CN111175720A - 一种海面风场星上快速反演方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海面风场的星上快速反演方法，所述方法包括：对星上微波散射计测量的数据进行处理，获得后向散射的归一化雷达截面积和相应的测量误差估计值；对后向散射的归一化雷达截面积，在星上预存的地球物理模型函数查找表进行查询，获得若干个风速‑风向候选解及其最大似然残差的集合；从若干个风速‑风向候选解中，基于圆中数滤波得到风速‑风向；将反演得到的包括风向和风速的风场数据从卫星下传至地面站。本发明的方法实现了微波散射计从观测到海面风场产品的星上处理流程，解决了传统链路观测和应用中存在的传输时间长的问题，实现海面风场实时观测。

Description

一种海面风场星上快速反演方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星遥感、海洋遥感、气象领域，具体涉及一种海面风场星上快速反演方法及系统。

背景技术

星载散射计是具有高优先级的海面风场测量载荷之一。它提供的海洋表面风场观测是数值天气模型和极端天气监测的重要信息，其在海面风场遥感的成功应用已经有超过30年的历史。

现有的微波散射计海面风场遥感链路和处理模式主要有以下流程：星上微波散射计进行海面遥感观测，并进行基本的星上计算(利用数字信号处理器(DSP)进行回波信号快速傅里叶变换(FFT)、距离门组合等运算，并下传组合结果。卫星在境外时，数据处理器会将遥感数据送固态存储器进行存储。在卫星到达中国境内时，利用数传系统将数据发回卫星地面站；地面系统可以进行数据上注，在需要时，对散射计星上DSP程序等进行更新。对各地面站将接收的数据，由地面处理系统逐级进行处理。首先是“拼接”和按照观测轨道进行“分轨”的0级数据处理、从下传功率值到归一化后向散射系数(NRCS)的1级处理和观测风场反演最小单元(风单元)划分和NRCS组合，以及风场反演的2级数据处理，最后形成以“轨”为单位的各级标准产品文件；对数据文件，按照需求，进行风场产品推送到给用户或由用户提出申请再进行数据分发。

以上传统的观测和应用链路，数据传输、计算、分发等待时间长，往往需要数小时至数天。即使将来建立了南北极卫星数据接收站，在远海区域的链路效率也无法提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种海面风场星上快速反演方法及系统，包括散射计各等级数据处理进行星上快速处理算法，和分发应用全链路设计。

为了实现上述目的，本发明提出了一种海面风场的星上快速反演方法，所述方法包括：

对星上微波散射计测量的数据进行处理，获得后向散射的归一化雷达截面积和相应的测量误差估计值；

对后向散射的归一化雷达截面积，在星上预存的地球物理模型函数查找表进行查询，获得若干个风速-风向候选解及其最大似然残差的集合；

从若干个风速-风向候选解中，基于圆中数滤波得到风速-风向；

将反演得到的包括风向和风速的风场数据从卫星下传至地面站。

作为上述方法的一种改进，所述对星上微波散射计测量的数据进行处理，获得后向散射的归一化雷达截面积和相应的测量误差估计值；具体包括：

对星上微波散射计测量的数据进行快速傅里叶变换，得到以复数形式表达和存储的回波测量的幅度谱和相位谱；

基于回波测量的幅度谱和相位谱，对星上微波散射计所在卫星的星历、姿态、天线角度数据进行计算，得到快速傅里叶变换距离门组合的后向散射系数最小单元对应的功率值；

对功率值去除噪声功率；

利用多普勒、距离门组合、空间定位查找表计算观测几何，确定后向散射系数最小单元的观测几何情况；

根据观测几何情况，通过定标因子查找表获得距离门功率值对应的定标因子数值，由功率值计算得到后向散射的归一化雷达截面积和相应的测量误差估计值。

作为上述方法的一种改进，所述对后向散射的归一化雷达截面积，在星上预存的地球物理模型函数查找表进行查询，获得若干个风速-风向候选解及其最大似然残差的集合，具体包括：

