星載微波輻射計通道分辨率匹配技術及其在FY-3衛星MWRI中的應用

楊 虎,商 建,呂利清,何嘉愷,徐紅新

(1.國家衛星氣象中心,北京 100081;2.上海航天電子研究所,上海 201109)

0 引言

被動微波輻射計通道分辨率匹配技術是多頻被動微波探測數據應用的基礎。由于天線口徑的限制和不同頻率的饋源共用一個反射面天線,導致不同頻率對同一目標探測的范圍和分辨率各異。這是被動微波探測的一個重要缺陷,而通道分辨率匹配是對此儀器探測缺陷的重要彌補手段。與普通的圖像重采樣和圖像增強技術不同,通道分辨率匹配是在對目標天線方向圖進行擬合的基礎上進行圖像數據重構,使匹配后的結果能盡可能真實地模擬實際儀器觀測數據。由于衍射的影響,共用一個天線的不同頻率的輻射計在地面產生不同的增益模式。因瞬時視場不同,實際應用中不能直接對不同頻率的觀測數據進行對比分析。通道分辨率匹配算法的目的是通過重采樣產生瞬時視場一致的不同頻率圖像。研究者提出多種用于微波輻射計通道分辨率匹配的算法,BG算法是其中最早用于星載微波輻射計通道分辨率匹配的,通過模擬不同頻率的增益模式,使重采樣產生的數據盡可能接近真實地表示觀測數據,以彌補儀器觀測的不足。BG算法在星載多通道微波輻射計SSM/I和AMSR-E數據通道分辨率匹配中得到了應用,國內也有將BG算法用于星載微波輻射計的研究[1-6]。BG算法在微波輻射計分辨率匹配(降低分辨率和增強分辨率處理)中的有效應用涉及微波輻射計天線掃描幾何模擬和軌道天線方向圖地面足跡數據模擬、二維目標天線方向圖擬合、最優可調參數選取,以及匹配結果評價等關鍵技術。

FY-3衛星MWRI是裝載在我國新一代極軌氣象衛星上的多頻分饋星載微波輻射計,其頻點設置為10.65,18.7,23.8,36.5,89 GHz,采用圓錐掃描方式,天線視角為45°±0.1°,幅寬1 400 km。每個頻點包括垂直(V)和水平(H)兩種極化通道,波束寬度分別為2.01°/2.03°,1.18°/1.17°,1.18°/1.17°,0.62°/0.62°,0.29°/0.29°(V/H),地面分辨率優于51 km×85 km,30 km×50 km,27 km×45 km,18 km×30 km,9 km×15 km。根據FY3衛星MWRI儀器觀測幾何和波束寬度特性,本文對BG算法在實際實現過程中的關鍵技術進行了研究,并用于MWRI實際數據,根據評價結果提出了FY3衛星MWRI通道分辨率匹配的方案。

1 BG算法

BG算法在微波輻射計分辨率增強方面的研究最早由STOGRYN提出[7]。在天線波束地表觀測點ρ0處,天線亮溫可表示為地表觀測亮溫與天線增益的卷積

式中：TB(ρ)為地表某一位置處的輻射亮溫;Gi(ρ)為觀測時的天線增益。則該位置處構造的亮溫定義為實際觀測亮溫的權重和,有

算法的關鍵是在式(2)中找到一組權重系數ai,使構造的天線增益盡可能接近真實天線增益,同時使噪聲最小化。

BG算法可表示為

式中：e2為天線亮溫誤差造成的構造觀測亮溫值的誤差;w為尺度因子;β為平滑參數;Q0=;F(ρ),J(ρ)為用于產生期望特性的函數,在歸一化條件∫4πG dΩ=1下通過選擇合適的F(ρ),J(ρ)使Q0為最小[7]。由式(1)～(3),式(3)最小化的權重系數可表示為

式中：

此處：E為誤差協方差陣;δ為狄拉克函數;w為尺度因子;γ為平滑因子;G=[Gi];v=[vi];u=[ui]。參數w,γ為可調因子。在進行通道分辨率匹配處理時,調節w,γ,使分辨率和噪聲水平達到最優平衡狀態,圖像匹配效果最好[1]。

