海洋動力環境衛星數據處理方法

唐治華 張慶君

(北京空間飛行器總體設計部,北京100094)

1 引言

海洋動力環境衛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、海面風場、海面溫度等海洋動力參數,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、降水等的綜合環境信息的觀測。作為微波遙感衛星,數據的定量化研究和應用非常關鍵,以下對該類載荷數據的處理內容、流程、反演算法、定標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一的標準,本文對國內外經典的使用較廣的一些處理方法進行了論述,目的是使相關研究者把握數據處理要素、優化衛星總體設計并同時提高地面應用水平。

2 數據處理內容和流程

海洋動力環境衛星的原始遙感數據由衛星地面站負責接收,經解包等預處理后向數據處理中心提供0 級數據產品和其他輔助產品(軌道和姿態文件等)。數據處理中心在接收到0 級數據產品后,將其制作成1 級數據產品,并進行產品存檔與分發服務;同時負責在1 級產品的基礎上制作成2 級數據產品,并進行產品存檔與分發服務。

一般處理過程如圖1 所示:

1)衛星高度計的主要應用目標是海洋,其遙感測量參數是海面后向散射系數,用以反演海面風速,回波波形反演有效波高和海面高度。

圖1 數據處理流程Fig.1 Data processing flow-chart

2)衛星散射計的主要應用目標是海洋,其遙感測量參數是海面后向散射系數,用以反演海面風場矢量。

3)衛星微波輻射計和校正輻射計的主要應用目標是海洋和大氣,其遙感測量參數是微波亮溫,用以反演海面溫度、風速、大氣水氣等參數,通過反演出的大氣水氣和液態水為高度計和散射計提供校正參數。

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

表1 不同載荷的三種數據等級Table 1 Sensors versus data levels

3 數據處理方法

3.1 1 級數據處理

1 級數據處理重點是對與衛星總體指標和微波遙感器直接相關的數據處理,主要包括定位計算、海陸標識計算和物理量計算。

定位計算目的是通過衛星在地心慣性坐標系的位置矢量以及姿態確定散射面元在地球表面的位置(經緯度);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帶來的影響;定位計算一般采用傳統的軌道預報聯合戈達德軌道理論計算。在計算過程中,要進行星體坐標系、軌道坐標系、地心慣性坐標系、地球固連坐標系、大地坐標系等多個坐標系的轉換。

海陸標識計算目的是利用詳細的陸地地圖確定遙感器0 級產品的海陸標識;輸入為經緯度,輸出為標志位,陸地標志為1,海洋標識為0。0 級產品中被確定為陸地的區域不參與以后的數據處理。

物理量計算目的是把載荷輸出的數據通過不同進制和不同格式轉換變成直接用于反演的物理量參數,主要包括高度計的快速傅里葉變換(FFT)數據浮點數轉換、高度字轉換成高度、自動增益控制(AGC)值轉換成后向散射系數;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轉換;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曲線和熱真空定標方程供用戶使用,最后還要提供天線方向圖給用戶面元匹配用。

3.2 2 級數據反演方法

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據轉變成系數數據按照地理位置配準到分辨率單元,散射計可以使得每一個風矢量單元具有多個后向散射系數數據,為風矢量單元的風場反演作準備,而輻射計所有通道的數據按同樣分辨率重采樣為溫度等參數反演作準備。

1)高度計數據反演

對于高度計要完成的處理包括波形擬合,散射系數定標和誤差去除。

波形擬合處理如下:

為了實現穩健重新跟蹤,Wingham 設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。其數學公式如下[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(例如“歐洲遙感衛星”(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星到海面的距離h =ct/2, 經過大氣折射修正后的距離,才是雷達高度計測得的衛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即衛星機械安裝偏差、在軌形變偏差、精密軌道偏差和姿態控制偏差等。

對于實際海洋應用而言, 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星高度H 與衛星高度計測得的衛星到海面距離h 之差,即

海面動力高度hd的計算通過海面高度H ss、大地水準面高度hg、洋潮高度hT和大氣壓負載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星軌道高度和高度計測量高度計算并進行相關參數修正后得到的。

