海洋动力环境卫星数据处理方法

唐治华 张庆君

(北京空间飞行器总体设计部,北京100094)

1 引言

海洋动力环境卫星一般装载雷达高度计、辐射计、散射计等微波遥感器,主要获取海面高度、有效波高、海面风场、海面温度等海洋动力参数,兼顾陆地土壤湿度、冰雪覆盖等,在大气探测方面,还可用于水汽、云层含水量、降水等的综合环境信息的观测。作为微波遥感卫星,数据的定量化研究和应用非常关键,以下对该类载荷数据的处理内容、流程、反演算法、定标和真实性验证等方面进行了重点研究,由于反演算法繁多没有统一的标准,本文对国内外经典的使用较广的一些处理方法进行了论述,目的是使相关研究者把握数据处理要素、优化卫星总体设计并同时提高地面应用水平。

2 数据处理内容和流程

海洋动力环境卫星的原始遥感数据由卫星地面站负责接收,经解包等预处理后向数据处理中心提供0 级数据产品和其他辅助产品(轨道和姿态文件等)。数据处理中心在接收到0 级数据产品后,将其制作成1 级数据产品,并进行产品存档与分发服务;同时负责在1 级产品的基础上制作成2 级数据产品,并进行产品存档与分发服务。

一般处理过程如图1 所示:

1)卫星高度计的主要应用目标是海洋,其遥感测量参数是海面后向散射系数,用以反演海面风速,回波波形反演有效波高和海面高度。

图1 数据处理流程Fig.1 Data processing flow-chart

2)卫星散射计的主要应用目标是海洋,其遥感测量参数是海面后向散射系数,用以反演海面风场矢量。

3)卫星微波辐射计和校正辐射计的主要应用目标是海洋和大气,其遥感测量参数是微波亮温,用以反演海面温度、风速、大气水气等参数,通过反演出的大气水气和液态水为高度计和散射计提供校正参数。

三种载荷的数据处理和产品等级如表1 所示。以下重点介绍数据处理方法,0 级产品处理过程和方法同其它遥感卫星一样,不作为重点描述。

表1 不同载荷的三种数据等级Table 1 Sensors versus data levels

3 数据处理方法

3.1 1 级数据处理

1 级数据处理重点是对与卫星总体指标和微波遥感器直接相关的数据处理,主要包括定位计算、海陆标识计算和物理量计算。

定位计算目的是通过卫星在地心惯性坐标系的位置矢量以及姿态确定散射面元在地球表面的位置(经纬度);高度计的地理定位只需计算瞬时星下点位置,而扫描工作模式的散射计和辐射计还要考虑仪器扫描参数带来的影响;定位计算一般采用传统的轨道预报联合戈达德轨道理论计算。在计算过程中,要进行星体坐标系、轨道坐标系、地心惯性坐标系、地球固连坐标系、大地坐标系等多个坐标系的转换。

海陆标识计算目的是利用详细的陆地地图确定遥感器0 级产品的海陆标识;输入为经纬度,输出为标志位,陆地标志为1,海洋标识为0。0 级产品中被确定为陆地的区域不参与以后的数据处理。

物理量计算目的是把载荷输出的数据通过不同进制和不同格式转换变成直接用于反演的物理量参数,主要包括高度计的快速傅里叶变换(FFT)数据浮点数转换、高度字转换成高度、自动增益控制(AGC)值转换成后向散射系数;散射计包括角度信息处理、接收机增益处理、噪声信号和通道信号测量值浮点数转换;辐射计主要包括角度信息处理、观测电压计算、温度计算,另外还要提供正样热真空定标曲线和热真空定标方程供用户使用,最后还要提供天线方向图给用户面元匹配用。

3.2 2 级数据反演方法

首先进行面元匹配处理,目的是将按照时间序列排序的海面散射数据转变成系数数据按照地理位置配准到分辨率单元,散射计可以使得每一个风矢量单元具有多个后向散射系数数据,为风矢量单元的风场反演作准备,而辐射计所有通道的数据按同样分辨率重采样为温度等参数反演作准备。

1)高度计数据反演

对于高度计要完成的处理包括波形拟合,散射系数定标和误差去除。

波形拟合处理如下:

