唐治華 張慶君

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京100094)

1 引言

海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星一般裝載雷達(dá)高度計(jì)、輻射計(jì)、散射計(jì)等微波遙感器,主要獲取海面高度、有效波高、海面風(fēng)場(chǎng)、海面溫度等海洋動(dòng)力參數(shù),兼顧陸地土壤濕度、冰雪覆蓋等,在大氣探測(cè)方面,還可用于水汽、云層含水量、降水等的綜合環(huán)境信息的觀測(cè)。作為微波遙感衛(wèi)星,數(shù)據(jù)的定量化研究和應(yīng)用非常關(guān)鍵,以下對(duì)該類載荷數(shù)據(jù)的處理內(nèi)容、流程、反演算法、定標(biāo)和真實(shí)性驗(yàn)證等方面進(jìn)行了重點(diǎn)研究,由于反演算法繁多沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),本文對(duì)國(guó)內(nèi)外經(jīng)典的使用較廣的一些處理方法進(jìn)行了論述,目的是使相關(guān)研究者把握數(shù)據(jù)處理要素、優(yōu)化衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)并同時(shí)提高地面應(yīng)用水平。

2 數(shù)據(jù)處理內(nèi)容和流程

海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星的原始遙感數(shù)據(jù)由衛(wèi)星地面站負(fù)責(zé)接收,經(jīng)解包等預(yù)處理后向數(shù)據(jù)處理中心提供0 級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和其他輔助產(chǎn)品(軌道和姿態(tài)文件等)。數(shù)據(jù)處理中心在接收到0 級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品后,將其制作成1 級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,并進(jìn)行產(chǎn)品存檔與分發(fā)服務(wù);同時(shí)負(fù)責(zé)在1 級(jí)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上制作成2 級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,并進(jìn)行產(chǎn)品存檔與分發(fā)服務(wù)。

一般處理過(guò)程如圖1 所示:

1)衛(wèi)星高度計(jì)的主要應(yīng)用目標(biāo)是海洋,其遙感測(cè)量參數(shù)是海面后向散射系數(shù),用以反演海面風(fēng)速,回波波形反演有效波高和海面高度。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Data processing flow-chart

2)衛(wèi)星散射計(jì)的主要應(yīng)用目標(biāo)是海洋,其遙感測(cè)量參數(shù)是海面后向散射系數(shù),用以反演海面風(fēng)場(chǎng)矢量。

3)衛(wèi)星微波輻射計(jì)和校正輻射計(jì)的主要應(yīng)用目標(biāo)是海洋和大氣,其遙感測(cè)量參數(shù)是微波亮溫,用以反演海面溫度、風(fēng)速、大氣水氣等參數(shù),通過(guò)反演出的大氣水氣和液態(tài)水為高度計(jì)和散射計(jì)提供校正參數(shù)。

三種載荷的數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品等級(jí)如表1 所示。以下重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)處理方法,0 級(jí)產(chǎn)品處理過(guò)程和方法同其它遙感衛(wèi)星一樣,不作為重點(diǎn)描述。

表1 不同載荷的三種數(shù)據(jù)等級(jí)Table 1 Sensors versus data levels

3 數(shù)據(jù)處理方法

3.1 1 級(jí)數(shù)據(jù)處理

1 級(jí)數(shù)據(jù)處理重點(diǎn)是對(duì)與衛(wèi)星總體指標(biāo)和微波遙感器直接相關(guān)的數(shù)據(jù)處理,主要包括定位計(jì)算、海陸標(biāo)識(shí)計(jì)算和物理量計(jì)算。

定位計(jì)算目的是通過(guò)衛(wèi)星在地心慣性坐標(biāo)系的位置矢量以及姿態(tài)確定散射面元在地球表面的位置(經(jīng)緯度);高度計(jì)的地理定位只需計(jì)算瞬時(shí)星下點(diǎn)位置,而掃描工作模式的散射計(jì)和輻射計(jì)還要考慮儀器掃描參數(shù)帶來(lái)的影響;定位計(jì)算一般采用傳統(tǒng)的軌道預(yù)報(bào)聯(lián)合戈達(dá)德軌道理論計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中,要進(jìn)行星體坐標(biāo)系、軌道坐標(biāo)系、地心慣性坐標(biāo)系、地球固連坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系等多個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

