黃 磊，周 武，李延民

（1.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；2.中國(guó)航天科工集團(tuán)公司第五研究院西安分院，西安 710100）

HY-2衛(wèi)星掃描微波輻射計(jì)多通道分辨率匹配技術(shù)研究

黃 磊1，周 武1，李延民2

（1.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；2.中國(guó)航天科工集團(tuán)公司第五研究院西安分院，西安 710100）

星載微波輻射計(jì)多通道海洋參數(shù)反演需要基于同一位置、同一分辨率的多通道觀測(cè)值，但由于星載微波輻射計(jì)設(shè)計(jì)的局限性，多通道觀測(cè)地面像元位置和分辨率均不同，因此運(yùn)用多通道分辨率匹配技術(shù)統(tǒng)一觀測(cè)面元是掃描微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵技術(shù)，基于海洋二號(hào)（HY-2）衛(wèi)星掃描微波輻射計(jì)的成像原理和天線方向圖，模擬各通道天線方向圖在地面的投影，用Backus-Gilbert（BG）算法將高頻觀測(cè)亮溫重采樣到最低的低頻6.6 GHz通道的觀測(cè)位置和像元分辨率。結(jié)果表明，BG降低分辨率重采樣算法能得到很好的擬合效果，并且不另引入噪聲。

掃描微波輻射計(jì)；HY-2；分辨率匹配；BG算法

1 前言

被動(dòng)微波輻射計(jì)能夠監(jiān)測(cè)海洋大范圍的變化，相對(duì)于主動(dòng)微波遙感，其傳感器體積和功耗小，在沒(méi)有暴雨的情況下，儀器幾乎能全天候透過(guò)云層觀測(cè)海洋表面，是獲取大氣、海面和陸地等多領(lǐng)域環(huán)境信息的重要手段。但微波輻射計(jì)受自身系統(tǒng)的限制，其空間分辨率依賴(lài)于天線的尺寸，并與頻率相關(guān)，受衛(wèi)星有效載荷體積和重量的限制，星載微波輻射計(jì)無(wú)法配裝大型天線，不同的頻率的饋源共用一個(gè)反射面天線，導(dǎo)致各通道觀測(cè)的入射角度不同，對(duì)應(yīng)的地面觀測(cè)位置、覆蓋范圍和分辨率也不相同。在進(jìn)行微波輻射計(jì)海洋參數(shù)反演時(shí)，需要用到多通道亮溫進(jìn)行綜合計(jì)算，這要求多通道地面觀測(cè)位置和面元要一致，即將高分辨率的觀測(cè)結(jié)果降低到低分辨率的尺度，或者將低分辨率的觀測(cè)結(jié)果提高到高分辨率的尺度，前者會(huì)導(dǎo)致高分辨率通道的細(xì)節(jié)信息丟失，后者會(huì)引入大量的噪聲，降低觀測(cè)精度。由于海面溫度和海面風(fēng)場(chǎng)的觀測(cè)主要受低頻影響，且為了保證觀測(cè)的準(zhǔn)確性，所以星載微波輻射計(jì)多采用降低分辨率的多通道分辨率匹配技術(shù)進(jìn)行地面像元重構(gòu)，將同一時(shí)刻所有通道的觀測(cè)值統(tǒng)一到同一位置和分辨率。

目前星載微波傳感器空間匹配算法主要有Backus和Gilbert提出的BG算法[1]、Sethmann的圖像反卷積技術(shù)等。其中BG算法廣泛應(yīng)用于國(guó)外的星載多通道掃描微波輻射計(jì)，如SSM/I、AMSR-E等微波輻射計(jì)[2，3]。在國(guó)內(nèi)，也有眾多將BG算法應(yīng)用于微波輻射計(jì)的研究[4，5]，并將此算法應(yīng)用于FY-3衛(wèi)星MWRI上[4～6]。BG算法通過(guò)模擬不同頻率天線增益到地面的投影，通過(guò)重采樣算法，利用鄰近觀測(cè)像元重疊部分，重構(gòu)指定位置的觀測(cè)結(jié)果，并盡可能地接近真實(shí)的天線增益方向圖。

HY-2衛(wèi)星上搭載的掃描微波輻射計(jì)是一臺(tái)設(shè)計(jì)有9個(gè)通道的輻射計(jì)，可以監(jiān)測(cè)海面溫度、海面風(fēng)場(chǎng)、海冰、降雨等海洋大氣參數(shù)，其頻率設(shè)置為6.6 GHz、10.7 GHz、18.7 GHz、23.8 GHz、37.0 GHz，除23.8 GHz頻率僅有垂直極化通道，其余頻率均包含水平極化通道和垂直極化通道，輻射計(jì)采用圓錐掃描的方式，天線的俯仰角為40°，幅寬1600 km，地面分辨率優(yōu)于100 km、70 km、40 km、35 km、25 km。根據(jù)HY-2掃描微波輻射計(jì)的觀測(cè)特性，本文應(yīng)用BG算法進(jìn)行了多通道分辨率匹配研究，其中涉及觀測(cè)幾何定位、天線方向圖地面投影、目標(biāo)方向圖重構(gòu)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果給出了HY-2掃描微波輻射計(jì)多通道分辨率匹配的方案。

