CN109725316A - 一种基于一维综合孔径微波辐射计海面温度物理反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一维综合孔径微波辐射计的海面温度物理反演方法，首先构建初始背景场(频率f、海面温度T_s、海水盐度S、入射角θ、海面风速W、海面相对风向大气水汽含量V、云液态水含量L)，为海面温度反演提供数据支撑；其次，根据一维综合孔径微波辐射计多入射角观测的特点，利用微波辐射传输正演模型，计算频率为6.9GHz、不同入射角下大气层顶场景模式亮温，在模式亮温中加入随机误差，模拟一维综合孔径微波辐射计的观测亮温；最后，利用基于最大似然贝叶斯估计的物理反演方法，构建代价函数，通过最小化代价函数反演海面温度，本发明提供的海面温度物理反演方法，解决了多入射角下海面温度反演难度大的问题，提高了海面温度反演的效率。

Description

一种基于一维综合孔径微波辐射计海面温度物理反演方法

技术领域

本发明涉及遥感技术领域，具体涉及一种基于一维综合孔径微波辐射计海面温度物理反演方法。

背景技术：

海面温度(Sea Surface Temperature,SST)在全球气候变化和长期天气过程中起着重要作用。被动微波遥感能够进行全天候、全天时不间断地观测。其中被动微波遥感的代表仪器之一是实孔径微波辐射计，其能够提供包括海面温度在内的多种海洋环境要素产品。但是，由于实孔径微波辐射计的空间分辨率受制于天线的尺寸，导致其空间分辨率较低。针对这一缺点设计了一维综合孔径微波辐射计，与实孔径微波辐射计的机械扫描成像方式不同，一维综合孔径微波辐射计采用小孔径天线阵列，通过对频率域的场景辐射进行采样测量获取可见度函数，对可见度函数进行重构运算得到场景亮温图像，解决了传统实孔径微波辐射计空间分辨率与天线物理口径之间的固有矛盾，有效地提高了观测的空间分辨率。但是，由于成像方式的差别，导致已有的实孔径微波辐射计海面温度反演算法无法应用于一维综合孔径微波辐射计。传统实孔径微波辐射计一般是以固定入射角扫描成像，而综合孔径微波辐射计对场景属于凝视成像，其入射角一般是在某一范围内变化，相比于实孔径微波辐射计更加复杂。

一维综合孔径微波辐射计在大气顶处接收到的亮温是频率、海水盐度、海面温度、海面风速、海面相对风向、大气水汽含量、云液态水含量和入射角的函数，可以利用微波辐射传输正演模型模拟亮温，然后利用基于最大似然贝叶斯估计的物理方法反演出海面温度，具有不错的效果。本发明就是提供这样一种基一维综合孔径微波辐射计海面温度物理反演方法，该方法有足够的理论依据做支撑，为后续星载一维综合孔径微波辐射计的载荷研制及应用提供技术支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于一维综合孔径微波辐射计的海面温度物理反演方法，开创了利用星载一维综合孔径微波辐射计反演海面温度的方法，开展了基于最大似然贝叶斯估计的海面温度物理反演方法研究，为未来用于海面温度遥感的星载一维综合孔径微波辐射计的研制提供了理论依据。

一种基于一维综合孔径微波辐射计海面温度物理反演方法，包括以下步骤：

步骤1：将一维综合孔径微波辐射计的一维视场分成367个像素点，各个像素点对应的入射角在35°-65°之间，并且假定存在一个均匀的二维观测场景，由367×367的网格点阵构成，现假设一维综合孔径微波辐射计从该观测场景上方均匀扫过，则每一行367个网格点与一维综合孔径微波辐射计的367个像素点一一对应，每一个网格点上都包含一组数据(频率f、海面温度T_s、海水盐度S、入射角θ、海面风速W、海面相对风向大气水汽含量V、云液态水含量L)；

步骤2：将每个网格点上对应的数据输入微波辐射传输正演模型，得到各个网格点的垂直极化和水平极化的模式亮温在其中加入随机误差，模拟一维综合孔径微波辐射计的观测亮温n为1和2时分别代表垂直极化和水平极化；

步骤3：将步骤2中计算出的和构建代价函数，在设定阈值ε的条件下进行迭代运算，当代价函数满足设定的阈值条件时(代价函数最小化)，跳出迭代过程，输出反演结果，否则按照设定的步长，对T′_s修正后继续迭代，直到满足阈值条件，从而反演出海面温度T′_s。

优选的，所述步骤2具体方法为将各个网格点对应的频率、海面温度、海水盐度、入射角、海面风速、海面相对风向、大气水汽含量、云液态水含量等数据输入微波辐射传输正演模型，求出各个网格点对应的垂直极化和水平极化的模式亮温主要公式为：

