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一种基于一维综合孔径 微波 辐射计的海面亮温成像仿真方法

阅读：580发布：2020-05-16

专利汇可以提供一种基于一维综合孔径微波辐射计的海面亮温成像仿真方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于一维综合孔径微波辐射计的海面亮温成像仿真方法。首先构建初始背景场数据( 频率 f、海面温度 Ts、海水盐度 S、入射角 θ、海面风速W、海面相对风向大气水汽含量V、云液态水含量L)，为海面亮温成像仿真提供数据支撑；其次，根据一维综合孔径微波辐射计多入射角的观测特点，利用微波辐射传输正演模型计算频率为6.9GHz、不同入射角大气层顶场景模式亮温；之后，场景亮温信号被一维综合孔径微波辐射计小天线阵列接收，产生电信号，对天线输出电压进行两两复相关，得到可见度函数；最后，通过逆傅里叶变换等数学运算重构海面亮温图像。本方法为星载一维综合孔径微波辐射计遥感海面温度提供技术支撑。，下面是一种基于一维综合孔径微波辐射计的海面亮温成像仿真方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于一维综合孔径微波辐射计海面亮温成像仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：将一维综合孔径微波辐射计的一维视场分成若干个像素点，所述像素点具有不同的入射角，存在若干个网格点的二维观测场景，一维综合孔径微波辐射计在二维场景上均匀扫过，每个网格点均得到一组数据；
步骤2：将步骤1中得到的数据输入微波辐射传输正演模型中，得到各个网格点的垂直极化和水平极化的模式亮温；
步骤3：将步骤2中得出的模式亮温输入到一维综合孔径微波辐射计的小天线阵列中产生电信号，对小天线阵列的输出电压进行两两复相关，得到可见度函数；
步骤4：对可见度函数进行数学运算，重构出海面亮温图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于一维综合孔径微波辐射计海面亮温成像仿真方法，其特征在于：所述步骤1中一维视场的像素点个数为367个。
3.根据权利要求1所述的一种基于一维综合孔径微波辐射计海面亮温成像仿真方法，其特征在于：所述步骤1中像素点的入射角的范围在35°-65°。
4.根据权利要求1所述的一种基于一维综合孔径微波辐射计海面亮温成像仿真方法，其特征在于：所述步骤1中二维观测场景由10000×367个网格点组成。
5.根据权利要求1所述的一种基于一维综合孔径微波辐射计海面亮温成像仿真方法，其特征在于：所述数据包括频率f、海面温度Ts、海水盐度S、入射角θ、海面风速W、海面相对风向大气水汽含量V和云液态水含量L。
6.根据权利要求1所述的一种基于一维综合孔径微波辐射计海面亮温成像仿真方法，其特征在于：所述步骤2具体方法为：将各个网格点上的数据，输入微波辐射传输正演模型，计算出各个网格点在一维综合孔径微波辐射计入瞳处的垂直极化和水平极化的亮温主要公式为：
TBΩ＝Rp·[TBD+τ·Tcold]+TB,scat,p
其中，为星载一维综合孔径微波辐射计在大气顶处接收到的亮温，n为1和2时分别代表垂直极化和水平极化，Ts为海面温度，τ为大气透过率，TBU和TBD分别表示大气上行辐射亮温和下行辐射亮温；Tcold表示宇宙背景亮温，TB,scat,p表示非平静海面对大气下行辐射亮温的散射作用；Ep和Rp分别表示海面总的发射率和反射率，Rp＝1-Ep；p表示极化方式，即垂直极化和水平极化；TBU、TBD和τ采用参数化方案进行计算，其中：
lnτ＝secθln(a1+b1V+c1L+d1V2+e1VL)
TD＝a2+b2V+c2V2+d2V3+e2TS
TBU＝(TD+a3+b3V)(1-τ)
TBD＝TD(1-τ)
其中V为大气水汽含量、L为云液态水含量，ai、bi、ci、di、ei代表参数化系数，i＝1,2,3。
7.根据权利要求1所述的一种基于一维综合孔径微波辐射计海面亮温成像仿真方法，其特征在于：所述可见度函数具体公式为：
其中，u和v表示空间频率，不同的(u,v)分别代表不同天线对组成的基线，κ为玻尔兹曼常数，表示介质的本征阻抗，λ为电磁波波长，
Ae为天线有
效接收面积，为天线归一化功率方向图，Hi(f)和Hk(f)为接收通道的频率响应。
8.根据权利要求1所述的一种基于一维综合孔径微波辐射计海面亮温成像仿真方法，其特征在于：得到可见度函数以后利用有限个离散采样点来近似计算亮温图像，可以表示为：
由于可见度函数V(u,v)是Hermitian对称的，即V(-u,-v)＝V*(u,v)和V(-u,v)＝V*(u,-v)。