由模擬獲得各頻率天線方向圖地面足跡數據,根據匹配目標設置窗口大小,調節w,γ,由式(4)可得最優通道分辨率匹配權重系數a。

2 圓錐掃描波束天線方向圖地面足跡模擬

當星載微波成像儀掃描幾何和軌道特性(包括傳感器觀測角、圓錐掃描每個地面足跡方位角、衛星高度、波束寬度、中心頻率)已知時,可由地心坐標系-平面大地坐標系-傳感器觀測坐標系(天線口面坐標系)間的關系,將不同頻率和極化的三維天線方向圖按要求分辨率投影到同一大地坐標系中,生成不同頻率和極化天線方向圖地面投影格點數據集,據此計算BG算法系數以實現通道分辨率匹配。其中,圓錐掃描波束地面足跡模擬及天線方向圖地面投影格點模擬數據的生成是BG算法實現的關鍵。

2.1 圓錐波束地面足跡模擬中坐標系及其轉換

根據微波輻射計對地觀測掃描幾何生成不同頻率天線方向圖地面足跡投影數據,首先需要根據觀測位置定義球面坐標系、大地平面坐標系和天線對地觀測坐標系。如圖1所示,設觀測像元所在平面的直角坐標系為O-XYZ,觀測點緯度為φ,經度為θ,定義平面直角坐標系為

式中：Z1=cosφcosθ;Z2=cosφsinθ;Z3=sinφ;X1=-sinθ;X2=cosθ;X3=0。

圖1 圓錐掃描天線方向圖地面足跡模擬坐標系系統Fig.1 Coordinate system of conical scan antenna footprint

設天線視向量對地觀測角為α,方位角為β,則天線坐標系矢量(Xs,Ys,Zs)為

圖1中：S為衛星星下點觀測矢量,且S=R Zr Zs。此處：R為地球半徑;r為衛星至地面觀測點的距離。

本文目的是在要求的地面分辨率尺度上模擬儀器掃描天線方向圖地面足跡。根據定義的地面坐標系、天線坐標系和衛星星下點觀測矢量,對每個觀測像素,可得與每個分辨率單元對應的天線觀測矢量

式中：d s為衛星到每個觀測點的距離;ξ,η分別為與每個地面分辨率單元對應的天線方向圖高度角和方位角。由Vs可得定義觀測區域的每個觀測像素在要求分辨率尺度下的天線方向圖地面足跡。

2.2 模擬數據生成的不同頻率和極化天線方向圖地面投影格點數據

為驗證通道分辨率匹配算法的有效性,利用FY-3衛星MWRI軌道數據對MWRI天線方向圖地面足跡進行了模擬。本文中,用高斯函數擬合天線方向圖,設地面足跡分辨率為2 km,模擬區域大小為MWRI軌道掃描向243列,軌道向29行。用本文的坐標系和衛星傳感器掃描幾何特性參數,生成要求分辨率格點下不同頻率和極化的天線方向圖地面投影格點數據。模擬所得10,18,36 GHz垂直極化天線方向圖地面足跡如圖2所示。為使天線方向圖地面足跡分布更清晰,已對圖像作抽樣處理。

圖2 圓錐掃描微波成像儀10,18,36 GHz垂直極化天線方向圖地面足跡模擬結果Fig.2 Simulated conical scan antenna f ootprint with 10,18,36 GHz of vertical polarization pattern

3 天線方向圖模擬及基于BG算法的通道匹配系數計算

由生成的天線方向圖地面足跡模擬數據,用BG算法對MWRI數據分別進行了通道分辨率降低和增強兩種匹配處理實驗。由BG算法可知,經匹配處理后,模擬天線方向圖應盡可能接近真實天線方向圖。

分辨率降低匹配處理中BG算法的w,γ見表1。用36 GHz的H極化天線方向圖擬合所得10,18 GHz時H極化天線方向圖分別如圖3、4所示。圖中：橫縱坐標為每個格點細化80×80個小格點的格點號,縱坐標為歸一化值。由圖可知：對降低分辨率處理過程,BG算法能很好地用高分辨率天線方向圖擬合低分辨率天線方向圖,匹配結果較佳。

表1 分辨率降低匹配時窗口大小和調節參數Tab.1 Window sizeand tuning parameters setting for down resolution

圖3 36 GHz擬合10 GHz時H極化天線方向圖Fig.3 10 GHz simulated by 36 GHz of horizontal polarization pattern

圖4 36 GHz擬合18 GHz時H極化天線方向圖Fig.4 18 GHz simulated by 36 GHz Hz of horizontal polarization pattern

分辨率增強能一定程度彌補被動微波成像儀儀器觀測的分辨率不足,但同時也會引進一定的噪聲。分辨率增強處理中的w,γ見表2。分別用10,18 GHz的H極化通道分辨率擬合36 GHz的H極化分辨率,結果如圖5所示。由圖可知：18 GHz的擬合結果優于10 GHz,但兩者均不能完全擬合出36 GHz水平極化的天線方向圖,表明分辨率增強匹配在提高圖像分辨率的同時也引入了部分噪聲。

