CN110716185B - 一种用于星载微波辐射计的在轨辐射校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于星载微波辐射计的在轨辐射校正方法，包括如下步骤：⑴筛选甄别星载微波辐射计的辐射校正试验场地；⑵确定开展外场试验的时间；⑶设计星载微波辐射计的外场试验同步观测内容与方案；⑷开展星地同步观测；⑸搜集和存储观测数据；⑹进行辐射校正数据处理与分析。利用本发明，对于受地表发射率影响显著的大像元尺度的星载微波辐射计，可以准确计算波束足迹内不同类型下垫面在不同探测通道的微波发射率，获得准确的正演亮温结果，实现星载微波辐射计的在轨高精度辐射定标。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波辐射校正方法，尤其涉及一种用于星载微波辐射计的在轨辐射校正方法，属于微波遥感技术领域。
背景技术
微波遥感因为受到天气条件的限制少，具有全天时和全天候观测的优点，并对云雾、雨雪和植被等具有一定的穿透能力，可以多频道、多极化、多角度观测目标，在大气、海洋、植被和土壤等遥感应用场合有广泛的应用。
微波辐射计是用于测量物体微波辐射能量的被动遥感仪器。根据搭载平台的不同，可以分为星载微波辐射计、机载微波辐射计和地基微波辐射计等。其中，星载微波辐射计具有长时间工作和大范围观测的能力，在地球观测、大气探测与空间探测等方面发挥着越来越重要的作用。随着卫星遥感技术及其观测资料定量化应用的发展，对卫星遥感仪器的辐射校正精度提出了更高要求。利用地面辐射校正试验场地开展卫星遥感仪器的辐射校正，是提高遥感仪器辐射精度的重要手段。
在现有技术中，为了正确评价星载微波辐射计的在轨定标精度，及时校准定标偏差，对于刚刚发射的卫星，需要在卫星在轨测试期间对卫星装载的星载微波辐射计开展星地同步观测试验；对于发射多年的卫星，由于经过长时间工作，微波辐射计部分通道的性能可能会有一定程度的变化，也需要利用外场辐射校正对星载微波辐射计进行在轨辐射校验，进而评价星载微波辐射计的在轨稳定性。
图1是一种典型的星载微波辐射计的在轨定标流程图。一方面，根据在轨运行的星载微波辐射计下传的在轨遥测数据和在轨遥感数据，判断遥感仪器的工作状态是否正常、观测的数据是否有效；另一方面，结合发射前在地面真空罐里进行的热真空定标实验数据和微波辐射计备份再测试数据进行中心频点再测试、带宽修正分析以及非线性参数测试分析等。对上述分析测试结果进行综合分析，配合数据仿真验证和在轨交叉比对，可以进一步确定星载微波辐射计的在轨定标精度。但是，上述在轨定标方法仍然存在一些不足之处，例如对各仪器部件所测得的热真空定标实验数据和在轨运行的实测数据之间存在偏差，缺乏系统、可靠的验证，从而影响对在轨运行的星载微波辐射计进行定标精度分析。
在专利号为ZL 201510657655.0的中国发明专利中，公开了一种星载微波辐射计的偏差校正方法，包括如下步骤：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；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；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；4)根据星载微波辐射计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；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，进行交叉比对；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，最终确定星载微波辐射仪的在轨定标精度，得到定量化结果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于星载微波辐射计的在轨辐射校正方法。