海陸標(biāo)識(shí)計(jì)算目的是利用詳細(xì)的陸地地圖確定遙感器0 級(jí)產(chǎn)品的海陸標(biāo)識(shí);輸入為經(jīng)緯度,輸出為標(biāo)志位,陸地標(biāo)志為1,海洋標(biāo)識(shí)為0。0 級(jí)產(chǎn)品中被確定為陸地的區(qū)域不參與以后的數(shù)據(jù)處理。

物理量計(jì)算目的是把載荷輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)不同進(jìn)制和不同格式轉(zhuǎn)換變成直接用于反演的物理量參數(shù),主要包括高度計(jì)的快速傅里葉變換(FFT)數(shù)據(jù)浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換、高度字轉(zhuǎn)換成高度、自動(dòng)增益控制(AGC)值轉(zhuǎn)換成后向散射系數(shù);散射計(jì)包括角度信息處理、接收機(jī)增益處理、噪聲信號(hào)和通道信號(hào)測(cè)量值浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換;輻射計(jì)主要包括角度信息處理、觀測(cè)電壓計(jì)算、溫度計(jì)算,另外還要提供正樣熱真空定標(biāo)曲線和熱真空定標(biāo)方程供用戶使用,最后還要提供天線方向圖給用戶面元匹配用。

3.2 2 級(jí)數(shù)據(jù)反演方法

首先進(jìn)行面元匹配處理,目的是將按照時(shí)間序列排序的海面散射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成系數(shù)數(shù)據(jù)按照地理位置配準(zhǔn)到分辨率單元,散射計(jì)可以使得每一個(gè)風(fēng)矢量單元具有多個(gè)后向散射系數(shù)數(shù)據(jù),為風(fēng)矢量單元的風(fēng)場(chǎng)反演作準(zhǔn)備,而輻射計(jì)所有通道的數(shù)據(jù)按同樣分辨率重采樣為溫度等參數(shù)反演作準(zhǔn)備。

1)高度計(jì)數(shù)據(jù)反演

對(duì)于高度計(jì)要完成的處理包括波形擬合,散射系數(shù)定標(biāo)和誤差去除。

波形擬合處理如下:

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健重新跟蹤,Wingham 設(shè)計(jì)了一種叫做重心偏移(Offset Center Of Gravity , OCOG)的重新跟蹤算法。

圖2 重心偏移重新跟蹤算法示意圖Fig.2 OCOG sketch map

重心偏移重新跟蹤算法的基本思想是找到每個(gè)波形的重心,如圖2 所示。波形振幅通過(guò)計(jì)算矩形方框確定,該矩形的重心和面積與波形本身的重心和面積一樣。振幅的大小是波形重心中心垂直高度的2 倍。根據(jù)波形的振幅A、重心的位置P 和寬度W ,就可以確定波形前沿的位置參數(shù)。其數(shù)學(xué)公式如下[1]:

上面式子中,R(n)為第n 個(gè)采樣的功率值, N為采樣的總數(shù)(例如“歐洲遙感衛(wèi)星”(ERS):64,二代雷達(dá)高度計(jì)RA2:128)。實(shí)際計(jì)算過(guò)程中,在噪聲值非常低的情況下有時(shí)可以將前面幾個(gè)值忽略,不用作求和之用,比如說(shuō),可以從第5 個(gè)采樣值開(kāi)始計(jì)算。

2)海面高度反演

高度計(jì)儀器經(jīng)過(guò)修正后,需要對(duì)高度計(jì)測(cè)得的高程進(jìn)行大氣折射修正和平均海面偏差修正[2]。對(duì)于通過(guò)高度計(jì)雷達(dá)脈沖往返時(shí)間測(cè)量的衛(wèi)星到海面的距離h =ct/2, 經(jīng)過(guò)大氣折射修正后的距離,才是雷達(dá)高度計(jì)測(cè)得的衛(wèi)星到海面的真實(shí)距離,即