T_BΩ＝R_p·[T_BD+τ·T_cold]+T_B,scat,p

其中，为星载一维综合孔径微波辐射计在大气顶处接收到的亮温，T_s为海面温度，τ为大气透过率，T_BU和T_BD分别表示大气上行辐射亮温和下行辐射亮温；T_cold表示宇宙背景亮温，T_B,scat,p表示非平静海面对大气下行辐射亮温的散射作用；E_p和R_p分别表示海面总的发射率和反射率，R_p＝1-E_p；p表示极化方式，即垂直极化和水平极化；T_BU、T_BD和τ采用参数化方案进行计算，其中：

lnτ＝secθln(a₁+b₁V+c₁L+d₁V²+e₁VL)

T_D＝a₂+b₂V+c₂V²+d₂V³+e₂T_S

T_BU＝(T_D+a₃+b₃V)(1-τ)

T_BD＝T_D(1-τ)

其中V为大气水汽含量、L为云液态水含量，a_i、b_i、c_i、d_i、e_i代表参数化系数，i＝1,2,3。

优选的，所述步骤3中将步骤2中计算出的和构建代价函数，具体公式为，

优选的，所述公式中，表示一维综合孔径微波辐射计的观测亮温，表示利用微波辐射传输正演模型计算的模式亮温(垂直极化亮温和水平极化亮温)，表示亮温误差，N＝2，n为1和2时分别代表垂直极化和水平极化，T₀是T′_s的先验估计值，表示先验估计误差。

优选的，所述亮温误差主要包括一维综合孔径微波辐射计自身的仪器噪声误差。

优选的，在设定阈值的条件下进行迭代运算，具体方法为，χ²<ε，其中，ε为设定的阈值，当满足条件时，跳出迭代过程，输出反演结果，否则按照设定的步长，对T′_s修正后继续迭代，直到满足上述条件。

本发明的优点在于：该种基于一维综合孔径微波辐射计的海面温度物理反演方法，综合孔径微波辐射计与传统实孔径微波辐射计不同，其采用小孔径天线阵列，通过对场景辐射亮温的空间频率域采样得到可见度函数，对可见度函数进行逆傅里叶变换等数学运算重构出场景的亮温图像。根据这一特点，首先，将一维综合孔径微波辐射计的一维视场分成367个像素点，并且假定存在一个由367×367的网格点阵构成的二维观测场景，该场景每一行367个网格点与一维综合孔径微波辐射计的367个像素点一一对应；其次，用微波辐射传输正演模型计算模式亮温，并在其中加入随机误差，模拟一维综合孔径微波辐射计观测亮温，基于最大似然贝叶斯估计法构建迭代函数；最后，通过最小化代价函数反演出海面温度。

附图说明

图1为本发明的实现流程图。

图2为本发明的反演结果图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图2所示，一种基于一维综合孔径微波辐射计海面温度物理反演方法，包括以下步骤：

步骤1：将一维综合孔径微波辐射计的一维视场分成367个像素点，各个像素点对应的入射角在35°-65°之间，并且假定存在一个均匀的二维观测场景，由一维综合孔径微波辐射计推扫产生，视场由367×367的网格点阵构成，每一行367个网格点与一维综合孔径微波辐射计的367个像素点一一对应，每一列上367个网格点对应的入射角相同。每一个网格点上都包含一组数据(频率f、海面温度T_s、海水盐度S、入射角θ、海面风速W、海面相对风向大气水汽含量V、云液态水含量L)；

步骤2：将每个网格点上对应的数据输入微波辐射传输正演模型，得到各个网格点的垂直极化和水平极化的模式亮温由于目前尚无用于海面温度遥感的星载一维综合孔径微波辐射计，采用数据仿真技术，在模式亮温中加入随机误差，模拟一维综合孔径微波辐射计的观测亮温n为1和2时分别代表垂直极化和水平极化，主要公式为：

T_BΩ＝R_p·[T_BD+τ·T_cold]+T_B,scat,p

其中，为星载一维综合孔径微波辐射计在大气顶处接收到的亮温，T_s为海面温度，τ为大气透过率，T_BU和T_BD分别表示大气上行辐射亮温和下行辐射亮温；T_cold表示宇宙背景亮温，T_B,scat,p表示非平静海面对大气下行辐射亮温的散射作用；E_p和R_p分别表示海面总的发射率和反射率，R_p＝1-E_p；p表示极化方式，即垂直极化和水平极化；T_BU、T_BD和τ采用参数化方案进行计算，其中：

lnτ＝secθln(a₁+b₁V+c₁L+d₁V²+e₁VL)

T_D＝a₂+b₂V+c₂V²+d₂V³+e₂T_S

T_BU＝(T_D+a₃+b₃V)(1-τ)

T_BD＝T_D(1-τ)

其中V为大气水汽含量、L为云液态水含量，a_i、b_i、c_i、d_i、e_i代表参数化系数，i＝1,2,3；

步骤3：将步骤2中计算出的和构建代价函数，在设定阈值ε的条件下进行迭代运算，当代价函数满足设定的阈值条件时(代价函数最小化)，跳出迭代过程，输出反演结果，否则按照设定的步长，对T′_s修正后继续迭代，直到满足阈值条件，从而反演出海面温度T′_s，值得注意的是阈值的设定不能太大，否则误差会很大，但也不能太小，否则代价函数不能收敛，会进入死循环。