表2 分辨率增強匹配時窗口大小和調節參數設置Tab.2 Window size and tuning parameters setting for resolution enhancement

4 BG算法在MWRI數據中的應用

在將BG算法用于實際MWRI-E軌道圖像中,對分辨率降低和增強處理分別采用不同大小的窗口。降低分辨率匹配操作中,為使低分辨率像素包含盡可能多的高分辨率像素,采用29×29窗口;增強分辨率匹配操作中,10 GHz匹配到36 GHz通道取窗口5×5,18 GHz匹配到36 GHz取窗口3×3。對不同大小的窗口,用BG算法生成相應大小的匹配權重系數陣,由權重系數與原始圖像進行卷積運算獲得匹配目標圖像。因在垂直軌道掃描方向的位置不同,相鄰像素間的位置關系不同,故匹配處理中對不同位置采用了不同的權重系數。

圖5 36 GHz H極化原始天線方向圖和10,18 GHz H極化擬合結果Fig.5 36 GHz original data and matched results by 10,18 GHz for horizontal pattern

4.1 降低分辨率處理

進行了36 GHz H極化通道觀測亮溫分別匹配到10,18 GHz H極化通道兩種分辨率降低實驗,結果分別如圖6、7所示。由圖可知：36 GHz圖像降低分辨率處理后,圖像邊緣信息減弱,但仍保持36 GHz頻率對地觀測的特點,即由于水氣吸收和散射,分布在海面上空的薄云和積雨云在匹配后的36 GHz圖像上仍清晰可見。

分辨率降低的實驗和分析結果表明,高分辨率到低分辨率的匹配處理效果較好,匹配后亮溫數據很好地模擬了實際儀器觀測,且未引入噪聲。

圖6 36 GHz H極化匹配到10 GHz H極化通道結果Fig.6 36 GHz matched to 10 GHz resolution image

圖7 36 GHz H極化匹配到18 GHz H極化通道結果Fig.7 36 GHz matched to 18 GHz resolution image

4.2 增強分辨率處理

進行了10,18 GHz H極化通道觀測亮溫匹配到36 GHz H極化通道兩種分辨率增強實驗,結果分別如圖8、9所示。由圖可知：10 GHz增強到36 GHz后改變不明顯,18 GHz增強到36 GHz后圖像可視度有很大提高,基本達到了36 GHz的圖像分辨率,圖像中的一些邊緣和紋理更清晰。但同時增強處理也引入了部分噪聲,使圖像動態范圍較原始圖像增大約50 K。

分辨率從增強的實驗和分析結果表明,低分辨率到高分辨率的匹配處理使原始圖像分辨率有一定提高,匹配后亮溫數據能部分模擬實際儀器觀測,但會引入噪聲。

圖8 10 GHz H極化匹配到36 GHz H極化通道結果Fig.8 10 GHz matched to 36 GHz resolution image

圖9 18 GHz H極化匹配到36 GHz H極化通道結果Fig.9 18 GHz matched to 36 GHz resolution image

根據上述研究結果,建議FY-3衛星MWRI通道分辨率匹配采用兩種方案：高分辨率向低分辨率通道匹配和10,18,23 GHz通道通過分辨率增強處理向36 GHz通道匹配。具體見表3。

表3 FY-3衛星MWRI通道分辨率匹配方案Tab.3 Channel resolution match design for FY-3 satellite MWRI

5 結束語

本文在對FY-3衛星微波成像儀天線方向圖地面足跡模擬的基礎上,用BG算法對分辨率降低(高頻通道匹配到低頻通道)和分辨率增強(低分辨率匹配到高分辨率)處理進行了實驗分析。研究表明：最優匹配權重系數與可調參數(w,γ)和掃描位置密切相關。實際軌道數據處理中,對不同頻率間的匹配,設置BG算法中的最優調節參數,并在不同掃描位置采取不同匹配權重系數。分辨率降低的匹配處理能較好模擬實際儀器觀測,且不另引入噪聲數據,可在FY-3衛星MWRI通道分辨率匹配中實際應用;分辨率增強匹配可提高低頻圖像分辨率,但會一定程度引入噪聲,實際應用中應考慮在分辨率增強與噪聲間進行折中處理,在增強分辨率的同時,使引入的噪聲在可接受的范圍內。

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