根据处理获得的后向散射的归一化雷达截面积和相应的测量误差估计值，在归一化雷达后向散射系数观测位置和风单元对应的组合查找表中查询，获得其对应的风单元及其邻域的风单元；

以归一化雷达后向散射系数观测位置和风单元对应的组合查找表作为真值，将处理获得的多个后向散射的归一化雷达截面积与地球物理模型函数查找表查询得到的数据进行似然值的计算，依据似然值排名，从地球物理模型函数查找表选择前4组数据对应的风速-风向作为候选值，获得初选风速-风向；

在初选风速-风向范围内，以2m/s的风速步长，30°的风向步长进行风速风向候选解的搜索，找出若干个残差局部最小值；

在每个残差局部最小值附近，按照0.2m/s的风速步长，5°的风向步长进行精搜索，得到若干个风速-风向候选解及其最大似然估计的残差值。

作为上述方法的一种改进，所述从若干个风速-风向候选解中，基于圆中数滤波得到风速-风向的最优解，具体包括：

如果预存有星上背景风场，则基于星上背景风场进行加权圆中数滤波风向去模糊，确定风速-风向；

否则，基于最大似然残差和圆中数滤波确定风速-风向。

作为上述方法的一种改进，所述基于星上背景风场进行加权圆中数滤波风向去模糊，确定风速-风向，具体包括：

累积一定数量的最大似然估计的风单元反演结果，数量保证目标风单元的八邻域均完成观测和最大似然估计计算；

根据微波散射计测量时间和卫星空间位置获取目标风单元和邻域风单元的背景风场风向；

对最大似然估计和最优风向解与星上背景风场的风向差值进行加权求和；

求和值小于设定的质量控制阈值，则将该风单元标记为结果风向可靠性高，获得风向和风速。

作为上述方法的一种改进，所述对最大似然估计和最优风向解与星上背景风场的风向差值进行加权求和，权值的设定方法为权值与背景风场风向的差异成反比。

作为上述方法的一种改进，所述基于最大似然残差和圆中数滤波确定风速-风向，具体为：选择最大似然估计残差最小的风向作为初始风向，使用圆中数滤波确定风速及其对应的风向。

一种海面风场星上快速反演系统，所述系统包括星上微波散射计、星上处理模块、星上反演模块和下传模块：

所述星上微波散射计，用于海面风场测量；

所述星上处理模块，用于对星上微波散射计测量的数据进行处理，获得后向散射的归一化雷达截面积和相应的测量误差估计值；

所述星上反演模块，用于对后向散射的归一化雷达截面积，在星上预存的地球物理模型函数查找表进行查询，获得若干个风速-风向候选解及其最大似然残差的集合；从若干个风速-风向候选解中，基于圆中数滤波得到风速-风向；

所述下传模块，用于将反演得到的包括风向和风速的风场数据从卫星下传至地面站。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明首次实现了微波散射计从观测到海面风场产品的星上处理流程，是海面风场微波散射计遥感新模式；

2、本发明的方法解决传统链路观测和应用中存在的传输时间长的问题，实现海面风场实时观测。以应对实时海面风场信息的需求。

附图说明

图1是本发明海面风场星上快速反演方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出了一种海面风场星上快速反演方法，包括散射计各等级数据处理进行星上快速处理算法。

发明的具体实现由以下步骤组成：

1、星上散射计数据预处理；

2、对预处理结果进行星上风单元数据组合与风场反演。

以实现实时化的遥感监测及服务发布模式。

在处理前需要实现星上辅助数据的存储。具体是在星上的固定存储空间事先完成三种数据的存储。第一种是利用事先对全球范围内划定的风单元矩形网格(25公里边长方形)，生成NRCS观测位置和风单元对应的组合查找表。第二种是符合散射计工作频段的地球物理模型函数(GMF)查找表,记录了风速和风向对应的，在不同观测频率、极化方式、入射角和方位角条件下观测得到的后向散射归一化雷达截面积。即GMF映射了观测频段、观测几何和极化方式下后向散射系数与海面风场。为了计算快速采用整型二进制方式存储。第三是支持风向去模糊的数值预报背景场。第三种数据需要每天更新，使用压缩方式存储风速和风向的数值预报结果，作为星上背景场风场。第三类数据为可选，在卫星上传通讯信道允许的情况下选择。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