3)海面風速反演

海面在風的作用下產生的波浪,從而引起海面粗糙度(海面均方斜率)的變化。根據散射理論,雷達后向散射截面(σ0)與海面均方斜率之間有下列關系[4]

式中|R(0)|2為菲涅耳反射系數,θ為雷達波束入射角。而海面均方斜率與海面風速U 近似滿足線性關系

也就是說,當高度計入射角θ=0 時,后向散射系數和海面風速之間存在一種反比關系。

4)有效波高反演

根據物理學有關原理,擬合出的后向散射的平均強度隨時間的變化關系為[4]

5)散射計數據反演

后向散射系數處理公式如下

式中, λ為波長,La為大氣損耗,Lw為系統損耗,Lf為定標測量中內定標回路的插損, α、β 是通過系統工作在內定標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)風矢量反演

衛星散射計風矢量反演一般應用最大似然估計作為目標函數,目標函數的形式為[5]

7)模糊解消除

利用上述目標函數求極值的方法可以得到多個海面風矢量解,為了得到唯一的風矢量解,需要采用風向多解消除算法。風向多解消除算法利用矢量中值濾波技術從一系列的多解風矢量中選擇唯一的風矢量解[6]。

矢量中值濾波的滑動窗口大小為n×n (n 為奇數),窗口中心的網格點坐標為(i, j ),其多解風矢量為,例如表示最可能的風矢量解。Umn為窗口內網格點(m, n)上最大似然估計值所對應的最可能風矢量解,即Wm′n′為窗口權重函數(m′=m -i,n′=n -j), ()p表示網格點(i, j)上第k 個風矢量解所對應的最大似然估計值,p 為權重系數。對于每一個窗口計算窗口中心(i, j )的濾波函數值,用最小的所對應的風矢量解代替Uij,這樣重復計算滑動窗口,直到Uij*=Uij。這里滑動窗口的大小為7×7。關于初始場的選擇,可以采用兩種方法:1)以最可能的風矢量解作為初始場;2)在目標函數值列前兩位的風矢量解中選擇與歐洲中期天氣預報模式風場最為接近者作為初始場。

在閾值范圍以上,在一定范圍內,位于平頂的風向具有與風向反演結果相近的似然值。利用這個結果,對給定的概率閾值,對每個反演得到的風向解,都可以找出對應的具有較高可能的“最大可能風向范圍”。這樣在經過模糊解消除程序的矢量中值濾波后,可利用這個風向范圍再進行中值濾波處理。即,計算7×7 窗口內算出的風矢量中值,再與位于窗口中心處風矢量解的“最大可能風向范圍”比較。如果風矢量中值的風向在這個范圍內,則風矢量中值被保存并作為DIR 數據列表程序的最終結果。若不在該范圍內,則取該范圍邊界中與風矢量中值最為接近的風矢量為最終結果。

8)輻射計數據反演

無論是進行海洋探測要素反演還是大氣觀測數據測量,都要用到地面真空定標數據和曲線。一般真空定標得到輻射計輸出電壓與觀測亮溫的關系

上式中T 為觀測亮溫;a,b 為定標參數。

各參數反演算法如下[7]:

(1)海面風速反演

(2)海面溫度反演

(3)大氣水汽含量反演

(4)大氣液態水含量反演

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)大氣校正數據反演

根據亮度數據求解水液厚度Lz和風速W 的經驗公式為[8]

式中Lv表示18.7,23.8,37 三個頻率通道的水含量。

再根據(19)式相應的風速值,求得由于水汽部分造成的路徑延遲

其中,(20)式的加權系數B 在實際工程應用中要根據不同的風速來估算。

對路徑延遲中層化邊界的非連續性進行消除后,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 數據驗證

對遙感器的輻射測量進行精確的標定和對遙感反演產品進行有效的檢驗,定標驗證(cal/val)已經成為當今遙感領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、陸地和海洋環境參數,過大的輻射觀測誤差不僅會使反演產品毫無意義,有時還會由于觀測誤差的引入對某些定量應用,特別是數值模式應用產生負面影響。因此,保證微波遙感數據具有足夠的輻射觀測精度(即具有足夠的定標精度)將對微波遙感應用產生決定性影響。作為星上定標的補充和完善,建立地面微波輻射校正場,通過地面觀測與同步衛星觀測結果的比對,進行遙感儀器的輻射定標就更加重要。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品的真實性檢驗。為了確保儀器測量精度,微波遙感器在發射之前都需要進行嚴格的定標,即所謂實驗室定標。衛星發射之后,星上參考源本身發生的變化,太空環境的變化以及遙感儀器參數的變化都會改變發射前的定標關系,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輻射校正場輔助場區,也可以用于微波輻射計的相對定標,同時也是主動微波輻射校正的優選目標場。