其中h =ct/2 是不考慮光傳播折射情況下,通過(guò)雷達(dá)脈沖往返時(shí)間計(jì)算的衛(wèi)星到海面的距離。Δhj是大氣折射、平均電磁散射面與平均海面偏差的修正,這些修正量都是正值,將導(dǎo)致高程的過(guò)高估計(jì);在實(shí)際計(jì)算中,還要去除工程研制帶來(lái)的偏差Δhk即衛(wèi)星機(jī)械安裝偏差、在軌形變偏差、精密軌道偏差和姿態(tài)控制偏差等。

對(duì)于實(shí)際海洋應(yīng)用而言, 需要的是海面高度Hss和海面動(dòng)力高度hd。

海面高度Hss是相對(duì)于參考橢球面的衛(wèi)星高度H 與衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)得的衛(wèi)星到海面距離h 之差,即

海面動(dòng)力高度hd的計(jì)算通過(guò)海面高度H ss、大地水準(zhǔn)面高度hg、洋潮高度hT和大氣壓負(fù)載ha可以得到[3]。即

從式(6)和(7)中可以看到海面高度和海面動(dòng)力高度是通過(guò)衛(wèi)星軌道高度和高度計(jì)測(cè)量高度計(jì)算并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)修正后得到的。

3)海面風(fēng)速反演

海面在風(fēng)的作用下產(chǎn)生的波浪,從而引起海面粗糙度(海面均方斜率)的變化。根據(jù)散射理論,雷達(dá)后向散射截面(σ0)與海面均方斜率之間有下列關(guān)系[4]

式中|R(0)|2為菲涅耳反射系數(shù),θ為雷達(dá)波束入射角。而海面均方斜率與海面風(fēng)速U 近似滿足線性關(guān)系

也就是說(shuō),當(dāng)高度計(jì)入射角θ=0 時(shí),后向散射系數(shù)和海面風(fēng)速之間存在一種反比關(guān)系。

4)有效波高反演

根據(jù)物理學(xué)有關(guān)原理,擬合出的后向散射的平均強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系為[4]

5)散射計(jì)數(shù)據(jù)反演

后向散射系數(shù)處理公式如下

式中, λ為波長(zhǎng),La為大氣損耗,Lw為系統(tǒng)損耗,Lf為定標(biāo)測(cè)量中內(nèi)定標(biāo)回路的插損, α、β 是通過(guò)系統(tǒng)工作在內(nèi)定標(biāo)模式下和噪聲測(cè)量模式下測(cè)得的, β定義接收機(jī)噪聲通道的增益和信號(hào)通道的增益之比, α由信號(hào)通道中的噪聲能量和噪聲通道中的噪聲能量決定。En與Ee分別為信號(hào)處理通道與噪聲通道接收的信號(hào)功率。

6)風(fēng)矢量反演

衛(wèi)星散射計(jì)風(fēng)矢量反演一般應(yīng)用最大似然估計(jì)作為目標(biāo)函數(shù),目標(biāo)函數(shù)的形式為[5]

7)模糊解消除

利用上述目標(biāo)函數(shù)求極值的方法可以得到多個(gè)海面風(fēng)矢量解,為了得到唯一的風(fēng)矢量解,需要采用風(fēng)向多解消除算法。風(fēng)向多解消除算法利用矢量中值濾波技術(shù)從一系列的多解風(fēng)矢量中選擇唯一的風(fēng)矢量解[6]。

矢量中值濾波的滑動(dòng)窗口大小為n×n (n 為奇數(shù)),窗口中心的網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)為(i, j ),其多解風(fēng)矢量為,例如表示最可能的風(fēng)矢量解。Umn為窗口內(nèi)網(wǎng)格點(diǎn)(m, n)上最大似然估計(jì)值所對(duì)應(yīng)的最可能風(fēng)矢量解,即Wm′n′為窗口權(quán)重函數(shù)(m′=m -i,n′=n -j), ()p表示網(wǎng)格點(diǎn)(i, j)上第k 個(gè)風(fēng)矢量解所對(duì)應(yīng)的最大似然估計(jì)值,p 為權(quán)重系數(shù)。對(duì)于每一個(gè)窗口計(jì)算窗口中心(i, j )的濾波函數(shù)值,用最小的所對(duì)應(yīng)的風(fēng)矢量解代替Uij,這樣重復(fù)計(jì)算滑動(dòng)窗口,直到Uij*=Uij。這里滑動(dòng)窗口的大小為7×7。關(guān)于初始場(chǎng)的選擇,可以采用兩種方法:1)以最可能的風(fēng)矢量解作為初始場(chǎng);2)在目標(biāo)函數(shù)值列前兩位的風(fēng)矢量解中選擇與歐洲中期天氣預(yù)報(bào)模式風(fēng)場(chǎng)最為接近者作為初始場(chǎng)。