散射计星上预处理方法包括以下步骤：

在常规的散射计数字信号处理器(DSP)和快速傅里叶变换(FFT)完成后，得到以复数形式表达和存储的回波测量的幅度谱和相位谱，基于回波测量的幅度谱和相位谱，使用星上图形处理器(GPU)资源对星历、姿态、天线角度数据进行处理计算，得到FFT距离门组合的后向散射系数最小单元对应的功率值并进行噪声功率去除；利用多普勒、距离门组合、空间定位查找表计算观测几何，确定后向散射系数最小单元的观测几何情况；其中空间定位查找表，记录了卫星位置和天线方位角对应的地面观测位置。即给定卫星轨道参数、观测时间、天线方位角就可以此表快速查找到此刻对应的地面观测位置。利用定标因子查找表，从功率值计算后向散射的归一化雷达截面积(NRCS)和对应的测量误差数值。其中定标因子查找表，记录了特定观测几何下，消除天线方向图影响对应的乘系数。即在给定轨道参数和观测时间的情况下，可快速查找出各距离门功率值对应的定标因子数值。

星上预处理结束后是星上风场反演步骤。

星上风场反演首先根据风单元组合查找表确定预处理得到的NRCS组合，实现风单元划分。每个风单元中具有来自不同角度的不少于4个后向散射截面积观测数值。因此可以使用这个查找表，利用最大似然估计出最优解和候选解。对每个风单元，使用星上GMF查找表，利用最大似然估计(MLE)解算风速和风向。首先在全部候选风速-风向范围内，以2m/s的风速步长，30°的风向步长进行风速风向候选解的搜索，找出若干个残差局部最小值，在每个残差局部最小值附近，按照0.2m/s的风速步长，5°的风向步长进行精搜索，得到若干个风速-风向候选解及其最大似然估计的残差值。以“归一化雷达后向散射系数观测位置和风单元对应的组合查找表”作为真值，将观测得到的多个后向散射截面积观测数值与查找表中的数值进行似然值的计算，选择似然值排名前4的4组查找表数据对应的风速-风向作为候选值。

在不具备星上背景场风场数据时，选择MLE残差最小的风向作为初始风向，并使用圆中数滤波确定最终风向。在具备星上背景场风场数据时，使用背景场支持风向模糊消除算法与质量控制。具体是，累积一定数量的MLE风单元反演结果(保证目标风单元的八邻域都完成观测和MLE计算)；根据时间和空间位置获取目标风单元和邻域风单元的背景场风向；通过圆中数滤波及背景场风向加权的方法，选出最优风向-风速解；权值设定为背景场风向的差异为反比。对MLE似然值和最优解风向与NWP风向差值进行加权求和。设定质量控制阈值。如果大于设定阈值，则将该风单元标记为结果风向可靠性低。

采用本发明，风单元大小采用较为通用的25km×25km方形网格，优于0.25×0.25°。处理和传输时效为每个风单元从开始观测到反演出风场结果耗时小于等于100毫秒。

本发明能实现常规海况(风速小于等于20m/s)风速平均精度优于2m/s,风向精度优于15°。

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 (8)

1.一种海面风场的星上快速反演方法，所述方法包括：

对星上微波散射计测量的数据进行处理，获得后向散射的归一化雷达截面积和相应的测量误差估计值；

对后向散射的归一化雷达截面积，在星上预存的地球物理模型函数查找表进行查询，获得若干个风速-风向候选解及其最大似然残差的集合；

从若干个风速-风向候选解中，基于圆中数滤波得到风速-风向；

将反演得到的包括风向和风速的风场数据从卫星下传至地面站。

2.根据权利要求1所述的海面风场的星上快速反演方法，其特征在于，所述对星上微波散射计测量的数据进行处理，获得后向散射的归一化雷达截面积和相应的测量误差估计值；具体包括：