2 BG反演算法

BG算法是由Stogryn將Backus-Gilbert矩陣反演方法引入星載微波輻射計(jì)系統(tǒng)提出的。根據(jù)Stogryn[7]，用G（ρA，ρ）表示地球坐標(biāo)系下中心位置在ρA的增益方向圖ρ位置的有效天線增益，是采樣積分時(shí)間τ和瞬時(shí)傳感器方向圖Gl的函數(shù)

式（1）中，s^0（t）表示t時(shí)刻的天線視線方向；s^（t）表示傳感器到位置 ρ的單位矢量。 ρA對(duì)應(yīng)的有效天線指向?yàn)?/p>

則第i次觀測(cè)亮溫則是地球表面亮溫在天線增益上的積分

BG反演算法是尋找相鄰觀測(cè)值TBi一組最優(yōu)的線性組合，重構(gòu)出一個(gè)最接近于真實(shí)測(cè)量值TBC

根據(jù)最小二乘原理，使得重構(gòu)亮溫與參考亮溫最為接近必須滿足3個(gè)條件，首先是G為歸一化，即ai的總和為1，第2個(gè)約束條件Stogryn將其稱(chēng)為分辨率價(jià)值函數(shù)

式（5）中，J為補(bǔ)償函數(shù)，用來(lái)產(chǎn)生理想的天線方向圖，通常將J設(shè)置為1。第3個(gè)約束條件是重構(gòu)觀測(cè)亮溫的噪聲最小，實(shí)際觀測(cè)亮溫中疊加有隨機(jī)噪聲信號(hào)，噪聲的方差為（ΔTi）2，則重構(gòu)亮溫的方

式（6）中，a是元素ai的列向量；E是誤差協(xié)方差矩陣。

為了在噪聲和重構(gòu)分辨率之間尋求折中，Stogryn建立了分辨率噪聲權(quán)衡函數(shù)

式（8）中，

式（9）中，I為單位矩陣，G為N×N 對(duì)稱(chēng)矩陣，表示參與采樣足印面元的重疊度。

3 BG算法在HY-2掃描微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)上的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)于HY-2衛(wèi)星掃描微波輻射計(jì)各頻率觀測(cè)面元不同，運(yùn)用BG算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各頻率數(shù)據(jù)的分辨率匹配計(jì)算。大致的過(guò)程包括微波輻射計(jì)定位、各通道天線方向圖地面投影、BG匹配算法重采樣系數(shù)生成和面元重構(gòu)結(jié)果評(píng)價(jià)分析。

3.1 HY-2掃描微波輻射計(jì)觀測(cè)幾何

通過(guò)HY-2掃描微波輻射計(jì)儀器的姿態(tài)和衛(wèi)星的軌道位置，可以推算出各頻率在地面的足印位置，主要包括由傳感器坐標(biāo)系-平面大地坐標(biāo)系-地心坐標(biāo)系的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和俯仰、航偏、滾動(dòng)等姿態(tài)角度的旋轉(zhuǎn)，結(jié)合各頻率的天線方向圖，即可模擬各通道在地面的投影區(qū)域。

HY-2掃描微波輻射計(jì)上各個(gè)饋源通過(guò)反射面接收輻射能量，由于多個(gè)饋源接受信號(hào)，各通道觀測(cè)角度不同，所以同一時(shí)刻，各頻率在地面的投影位置也不相同，如圖1所示，37 GHz地面觀測(cè)中心點(diǎn)位置與6.6 GHz觀測(cè)面元中心位置并不重合。此外，由于HY-2掃描微波輻射計(jì)低頻6.6 GHz，10.7 GHz與高頻18.7 GHz、23.8 GHz、37 GHz的饋源分別位于飛行方向的兩側(cè)，高頻通道與低頻通道觀測(cè)的覆蓋范圍也不一樣，如圖2所示，它們只有中間143個(gè)觀測(cè)面元是重疊覆蓋并包含所有觀測(cè)通道的，每個(gè)掃描行的初始和結(jié)尾部分，只有高頻觀測(cè)或者低頻觀測(cè)，這部分觀測(cè)區(qū)域無(wú)法反演全部的海洋大氣參數(shù)。中間重合的部分即是需要進(jìn)行空間分辨率匹配的區(qū)域。

圖1 6.6 GHz和37 GHz觀測(cè)面元地面投影位置分布Fig.1 The observation area center arrangement of 6.6 GHz and 37 GHz

圖2 6.6 GHz和37 GHz覆蓋范圍重疊圖Fig.2 The overlap of observation coverage between 6.6 GHz and 37 GHz

3.2 天線方向圖地面投影

在獲得準(zhǔn)確的定位算法后，按各通道的觀測(cè)幾何，將天線方向圖投影到地面，方向圖地面投影的采樣分辨率為1 km，選取沿軌道方向31行，掃描向150列，天線方向圖選取增益下降－10 db的區(qū)間，生成的各通道天線方向圖地面投影的結(jié)果如圖3所示。