在閾值范圍以上,在一定范圍內(nèi),位于平頂?shù)娘L(fēng)向具有與風(fēng)向反演結(jié)果相近的似然值。利用這個(gè)結(jié)果,對(duì)給定的概率閾值,對(duì)每個(gè)反演得到的風(fēng)向解,都可以找出對(duì)應(yīng)的具有較高可能的“最大可能風(fēng)向范圍”。這樣在經(jīng)過(guò)模糊解消除程序的矢量中值濾波后,可利用這個(gè)風(fēng)向范圍再進(jìn)行中值濾波處理。即,計(jì)算7×7 窗口內(nèi)算出的風(fēng)矢量中值,再與位于窗口中心處風(fēng)矢量解的“最大可能風(fēng)向范圍”比較。如果風(fēng)矢量中值的風(fēng)向在這個(gè)范圍內(nèi),則風(fēng)矢量中值被保存并作為DIR 數(shù)據(jù)列表程序的最終結(jié)果。若不在該范圍內(nèi),則取該范圍邊界中與風(fēng)矢量中值最為接近的風(fēng)矢量為最終結(jié)果。

8)輻射計(jì)數(shù)據(jù)反演

無(wú)論是進(jìn)行海洋探測(cè)要素反演還是大氣觀測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)量,都要用到地面真空定標(biāo)數(shù)據(jù)和曲線。一般真空定標(biāo)得到輻射計(jì)輸出電壓與觀測(cè)亮溫的關(guān)系

上式中T 為觀測(cè)亮溫;a,b 為定標(biāo)參數(shù)。

各參數(shù)反演算法如下[7]:

(1)海面風(fēng)速反演

(2)海面溫度反演

(3)大氣水汽含量反演

(4)大氣液態(tài)水含量反演

以上幾組公式中, TB 是不同頻率通道的觀測(cè)亮度,下標(biāo)中的V 和H 表示各頻率通道的和垂直和水平極化方式。

(5)大氣校正數(shù)據(jù)反演

根據(jù)亮度數(shù)據(jù)求解水液厚度Lz和風(fēng)速W 的經(jīng)驗(yàn)公式為[8]

式中Lv表示18.7,23.8,37 三個(gè)頻率通道的水含量。

再根據(jù)(19)式相應(yīng)的風(fēng)速值,求得由于水汽部分造成的路徑延遲

其中,(20)式的加權(quán)系數(shù)B 在實(shí)際工程應(yīng)用中要根據(jù)不同的風(fēng)速來(lái)估算。

對(duì)路徑延遲中層化邊界的非連續(xù)性進(jìn)行消除后,得到修正后的路徑延遲, 最后路徑延遲加上由水液厚度造成的路徑延遲,即為整個(gè)大氣濕度路徑延遲校正量,即