对星上微波散射计测量的数据进行快速傅里叶变换，得到以复数形式表达和存储的回波测量的幅度谱和相位谱；

基于回波测量的幅度谱和相位谱，对星上微波散射计所在卫星的星历、姿态、天线角度数据进行计算，得到快速傅里叶变换距离门组合的后向散射系数最小单元对应的功率值；

对功率值去除噪声功率；

利用多普勒、距离门组合、空间定位查找表计算观测几何，确定后向散射系数最小单元的观测几何情况；

根据观测几何情况，通过定标因子查找表获得距离门功率值对应的定标因子数值，由功率值计算得到后向散射的归一化雷达截面积和相应的测量误差估计值。

3.根据权利要求2所述的海面风场的星上快速反演方法，其特征在于，所述对后向散射的归一化雷达截面积，在星上预存的地球物理模型函数查找表进行查询，获得若干个风速-风向候选解及其最大似然残差的集合，具体包括：

根据处理获得的后向散射的归一化雷达截面积和相应的测量误差估计值，在归一化雷达后向散射系数观测位置和风单元对应的组合查找表中查询，获得其对应的风单元及其邻域的风单元；

以归一化雷达后向散射系数观测位置和风单元对应的组合查找表作为真值，将处理获得的多个后向散射的归一化雷达截面积与地球物理模型函数查找表查询得到的数据进行似然值的计算，依据似然值排名，从地球物理模型函数查找表选择前4组数据对应的风速-风向作为候选值，获得初选风速-风向；

在初选风速-风向范围内，以2m/s的风速步长，30°的风向步长进行风速风向候选解的搜索，找出若干个残差局部最小值；

在每个残差局部最小值附近，按照0.2m/s的风速步长，5°的风向步长进行精搜索，得到若干个风速-风向候选解及其最大似然估计的残差值。

4.根据权利要求3所述的海面风场的星上快速反演方法，其特征在于，所述从若干个风速-风向候选解中，基于圆中数滤波得到风速-风向的最优解，具体包括：

如果预存有星上背景风场，则基于星上背景风场进行加权圆中数滤波风向去模糊，确定风速-风向；

否则，基于最大似然残差和圆中数滤波确定风速-风向。

5.根据权利要求4所述的海面风场的星上快速反演方法，其特征在于，所述基于星上背景风场进行加权圆中数滤波风向去模糊，确定风速-风向，具体包括：

累积一定数量的最大似然估计的风单元反演结果，数量保证目标风单元的八邻域均完成观测和最大似然估计计算；

根据微波散射计测量时间和卫星空间位置获取目标风单元和邻域风单元的背景风场风向；

对最大似然估计和最优风向解与星上背景风场的风向差值进行加权求和；

求和值小于设定的质量控制阈值，则将该风单元标记为结果风向可靠性高，获得风向和风速。

6.根据权利要求4所述的海面风场星上快速反演方法，其特征在于，所述对最大似然估计和最优风向解与星上背景风场的风向差值进行加权求和，权值的设定方法为权值与背景风场风向的差异成反比。

7.根据权利要求6所述的海面风场星上快速反演方法，其特征在于，所述基于最大似然残差和圆中数滤波确定风速-风向，具体为：选择最大似然估计残差最小的风向作为初始风向，使用圆中数滤波确定风速及其对应的风向。

8.一种海面风场星上快速反演系统，其特征在于，所述系统包括星上微波散射计、星上处理模块、星上反演模块和下传模块：

所述星上微波散射计，用于海面风场测量；

所述星上处理模块，用于对星上微波散射计测量的数据进行处理，获得后向散射的归一化雷达截面积和相应的测量误差估计值；

所述星上反演模块，用于对后向散射的归一化雷达截面积，在星上预存的地球物理模型函数查找表进行查询，获得若干个风速-风向候选解及其最大似然残差的集合；从若干个风速-风向候选解中，基于圆中数滤波得到风速-风向；

所述下传模块，用于将反演得到的包括风向和风速的风场数据从卫星下传至地面站。

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