圖3 地面足印Fig.3 Simulated scan antenna footprint

3.3 BG匹配算法重采樣系數(shù)計(jì)算

由生成的天線方向圖地面足印，用BG算法進(jìn)行通道分辨率降低匹配計(jì)算，由于微波輻射計(jì)6.6 GHz頻段為海面溫度反演的關(guān)鍵通道，而且在多通道綜合反演算法中，大氣和海洋參數(shù)的反演均需要用到低頻部分，所以本文將6.6 GHz的天線方向圖作為參考方向圖。用18.7 GHz的垂直極化（V）天線方向圖擬合得出6.6 GHz V極化天線方向圖，用37 GHz的V極化天線方向圖擬合得出6.6 GHz V極化天線方向圖，如圖4所示。根據(jù)天線方向圖地面高低頻足印的重疊范圍，本文采用15×15的重采樣窗口。由圖4可知，對(duì)分辨率降低的計(jì)算，BG算法能很好地用高分辨率天線方向圖擬合低分辨率天線方向圖。

圖4 極化天線方向圖Fig.4 Polarization antenna pattern

BG算法可同時(shí)進(jìn)行通道分辨率降低和增強(qiáng)兩種運(yùn)算，但進(jìn)行分辨率增強(qiáng)會(huì)引入噪聲，根據(jù)楊虎的研究[5]，針對(duì)掃描微波輻射計(jì)，利用低頻數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，不能完全擬合出高頻分辨率的天線方向圖，本文對(duì)此就不再進(jìn)行計(jì)算分析。

3.4 擬合系數(shù)應(yīng)用及評(píng)估

為檢驗(yàn)BG算法，本文將重采樣系數(shù)應(yīng)用于HY-2掃描微波輻射計(jì)L1B亮溫?cái)?shù)據(jù)中。由于HY-2掃描微波輻射計(jì)有高頻和低頻兩組饋源指向，造成了高頻數(shù)據(jù)和低頻數(shù)據(jù)在地面的投影僅有中間的134列重合，另在掃描方向上，各掃描點(diǎn)的位置不同，觀測(cè)角度有所變化，則相鄰面元的相互關(guān)系不同，因此需要對(duì)掃描行中的各點(diǎn)分別選取不同的擬合系數(shù)。圖5表示的是37 GHz垂直極化通道觀測(cè)亮溫匹配到6.6 GHz垂直極化通道分辨率的情況。從圖5可看出，經(jīng)過(guò)圖像降低分辨率的處理后，圖像的細(xì)節(jié)信息有所弱化，但是仍然保留了其通道原有的觀測(cè)特點(diǎn)，能反映出海上的水汽分布。

圖5 37 GHz V極化匹配到6.6 GHz V極化分辨率的結(jié)果Fig.5 37 GHz V matched to 6.6 GHz V resolution image

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了BG算法的原理，并針對(duì)HY-2掃描微波輻射計(jì)各觀測(cè)通道地面觀測(cè)位置和足印覆蓋范圍不匹配的情況，以天線方向圖為基礎(chǔ)，利用BG算法進(jìn)行了降分辨率足印匹配研究，結(jié)果表明，通過(guò)合理的參數(shù)選取，能很好地將高頻通道的觀測(cè)結(jié)果擬合到低頻通道的觀測(cè)，且不引入噪聲，這對(duì)后期掃描微波輻射計(jì)海洋大氣參數(shù)的反演將起到十分重要的作用。

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Study on channel resolution matching algorithm for HY-2 satellite scanning microwave radiometer

Huang Lei1，Zhou Wu1，Li Yanmin2

(1.National Satellite Ocean Application Service，Beijing 100081，China；2.The Fifth Institute Xi’an Branch of China Aerospace Science and Industry Corporation，Xi’an 710100，China)

Accuracy satellite scanning microwave radiometer ocean parameters retrieval needs brightness temperature of multiple channels from the same area and identical resolution.Due to the limitation of spaceborne radiometer antenna design and feedhorn arrangement，each channel has different resolutions and observation positions，which will increase the ocean parameter retrieval error.Based on the HY-2 scanning microwave radiometer antenna pattern and imaging geometry，we simulate the ground footprint form different channels，use Backus-Gilbert(BG)algorithms to produce a single composite sample at a particular location and with a particular spatial weighting pattern from combination of the adjacent measurements；the low frequency 6.6 GHz is set as the reference channel.The result shows that the matching with resolution decreasing could simulate the real instrument observation without introducing noise.

scanning microwave radiometer；HY-2；resolution matching；Backus-Gilbert algorithm

V443

A

1009-1742（2014）06-0065-05

2014-04-10

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）項(xiàng)目“海洋動(dòng)力環(huán)境微波遙感信息提取技術(shù)與應(yīng)用”（2013AA09A505）

黃 磊，1982年出生，男，湖北潛江市人，助理研究員，研究方向?yàn)槲⒉ㄟb感；E-mail：huanglei@mail.nsoas.gov.cn