为了实现稳健重新跟踪,Wingham 设计了一种叫做重心偏移(Offset Center Of Gravity , OCOG)的重新跟踪算法。

图2 重心偏移重新跟踪算法示意图Fig.2 OCOG sketch map

重心偏移重新跟踪算法的基本思想是找到每个波形的重心,如图2 所示。波形振幅通过计算矩形方框确定,该矩形的重心和面积与波形本身的重心和面积一样。振幅的大小是波形重心中心垂直高度的2 倍。根据波形的振幅A、重心的位置P 和宽度W ,就可以确定波形前沿的位置参数。其数学公式如下[1]:

上面式子中,R(n)为第n 个采样的功率值, N为采样的总数(例如“欧洲遥感卫星”(ERS):64,二代雷达高度计RA2:128)。实际计算过程中,在噪声值非常低的情况下有时可以将前面几个值忽略,不用作求和之用,比如说,可以从第5 个采样值开始计算。

2)海面高度反演

高度计仪器经过修正后,需要对高度计测得的高程进行大气折射修正和平均海面偏差修正[2]。对于通过高度计雷达脉冲往返时间测量的卫星到海面的距离h =ct/2, 经过大气折射修正后的距离,才是雷达高度计测得的卫星到海面的真实距离,即

其中h =ct/2 是不考虑光传播折射情况下,通过雷达脉冲往返时间计算的卫星到海面的距离。Δhj是大气折射、平均电磁散射面与平均海面偏差的修正,这些修正量都是正值,将导致高程的过高估计;在实际计算中,还要去除工程研制带来的偏差Δhk即卫星机械安装偏差、在轨形变偏差、精密轨道偏差和姿态控制偏差等。

对于实际海洋应用而言, 需要的是海面高度Hss和海面动力高度hd。

海面高度Hss是相对于参考椭球面的卫星高度H 与卫星高度计测得的卫星到海面距离h 之差,即

海面动力高度hd的计算通过海面高度H ss、大地水准面高度hg、洋潮高度hT和大气压负载ha可以得到[3]。即

从式(6)和(7)中可以看到海面高度和海面动力高度是通过卫星轨道高度和高度计测量高度计算并进行相关参数修正后得到的。

3)海面风速反演

海面在风的作用下产生的波浪,从而引起海面粗糙度(海面均方斜率)的变化。根据散射理论,雷达后向散射截面(σ0)与海面均方斜率之间有下列关系[4]

式中|R(0)|2为菲涅耳反射系数,θ为雷达波束入射角。而海面均方斜率与海面风速U 近似满足线性关系

也就是说,当高度计入射角θ=0 时,后向散射系数和海面风速之间存在一种反比关系。

4)有效波高反演

根据物理学有关原理,拟合出的后向散射的平均强度随时间的变化关系为[4]

5)散射计数据反演

后向散射系数处理公式如下

式中, λ为波长,La为大气损耗,Lw为系统损耗,Lf为定标测量中内定标回路的插损, α、β 是通过系统工作在内定标模式下和噪声测量模式下测得的, β定义接收机噪声通道的增益和信号通道的增益之比, α由信号通道中的噪声能量和噪声通道中的噪声能量决定。En与Ee分别为信号处理通道与噪声通道接收的信号功率。

6)风矢量反演

卫星散射计风矢量反演一般应用最大似然估计作为目标函数,目标函数的形式为[5]

7)模糊解消除

利用上述目标函数求极值的方法可以得到多个海面风矢量解,为了得到唯一的风矢量解,需要采用风向多解消除算法。风向多解消除算法利用矢量中值滤波技术从一系列的多解风矢量中选择唯一的风矢量解[6]。

矢量中值滤波的滑动窗口大小为n×n (n 为奇数),窗口中心的网格点坐标为(i, j ),其多解风矢量为,例如表示最可能的风矢量解。Umn为窗口内网格点(m, n)上最大似然估计值所对应的最可能风矢量解,即Wm′n′为窗口权重函数(m′=m -i,n′=n -j), ()p表示网格点(i, j)上第k 个风矢量解所对应的最大似然估计值,p 为权重系数。对于每一个窗口计算窗口中心(i, j )的滤波函数值,用最小的所对应的风矢量解代替Uij,这样重复计算滑动窗口,直到Uij*=Uij。这里滑动窗口的大小为7×7。关于初始场的选择,可以采用两种方法:1)以最可能的风矢量解作为初始场;2)在目标函数值列前两位的风矢量解中选择与欧洲中期天气预报模式风场最为接近者作为初始场。

