海洋動力環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方法

唐治華 張慶君

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京100094)

1 引言

海洋動力環(huán)境衛(wèi)星一般裝載雷達高度計、輻射計、散射計等微波遙感器,主要獲取海面高度、有效波高、海面風(fēng)場、海面溫度等海洋動力參數(shù),兼顧陸地土壤濕度、冰雪覆蓋等,在大氣探測方面,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。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)和真實性驗證等方面進行了重點研究,由于反演算法繁多沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),本文對國內(nèi)外經(jīng)典的使用較廣的一些處理方法進行了論述,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)計并同時提高地面應(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 級數(shù)據(jù)產(chǎn)品后,將其制作成1 級數(shù)據(jù)產(chǎn)品,并進行產(chǎn)品存檔與分發(fā)服務(wù);同時負(fù)責(zé)在1 級產(chǎn)品的基礎(chǔ)上制作成2 級數(shù)據(jù)產(chǎn)品,并進行產(chǎn)品存檔與分發(fā)服務(wù)。

一般處理過程如圖1 所示:

1)衛(wèi)星高度計的主要應(yīng)用目標(biāo)是海洋,其遙感測量參數(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)星散射計的主要應(yīng)用目標(biāo)是海洋,其遙感測量參數(shù)是海面后向散射系數(shù),用以反演海面風(fēng)場矢量。

3)衛(wèi)星微波輻射計和校正輻射計的主要應(yīng)用目標(biāo)是海洋和大氣,其遙感測量參數(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),通過反演出的大氣水氣和液態(tài)水為高度計和散射計提供校正參數(shù)。

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

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

3 數(shù)據(jù)處理方法

3.1 1 級數(shù)據(jù)處理

1 級數(shù)據(jù)處理重點是對與衛(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,主要包括定位計算、海陸標(biāo)識計算和物理量計算。

定位計算目的是通過衛(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);高度計的地理定位只需計算瞬時星下點位置,而掃描工作模式的散射計和輻射計還要考慮儀器掃描參數(shù)帶來的影響;定位計算一般采用傳統(tǒng)的軌道預(yù)報聯(lián)合戈達德軌道理論計算。在計算過程中,要進行星體坐標(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)系等多個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

海陸標(biāo)識計算目的是利用詳細(xì)的陸地地圖確定遙感器0 級產(chǎn)品的海陸標(biāo)識;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)識為0。0 級產(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。

物理量計算目的是把載荷輸出的數(shù)據(jù)通過不同進制和不同格式轉(zhuǎn)換變成直接用于反演的物理量參數(shù),主要包括高度計的快速傅里葉變換(FFT)數(shù)據(jù)浮點數(shù)轉(zhuǎn)換、高度字轉(zhuǎn)換成高度、自動增益控制(AGC)值轉(zhuǎn)換成后向散射系數(shù);散射計包括角度信息處理、接收機增益處理、噪聲信號和通道信號測量值浮點數(shù)轉(zhuǎn)換;輻射計主要包括角度信息處理、觀測電壓計算、溫度計算,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 級數(shù)據(jù)反演方法

首先進行面元匹配處理,目的是將按照時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,散射計可以使得每一個風(fēng)矢量單元具有多個后向散射系數(shù)數(shù)據(jù),為風(fēng)矢量單元的風(fēng)場反演作準(zhǔn)備,而輻射計所有通道的數(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)高度計數(shù)據(jù)反演

對于高度計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:

為了實現(xiàn)穩(wěn)健重新跟蹤,Wingham 設(shè)計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波形的重心,如圖2 所示。波形振幅通過計算矩形方框確定,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):64,二代雷達高度計RA2:128)。實際計算過程中,在噪聲值非常低的情況下有時可以將前面幾個值忽略,不用作求和之用,比如說,可以從第5 個采樣值開始計算。

2)海面高度反演

高度計儀器經(jīng)過修正后,需要對高度計測得的高程進行大氣折射修正和平均海面偏差修正[2]。對于通過高度計雷達脈沖往返時間測量的衛(wèi)星到海面的距離h =ct/2, 經(jīng)過大氣折射修正后的距離,才是雷達高度計測得的衛(wèi)星到海面的真實距離,即

其中h =ct/2 是不考慮光傳播折射情況下,通過雷達脈沖往返時間計算的衛(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)致高程的過高估計;在實際計算中,還要去除工程研制帶來的偏差Δhk即衛(wèi)星機械安裝偏差、在軌形變偏差、精密軌道偏差和姿態(tài)控制偏差等。

對于實際海洋應(yīng)用而言, 需要的是海面高度Hss和海面動力高度hd。

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

海面動力高度hd的計算通過海面高度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力高度是通過衛(wèi)星軌道高度和高度計測量高度計算并進行相關(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,當(dāng)高度計入射角θ=0 時,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度隨時間的變化關(guān)系為[4]