为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：
一种用于星载微波辐射计的在轨辐射校正方法，包括如下步骤：
⑴筛选甄别星载微波辐射计的辐射校正试验场地；
⑵确定开展外场试验的时间；
⑶设计星载微波辐射计的外场试验同步观测内容与方案；
⑷开展星地同步观测；
⑸搜集和存储观测数据；
⑹进行辐射校正数据处理与分析。
其中较优地，所述步骤⑷中，当所述星载微波辐射计是星载微波成像仪时，一方面同步获取卫星观测区域的地表温湿度、土壤水分和大气温湿度廓线，另一方面通过车载微波辐射测量系统观测得到典型场区地表的微波辐射亮温；
形成大范围的多层温湿度梯度时空分布数据；
分别利用微波地表-大气辐射传输模型和车载微波辐射测量系统的微波辐射亮温测量值，验证所述星载微波成像仪的测量精度。
其中较优地，所述步骤⑹中，当所述星载微波辐射计是星载微波成像仪时，根据不同下垫面类型的微波亮温观测和温湿度垂直观测的结果，获得不同下垫面类型的分层各通道发射率，由此获得瞬时视场内的多类型分层各通道发射率数据，作为微波辐射亮温的正演计算参数之一；同时，通过地面若干点的温度垂直观测以及卫星遥感高分辨率的陆表温度产品，建立瞬间视场内的多层温度梯度时空分布数据，也作为微波辐射亮温的正演计算参数之一；
根据不同卫星的天线方向图特征，计算每个瞬时视场内的地表辐射能量卷积，经过大气订正之后获取卫星入瞳亮温数据；
将卫星入瞳亮温数据与星载微波成像仪的观测亮温数据进行对比分析，完成星载微波成像仪的在轨定标精度分析工作。
其中较优地，所述微波辐射亮温的正演计算步骤为：
根据卫星过境时间，选取地面温湿度梯度观测数据；
根据卫星过境时间，在各类地物不同高度层发射率时间序列查找表中分别获取对应的各层等效发射率；
利用各层温度观测数据以及等效发射率，计算各层各通道的等效亮温；
利用各层发射率权重以及各层的等效亮温，计算各通道整体亮温。
其中较优地，所述步骤⑹中，当所述星载微波辐射计是星载微波探测仪时，将地表微波辐射特性的观测结果、大气特性参数观测结果以及地表参数观测结果输入正演微波辐射传输模型，对可以进行比对的相关通道进行频率匹配处理，计算星载微波探测仪的正演微波辐射亮温；在此基础上，与星载微波探测仪的在轨实时微波辐射亮温进行对比分析，完成星载微波探测仪的在轨定标精度分析工作。
其中较优地，所述步骤⑶中，外场试验同步观测包括场地地面观测步骤；所述场地地面观测步骤中，测量近地层大气干湿球温度，并记录时间、地点、温度；采用卫星定位仪，记录时间、经纬度和海拔高度；采用风速测量仪，测量地面风速；在试验区域内布设多组自动温湿度测量记录仪，记录观测目标内的温湿度剖面时空分布状况；利用土壤温湿度测量仪，测量土壤温度和湿度数据。
其中较优地，所述步骤⑶中，外场试验同步观测包括车载微波辐射测量系统观测步骤；所述车载微波辐射测量系统观测步骤中，车载微波辐射测量系统与星载微波成像仪同步观测同一目标区域；对辐射校正试验场地内的典型地貌开展针对性的连续观测以及控制试验观测，配合温湿度梯度观测数据，获取对应观测目标的热力结构及时变特征观测数据，开展辐射校正试验场地的微波辐射特性研究、时间稳定性和空间均匀性分析。
其中较优地，所述车载微波辐射测量系统包括微波辐射计，在每次观测开始前首先对所述微波辐射计进行定标工作。
其中较优地，通过移动铝箔确定各通道的视场边界，并在视场边界进行标记，从而对所述微波辐射计所有通道的观测视场范围进行确认。
