基于亞馬遜熱帶雨林的HY-2衛星微波散射計在軌測量性能分析

彭海龍，穆 博，林明森，周 武

（國家衛星海洋應用中心，北京 100081）

基于亞馬遜熱帶雨林的HY-2衛星微波散射計在軌測量性能分析

彭海龍，穆 博，林明森，周 武

（國家衛星海洋應用中心，北京 100081）

中國第一顆自主海洋動力環境衛星海洋二號(HY-2)衛星于2011年8月16日成功發射，其上搭載的Ku波段微波散射計可以提供海面風矢量信息。根據國際上對已發射星載微波散射計在亞馬遜熱帶雨林的研究結果：散射計在該地理區域觀測的后向散射系數隨季節的變化在0.15 dB以內。本文對HY-2微波散射計2012—2013年的亞馬遜熱帶雨林區域的觀測數據進行了分析，結果表明HY-2衛星散射計在軌運行兩年來的測量性能很穩定，其在亞馬遜熱帶雨林的季節性變化特征與國際上的研究結果一致。

亞馬遜熱帶雨林；HY-2；微波散射計；在軌測量性能

1 前言

星載微波散射計已經被證明是一種非常重要的全球海洋風矢量觀測手段，散射計的風矢量測量為間接測量技術，其直接測量地球表面后向散射功率，通過雷達方程，可由功率測量值計算得到歸一化后向散射系數，然后通過地球物理模式函數來反演風場。后向散射系數測量值存在誤差及不確定性，因此對散射計觀測后向散射系數進行精密定標是保證風場反演精度達到±2 m/s和20°精度指標的重要條件[1，2]。中國第一顆海洋動力衛星海洋二號(HY-2)自2011年8月成功發射以后，其搭載的微波散射計已經利用海洋目標法進行了精密定標，從2011年12月8日至今散射計數據一直使用的定標系數為VV(V為垂直極化)極化-1.7 dB，HH(H為水平極化)極化-1.7 dB，保證了風矢量反演結果達到±2 m/s和20°的要求，到目前為止已經提供了近3年高可靠的全球海洋風矢量測量產品，該產品已經在我國海洋動力學預報模式中得到了應用。本文主要利用亞馬遜熱帶雨林后向散射系數隨季節變化很小的這一特點，采用2012—2013年兩年的HY-2衛星散射計數據開展了儀器測量性能穩定性分析研究。所使用的研究數據為HY-2衛星微波散射計L1B級后向散射系數數據，時間范圍為：2012年1月1日到2013年12月30日，共兩年數據。該數據已經過輻射定標，定標系數為VV極化-1.7 dB，HH極化-1.7 dB。

2 分析方法

根據國際上對已發射散射計在亞馬遜熱帶雨林的研究結果，發現散射計在該地理區域觀測的后向散射隨季節的變化很小，一般后向散射系數隨季節的變化在0.15 dB以內[3，4]。因此，利用散射計在定標檢驗區域的基本不隨季節變化的特性，就可以識別出散射計不同時間周期儀器測量性能是否發生變化，進而得到散射計儀器在軌測量性能的穩定性評價。圖1為HY-2衛星散射計采用的亞馬遜熱帶雨林定標檢驗地理區域圖。

圖1 HY-2衛星散射計采用亞馬遜熱帶雨林的定標檢驗地理區域圖Fig.1 The Amazon rainforest geographic area for HY-2 satellite scatterometer calibration and validation

依據散射計亞馬遜熱帶雨林定標檢驗地理區域，提取HY-2衛星散射計在該定標檢驗區域地理范圍內的觀測數據，同時對數據進行升降軌劃分。早上由于受到植被表面露珠影響，造成早上觀測（升軌）比下午觀測（降軌）的后向散射系數偏大，約為0.5 dB[3，5]，同時測量結果的標準差也偏大，不利于儀器測量性能穩定性檢驗計算，因此需要對升降軌數據分別進行直方圖檢驗分析。最后，分別計算不同周期的穩定性檢驗參數，一般為該時間周期內測量后向散射系數的平均值，通過分析不同周期之間的檢驗參數，查看其隨時間的變化趨勢，并計算其標準差，就可以分析出散射計在不同觀測周期之間儀器測量性能的穩定性。國際上研究表明一般散射計測量后向散射系數隨季節的變化在0.15 dB以內。HY-2衛星散射計儀器測量穩定性檢驗的數據處理流程圖如圖2所示。

3 頻率分布直方圖分析

采用HY-2衛星微波散射計L1B級數據的時間范圍為2012年1月1日到2013年12月30日，通過每28天（兩個軌道重復周期）分析一次升軌和降軌觀測數據，得到隨季節變化的結果。圖3和圖4為HY-2散射計在2012年度HH和VV極化升軌在雨林檢驗地理區域的直方圖分布檢驗結果，圖5和圖6為HY-2散射計在2013年度HH和VV極化升軌在雨林檢驗地理區域的直方圖分布檢驗結果。