5)散射計數(shù)據(jù)反演

后向散射系數(shù)處理公式如下

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

6)風(fēng)矢量反演

衛(wèi)星散射計風(fēng)矢量反演一般應(yīng)用最大似然估計作為目標(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窗口大小為n×n (n 為奇數(shù)),窗口中心的網(wǎng)格點坐標(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(m, n)上最大似然估計值所對應(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(i, j)上第k 個風(fēng)矢量解所對應(yīng)的最大似然估計值,p 為權(quán)重系數(shù)。對于每一個窗口計算窗口中心(i, j )的濾波函數(shù)值,用最小的所對應(yīng)的風(fēng)矢量解代替Uij,這樣重復(fù)計算滑動窗口,直到Uij*=Uij。這里滑動窗口的大小為7×7。關(guān)于初始場的選擇,可以采用兩種方法:1)以最可能的風(fēng)矢量解作為初始場;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)報模式風(fēng)場最為接近者作為初始場。

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。利用這個結(jié)果,對給定的概率閾值,對每個反演得到的風(fēng)向解,都可以找出對應(yīng)的具有較高可能的“最大可能風(fēng)向范圍”。這樣在經(jīng)過模糊解消除程序的矢量中值濾波后,可利用這個風(fēng)向范圍再進行中值濾波處理。即,計算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)輻射計數(shù)據(jù)反演

無論是進行海洋探測要素反演還是大氣觀測數(shù)據(jù)測量,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)得到輻射計輸出電壓與觀測亮溫的關(guān)系

上式中T 為觀測亮溫;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)驗公式為[8]

式中Lv表示18.7,23.8,37 三個頻率通道的水含量。

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 在實際工程應(yīng)用中要根據(jù)不同的風(fēng)速來估算。

對路徑延遲中層化邊界的非連續(xù)性進行消除后,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,即為整個大氣濕度路徑延遲校正量,即

4 數(shù)據(jù)驗證

對遙感器的輻射測量進行精確的標(biāo)定和對遙感反演產(chǎn)品進行有效的檢驗,定標(biāo)驗證(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),過大的輻射觀測誤差不僅會使反演產(chǎn)品毫無意義,有時還會由于觀測誤差的引入對某些定量應(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精度(即具有足夠的定標(biāo)精度)將對微波遙感應(yīng)用產(chǎn)生決定性影響。作為星上定標(biāo)的補充和完善,建立地面微波輻射校正場,通過地面觀測與同步衛(wèi)星觀測結(jié)果的比對,進行遙感儀器的輻射定標(biāo)就更加重要。開展地面微波輻射校正的另一個重要目的就是進行反演產(chǎn)品的真實性檢驗。為了確保儀器測量精度,微波遙感器在發(fā)射之前都需要進行嚴(yán)格的定標(biāo),即所謂實驗室定標(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)的變化都會改變發(fā)射前的定標(biāo)關(guān)系,需要進行地面校正[9]。

微波輻射校正觀測場由陸地微波輻射觀測場、海上微波輻射觀測與高度測量共用場、陸地散射測量觀測場組成,同時還包括亞馬遜雨林主被動微波輻射綜合校正備用場。亞馬遜熱帶雨林不僅可以作為微波輻射計高端定標(biāo)輻射校正場輔助場區(qū),也可以用于微波輻射計的相對定標(biāo),同時也是主動微波輻射校正的優(yōu)選目標(biāo)場。

交叉定標(biāo)是指在衛(wèi)星發(fā)射之后,通過分析不同衛(wèi)星同類遙感儀器對某一目標(biāo)相近時刻的觀測結(jié)果,進行相互輻射校正的方法。

真實性檢驗工作是輻射校正工作中最為重要的環(huán)節(jié)之一。我國將通過引進國外標(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),開展輻射校正的真實性檢驗工作。

主動微波遙感儀器是通過微波散射回波信號與發(fā)射信號的對比,進行目標(biāo)散射特性的測量。其定標(biāo)可以分為點目標(biāo)法和分布目標(biāo)法兩大類。點目標(biāo)又分為有源目標(biāo)和無源目標(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 雷達高度計定標(biāo)與檢驗方法

利用設(shè)在海上的激光雷達觀測結(jié)果與雷達高度計測量結(jié)果的對比進行高度計的定標(biāo)/真實性檢驗,是完成高度計定標(biāo)與真實性檢驗的有效方法。通過這個方法可以得到高度計的測高偏差,從而修正定標(biāo)系數(shù),實現(xiàn)高度計在軌外定標(biāo)。

1)海面有效波高真實性檢驗方法

對海面有效波高的真實性檢驗的方法也擬采取兩種方法:(1)利用從衛(wèi)星高度計回波信號中提取的有效波高(SWH)與在海面的實測有效波高值進行對比,開展誤差分析完成校驗。(2)與在軌的性能穩(wěn)定的星載高度計(如美國海洋地形衛(wèi)星JASON)海面有效波高產(chǎn)品進行交叉比對。