其中较优地，所述步骤⑶中，外场试验同步观测包括无人机观测步骤，所述无人机观测步骤中，利用无人机空中悬停技术，实现设计航路上的高空间分辨率观测，利用搭载的摄像机从多个角度获取观测点的地貌图像，观测雨林等目标分布的均匀性；利用在无人机上挂载的热红外辐射计和温度计/温度探头，获取雨林冠层亮温和温度分布的局地变化。
与现有技术相比较，本发明所提供的星载微波辐射计在轨辐射校正方法可以对卫星上搭载的两类微波辐射计—星载微波探测仪和星载微波成像仪开展在轨定标辐射检验，从而评价仪器在轨定标精度，提供定标参数校验结果。利用本发明，对于受地表发射率影响显著的大像元尺度的星载微波成像仪，可以准确计算波束足迹内不同类型下垫面在不同探测通道的微波发射率，获得准确的正演亮温，实现星载微波成像仪的在轨高精度定标辐射校准。
附图说明
图1为现有技术中，一种典型的星载微波辐射计的在轨定标流程图；
图2为本发明所提供的星载微波辐射计在轨辐射校正方法的数据来源示意图；
图3为星载微波探测仪的辐射校正数据处理流程图；
图4为FY-3D上的星载微波探测仪观测亮温和正演辐射传输模型模拟亮温的结果比较示意图；
图5为FY-3D上的星载微波探测仪的外场试验结果与指标对比示意图；
图6为星载微波成像仪的辐射校正数据处理流程图；
图7为星载微波成像仪的亮温观测结果与计算结果的差值曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。
参见图2所示，本发明所提供的星载微波辐射计在轨辐射校正方法主要包括如下步骤：
1.筛选甄别星载微波辐射计的辐射校正试验场地
在本发明的一个实施例中，星载微波辐射计的辐射校正试验场地的空间分析样方应该大于星载微波辐射计中3×3个像元所覆盖的区域面积。
由于星载微波辐射计的空间分辨率较差，要求辐射校正试验场地的地表微波辐射特性要在足够大的空间范围内保持均匀稳定。为此，本发明的实施例中首先针对星载微波辐射计所采集的长时间序列的全球历史资料，开展大数据分析，筛选甄别空间分析样方区域内，晴空静稳无风条件下，微波亮温标准差小于1.0K，同时年季间亮温时变标准差小于1.0K的区域，作为辐射校正试验场地的备选场地。
根据本发明实施例提出的筛选甄别技术要求，在全球范围内甄别出最优试验场地为南美亚马逊热带雨林，中国境内的最佳试验场地为云南某热带雨林地区。根据中国植被的区系划分，云南境内分布着大面积的亚热带季风常绿阔叶林。这些地区的地面温差季节变化较小，特别是云南某热带雨林地区，森林茂密，微波发射呈现出较为理想的黑体特征。从遥感普查时间序列上看，云南某热带雨林地区在晴空静稳无风条件下，是理想的微波高端定标辐射校正目标。
2.确定开展外场试验的时间
根据云南某热带雨林地区的长时间气象观测资料，进行时间序列的变化特征分析，结果显示该地区的冬春季降水相对较少，微波地表发射率比较稳定。根据对该地区往年不同月份的降雨情况分析，优选在1～3月份或11～12月份开展辐射校正星地同步观测试验。
具体的外场试验时间要根据星地同步观测的要求，对每颗目标卫星开展轨道预报。对于跨轨扫描仪器(例如星载微波探测仪)，卫星天顶角需小于30度通过场区中心点；对圆锥扫描仪器(例如星载微波成像仪)不作此要求。根据轨道预报结果，选取卫星通过辐射校正试验场地上空时、大气状况满足要求的日期和时间，分别在每颗卫星过境前后各1小时内，开展外场试验。
3.设计星载微波辐射计的外场试验同步观测内容与方案
外场试验同步观测的主要目的是获取卫星过境时刻地表和大气基础地球物理参数，以及地表微波辐射特性参数。为此，设计如下6类观测：
(1)场地地面观测
仪器：手提干湿球温度计、卫星定位仪、便携式风速测量仪、自动温湿度测量记录仪、土壤温湿度测量仪。
时间：卫星过境前30分钟开始，卫星过境后30分钟结束。
任务：测量近地层大气干湿球温度，并记录时间、地点、温度；采用卫星定位，记录时间、经纬度和海拔高度；采用便携式风速测量仪，测量地面风速；在试验区域内布设不少于3×3组自动温湿度测量记录仪(可以酌情设计机动加密观测点)，记录雨林等观测目标内的温湿度剖面时空分布状况；利用土壤温湿度测量仪，测量土壤温度和湿度数据。
