基于亞馬遜熱帶雨林的HY-2衛(wèi)星微波散射計(jì)在軌測(cè)量性能分析

彭海龍，穆 博，林明森，周 武

（國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081）

基于亞馬遜熱帶雨林的HY-2衛(wèi)星微波散射計(jì)在軌測(cè)量性能分析

彭海龍，穆 博，林明森，周 武

（國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081）

中國第一顆自主海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星海洋二號(hào)(HY-2)衛(wèi)星于2011年8月16日成功發(fā)射，其上搭載的Ku波段微波散射計(jì)可以提供海面風(fēng)矢量信息。根據(jù)國際上對(duì)已發(fā)射星載微波散射計(jì)在亞馬遜熱帶雨林的研究結(jié)果：散射計(jì)在該地理區(qū)域觀測(cè)的后向散射系數(shù)隨季節(jié)的變化在0.15 dB以內(nèi)。本文對(duì)HY-2微波散射計(jì)2012—2013年的亞馬遜熱帶雨林區(qū)域的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明HY-2衛(wèi)星散射計(jì)在軌運(yùn)行兩年來的測(cè)量性能很穩(wěn)定，其在亞馬遜熱帶雨林的季節(jié)性變化特征與國際上的研究結(jié)果一致。

亞馬遜熱帶雨林；HY-2；微波散射計(jì)；在軌測(cè)量性能

1 前言

星載微波散射計(jì)已經(jīng)被證明是一種非常重要的全球海洋風(fēng)矢量觀測(cè)手段，散射計(jì)的風(fēng)矢量測(cè)量為間接測(cè)量技術(shù)，其直接測(cè)量地球表面后向散射功率，通過雷達(dá)方程，可由功率測(cè)量值計(jì)算得到歸一化后向散射系數(shù)，然后通過地球物理模式函數(shù)來反演風(fēng)場(chǎng)。后向散射系數(shù)測(cè)量值存在誤差及不確定性，因此對(duì)散射計(jì)觀測(cè)后向散射系數(shù)進(jìn)行精密定標(biāo)是保證風(fēng)場(chǎng)反演精度達(dá)到±2 m/s和20°精度指標(biāo)的重要條件[1，2]。中國第一顆海洋動(dòng)力衛(wèi)星海洋二號(hào)(HY-2)自2011年8月成功發(fā)射以后，其搭載的微波散射計(jì)已經(jīng)利用海洋目標(biāo)法進(jìn)行了精密定標(biāo)，從2011年12月8日至今散射計(jì)數(shù)據(jù)一直使用的定標(biāo)系數(shù)為VV(V為垂直極化)極化-1.7 dB，HH(H為水平極化)極化-1.7 dB，保證了風(fēng)矢量反演結(jié)果達(dá)到±2 m/s和20°的要求，到目前為止已經(jīng)提供了近3年高可靠的全球海洋風(fēng)矢量測(cè)量產(chǎn)品，該產(chǎn)品已經(jīng)在我國海洋動(dòng)力學(xué)預(yù)報(bào)模式中得到了應(yīng)用。本文主要利用亞馬遜熱帶雨林后向散射系數(shù)隨季節(jié)變化很小的這一特點(diǎn)，采用2012—2013年兩年的HY-2衛(wèi)星散射計(jì)數(shù)據(jù)開展了儀器測(cè)量性能穩(wěn)定性分析研究。所使用的研究數(shù)據(jù)為HY-2衛(wèi)星微波散射計(jì)L1B級(jí)后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍為：2012年1月1日到2013年12月30日，共兩年數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)已經(jīng)過輻射定標(biāo)，定標(biāo)系數(shù)為VV極化-1.7 dB，HH極化-1.7 dB。

2 分析方法

根據(jù)國際上對(duì)已發(fā)射散射計(jì)在亞馬遜熱帶雨林的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)散射計(jì)在該地理區(qū)域觀測(cè)的后向散射隨季節(jié)的變化很小，一般后向散射系數(shù)隨季節(jié)的變化在0.15 dB以內(nèi)[3，4]。因此，利用散射計(jì)在定標(biāo)檢驗(yàn)區(qū)域的基本不隨季節(jié)變化的特性，就可以識(shí)別出散射計(jì)不同時(shí)間周期儀器測(cè)量性能是否發(fā)生變化，進(jìn)而得到散射計(jì)儀器在軌測(cè)量性能的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。圖1為HY-2衛(wèi)星散射計(jì)采用的亞馬遜熱帶雨林定標(biāo)檢驗(yàn)地理區(qū)域圖。

圖1 HY-2衛(wèi)星散射計(jì)采用亞馬遜熱帶雨林的定標(biāo)檢驗(yàn)地理區(qū)域圖Fig.1 The Amazon rainforest geographic area for HY-2 satellite scatterometer calibration and validation