说明书全文

一种基于一维综合孔径 微波 辐射计的海面亮温成像仿真方法

技术领域

[0001] 本发明涉及遥感领域，具体涉及一种基于一维综合孔径微波辐射计的海面亮温成像仿真方法。背景技术：

[0002] 海面温度(Sea Surface Temperature,SST)在全球气候变化和长期天气过程中起着重要作用。实际中，在遥感领域，只可以观测到海面亮温，海面温度由海面亮温反演得到，所以，海面亮温成像具有深远的意义。被动微波遥感能够进行全天候、全天时不间断地观测，其中被动微波遥感的代表仪器之一是实孔径微波辐射计，其能够提供包括海面温度在内的多种海洋环境要素产品。但是，由于实孔径微波辐射计的空间分辨率受制于天线的尺寸，导致其空间分辨率较低。针对这一缺点设计了一维综合孔径微波辐射计，与实孔径微波辐射计机械扫描成像方式不同，一维综合孔径微波辐射计采用小孔径天线阵列，解决了传统实孔径微波辐射计空间分辨率与天线物理口径之间的固有矛盾，有效的提高了观测的空间分辨率。但是，由于成像方式的差别，导致实孔径微波辐射计海面亮温成像方法无法应用于一维综合孔径微波辐射计。传统实孔径微波辐射计一般是以固定入射角扫描成像，而综合孔径微波辐射计对场景属于凝视成像，其入射角一般是在某一范围内变化，相比于实孔径微波辐射计更加复杂。

[0003] 由于，目前尚没有用于海面温度(SST)观测的星载一维综合孔径微波辐射计，需要提前设计一种用于星载一维综合孔径微波辐射计海面亮温成像仿真方法。一维综合孔径微波辐射计在大气顶接收到的亮温是频率、海水盐度、海面温度、海面风速、海面相对风向、大气水汽含量、云液态水含量和入射角的函数，可以利用微波辐射传输正演模型，模拟由一维综合孔径微波辐射计的小天线阵列接收的亮温，然后对小孔径天线单元的输出电压进行两两复相关，得到可见度函数。最后，对可见度函数进行逆傅里叶变换等数学运算重构亮温图像。本发明就是提供这样一种基一维综合孔径微波辐射计的海面亮温成像仿真方法，该方法有足够的理论依据做支撑，为后续星载一维综合孔径微波辐射计的载荷研制及应用提供技术方案。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种基于一维综合孔径微波辐射计的海面亮温成像仿真方法，开创了星载一维综合孔径微波辐射计海面亮温成像仿真方法，为未来搭载观测海面温度的一维综合孔径微波辐射计的卫星提供理论依据。

[0005] 一种基于一维综合孔径微波辐射计海面亮温成像仿真方法，所述方法包括以下步骤：

[0006] 步骤1：将一维综合孔径微波辐射计的一维视场分成若干个像素点，所述像素点具有不同的入射角，存在若干个网格点的二维观测场景，一维综合孔径微波辐射计在二维场景上均匀扫过，每个网格点均得到一组数据；