(2)气象站常规地面观测
仪器：自动气象站。
时间：卫星过境前30分钟开始，卫星过境后30分钟结束。
任务：由专业观测人员按照气象观测规范进行地面气象要素业务观测。
(3)气象站探空观测
仪器：探空气球。
时间：卫星过境前30分钟。
任务：由专业观测人员按照气象观测规范施放探空气球，开展探空业务观测。
(4)卫星微波遥感仪器观测
仪器：微波探测类仪器(例如星载微波探测仪)、微波成像类仪器(例如星载微波成像仪)。
时间：连续观测。
任务：卫星微波遥感仪器开展常规业务观测，不间断地获取辐射校正试验场地的亮温观测数据。
(5)车载微波辐射测量系统观测
仪器：车载微波辐射测量系统
时间：有星地同步观测试验任务时，卫星过境前1小时开始，卫星过境后1小时结束；无星地同步观测试验任务时，针对试验场地的雨林、茶园、水体和人工建筑等不同下垫面目标，灵活安排有针对性的观测。
任务：与星载微波成像仪同步观测同一目标区域；对辐射校正试验场地内的典型地貌开展针对性的连续观测以及控制试验观测，配合温湿度梯度观测数据，获取对应观测目标的热力结构及时变特征观测数据，开展辐射校正试验场地的微波辐射特性研究、时间稳定性和空间均匀性分析。
车载微波辐射测量系统包括微波辐射计、升降平台、计算机、移动车载平台、供电系统及其它配套设备。升降平台可以升起至数米高度，可以实现－90度～90度俯仰操作，以满足以不同入射角观测各类下垫面的要求；可以实现360度方位向旋转，以满足以不同方位角观测各类下垫面的要求。车内配有发电机，并装有稳压及断电保护的UPS系统。这些设计均以有效观测为目标，综合考虑了野外恶劣试验环境的各种影响。
微波辐射计是精密测量仪器，每次开机关机均会影响测量的稳定性，应该在每次观测开始前，首先对微波辐射计进行定标工作。根据定标方式的不同，可以分为绝对定标和天空定标两种。绝对定标(或称为液氮定标)是利用接收机内的迪克开关吸收内部黑体的温度作为热源，液氮作为冷源，并校正非线性的影响。天空定标是在无云的晴朗天气下，通过扫描一组角度获取的观测亮温，拟合计算自由空间的响应温度。
为了满足野外实际观测的需要，事先需要将微波辐射计改装至移动车载平台上，为野外试验选址和观测提供便利。此外，在开展观测前，需要对微波辐射计所有通道的观测视场范围进行确认。在本发明的一个实施例中，可以通过移动铝箔，确定各通道的视场边界，并在视场边界进行标记；对于较远的不方便到达的观测位置，可以利用在辐射计天线处安放的观测定位激光灯或摄像头来确认视场范围。
利用车载微波辐射测量系统开展观测试验，需要先利用无人机拍摄的试验区图像和卫星影像资料，对试验区下垫面进行详细分类；为获取不同下垫面的微波辐射特性，选择各种下垫面类型(雨林、茶园、咖啡园、水体和人工建筑等)进行亮温观测。在观测中，需要考虑各种不同因素对观测结果的影响，以雨林为例，需要考虑其发射率的日变化、雨林坡度的影响、不同方位对观测结果的影响、发射率随风速的变化、天空下行辐射等；对不同条件下的观测亮温数据进行综合分析，把影响发射率的不确定因素降到最低。
利用车载微波辐射测量系统获得的亮温观测数据和自动温湿度测量记录仪在雨林等观测目标中获得的温湿度垂直观测数据，针对微波辐射计的不同探测频点和不同极化，计算不同下垫面类型的微波发射率。在此基础上，可以完成卫星观测亮温的正演计算，将其与星载微波成像仪的在轨观测结果进行对比分析，可以用来评价星载微波辐射计的在轨定标精度。
(6)无人机观测
仪器：无人机、摄像机、热红外辐射计和温度计/温度探头
时间：在无星地同步观测试验任务时，配合车载微波辐射测量系统开展无人机观测。