2)后向散射系數(shù)/海面風(fēng)速真實性檢驗方法

海面風(fēng)速產(chǎn)品是由衛(wèi)星高度計回波信號的后向散射系數(shù)反演得到,其反演原理與星載散射計反演風(fēng)速產(chǎn)品相似。因此,對海面風(fēng)速產(chǎn)品的真實性檢驗技術(shù)途徑與散射計后向散射系數(shù)的真實性檢驗及對風(fēng)速產(chǎn)品的真實性檢驗途徑相同。

3)重點試驗場大地水準(zhǔn)面模型及潮汐模型

通過對國內(nèi)外大地水準(zhǔn)面模式及潮汐模式的收集及分析,確定較適宜于我國高度計數(shù)據(jù)真實性檢驗場區(qū)的基本模式,并通過現(xiàn)場測試對選定模式予以驗證與完善[10]。最終成為真實性檢驗所應(yīng)用的大地水準(zhǔn)面模式及潮汐模式。此項工作是定標(biāo)/真實性檢驗的基礎(chǔ),其精度直接影響檢驗的效果。

4.2 散射計定標(biāo)與檢驗方法

1)大氣微波衰減補償方法

所謂大氣微波衰減補償方法是指利用微波輻射計探測的大氣參數(shù),通過對微波輻射傳輸方程計算散射計受到的大氣衰減,得到后向散射系數(shù)σ°的衰減,即用微波輻射計亮溫計算大氣中的水汽含量、云中液態(tài)水含量及降雨強度等參數(shù),再由這些參數(shù)計算散射計的衰減系數(shù),通過沿微波傳播路徑上對衰減系數(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,利用高性能機載散射計測得的σ0值作為現(xiàn)場定標(biāo)的散射標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)過機載散射系數(shù)真值的面元匹配和插值處理以及現(xiàn)場測量誤差修正,消除大氣衰減的影響,可得到散射計的定標(biāo)系數(shù)。

3)后向散射系數(shù)/海面風(fēng)速真實性檢驗方法

海面風(fēng)矢量產(chǎn)品是衛(wèi)星散射計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)。對海面風(fēng)場的真實性檢驗即對風(fēng)矢量場產(chǎn)品的真實性檢驗。其技術(shù)途徑為利用海面外定標(biāo)場的常規(guī)氣象觀測得到的海面風(fēng)速“真值”與通過衛(wèi)星遙感測得的散射系數(shù)反演出的海面風(fēng)場進行比較,作出真實性檢驗和評價;也可以把衛(wèi)星遙感得到的海面風(fēng)場產(chǎn)品與在軌的其它相應(yīng)的衛(wèi)星風(fēng)場遙感產(chǎn)品進行比對。如美國筆形波束散射計Q UIKSCA T 等,特別是同一載體上的散射計的風(fēng)場產(chǎn)品進行比對。

4.3 輻射計定標(biāo)與檢驗方法

從空間對地遙感的角度看,星載微波輻射計觀測的亮溫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,在進行微波輻射反演時,確定以地表和海表發(fā)射率的計算方法及計算大氣的透過率便成為核心技術(shù)問題。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)速與輻射計亮溫之間建立關(guān)系;另一種方法是利用美國全球掃描輻射計AMS R-E,即海面溫度、風(fēng)速、水汽含量、液水含量,與輻射計亮溫之間建立關(guān)系。

5 結(jié)束語

本文對海洋動力環(huán)境衛(wèi)星典型的雷達高度計、微波散射計和微波輻射計三類載荷的數(shù)據(jù)處理流程、方法和驗證進行了介紹,可供我國類似衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理和研究參考。

由于篇幅所限,沒有對各種算法進行展開描述和討論,實際上國內(nèi)外對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數(shù)據(jù)處理算法也五花八門。隨著技術(shù)的發(fā)展和在軌實際衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理效果,每種算法各有優(yōu)缺點:有的精度高但算法復(fù)雜、計算量大;有的精度差但簡單。各國研究者目前還在進行算法研究和優(yōu)化設(shè)計,并不斷提出新的算法。本文提出的都是目前國外采用較多,比較成熟,公認(rèn)效果好的算法,可供我國衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理采用;從目前我國實際微波載荷體制、工作模式、技術(shù)指標(biāo)來說,本文提到的算法是經(jīng)濟效益高,可以直接應(yīng)用,對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,實際與衛(wèi)星總體設(shè)計、載荷設(shè)計直接相關(guān),例如高度計數(shù)據(jù)處理精度直接與軌道、路經(jīng)、載荷相關(guān),因此在進行總體設(shè)計時必須有天地一體化的理念。

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