依據(jù)散射計(jì)亞馬遜熱帶雨林定標(biāo)檢驗(yàn)地理區(qū)域，提取HY-2衛(wèi)星散射計(jì)在該定標(biāo)檢驗(yàn)區(qū)域地理范圍內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行升降軌劃分。早上由于受到植被表面露珠影響，造成早上觀測(cè)（升軌）比下午觀測(cè)（降軌）的后向散射系數(shù)偏大，約為0.5 dB[3，5]，同時(shí)測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差也偏大，不利于儀器測(cè)量性能穩(wěn)定性檢驗(yàn)計(jì)算，因此需要對(duì)升降軌數(shù)據(jù)分別進(jìn)行直方圖檢驗(yàn)分析。最后，分別計(jì)算不同周期的穩(wěn)定性檢驗(yàn)參數(shù)，一般為該時(shí)間周期內(nèi)測(cè)量后向散射系數(shù)的平均值，通過分析不同周期之間的檢驗(yàn)參數(shù)，查看其隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，并計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差，就可以分析出散射計(jì)在不同觀測(cè)周期之間儀器測(cè)量性能的穩(wěn)定性。國際上研究表明一般散射計(jì)測(cè)量后向散射系數(shù)隨季節(jié)的變化在0.15 dB以內(nèi)。HY-2衛(wèi)星散射計(jì)儀器測(cè)量穩(wěn)定性檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理流程圖如圖2所示。

3 頻率分布直方圖分析

采用HY-2衛(wèi)星微波散射計(jì)L1B級(jí)數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍為2012年1月1日到2013年12月30日，通過每28天（兩個(gè)軌道重復(fù)周期）分析一次升軌和降軌觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到隨季節(jié)變化的結(jié)果。圖3和圖4為HY-2散射計(jì)在2012年度HH和VV極化升軌在雨林檢驗(yàn)地理區(qū)域的直方圖分布檢驗(yàn)結(jié)果，圖5和圖6為HY-2散射計(jì)在2013年度HH和VV極化升軌在雨林檢驗(yàn)地理區(qū)域的直方圖分布檢驗(yàn)結(jié)果。

圖2 HY-2衛(wèi)星散射計(jì)儀器測(cè)量穩(wěn)定性檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2 Data processing flow chart about HY-2 satellite scatterometer measurement stability verification

根據(jù)QuikSCAT和ASCAT散射計(jì)在亞馬遜熱帶雨林定標(biāo)檢驗(yàn)地理區(qū)域的觀測(cè)結(jié)果，散射計(jì)測(cè)量后向散射系數(shù)的直方圖分布呈近似正態(tài)分布，且呈尖峰狀[6]。從圖3到圖6可以看出，除了極個(gè)別周期VV和HH極化數(shù)據(jù)直方圖分布異常之外（2012年 9月9日到10月6日期間，平均值偏小、標(biāo)準(zhǔn)差太大），其他時(shí)間段的直方圖分布良好，沒有明顯異常。

4 測(cè)量性能穩(wěn)定性分析

采用微波散射計(jì)后向散射系數(shù)的平均值作為儀器測(cè)量性能穩(wěn)定性檢驗(yàn)的分析參數(shù)，經(jīng)過2倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)剔除之后，采用長時(shí)間序列分析方法來監(jiān)控在軌測(cè)量性能的穩(wěn)定性。圖7和圖8是HY-2衛(wèi)星散射計(jì)HH極化和VV極化在升軌（下午）觀測(cè)數(shù)據(jù)隨季節(jié)的變化圖，圖9和圖10是HY-2衛(wèi)星散射計(jì)HH極化和VV極化在降軌（早上）觀測(cè)數(shù)據(jù)隨季節(jié)的變化圖。

從圖7可以看出，對(duì)于2012年和2013年的升軌觀測(cè)，HH和VV極化觀測(cè)隨季節(jié)的變化趨勢(shì)基本一致，說明儀器兩個(gè)極化的測(cè)量性能變化趨勢(shì)一致，兩者之間沒有異常；同時(shí)，每個(gè)極化在單年的變化都在偏離其均值的±0.15 dB以內(nèi)，與國際上研究亞馬遜熱帶雨林的季節(jié)變化特性在0.15 dB以內(nèi)的結(jié)果一致，說明儀器的測(cè)量性能是穩(wěn)定的；2012年和2013年之間存在約0.1 dB的系統(tǒng)偏差，這一現(xiàn)象在降軌數(shù)據(jù)的分析結(jié)果中更明顯，目前還不足以說明儀器發(fā)生跳變，有可能是亞馬遜熱帶雨林的年紀(jì)變化引起的，需要進(jìn)一步分析其原因。

圖3 HY-2衛(wèi)星微波散射計(jì)HH極化升軌后向散射系數(shù)的頻率分布直方圖（2012年）Fig.3 The frequency distribution histogram of the backscatter coefficient about HH polarization at ascending passes for HY-2 satellite microwave scatterometer in the year of 2012