任务：利用无人机空中悬停技术，实现设计航路上的高空间分辨率观测，利用搭载的摄像机从多个角度获取观测点的地貌图像，观测雨林等目标分布的均匀性；利用在无人机系统上挂载的热红外辐射计和温度计/温度探头，获取雨林冠层亮温和温度分布的局地变化，为地面固定观测和车载微波辐射测量系统提供下垫面分类等背景数据信息，为微波尺度的混合像元提供分类信息。
4.开展星地同步观测
星载微波辐射计根据其扫描方式和应用目的的不同，可以分为星载微波探测仪和星载微波成像仪两类。下面，分别针对星载微波探测仪和星载微波成像仪两类仪器的不同特点，对本发明中的星地同步观测步骤进行说明。
(1)星载微波探测仪的星地同步观测
用于微波辐射传输计算所需的外场同步观测资料包括2m高度的空气温度、2m高度的空气湿度和大气温湿度廓线。云南某热带雨林地区的观测点由1～2个气温测量点、1个地面与探空测量点组成。其中，气温测量点是在距离观测平台50～100米范围内，选取1～2个固定位置，进行空气温湿度观测。观测获得的气温观测数据用于推算上行微波辐射强度，探空观测数据用于计算大气对上行微波辐射的影响。所使用的观测仪器主要包括：手提干湿球温度计、探空气球、卫星定位仪。
(2)星载微波成像仪的星地同步观测
星载微波成像仪的窗区通道观测结果受地表影响很大，地表发射率的准确性直接影响模拟亮温的计算，也就影响到定标检验效果。因此，星载微波成像仪的外场定标检验较星载微波探测仪更为复杂。
对于星载微波成像仪而言，一方面同步获取卫星观测区域的地表温湿度、土壤水分和大气温湿度廓线，另一方面利用车载微波辐射测量系统观测得到典型场区地表微波辐射亮温，同时还要利用无人机搭载的摄像机获取试验场地下垫面分类情况，以及利用无人机搭载的热红外辐射计和温度计/温度探头或卫星遥感高分辨率陆表温度产品，形成大范围的多层温度梯度时空分布数据。
接下来，分别利用微波地表-大气辐射传输模型和车载微波辐射测量系统的测量值验证星载微波成像仪的测量精度。其中，气温测量点是在距离观测平台50～100米范围内，选取1～2个固定位置，进行空气温湿度观测。土壤水分和地表温湿度测量点是在距离观测平台50～100米范围内，选取1～2个固定位置，进行土壤水分和温湿度观测。上述两个观测地点之间相距应大于10米，以免相互影响。
在星载微波成像仪的像元范围内布置不少于3×3组自动温湿度测量记录仪(可以酌情设计机动加密观测点)，记录雨林等观测目标内的温湿度剖面时空分布状况；考虑到雨林的高度，为了覆盖从雨林底部到冠层的高度范围，每个位置点的自动温湿度测量记录仪布设不少于5个。
对于车载微波辐射测量系统而言，依据地物、遮挡、道路和电力等实际情况，选取合适的位置作为观测点。利用无人机搭载的摄像机从多个角度获取观测点的地貌图像，观测雨林等目标分布的均匀性；利用无人机搭载的热红外辐射计和温度计/温度探头，获取雨林冠层亮温和温度分布的局地变化，为地面固定观测点和车载微波辐射测量系统提供下垫面分类等背景数据信息，为微波尺度的混合像元提供分类信息。
此时所使用的观测仪器主要包括：手提干湿球温度计、探空气球、车载微波辐射测量系统、自动温湿度测量记录仪、土壤温湿度测量仪、无人机、摄像机、热红外辐射计、温度计/温度探头、卫星定位仪。
5.搜集和存储观测数据
在本发明中，观测数据分为场地观测数据和卫星观测数据两大类：
A.场地观测数据
场地观测数据包括观测仪器获取的原始测量数据和现场计算机初步处理的数据，以及配套的观测时间和观测状态描述信息。具体包括：
1)地表气象参数
2)探空数据
3)地表微波辐射观测数据
4)无人机观测数据
场地观测数据由计算机存储或人工记录后输入计算机存储，并实时转存于移动硬盘中。
B.卫星观测数据
卫星观测数据包括所有目标卫星的星载微波探测仪和星载微波成像仪的观测数据。
卫星观测数据由地面应用系统自动接收并存储，事后下载并转存于移动硬盘。