交叉定標是指在衛星發射之后,通過分析不同衛星同類遙感儀器對某一目標相近時刻的觀測結果,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節之一。我國將通過引進國外標準微波遙感數據以及建立具有自主產權的仿真數據,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射信號的對比,進行目標散射特性的測量。其定標可以分為點目標法和分布目標法兩大類。點目標又分為有源目標和無源目標。它們通常都是人造目標。而分布目標則以天然目標為主。

4.1 雷達高度計定標與檢驗方法

利用設在海上的激光雷達觀測結果與雷達高度計測量結果的對比進行高度計的定標/真實性檢驗,是完成高度計定標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,從而修正定標系數,實現高度計在軌外定標。

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)與在軌的性能穩定的星載高度計(如美國海洋地形衛星JASON)海面有效波高產品進行交叉比對。

2)后向散射系數/海面風速真實性檢驗方法

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

3)重點試驗場大地水準面模型及潮汐模型

通過對國內外大地水準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據真實性檢驗場區的基本模式,并通過現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用的大地水準面模式及潮汐模式。此項工作是定標/真實性檢驗的基礎,其精度直接影響檢驗的效果。

4.2 散射計定標與檢驗方法

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,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、云中液態水含量及降雨強度等參數,再由這些參數計算散射計的衰減系數,通過沿微波傳播路徑上對衰減系數的積分,得到后向散射系數σ0的衰減量。

2)散射計的后向散射系數校正方法

后向散射系數的定標校正方法的技術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值作為現場定標的散射標準,經過機載散射系數真值的面元匹配和插值處理以及現場測量誤差修正,消除大氣衰減的影響,可得到散射計的定標系數。

3)后向散射系數/海面風速真實性檢驗方法

海面風矢量產品是衛星散射計獲得的地球物理參數,其產品質量與反演算法直接相關。對海面風場的真實性檢驗即對風矢量場產品的真實性檢驗。其技術途徑為利用海面外定標場的常規氣象觀測得到的海面風速“真值”與通過衛星遙感測得的散射系數反演出的海面風場進行比較,作出真實性檢驗和評價;也可以把衛星遙感得到的海面風場產品與在軌的其它相應的衛星風場遙感產品進行比對。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場產品進行比對。

4.3 輻射計定標與檢驗方法

從空間對地遙感的角度看,星載微波輻射計觀測的亮溫TBp由下式決定[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射率的計算方法及計算大氣的透過率便成為核心技術問題。一般使用兩種方法建立反演算法:一是用全球海洋浮標的海面溫度、風速與輻射計亮溫之間建立關系;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、風速、水汽含量、液水含量,與輻射計亮溫之間建立關系。

5 結束語

本文對海洋動力環境衛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據處理流程、方法和驗證進行了介紹,可供我國類似衛星數據處理和研究參考。

由于篇幅所限,沒有對各種算法進行展開描述和討論,實際上國內外對以上提到的幾種微波遙感器數據處理方法有很多,同樣一種載荷比如散射計數據處理算法也五花八門。隨著技術的發展和在軌實際衛星數據處理效果,每種算法各有優缺點:有的精度高但算法復雜、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化設計,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,公認效果好的算法,可供我國衛星數據處理采用;從目前我國實際微波載荷體制、工作模式、技術指標來說,本文提到的算法是經濟效益高,可以直接應用,對于其它算法可以查看其它文章相關論述。

最后還要提到的是,數據應用處理是和衛星功能性能相關的,雖然討論的是應用領域方面的,實際與衛星總體設計、載荷設計直接相關,例如高度計數據處理精度直接與軌道、路經、載荷相關,因此在進行總體設計時必須有天地一體化的理念。

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