4 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

對(duì)遙感器的輻射測(cè)量進(jìn)行精確的標(biāo)定和對(duì)遙感反演產(chǎn)品進(jìn)行有效的檢驗(yàn),定標(biāo)驗(yàn)證(cal/val)已經(jīng)成為當(dāng)今遙感領(lǐng)域所面臨的重大課題,微波載荷的探測(cè)目的主要是為了定量反演大氣、陸地和海洋環(huán)境參數(shù),過(guò)大的輻射觀測(cè)誤差不僅會(huì)使反演產(chǎn)品毫無(wú)意義,有時(shí)還會(huì)由于觀測(cè)誤差的引入對(duì)某些定量應(yīng)用,特別是數(shù)值模式應(yīng)用產(chǎn)生負(fù)面影響。因此,保證微波遙感數(shù)據(jù)具有足夠的輻射觀測(cè)精度(即具有足夠的定標(biāo)精度)將對(duì)微波遙感應(yīng)用產(chǎn)生決定性影響。作為星上定標(biāo)的補(bǔ)充和完善,建立地面微波輻射校正場(chǎng),通過(guò)地面觀測(cè)與同步衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果的比對(duì),進(jìn)行遙感儀器的輻射定標(biāo)就更加重要。開(kāi)展地面微波輻射校正的另一個(gè)重要目的就是進(jìn)行反演產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)。為了確保儀器測(cè)量精度,微波遙感器在發(fā)射之前都需要進(jìn)行嚴(yán)格的定標(biāo),即所謂實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)。衛(wèi)星發(fā)射之后,星上參考源本身發(fā)生的變化,太空環(huán)境的變化以及遙感儀器參數(shù)的變化都會(huì)改變發(fā)射前的定標(biāo)關(guān)系,需要進(jìn)行地面校正[9]。

微波輻射校正觀測(cè)場(chǎng)由陸地微波輻射觀測(cè)場(chǎng)、海上微波輻射觀測(cè)與高度測(cè)量共用場(chǎng)、陸地散射測(cè)量觀測(cè)場(chǎng)組成,同時(shí)還包括亞馬遜雨林主被動(dòng)微波輻射綜合校正備用場(chǎng)。亞馬遜熱帶雨林不僅可以作為微波輻射計(jì)高端定標(biāo)輻射校正場(chǎng)輔助場(chǎng)區(qū),也可以用于微波輻射計(jì)的相對(duì)定標(biāo),同時(shí)也是主動(dòng)微波輻射校正的優(yōu)選目標(biāo)場(chǎng)。

交叉定標(biāo)是指在衛(wèi)星發(fā)射之后,通過(guò)分析不同衛(wèi)星同類遙感儀器對(duì)某一目標(biāo)相近時(shí)刻的觀測(cè)結(jié)果,進(jìn)行相互輻射校正的方法。

真實(shí)性檢驗(yàn)工作是輻射校正工作中最為重要的環(huán)節(jié)之一。我國(guó)將通過(guò)引進(jìn)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)微波遙感數(shù)據(jù)以及建立具有自主產(chǎn)權(quán)的仿真數(shù)據(jù),開(kāi)展輻射校正的真實(shí)性檢驗(yàn)工作。

主動(dòng)微波遙感儀器是通過(guò)微波散射回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的對(duì)比,進(jìn)行目標(biāo)散射特性的測(cè)量。其定標(biāo)可以分為點(diǎn)目標(biāo)法和分布目標(biāo)法兩大類。點(diǎn)目標(biāo)又分為有源目標(biāo)和無(wú)源目標(biāo)。它們通常都是人造目標(biāo)。而分布目標(biāo)則以天然目標(biāo)為主。

4.1 雷達(dá)高度計(jì)定標(biāo)與檢驗(yàn)方法

利用設(shè)在海上的激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果與雷達(dá)高度計(jì)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比進(jìn)行高度計(jì)的定標(biāo)/真實(shí)性檢驗(yàn),是完成高度計(jì)定標(biāo)與真實(shí)性檢驗(yàn)的有效方法。通過(guò)這個(gè)方法可以得到高度計(jì)的測(cè)高偏差,從而修正定標(biāo)系數(shù),實(shí)現(xiàn)高度計(jì)在軌外定標(biāo)。

1)海面有效波高真實(shí)性檢驗(yàn)方法

對(duì)海面有效波高的真實(shí)性檢驗(yàn)的方法也擬采取兩種方法:(1)利用從衛(wèi)星高度計(jì)回波信號(hào)中提取的有效波高(SWH)與在海面的實(shí)測(cè)有效波高值進(jìn)行對(duì)比,開(kāi)展誤差分析完成校驗(yàn)。(2)與在軌的性能穩(wěn)定的星載高度計(jì)(如美國(guó)海洋地形衛(wèi)星JASON)海面有效波高產(chǎn)品進(jìn)行交叉比對(duì)。