6.进行辐射校正数据处理与分析
前已述及，星载微波辐射计可以分为星载微波探测仪和星载微波成像仪两类。下面，分别针对星载微波探测仪和星载微波成像仪两类仪器的不同特点，对本发明中的辐射校正数据处理步骤进行说明。
(1)星载微波探测仪的辐射校正数据处理
在本发明的一个实施例中，根据每颗卫星的轨道预报时间，选取卫星通过辐射校正试验场地的上空时、大气状况满足要求的时间施放探空气球并开展地面同步观测，获取卫星遥感数据和用于大气辐射传输计算的所有外场同步观测资料。
如图3所示，将地表微波辐射特性的观测结果、大气特性参数观测结果以及地表参数观测结果输入正演微波辐射传输模型，对可以进行比对的相关通道进行必要的频率匹配处理，计算星载微波探测仪的正演微波辐射亮温。在此基础上，与星载微波探测仪的在轨实时微波辐射亮温进行对比分析，从而评价每个星载微波探测仪的在轨定标精度，提供定标参数验证结果。
下面，利用国家卫星气象中心于2018年获取的云南某热带雨林地区微波辐射特性观测数据和风云三号气象卫星D星(FY-3D)的星载微波探测仪在轨观测数据，对比分析FY-3D上的星载微波探测仪的在轨定标结果。由于仪器天顶角越小，辐射传输模型的计算精度越高，因此选取仪器天顶角小于10度的不同日期的三次观测，在图4中给出了FY-3D上的星载微波探测仪观测亮温和正演辐射传输模型模拟亮温的比较结果(O-B结果)。
综合考虑试验时的天气实况、探空廓线质量和仪器天顶角，FY-3D上的星载微波探测仪选择2018年3月13日的数据进行对比分析。图5给出FY-3D上的星载微波探测仪外场试验分析结果和仪器指标要求的对比。由于受谐波干扰的影响，通道14的偏差较大，其它通道均满足指标要求。由此可以看出，本发明所提供的在轨辐射校正方法可以有效地评价星载微波辐射计的在轨定标精度，提供定标参数验证结果。
(2)星载微波成像仪的辐射校正数据处理
在本发明的另一个实施例中，利用垂直温湿度观测体系中的自动温湿度测量记录仪观测的物理温度和湿度数据，以及车载微波辐射测量系统的观测结果，对不同下垫面类型、不同通道的微波频段发射率进行分析，然后进行微波辐射亮温的正演计算，并与星载微波成像仪的在轨实时微波辐射亮温进行对比分析，从而评价每个星载微波成像仪的在轨定标精度，提供定标参数验证结果。
下面，结合图6对星载微波成像仪的辐射校正数据处理流程进行说明。
在本发明的一个实施例中，云南某热带雨林地区具有几类不同的下垫面，包括雨林、茶园、水体、人工地表等，可以归类为下垫面类型1……下垫面类型N。通过对不同下垫面类型的微波亮温观测(由车载微波辐射测量系统实施)和温度垂直观测(由垂直温湿度观测体系实施)，可以计算获得下垫面类型1……下垫面类型N在不同频点和不同极化方向上的发射率特征分布，由此获得瞬时视场内的多类型分层各通道发射率数据，并作为微波辐射亮温的正演计算参数之一。这里，影响不同下垫面类型的分层各通道发射率的因素包括：入射角订正、坡度影响、方位影响、风速影响、发射率日变化等。在计算发射率时，这些因素均需要作为输入量加以考虑。
另外，针对不同地物类型的温湿度垂直观测，目的是针对不同的下垫面类型提供不同垂直高度上的温湿度时空分布特征。由于微波窗区通道在雨林、茶园等下垫面上具有较好的穿透性，温度垂直观测数据可以更好地描述微波辐射亮温数据与地物物理温度之间的内在关系。另一方面，通过地面若干点的温度垂直观测以及卫星遥感高分辨率的陆表温度产品，可以建立瞬间视场内的多层温度梯度时空分布数据，也作为微波辐射亮温的正演计算参数之一。
在获得多类型分层各通道发射率数据和多层温度梯度时空分布数据之后，进一步根据不同卫星的天线方向图特征，计算每个瞬时视场内的地表辐射能量卷积，经过大气订正之后获取卫星入瞳亮温数据。将卫星入瞳亮温数据与星载微波成像仪的观测亮温数据进行对比分析，即可完成星载微波成像仪的在轨定标精度分析工作。