值得注意的是，所述步骤2具体方法为将各个网格点对应的频率、海面温度、海水盐度、入射角、海面风速、海面相对风向、大气水汽含量、云液态水含量等数据输入微波辐射传输正演模型，求出各个网格点的垂直极化和水平极化的模式亮温

在本实施例中，所述步骤3中将步骤2中计算出的和构建代价函数，具体公式为：

在本实施例中，所述公式中，表示一维综合孔径微波辐射计的观测亮温，表示利用微波辐射传输正演模型计算的模式亮温(垂直极化亮温和水平极化亮温)，表示亮温误差，N＝2，n为1和2时分别代表垂直极化和水平极化，T₀是T′_s的先验估计值，表示先验估计误差，值得注意的是在迭代过程中不变化，随着T′_s的修正而变化。

在本实施例中，所述亮温误差主要包括一维综合孔径微波辐射计自身的仪器噪声误差。

在本实施例中，在设定阈值的条件下进行迭代运算，具体方法为，χ²<ε，其中，ε为设定的阈值，当满足条件时跳出迭代过程，输出反演结果，否则按照设定的步长，对T′_s修正后继续迭代，直到满足阈值条件，从而反演出海面温度T′_s。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (8)

1.一种基于一维综合孔径微波辐射计的海面温度物理反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将一维综合孔径微波辐射计的一维视场分成若干个像素点，所述像素点具有不同的入射角，存在若干个网格点的二维观测场景，一维综合孔径微波辐射计在二维场景上均匀扫过，每个网格点均得到一组数据；

步骤2：将步骤1中得到的数据输入微波辐射传输正演模型中，得到各个网格点的模式亮温，在模式亮温中加入随机误差，得到观测亮温；

步骤3：将模式亮温和观测亮温构建代价函数，通过代价函数反演出海面温度。

2.根据权利要求1所述的一种基于一维综合孔径微波辐射计的海面温度物理反演方法，其特征在于：所述步骤1中一维视场的像素点个数为367个。

3.根据权利要求1所述的一种基于一维综合孔径微波辐射计的海面温度物理反演方法，其特征在于：所述步骤1中像素点的入射角范围为35-65°。

4.根据权利要求1所述的一种基于一维综合孔径微波辐射计的海面温度物理反演方法，其特征在于：所述步骤1中的二维观测场景由367×367的网格点构成。

5.根据权利要求1所述的一种基于一维综合孔径微波辐射计的海面温度物理反演方法，其特征在于：所述步骤1中的数据包括频率f_m、海面温度T_s、海水盐度S、入射角θ、海面风速W、海面相对风向大气水汽含量V和云液态水含量L。

6.根据权利要求1所述的一种基于一维综合孔径微波辐射计的海面温度物理反演方法，其特征在于：所述步骤2具体方法为求出各个网格点对应的垂直极化和水平极化模式亮温主要公式为：

T_BΩ＝R_p·[T_BD+τ·T_cold]+T_B,scat,p

其中，为星载一维综合孔径微波辐射计在大气顶处接收到的亮温，T_s为海面温度，τ为大气透过率，T_BU和T_BD分别表示大气上行辐射亮温和下行辐射亮温；T_cold表示宇宙背景亮温，T_B,scat,p表示非平静海面对大气下行辐射亮温的散射作用；E_p和R_p分别表示海面总的发射率和反射率，R_p＝1-E_p；p表示极化方式，即垂直极化和水平极化；T_BU、T_BD和τ采用参数化方案进行计算，其中：

lnτ＝secθln(a₁+b₁V+c₁L+d₁V²+e₁VL)

T_D＝a₂+b₂V+c₂V²+d₂V³+e₂T_S

T_BU＝(T_D+a₃+b₃V)(1-τ)

T_BD＝T_D(1-τ)

其中V为大气水汽含量、L为云液态水含量，a_i、b_i、c_i、d_i、e_i代表参数化系数，i＝1,2,3。

7.根据权利要求1所述的一种基于一维综合孔径微波辐射计的海面温度物理反演方法，其特征在于：所述步骤3中代价函数的具体公式为：其中表示一维综合孔径微波辐射计的观测亮温，表示利用微波辐射传输正演模型计算的模式亮温(垂直极化亮温和水平极化亮温)，表示亮温误差，N＝2，n为1和2时分别代表垂直极化和水平极化，T₀是T_s′的先验估计值，表示先验估计误差。

8.根据权利要求1所述的一种基于一维综合孔径微波辐射计的海面温度物理反演方法，其特征在于：所述步骤3中在设定阈值的条件下进行迭代运算，具体方法为，χ²<ε，其中，ε为设定的阈值，当满足条件时跳出迭代过程，输出反演结果，否则按照设定的步长，对T_s′修正后继续迭代，直到满足上述条件。