基于風(fēng)云三號(hào)MWTS的地表比輻射率反演

李恩晨，賀 平，蘇興華

(上海航天測(cè)控通信研究所，上海 201109)

基于風(fēng)云三號(hào)MWTS的地表比輻射率反演

李恩晨，賀 平，蘇興華

(上海航天測(cè)控通信研究所，上海 201109)

針對(duì)地表比輻射率反演，提出基于氧氣二窗口頻率下的反演方法。以am大氣模型為基礎(chǔ)，結(jié)合風(fēng)云三號(hào)微波溫度探測(cè)儀(MWTS)的掃描特性，推導(dǎo)出基于其二窗口頻率下的地表比輻射率公式。運(yùn)用Matlab對(duì)地表比輻射率進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果反映了地表的陸海特性。

am大氣模型；地表比輻射率；微波遙感；MWTS；反演

0 引言

地表比輻射率不僅是實(shí)現(xiàn)微波輻射資料直接同化的重要參數(shù)，也是陸地區(qū)域大氣溫濕廓線反演時(shí)需要的基本物理量[1-2]。文獻(xiàn)[3]表明，各種地表類型的比輻射率受地表溫度影響較小，而地表的含水量對(duì)各種地表的比輻射率影響要大得多，因此針對(duì)地表比輻射率的反演變化可推測(cè)地表的濕度信息。國(guó)內(nèi)外對(duì)地表比輻射率的計(jì)算做過大量的研究，Grody[4]針對(duì)MSU氧氣吸收帶上相關(guān)通道的探測(cè)資料，提出了適用于50.30 GHz、53.74 GHz、54.96 GHz和57.97 GHz通道地表微波輻射率的統(tǒng)計(jì)反演算法，結(jié)果表明頻率越低反演結(jié)果越好。

隨著星載被動(dòng)微波遙感儀器從掃描多通道微波輻射計(jì)(SSMR)、專用微波成像儀(SSM/I)、微波輻射計(jì)(SSM/T)、微波探測(cè)儀(MSU)、高級(jí)微波探測(cè)器(AMSU)發(fā)展到微波輻射儀(TMI)和改進(jìn)型微波掃描輻射計(jì)(AMSR-E)，除了建立地表比輻射率模式外，利用星載被動(dòng)微波遙感資料反演大范圍地表微波輻射率一直是研究的熱點(diǎn)之一[5-7]。

地表的比輻射率值是由地表的介電常數(shù)特性所決定的，同時(shí)與頻率密切相關(guān)。因而為簡(jiǎn)化正向算法復(fù)雜性，地表比輻射率的遙感選取相近的窗口頻點(diǎn)進(jìn)行。風(fēng)云三號(hào)C星的細(xì)化通道中，在氧氣線低端的三個(gè)通道:50.3 GHz、51.76 GHz和52.8 GHz很適合其要求，可以近似認(rèn)為3個(gè)頻點(diǎn)下的比輻射率值一樣，通過同時(shí)測(cè)定同一區(qū)域的微波輻射亮溫，建立比輻射率聯(lián)立方程，可相對(duì)精確地反演出地表微波比輻射率值。

1 am大氣模型分析

am大氣模型[8-9]是由SAO(Smithsonian Astrophysical Observatory)亞毫米波接收實(shí)驗(yàn)室編制的一款計(jì)算大氣傳輸輻射的專用工具，適用于微波、毫米波、亞毫米波和THz波段的譜分析，以及路徑輻射、吸收和飽和深度等參數(shù)計(jì)算。am首先作為空間天文觀察應(yīng)用來計(jì)算地球大氣的影響，在Mauna Kea(美夏威夷)等多個(gè)項(xiàng)目中得到很好的應(yīng)用。am的方法是基于靜態(tài)大氣分層理論進(jìn)行C語言編程，并結(jié)合HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)[10]譜線參數(shù)進(jìn)行逐線、逐層計(jì)算仿真，具有高的分辨率和精度。am的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 am基本結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出，背景輻射B(υ,T0)經(jīng)各層大氣后，由am計(jì)算而得到相應(yīng)頻率下的普朗克亮溫Tb(υ)和瑞利亮溫TR-J(υ),同時(shí)可計(jì)算出各層的光深τ(υ)、透過率t(υ)和路徑時(shí)延L(υ)等特性參數(shù)信息。

作為基礎(chǔ)性的模型分析工具，只要知道目標(biāo)特性以及路徑中的大氣參數(shù)，利用am仿真工具，則可分析出各種狀態(tài)下的大氣以及目標(biāo)特性。