2)后向散射系數(shù)/海面風(fēng)速真實(shí)性檢驗(yàn)方法

海面風(fēng)速產(chǎn)品是由衛(wèi)星高度計(jì)回波信號(hào)的后向散射系數(shù)反演得到,其反演原理與星載散射計(jì)反演風(fēng)速產(chǎn)品相似。因此,對(duì)海面風(fēng)速產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)技術(shù)途徑與散射計(jì)后向散射系數(shù)的真實(shí)性檢驗(yàn)及對(duì)風(fēng)速產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)途徑相同。

3)重點(diǎn)試驗(yàn)場(chǎng)大地水準(zhǔn)面模型及潮汐模型

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外大地水準(zhǔn)面模式及潮汐模式的收集及分析,確定較適宜于我國(guó)高度計(jì)數(shù)據(jù)真實(shí)性檢驗(yàn)場(chǎng)區(qū)的基本模式,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)選定模式予以驗(yàn)證與完善[10]。最終成為真實(shí)性檢驗(yàn)所應(yīng)用的大地水準(zhǔn)面模式及潮汐模式。此項(xiàng)工作是定標(biāo)/真實(shí)性檢驗(yàn)的基礎(chǔ),其精度直接影響檢驗(yàn)的效果。

4.2 散射計(jì)定標(biāo)與檢驗(yàn)方法

1)大氣微波衰減補(bǔ)償方法

所謂大氣微波衰減補(bǔ)償方法是指利用微波輻射計(jì)探測(cè)的大氣參數(shù),通過(guò)對(duì)微波輻射傳輸方程計(jì)算散射計(jì)受到的大氣衰減,得到后向散射系數(shù)σ°的衰減,即用微波輻射計(jì)亮溫計(jì)算大氣中的水汽含量、云中液態(tài)水含量及降雨強(qiáng)度等參數(shù),再由這些參數(shù)計(jì)算散射計(jì)的衰減系數(shù),通過(guò)沿微波傳播路徑上對(duì)衰減系數(shù)的積分,得到后向散射系數(shù)σ0的衰減量。

2)散射計(jì)的后向散射系數(shù)校正方法

后向散射系數(shù)的定標(biāo)校正方法的技術(shù)途徑是在消除軌道等幾何因素之后,利用高性能機(jī)載散射計(jì)測(cè)得的σ0值作為現(xiàn)場(chǎng)定標(biāo)的散射標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)過(guò)機(jī)載散射系數(shù)真值的面元匹配和插值處理以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量誤差修正,消除大氣衰減的影響,可得到散射計(jì)的定標(biāo)系數(shù)。

3)后向散射系數(shù)/海面風(fēng)速真實(shí)性檢驗(yàn)方法

海面風(fēng)矢量產(chǎn)品是衛(wèi)星散射計(jì)獲得的地球物理參數(shù),其產(chǎn)品質(zhì)量與反演算法直接相關(guān)。對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)的真實(shí)性檢驗(yàn)即對(duì)風(fēng)矢量場(chǎng)產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)。其技術(shù)途徑為利用海面外定標(biāo)場(chǎng)的常規(guī)氣象觀測(cè)得到的海面風(fēng)速“真值”與通過(guò)衛(wèi)星遙感測(cè)得的散射系數(shù)反演出的海面風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行比較,作出真實(shí)性檢驗(yàn)和評(píng)價(jià);也可以把衛(wèi)星遙感得到的海面風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品與在軌的其它相應(yīng)的衛(wèi)星風(fēng)場(chǎng)遙感產(chǎn)品進(jìn)行比對(duì)。如美國(guó)筆形波束散射計(jì)Q UIKSCA T 等,特別是同一載體上的散射計(jì)的風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品進(jìn)行比對(duì)。

4.3 輻射計(jì)定標(biāo)與檢驗(yàn)方法

從空間對(duì)地遙感的角度看,星載微波輻射計(jì)觀測(cè)的亮溫TBp由下式?jīng)Q定[7]:

其中, Tu和Td是上行和下行大氣輻射, Tsky是宇宙背景亮溫(Tsky=2.7K), τa是大氣不透明度,rp是表面的反射率, Tbp是表面亮溫。因此,在進(jìn)行微波輻射反演時(shí),確定以地表和海表發(fā)射率的計(jì)算方法及計(jì)算大氣的透過(guò)率便成為核心技術(shù)問(wèn)題。一般使用兩種方法建立反演算法:一是用全球海洋浮標(biāo)的海面溫度、風(fēng)速與輻射計(jì)亮溫之間建立關(guān)系;另一種方法是利用美國(guó)全球掃描輻射計(jì)AMS R-E,即海面溫度、風(fēng)速、水汽含量、液水含量,與輻射計(jì)亮溫之間建立關(guān)系。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星典型的雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)和微波輻射計(jì)三類載荷的數(shù)據(jù)處理流程、方法和驗(yàn)證進(jìn)行了介紹,可供我國(guó)類似衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理和研究參考。

由于篇幅所限,沒(méi)有對(duì)各種算法進(jìn)行展開(kāi)描述和討論,實(shí)際上國(guó)內(nèi)外對(duì)以上提到的幾種微波遙感器數(shù)據(jù)處理方法有很多,同樣一種載荷比如散射計(jì)數(shù)據(jù)處理算法也五花八門(mén)。隨著技術(shù)的發(fā)展和在軌實(shí)際衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理效果,每種算法各有優(yōu)缺點(diǎn):有的精度高但算法復(fù)雜、計(jì)算量大;有的精度差但簡(jiǎn)單。各國(guó)研究者目前還在進(jìn)行算法研究和優(yōu)化設(shè)計(jì),并不斷提出新的算法。本文提出的都是目前國(guó)外采用較多,比較成熟,公認(rèn)效果好的算法,可供我國(guó)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理采用;從目前我國(guó)實(shí)際微波載荷體制、工作模式、技術(shù)指標(biāo)來(lái)說(shuō),本文提到的算法是經(jīng)濟(jì)效益高,可以直接應(yīng)用,對(duì)于其它算法可以查看其它文章相關(guān)論述。

最后還要提到的是,數(shù)據(jù)應(yīng)用處理是和衛(wèi)星功能性能相關(guān)的,雖然討論的是應(yīng)用領(lǐng)域方面的,實(shí)際與衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)、載荷設(shè)計(jì)直接相關(guān),例如高度計(jì)數(shù)據(jù)處理精度直接與軌道、路經(jīng)、載荷相關(guān),因此在進(jìn)行總體設(shè)計(jì)時(shí)必須有天地一體化的理念。

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[1]褚永海,李建成.衛(wèi)星測(cè)高波形處理理論與技術(shù)[D].武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢大學(xué)碩士論文,2004

[2]Chelton Dudley B.Proceedings of the WOCE[C]//WOCE/NASA altimeter algorithm workshop , WOCE technical report number 2[M].U S Planning Office for WOCE, College Station, TX, Nov 1988

[3]唐治華.海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星測(cè)高精度分析[D].中國(guó)空間技術(shù)研究院碩士論文,2006

[4]郭華東, 主編.雷達(dá)對(duì)地觀測(cè)理論與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2000

[5]陳曉翔,戴泳斯,吳波, 等.SeaWinds 散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)的幾何反演算法[J].遙感學(xué)報(bào), 2009,13(4)

[6]解學(xué)通,方裕,陳克海, 等.SeaWinds 散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)模糊去除算法研究[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào), 2005,41(6)

[7]王振占, 李蕓.利用星載微波輻射計(jì)AMSR-E 數(shù)據(jù)反演地球物理參數(shù)[J].遙感學(xué)報(bào), 2009,13(3)

[8]李建國(guó),陳明虎.四頻微波輻射計(jì)控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究[J].氣象科技,2004, 32(4)

[9]年豐,楊于杰,陳云梅, 等.中國(guó)星載微波輻射計(jì)地面定標(biāo)技術(shù)的研究進(jìn)展[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù), 增刊2007

[10]張有廣,林明森.衛(wèi)星高度計(jì)海上定標(biāo)場(chǎng)及定標(biāo)方法研究進(jìn)展[J].海洋通報(bào),2007, 26(3)