[0007] 步骤2：将步骤1中得到的数据输入微波辐射传输正演模型中，得到各个网格点的垂直极化和水平极化的模式亮温

[0008] 步骤3：将步骤2中得出的模式亮温输入到一维综合孔径微波辐射计的小天线阵列中产生电信号，对小天线阵列的输出电压进行两两复相关，得到可见度函数；

[0009] 步骤4：对可见度函数进行数学运算，重构出海面亮温图像。

[0010] 优选的，所述步骤1中一维视场的像素点个数为367个。

[0011] 优选的，所述步骤1中像素点的入射角的范围在35°-65°。

[0012] 优选的，所述步骤1中二维观测场景由10000×367个网格点组成。

[0013] 优选的，所述数据包括频率f、海面温度Ts、海水盐度S、入射角θ、海面风速W、海面相对风向大气水汽含量V和云液态水含量L。

[0014] 优选的，所述步骤2具体方法为：将各个网格点上的数据，输入微波辐射传输正演模型，计算出各个网格点在一维综合孔径微波辐射计入瞳处的垂直极化和水平极化的亮温主要公式为：

[0015]

[0016] TBΩ＝Rp·[TBD+τ·Tcold]+TB,scat,p

[0017] 其中，为星载一维综合孔径微波辐射计在大气顶处接收到的亮温，Ts为海面温度，τ为大气透过率，TBU和TBD分别表示大气上行辐射亮温和下行辐射亮温；Tcold表示宇宙背景亮温，TB,scat,p表示非平静海面对大气下行辐射亮温的散射作用；Ep和Rp分别表示海面总的发射率和反射率，Rp＝1-Ep；p表示极化方式，即垂直极化和水平极化；TBU、TBD和τ采用参数化方案进行计算，其中：

[0018] lnτ＝secθln(a1+b1V+c1L+d1V2+e1VL)

[0019] TD＝a2+b2V+c2V2+d2V3+e2TS

[0020] TBU＝(TD+a3+b3V)(1-τ)

[0021] TBD＝TD(1-τ)

[0022] 其中V为大气水汽含量、L为云液态水含量，ai、bi、ci、di、ei代表参数化系数，i＝1,2,3。

[0023] 优选的，所述可见度函数具体公式为：

[0024]

[0025] 其中，u和v表示空间频率，不同的(u,v)分别代表不同天线对组成的基线，κ为玻尔兹曼常数，表示介质的本征阻抗，λ为电磁波波长，Ae为天线有
效接收面积，为天线归一化功率方向图，Hi(f)和Hk(f)为接收通道的频率响应。

[0026] 优选的，得到可见度函数以后利用有限个离散采样点来近似计算亮温图像，可以表示为：

[0027]

[0028] 由于可见度函数V(u,v)是Hermitian对称的，即V(-u,-v)＝V*(u,v)和 V(-u,v)＝V*(u,-v)。

[0029] 本发明的优点在于：该方法在大气顶接收到的亮温是频率、海水盐度、海面温度、海面风速、海面相对风向、大气水汽含量、云液态水含量和入射角的函数，可以利用微波辐射传输正演模型，模拟由一维综合孔径微波辐射计的小甜心阵列接收的亮温，然后对小孔径天线单元的输出电压进行两两复相关，得到可见度函数。最后，对可见度函数进行逆傅里叶变换等数学运算重构亮温图像。本发明就是提供这样一种基一维综合孔径微波辐射计的海面亮温成像仿真方法，该方法有足够的理论依据做支撑，为后续星载一维综合孔径微波辐射计的载荷研制及应用提供技术方案。附图说明

[0030] 图1是本发明实现流程图。

[0031] 图2是本发明反演结果图。

具体实施方式

[0032] 为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

[0033] 如图1至图2所示，一种基于一维综合孔径微波辐射计的海面亮温成像仿真方法，一维综合孔径微波辐射计与传统实孔径微波辐射计完全不同，其采用小孔径天线阵列，通过场景辐射亮温的空间频率采样得到可见度函数，再进行逆傅里叶变换等数学运算重构出场景的亮温图像。根据这一特点，首先，将一维综合孔径微波辐射计的一维视场分成367个像素点，并且假定存在一个由367×367的网格点阵构成的观测场景，每一行367个网格点与一维综合孔径微波辐射计的367 个像素点一一对应；其次，根据一维综合孔径微波辐射计多入射角的观测特点，利用微波辐射传输正演模型计算频率为6.9GHz、不同入射角大气层顶场景亮温；之后，大气层顶场景亮温信号被一维综合孔径微波辐射计的小孔径天线阵列接收，产生电信号，接着对小孔径天线单元的输出电压进行两两复相关，得到可见度函数；最后，通过逆傅里叶变换等数学运算重构海面亮温图像。结合图1，该方法具体为：