圖4 HY-2衛(wèi)星微波散射計(jì)VV極化升軌后向散射系數(shù)的直方圖分布（2012年）Fig.4 The frequency distribution histogram of the backscatter coefficient about VV polarization at ascending passes for HY-2 satellite microwave scatterometer in the year of 2012

圖5 HY-2衛(wèi)星微波散射計(jì)HH極化升軌后向散射系數(shù)的直方圖分布（2013年）Fig.5 The frequency distribution histogram of the backscatter coefficient about HH polarization at ascending passes for HY-2 satellite microwave scatterometer in the year of 2013

圖6 HY-2衛(wèi)星微波散射計(jì)VV極化升軌后向散射系數(shù)的直方圖分布（2013年）Fig.6 The frequency distribution histogram of the backscatter coefficient about VV polarization at ascending passes for HY-2 satellite microwave scatterometer in the year of 2013

從圖9可以看出，與升軌觀測(cè)結(jié)果相比，兩者的變化特征還是基本一致的，每個(gè)極化在單年的變化也都在偏離均值的±0.15 dB以內(nèi)，說明儀器的測(cè)量性能很穩(wěn)定。

圖7 HY-2衛(wèi)星微波散射計(jì)HH極化下午升軌測(cè)量后向散射系數(shù)隨季節(jié)的變化Fig.7 Seasonal variations about HH polarization of HY-2 satellite microwave scatterometer backscattering coefficient for ascending passes measurements in the afternoon

圖8 HY-2衛(wèi)星微波散射計(jì)VV極化下午升軌測(cè)量后向散射系數(shù)隨季節(jié)的變化Fig.8 Seasonal variations about VV polarization of HY-2 satellite microwave scatterometer backscattering coefficient for ascending passes measurements in the afternoon

圖9 HY-2衛(wèi)星微波散射計(jì)HH極化早上降軌測(cè)量后向散射系數(shù)隨季節(jié)的變化Fig.9 Seasonal variations about HH polarization of HY-2 satellite microwave scatterometer backscattering coefficient for descending passes measurements in the morning

圖10 HY-2衛(wèi)星微波散射計(jì)VV極化早上降軌測(cè)量后向散射系數(shù)隨季節(jié)的變化Fig.10 Seasonal variations about VV polarization of HY-2 satellite microwave scatterometer backscattering coefficient for descending passes measurements in the morning

5 結(jié)語

HY-2衛(wèi)星是中國第一顆海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星，微波散射計(jì)作為其主要載荷之一，其觀測(cè)數(shù)據(jù)是海面風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值預(yù)報(bào)同化重要的數(shù)據(jù)源之一，因此，長期連續(xù)穩(wěn)定的觀測(cè)資料對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)揮好的定量化應(yīng)用效果至關(guān)重要。本文利用亞馬遜熱帶雨林這一大面積且均勻穩(wěn)定的面目標(biāo)，展示了HY-2衛(wèi)星發(fā)射兩年來散射計(jì)儀器在軌測(cè)量性能的變化趨勢(shì)，從2012年和2013年觀測(cè)的分析結(jié)果，可以看出HY-2衛(wèi)星散射計(jì)在此期間的在軌測(cè)量性能是穩(wěn)定的，且在亞馬遜熱帶雨林的季節(jié)性變化特征與國際上的研究結(jié)果一致。

[1]蔣興偉，林明森，宋清濤.海洋二號(hào)衛(wèi)星主被動(dòng)微波遙感探測(cè)技術(shù)研究[J].中國工程科學(xué)，2013，15(7)：4-11.

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Performance analysis of the HY-2 satellite microwave scatterometer measurements based on tropical rainforests

Peng Hailong，Mu Bo，Lin Mingsen，Zhou Wu

(Nation Satellite Ocean Application Service，Beijing 100081，China)

The first Chinese dynamic environment satellites HY-2 satellite was successfully launched on August 16，2011，with a Ku-band microwave scatterometer which can provide wind vector information of global ocean surface.The research results for all launched scatterometer in the Amazon rainforest region by the global scientists showed the variance of scatterometer backscatter coefficient measurements was less than 0.15 dB with the season.According to this results，the analysis on HY-2 microwave scatterometer measurement data of the Amazon rainforest region in 2012—2013 have been finished，the results showed that HY-2 satellite scatterometer measurement performance onboard in 2012—2013 is very stable，which is consistent with the international research results that seasonal variation characteristic of HY-2 scatterometer measurements in the Amazon rainforest is less than 0.15 dB.

Amason rainforest；HY-2；microwave scatterometer；in-orbit measurement performance

TH776+.2

A

1009-1742（2014）06-0033-06

2014-04-09

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

彭海龍，1976年出生，男，新疆石河子市人，副研究員，研究方向?yàn)楹Ｑ笮l(wèi)星定標(biāo)與真實(shí)性檢驗(yàn)；E-mail：phl@mail.nsoas.gov.cn