按照am基本的大氣模型設(shè)置，對(duì)于天基大氣層外對(duì)地遙感，其普朗克亮溫可表示為：

Tb={ε(f)Ts+[1-ε(f)]Ta(θ,f)↓}τ(θ,f)+Ta(θ,f)↑。

(1)

式中，Tb為衛(wèi)星觀察的亮溫；Ts為地表溫度；ε(f)為地表輻射率；Ta(θ,f)↓和Ta(θ,f)↑分別為大氣向下和向上輻射亮溫值；τ(θ,f)為大氣透過率。

2 三頻點(diǎn)下微波地表比輻射率驗(yàn)算

在地球大氣環(huán)境中，O2含量相對(duì)穩(wěn)定且含量較高，特征譜線及其邊帶展寬效應(yīng)形成其獨(dú)特的遙感譜線圖。天基某一狀態(tài)下的特征譜線如圖2所示。

圖2 天基遙感O2通道譜線

由圖2可以看出，50.3GHz處于窗口頻點(diǎn)，51.76GHz和52.8GHz均處于2個(gè)吸收峰中間。對(duì)于地表特性遙感探測(cè)，大氣H2O輻射強(qiáng)度改變是不得不考慮的問題，但是相對(duì)O2要弱得很多，離譜線中心越近，影響越小。以模型M2(Mid-latitudesummer：中緯度夏季)、天頂角直射為例，在地表溫度一定的情況下，通過改變大氣模型中參數(shù)設(shè)置，尤其是表層1km和2km內(nèi)的大氣參數(shù)：溫度改變±10K，大氣濕度改成RH100(即100%濕度)，分別用am模型計(jì)算對(duì)應(yīng)3個(gè)頻點(diǎn)下(T1對(duì)應(yīng)50.3GHz亮溫，T2對(duì)應(yīng)51.76GHz亮溫，T3對(duì)應(yīng)52.8GHz亮溫)的亮溫值，并就其結(jié)果按照式(1)建立的聯(lián)立方程，最終通過Matlab仿真得到的結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 e與T1-T2關(guān)系曲線

圖4 e與T2-T3關(guān)系曲線

從圖3和圖4中可以看出，表面發(fā)射率與相對(duì)頻點(diǎn)通道亮溫差呈線性關(guān)系，并且模型參數(shù)中的隨意改變(尤其是H2O含量改變)對(duì)其相對(duì)應(yīng)差值變化很小。由此可以認(rèn)為，利用其任意2個(gè)頻點(diǎn)遙感數(shù)據(jù)，通過解聯(lián)立方程可獲取比輻射率值。該方法是遙感反演地表比輻射率的一種最為簡(jiǎn)潔實(shí)用方法，并且可用第3個(gè)頻點(diǎn)亮溫值進(jìn)行大氣模型修正，可得到更好的效果。另外，由于陸地表面的表面比輻射率值在0.5～1之間，比較圖3和圖4可以看出，利用通道2和通道3則更加合適。

3 MWTS特性描述及正向模型推導(dǎo)

結(jié)合式(1)可以看出，Ta(θ,f)↓、Ta(θ,f)↑和τ(θ,f)均與θ有關(guān)，因此必須在特定入射角下建立正演模型及其公式推導(dǎo)，由此需結(jié)合工程在軌實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行。

風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)自主研制的新一代極軌氣象衛(wèi)星，微波溫度計(jì)(MWTS[11])是風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星研制的重要有效載荷。在軌運(yùn)行時(shí)，MWTS采用機(jī)械掃描方式，天線視場(chǎng)垂直于飛行軌跡方向做圓周步進(jìn)掃描，掃描周期為16 s，采取步進(jìn)駐留的運(yùn)行方式，每個(gè)掃描周期天線波束在15個(gè)地球觀測(cè)點(diǎn)、一個(gè)冷空觀測(cè)點(diǎn)和一個(gè)熱定標(biāo)源觀測(cè)點(diǎn)駐留720 ms。天線從起始掃描位置(位置0)開始，每次步進(jìn)6.9°，依次掃過位置0，位置1，位置2，…，位置14，共得到15個(gè)對(duì)地觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)地掃描圖如圖5所示。

圖5 風(fēng)云三號(hào)MWTS在軌掃描方式

此外，根據(jù)風(fēng)云三號(hào)載荷數(shù)據(jù)協(xié)議，數(shù)據(jù)起始點(diǎn)從M1(Tropical：熱帶)區(qū)開始，風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星繞地球運(yùn)行一周所得的一軌數(shù)據(jù)交替經(jīng)歷了全部5種大氣模型區(qū)域(M1(Tropical：熱帶)、M2(Mid-latitude summer：中緯度夏季)、M3(Mid latitude winter)、M4(Subarctic summer：高緯度夏季)和M5(Subarctic winter：高緯度冬季))。針對(duì)不同的區(qū)域和對(duì)地觀察角度，就每種大氣模型，均需應(yīng)用am大氣模型仿真，進(jìn)行正演公式推算。