圖2 HY-2衛星散射計儀器測量穩定性檢驗的數據處理流程圖Fig.2 Data processing flow chart about HY-2 satellite scatterometer measurement stability verification

根據QuikSCAT和ASCAT散射計在亞馬遜熱帶雨林定標檢驗地理區域的觀測結果，散射計測量后向散射系數的直方圖分布呈近似正態分布，且呈尖峰狀[6]。從圖3到圖6可以看出，除了極個別周期VV和HH極化數據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、標準差太大），其他時間段的直方圖分布良好，沒有明顯異常。

4 測量性能穩定性分析

采用微波散射計后向散射系數的平均值作為儀器測量性能穩定性檢驗的分析參數，經過2倍標準差的數據剔除之后，采用長時間序列分析方法來監控在軌測量性能的穩定性。圖7和圖8是HY-2衛星散射計HH極化和VV極化在升軌（下午）觀測數據隨季節的變化圖，圖9和圖10是HY-2衛星散射計HH極化和VV極化在降軌（早上）觀測數據隨季節的變化圖。

從圖7可以看出，對于2012年和2013年的升軌觀測，HH和VV極化觀測隨季節的變化趨勢基本一致，說明儀器兩個極化的測量性能變化趨勢一致，兩者之間沒有異常；同時，每個極化在單年的變化都在偏離其均值的±0.15 dB以內，與國際上研究亞馬遜熱帶雨林的季節變化特性在0.15 dB以內的結果一致，說明儀器的測量性能是穩定的；2012年和2013年之間存在約0.1 dB的系統偏差，這一現象在降軌數據的分析結果中更明顯，目前還不足以說明儀器發生跳變，有可能是亞馬遜熱帶雨林的年紀變化引起的，需要進一步分析其原因。

圖3 HY-2衛星微波散射計HH極化升軌后向散射系數的頻率分布直方圖（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衛星微波散射計VV極化升軌后向散射系數的直方圖分布（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衛星微波散射計HH極化升軌后向散射系數的直方圖分布（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衛星微波散射計VV極化升軌后向散射系數的直方圖分布（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，與升軌觀測結果相比，兩者的變化特征還是基本一致的，每個極化在單年的變化也都在偏離均值的±0.15 dB以內，說明儀器的測量性能很穩定。

圖7 HY-2衛星微波散射計HH極化下午升軌測量后向散射系數隨季節的變化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衛星微波散射計VV極化下午升軌測量后向散射系數隨季節的變化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衛星微波散射計HH極化早上降軌測量后向散射系數隨季節的變化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衛星微波散射計VV極化早上降軌測量后向散射系數隨季節的變化Fig.10 Seasonal variations about VV polarization of HY-2 satellite microwave scatterometer backscattering coefficient for descending passes measurements in the morning

5 結語

HY-2衛星是中國第一顆海洋動力環境監測試驗衛星，微波散射計作為其主要載荷之一，其觀測數據是海面風場的數值預報同化重要的數據源之一，因此，長期連續穩定的觀測資料對數據發揮好的定量化應用效果至關重要。本文利用亞馬遜熱帶雨林這一大面積且均勻穩定的面目標，展示了HY-2衛星發射兩年來散射計儀器在軌測量性能的變化趨勢，從2012年和2013年觀測的分析結果，可以看出HY-2衛星散射計在此期間的在軌測量性能是穩定的，且在亞馬遜熱帶雨林的季節性變化特征與國際上的研究結果一致。

[1]蔣興偉，林明森，宋清濤.海洋二號衛星主被動微波遙感探測技術研究[J].中國工程科學，2013，15(7)：4-11.

[2]王小寧，劉麗霞，陳文新.海洋二號衛星微波散射計系統設計與應用[J].中國工程科學，2013，15(7)：33-38.

[3]Long D G，Skouson G B.Calibration of spaceborne scatterometers using tropical rain forests[J].IEEE Transactions Geoscience Remote Sensing，1996，34(2)：413-424.

[4]Kunz L B，Long D G.Calibrating Sea Winds and QuikSCAT scatterometers using natural land targets[J].IEEE Geoscience Remote Sensing Letters，2005，2(2)：182-186.

[5]Zec J，Jones W L，Long D G.SeaWinds beam and slice balance using data over Amazonian rainforest[J].IGARSS，2000，5：2215-2217.

[6]Figa-Salda?a J，Buhler Y.ASCAT Calibration and Validation Plan[R].European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites，2004.

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

國家高技術研究發展計劃（863計劃）“海洋動力環境微波遙感信息提取技術與應用”（2013AA09A505）

彭海龍，1976年出生，男，新疆石河子市人，副研究員，研究方向為海洋衛星定標與真實性檢驗；E-mail：phl@mail.nsoas.gov.cn