在阈值范围以上,在一定范围内,位于平顶的风向具有与风向反演结果相近的似然值。利用这个结果,对给定的概率阈值,对每个反演得到的风向解,都可以找出对应的具有较高可能的“最大可能风向范围”。这样在经过模糊解消除程序的矢量中值滤波后,可利用这个风向范围再进行中值滤波处理。即,计算7×7 窗口内算出的风矢量中值,再与位于窗口中心处风矢量解的“最大可能风向范围”比较。如果风矢量中值的风向在这个范围内,则风矢量中值被保存并作为DIR 数据列表程序的最终结果。若不在该范围内,则取该范围边界中与风矢量中值最为接近的风矢量为最终结果。

8)辐射计数据反演

无论是进行海洋探测要素反演还是大气观测数据测量,都要用到地面真空定标数据和曲线。一般真空定标得到辐射计输出电压与观测亮温的关系

上式中T 为观测亮温;a,b 为定标参数。

各参数反演算法如下[7]:

(1)海面风速反演

(2)海面温度反演

(3)大气水汽含量反演

(4)大气液态水含量反演

以上几组公式中, TB 是不同频率通道的观测亮度,下标中的V 和H 表示各频率通道的和垂直和水平极化方式。

(5)大气校正数据反演

根据亮度数据求解水液厚度Lz和风速W 的经验公式为[8]

式中Lv表示18.7,23.8,37 三个频率通道的水含量。

再根据(19)式相应的风速值,求得由于水汽部分造成的路径延迟

其中,(20)式的加权系数B 在实际工程应用中要根据不同的风速来估算。

对路径延迟中层化边界的非连续性进行消除后,得到修正后的路径延迟, 最后路径延迟加上由水液厚度造成的路径延迟,即为整个大气湿度路径延迟校正量,即

4 数据验证

对遥感器的辐射测量进行精确的标定和对遥感反演产品进行有效的检验,定标验证(cal/val)已经成为当今遥感领域所面临的重大课题,微波载荷的探测目的主要是为了定量反演大气、陆地和海洋环境参数,过大的辐射观测误差不仅会使反演产品毫无意义,有时还会由于观测误差的引入对某些定量应用,特别是数值模式应用产生负面影响。因此,保证微波遥感数据具有足够的辐射观测精度(即具有足够的定标精度)将对微波遥感应用产生决定性影响。作为星上定标的补充和完善,建立地面微波辐射校正场,通过地面观测与同步卫星观测结果的比对,进行遥感仪器的辐射定标就更加重要。开展地面微波辐射校正的另一个重要目的就是进行反演产品的真实性检验。为了确保仪器测量精度,微波遥感器在发射之前都需要进行严格的定标,即所谓实验室定标。卫星发射之后,星上参考源本身发生的变化,太空环境的变化以及遥感仪器参数的变化都会改变发射前的定标关系,需要进行地面校正[9]。

微波辐射校正观测场由陆地微波辐射观测场、海上微波辐射观测与高度测量共用场、陆地散射测量观测场组成,同时还包括亚马逊雨林主被动微波辐射综合校正备用场。亚马逊热带雨林不仅可以作为微波辐射计高端定标辐射校正场辅助场区,也可以用于微波辐射计的相对定标,同时也是主动微波辐射校正的优选目标场。

交叉定标是指在卫星发射之后,通过分析不同卫星同类遥感仪器对某一目标相近时刻的观测结果,进行相互辐射校正的方法。

真实性检验工作是辐射校正工作中最为重要的环节之一。我国将通过引进国外标准微波遥感数据以及建立具有自主产权的仿真数据,开展辐射校正的真实性检验工作。

主动微波遥感仪器是通过微波散射回波信号与发射信号的对比,进行目标散射特性的测量。其定标可以分为点目标法和分布目标法两大类。点目标又分为有源目标和无源目标。它们通常都是人造目标。而分布目标则以天然目标为主。

4.1 雷达高度计定标与检验方法

利用设在海上的激光雷达观测结果与雷达高度计测量结果的对比进行高度计的定标/真实性检验,是完成高度计定标与真实性检验的有效方法。通过这个方法可以得到高度计的测高偏差,从而修正定标系数,实现高度计在轨外定标。