[0034] 1观测视场分析

[0035] 一维综合孔径微波辐射计采用小孔径天线阵列，观测场景的是一条一维的线，结合卫星的移动，可以得到二维的观测场景。把一维视场分成367个像素点，并假定存在一个由367×367的网格点阵构成的二维观测场景，每一列网格点的入射角都相同，每行网格点的入射角在35°-65°之间。并且每一个网格点上都对应一组数据(频率f、海面温度Ts、海水盐度S、入射角θ、海面风速W、海面相对风向大气水汽含量V、云液态水含量L)。当一维综合孔径微波辐射计在二维观测场景上扫过，小孔径天线阵列对观测场景像素点采样，每一个小孔径天线都能接收到任意像素点的辐射信号。

[0036] 2大气层顶亮温信号获取

[0037] 将观测场景对应网格点上的数据输入微波辐射正演模型，计算出各个网格点在一维综合孔径微波辐射计入瞳处的垂直极化和水平极化的亮温其中电磁波频率为6.9GHz。主要公式为，

[0038]

[0039] TBΩ＝Rp·[TBD+τ·Tcold]+TB,scat,p

[0040] 其中，为星载一维综合孔径微波辐射计在大气顶处接收到的亮温，Ts为海面温度，τ为大气透过率，TBU和TBD分别表示大气上行辐射亮温和下行辐射亮温；Tcold表示宇宙背景亮温，TB,scat,p表示非平静海面对大气下行辐射亮温的散射作用；Ep和Rp分别表示海面总的发射率和反射率，Rp＝1-Ep；p表示极化方式，即垂直极化和水平极化；TBU、TBD和τ采用参数化方案进行计算，其中：

[0041] lnτ＝secθln(a1+b1V+c1L+d1V2+e1VL)

[0042] TD＝a2+b2V+c2V2+d2V3+e2TS

[0043] TBU＝(TD+a3+b3V)(1-τ)

[0044] TBD＝TD(1-τ)

[0045] 其中V为大气水汽含量、L为云液态水含量，ai、bi、ci、di、ei代表参数化系数，i＝1,2,3；

[0046] 3复相关计算可见度函数

[0047] 当星载一维综合孔径微波辐射计随着卫星在假定的二维观测场景上扫过，小孔径天线阵列对观测场景网格点采样，每一个小孔径天线都能接收到任一网格点的辐射信号，并根据辐射信号的强弱产生相应的电信号，接着对小孔径天线单元输出的电信号进行两两复相关，得到可见度函数。值得注意的是，小孔径天线接收到的辐射信号是由微波辐射传输正演模型计算得到的。其可见度函数具体公式为，

[0048]

[0049] 其中，u和v表示空间频率，不同的(u,v)分别代表不同天线对组成的基线，κ为玻尔兹曼常数，表示介质的本征阻抗，λ为电磁波波长，Ae为天线有
效接收面积，为天线归一化功率方向图，Hi(f)和Hk(f)为接收通道的频率响应。

[0050] 4亮温图像重构

[0051] 得到可见度函数以后，假设我们可以测量所有的基线，即获取 (u,v)平面上所有的采样点，那么我们可以根据可见度函数重构出场景的亮温图像。实际情况是，很难得到所有可能的基线测量值，我们通常会利用有限个离散采样点来近似计算亮温图像，可以表示为：

[0052]

[0053] 由于可见度函数V(u,v)是Hermitian对称的，即V(-u,-v)＝V*(u,v)和 V(-u,v)＝V*(u,-v)。因此，我们只需要测量(u,v)平面一半的值即可重构出亮温图像。

[0054] 由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

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