其中，微波辐射亮温的正演计算步骤为：
根据卫星过境时间，选取地面温湿度梯度观测数据；
根据卫星过境时间，在各类地物不同高度层发射率时间序列查找表中分别获取对应的各层等效发射率；
利用各层温度观测数据以及等效发射率，计算各层各通道的等效亮温；
利用各层发射率权重以及各层的等效亮温，计算各通道整体亮温。
需要说明的是，由于每个时间、位置的地面观测数据数量不同，考虑到均匀性和代表性，在卫星观测数据对应的地面观测点太少的情况下，放弃上述在轨定标精度分析工作。
下面，利用国家卫星气象中心于2018年获取的云南某热带雨林地区微波辐射特性观测数据和风云三号气象卫星D星、C星(FY-3D、FY-3C)的星载微波成像仪在轨观测数据，对比分析FY-3D/C星载微波成像仪的在轨定标结果。FY-3D/C星载微波成像仪的观测结果与利用地面温度观测数据及下垫面组分发射率计算的亮温结果差异分别见表1和表2。其中，CH1～CH6分别表示星载微波成像仪的6个观测通道。
表1FY-3D星载微波成像仪的观测结果与亮温计算结果对比
| 时间 | CH1 | CH2 | CH3 | CH4 | CH5 | CH6 |
| 201803060649 | 5.94 | 6.16 | 4.79 | 2.83 | 5.62 | 5.25 |
表2FY-3C星载微波成像仪的观测结果与亮温计算结果对比
| 时间 | CH1 | CH2 | CH3 | CH4 | CH5 | CH6 |
| 201803040333 | -0.41 | 3.8 | 3.18 | 2.48 | 2.7 | 3.79 |
| 201803050314 | -2.14 | 1.74 | -0.83 | 0.44 | 1.02 | 2.27 |
图7显示了上述两部星载微波成像仪的亮温观测结果与计算结果的差值曲线。由图7以及表1、表2中可以看出，利用地面温度梯度观测数据及车载微波辐射测量系统的亮温观测结果所获得的地物发射率数据，能够基本描述星载微波成像仪中各通道的亮温分布状况。在模拟计算过程中，对下垫面的分类、观测和计算越细致，亮温模拟结果越准确。
以上对本发明所提供的用于星载微波辐射计的在轨辐射校正方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
Claims (8)
1.一种用于星载微波成像仪的在轨辐射校正方法，其特征在于包括如下步骤：
⑴ 筛选甄别星载微波成像仪的辐射校正试验场地；
⑵ 确定开展外场试验的时间；
⑶ 设计星载微波成像仪的外场试验同步观测内容与方案；
⑷ 所述星载微波成像仪开展星地同步观测；一方面同步获取卫星观测区域的地表温湿度、土壤水分和大气温湿度廓线，另一方面通过车载微波辐射测量系统观测得到典型场区地表的微波辐射亮温；形成大范围的多层温度梯度时空分布数据；分别利用微波地表-大气辐射传输模型和车载微波辐射测量系统的微波辐射亮温测量值验证所述星载微波成像仪的测量精度；
⑸ 搜集和存储观测数据；
⑹ 所述星载微波成像仪进行辐射校正数据处理与分析；根据不同下垫面类型的微波亮温观测和温度垂直观测的结果，获得不同下垫面类型的分层各通道发射率，由此获得瞬时视场内的多类型分层各通道发射率数据，作为微波辐射亮温的正演计算参数之一；同时，通过地面若干点的温度垂直观测以及卫星遥感高分辨率的陆表温度产品，建立瞬间视场内的多层温度梯度时空分布数据，也作为微波辐射亮温的正演计算参数之一；根据不同卫星的天线方向图特征，计算每个瞬时视场内的地表辐射能量卷积，经过大气订正之后获取卫星入瞳亮温数据；将卫星入瞳亮温数据与所述星载微波成像仪的观测亮温数据进行对比分析，完成所述星载微波成像仪的在轨定标精度分析工作。
2.如权利要求1所述的在轨辐射校正方法，其特征在于所述微波辐射亮温的正演计算步骤为：