下面僅給出針對(duì)M1大氣模型特性下，推演出的地表輻射率計(jì)算公式：

ε=(51.340256-0.632×T2+0.488×T1)/12.834656，

ε=(50.7636-0.63×T2+0.486×T1)/12.2472，

ε=(51.0417888-0.624×T2+0.478×T1)/12.0501888，

ε=(51.3264552-0.613×T2+0.464×T1)/11.6901552，ε=(51.35324-0.596×T2+0.445×T1)/11.13924，

ε=(51.365241-0.573×T2+0.419×T1)/10.323741，

ε=(51.3459816-0.543×T2+0.384×T1)/9.2370816，

ε=(50.465681-0.502×T2+0.341×T1)/7.788781。

上述公式分別適合于天線掃描角0°，6.9°，13.8°，…，48.3°。

4 風(fēng)云三號(hào)MWTS數(shù)據(jù)地表比輻射率反演驗(yàn)算

選取風(fēng)云三號(hào)C星2014年12月4日-0024一軌遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)反演和分析：從國(guó)家衛(wèi)星氣象中心所得的一級(jí)數(shù)據(jù)可知其對(duì)應(yīng)衛(wèi)星軌跡及其星下點(diǎn)經(jīng)緯度，其數(shù)據(jù)起始點(diǎn)M1區(qū)，依次經(jīng)由M2-M4-M2-M1-M3-M5-M3，最后再回到M1共9個(gè)區(qū)。數(shù)據(jù)反演中需將整個(gè)數(shù)據(jù)分成15×9個(gè)區(qū)間分別計(jì)算，最后再整合成一軌幅圖。

經(jīng)過反演的對(duì)比圖如圖6所示。其中，圖6(a)是衛(wèi)星氣象中心所給出的圖片，圖6(b)和圖6(c)分別是第1通道和第2通道亮溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)圖，圖6(d)是經(jīng)聯(lián)立方程所得的地表比輻射率反演圖。

圖6 地表比輻射率反演及其對(duì)比

經(jīng)仿真分析，基本可分清陸地與海洋的基本狀況，尤其是在極地冰川區(qū)域表現(xiàn)出很強(qiáng)的地表輻射率特性，也能很強(qiáng)烈地得出海島和陸海分界線。從反演結(jié)果來看，可以得出地表的比輻射率值分布。

5 結(jié)束語

利用星載被動(dòng)微波遙感反演大范圍地表微波輻射率一直是遙感研究的熱點(diǎn)。本文從大氣模型出發(fā)，用其中2個(gè)通道數(shù)據(jù)反演其地表比輻射率特性，為反演地表輻射率提供一個(gè)簡(jiǎn)潔實(shí)用方法，并結(jié)合風(fēng)云三號(hào)C星數(shù)據(jù)給出了反演初步結(jié)果。

然而，由于沒有最新的大氣模型數(shù)據(jù)，其5種大氣模型參數(shù)仍采用20世紀(jì)90年代MODTRAN Report數(shù)據(jù)，因而其反演結(jié)果不盡完美。在整合的比輻射率反演圖中，模式過渡帶很明顯，可以看出其地表輻射率的跳變痕跡。同時(shí)，MWTS采取的各個(gè)不同掃描角方式，在正演公式推導(dǎo)過程中，也加重了不確定性誤差。所有這些均是未來需改進(jìn)的地方，并逐漸采用第三通道特性對(duì)大氣模型中H2O影響進(jìn)行修正。

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李恩晨 男，(1987—)，碩士研究生。主要研究方向：微波遙感。

蘇興華 男，(1966—)，研究員。主要研究方向：微波、毫米波和THz遙感系統(tǒng)工程。

Land Surface Emissivity Inversion Based on FY-3 MWTS

LI En-chen,HE Ping,SU Xing-hua

(ShanghaiSpaceflightInstituteofTT&CandTelecommunication,Shanghai201109,China)

In order to inverse the land surface emissivity,a method based on oxygen absorption line window is proposed.Based on the am (atmospheric model) and combined with the scanning performance of FY-3 MWTS (Microwave Temperature Sounding),the land emissivity formula is derived.Matlab simulation results show the characteristics of the land and ocean.

am atmospheric model;land emissivity;microwave remote sensing;MWTS;inversion

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.11

李恩晨,賀 平,蘇興華.基于風(fēng)云三號(hào)MWTS的地表比輻射率反演[J].無線電工程,2017,47(3):43-46.

2016-12-13

TP722.6

A

1003-3106(2017)03-0043-04