1)海面有效波高真实性检验方法

对海面有效波高的真实性检验的方法也拟采取两种方法:(1)利用从卫星高度计回波信号中提取的有效波高(SWH)与在海面的实测有效波高值进行对比,开展误差分析完成校验。(2)与在轨的性能稳定的星载高度计(如美国海洋地形卫星JASON)海面有效波高产品进行交叉比对。

2)后向散射系数/海面风速真实性检验方法

海面风速产品是由卫星高度计回波信号的后向散射系数反演得到,其反演原理与星载散射计反演风速产品相似。因此,对海面风速产品的真实性检验技术途径与散射计后向散射系数的真实性检验及对风速产品的真实性检验途径相同。

3)重点试验场大地水准面模型及潮汐模型

通过对国内外大地水准面模式及潮汐模式的收集及分析,确定较适宜于我国高度计数据真实性检验场区的基本模式,并通过现场测试对选定模式予以验证与完善[10]。最终成为真实性检验所应用的大地水准面模式及潮汐模式。此项工作是定标/真实性检验的基础,其精度直接影响检验的效果。

4.2 散射计定标与检验方法

1)大气微波衰减补偿方法

所谓大气微波衰减补偿方法是指利用微波辐射计探测的大气参数,通过对微波辐射传输方程计算散射计受到的大气衰减,得到后向散射系数σ°的衰减,即用微波辐射计亮温计算大气中的水汽含量、云中液态水含量及降雨强度等参数,再由这些参数计算散射计的衰减系数,通过沿微波传播路径上对衰减系数的积分,得到后向散射系数σ0的衰减量。

2)散射计的后向散射系数校正方法

后向散射系数的定标校正方法的技术途径是在消除轨道等几何因素之后,利用高性能机载散射计测得的σ0值作为现场定标的散射标准,经过机载散射系数真值的面元匹配和插值处理以及现场测量误差修正,消除大气衰减的影响,可得到散射计的定标系数。

3)后向散射系数/海面风速真实性检验方法

海面风矢量产品是卫星散射计获得的地球物理参数,其产品质量与反演算法直接相关。对海面风场的真实性检验即对风矢量场产品的真实性检验。其技术途径为利用海面外定标场的常规气象观测得到的海面风速“真值”与通过卫星遥感测得的散射系数反演出的海面风场进行比较,作出真实性检验和评价;也可以把卫星遥感得到的海面风场产品与在轨的其它相应的卫星风场遥感产品进行比对。如美国笔形波束散射计Q UIKSCA T 等,特别是同一载体上的散射计的风场产品进行比对。

4.3 辐射计定标与检验方法

从空间对地遥感的角度看,星载微波辐射计观测的亮温TBp由下式决定[7]:

其中, Tu和Td是上行和下行大气辐射, Tsky是宇宙背景亮温(Tsky=2.7K), τa是大气不透明度,rp是表面的反射率, Tbp是表面亮温。因此,在进行微波辐射反演时,确定以地表和海表发射率的计算方法及计算大气的透过率便成为核心技术问题。一般使用两种方法建立反演算法:一是用全球海洋浮标的海面温度、风速与辐射计亮温之间建立关系;另一种方法是利用美国全球扫描辐射计AMS R-E,即海面温度、风速、水汽含量、液水含量,与辐射计亮温之间建立关系。

5 结束语

本文对海洋动力环境卫星典型的雷达高度计、微波散射计和微波辐射计三类载荷的数据处理流程、方法和验证进行了介绍,可供我国类似卫星数据处理和研究参考。

由于篇幅所限,没有对各种算法进行展开描述和讨论,实际上国内外对以上提到的几种微波遥感器数据处理方法有很多,同样一种载荷比如散射计数据处理算法也五花八门。随着技术的发展和在轨实际卫星数据处理效果,每种算法各有优缺点:有的精度高但算法复杂、计算量大;有的精度差但简单。各国研究者目前还在进行算法研究和优化设计,并不断提出新的算法。本文提出的都是目前国外采用较多,比较成熟,公认效果好的算法,可供我国卫星数据处理采用;从目前我国实际微波载荷体制、工作模式、技术指标来说,本文提到的算法是经济效益高,可以直接应用,对于其它算法可以查看其它文章相关论述。

最后还要提到的是,数据应用处理是和卫星功能性能相关的,虽然讨论的是应用领域方面的,实际与卫星总体设计、载荷设计直接相关,例如高度计数据处理精度直接与轨道、路经、载荷相关,因此在进行总体设计时必须有天地一体化的理念。

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