根据卫星过境时间，选取地面温湿度梯度观测数据；
根据卫星过境时间，在各类地物不同高度层发射率时间序列查找表中分别获取对应的各层等效发射率；
利用各层温度观测数据以及等效发射率，计算各层各通道的等效亮温；
利用各层发射率权重以及各层的等效亮温，计算各通道整体亮温。
3.如权利要求1所述的在轨辐射校正方法，其特征在于：
所述步骤⑹中，将地表微波辐射特性的观测结果、大气特性参数观测结果以及地表参数观测结果输入正演微波辐射传输模型，对可以进行比对的相关通道进行频率匹配处理，计算星载微波探测仪的正演微波辐射亮温；在此基础上，与星载微波探测仪的在轨实时微波辐射亮温进行对比分析，完成星载微波探测仪的在轨定标精度分析工作。
4.如权利要求1所述的在轨辐射校正方法，其特征在于：
所述步骤⑶中，外场试验同步观测包括场地地面观测步骤；所述场地地面观测步骤中，测量近地层大气干湿球温度，并记录时间、地点、温度；采用卫星定位仪，记录时间、经纬度和海拔高度；采用风速测量仪测量地面风速；在试验区域内布设多组自动温湿度测量记录仪，记录观测目标内的温湿度剖面时空分布状况；利用土壤温湿度测量仪，测量土壤温度和湿度数据。
5.如权利要求1所述的在轨辐射校正方法，其特征在于：
所述步骤⑶中，外场试验同步观测包括车载微波辐射测量系统观测步骤；在所述车载微波辐射测量系统观测步骤中，车载微波辐射测量系统与所述星载微波成像仪同步观测同一目标区域；对辐射校正试验场地内的典型地貌开展针对性的连续观测以及控制试验观测，配合温湿度梯度观测数据，获取对应观测目标的热力结构及时变特征观测数据，开展辐射校正试验场地的微波辐射特性研究、时间稳定性和空间均匀性分析。
6.如权利要求5所述的在轨辐射校正方法，其特征在于：
所述车载微波辐射测量系统包括微波辐射计，在每次观测开始前首先对所述微波辐射计进行定标工作。
7.如权利要求6所述的在轨辐射校正方法，其特征在于：
通过移动铝箔确定各通道的视场边界，并在视场边界进行标记，从而对所述微波辐射计所有通道的观测视场范围进行确认。
8.如权利要求1所述的在轨辐射校正方法，其特征在于：所述步骤⑶中，外场试验同步观测包括无人机观测步骤，所述无人机观测步骤中，利用无人机空中悬停技术，实现设计航路上的高空间分辨率观测，利用搭载的摄像机从多个角度获取观测点的地貌图像，观测雨林等目标分布的均匀性；利用在无人机上挂载的热红外辐射计和温度计/温度探头，获取雨林冠层亮温和温度分布的局地变化。
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| PB01 | Publication | ||
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| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No.46, Zhongguancun South Street, Haidian District, Beijing Applicant after: NATIONAL SATELLITE METEOROLOGICAL CENTER (NATIONAL CENTER FOR SPACE WEATHER) Address before: National Satellite Meteorological Center, No.46, Zhongguancun South Street, Haidian District, Beijing 100081 Applicant before: NATIONAL SATELLITE METEOROLOGICAL CENTER |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |