点则该点坐标转换为天线坐标系坐标为β和γ分别为在天线坐标系中的俯仰角和方位角，x＝sinθcosθ，z＝cosθ。