星载微波辐射计通道分辨率匹配技术及其在FY-3卫星MWRI中的应用

杨 虎,商 建,吕利清,何嘉恺,徐红新

(1.国家卫星气象中心,北京 100081;2.上海航天电子研究所,上海 201109)

0 引言

被动微波辐射计通道分辨率匹配技术是多频被动微波探测数据应用的基础。由于天线口径的限制和不同频率的馈源共用一个反射面天线,导致不同频率对同一目标探测的范围和分辨率各异。这是被动微波探测的一个重要缺陷,而通道分辨率匹配是对此仪器探测缺陷的重要弥补手段。与普通的图像重采样和图像增强技术不同,通道分辨率匹配是在对目标天线方向图进行拟合的基础上进行图像数据重构,使匹配后的结果能尽可能真实地模拟实际仪器观测数据。由于衍射的影响,共用一个天线的不同频率的辐射计在地面产生不同的增益模式。因瞬时视场不同,实际应用中不能直接对不同频率的观测数据进行对比分析。通道分辨率匹配算法的目的是通过重采样产生瞬时视场一致的不同频率图像。研究者提出多种用于微波辐射计通道分辨率匹配的算法,BG算法是其中最早用于星载微波辐射计通道分辨率匹配的,通过模拟不同频率的增益模式,使重采样产生的数据尽可能接近真实地表示观测数据,以弥补仪器观测的不足。BG算法在星载多通道微波辐射计SSM/I和AMSR-E数据通道分辨率匹配中得到了应用,国内也有将BG算法用于星载微波辐射计的研究[1-6]。BG算法在微波辐射计分辨率匹配(降低分辨率和增强分辨率处理)中的有效应用涉及微波辐射计天线扫描几何模拟和轨道天线方向图地面足迹数据模拟、二维目标天线方向图拟合、最优可调参数选取,以及匹配结果评价等关键技术。

FY-3卫星MWRI是装载在我国新一代极轨气象卫星上的多频分馈星载微波辐射计,其频点设置为10.65,18.7,23.8,36.5,89 GHz,采用圆锥扫描方式,天线视角为45°±0.1°,幅宽1 400 km。每个频点包括垂直(V)和水平(H)两种极化通道,波束宽度分别为2.01°/2.03°,1.18°/1.17°,1.18°/1.17°,0.62°/0.62°,0.29°/0.29°(V/H),地面分辨率优于51 km×85 km,30 km×50 km,27 km×45 km,18 km×30 km,9 km×15 km。根据FY3卫星MWRI仪器观测几何和波束宽度特性,本文对BG算法在实际实现过程中的关键技术进行了研究,并用于MWRI实际数据,根据评价结果提出了FY3卫星MWRI通道分辨率匹配的方案。

1 BG算法

BG算法在微波辐射计分辨率增强方面的研究最早由STOGRYN提出[7]。在天线波束地表观测点ρ0处,天线亮温可表示为地表观测亮温与天线增益的卷积

式中：TB(ρ)为地表某一位置处的辐射亮温;Gi(ρ)为观测时的天线增益。则该位置处构造的亮温定义为实际观测亮温的权重和,有

算法的关键是在式(2)中找到一组权重系数ai,使构造的天线增益尽可能接近真实天线增益,同时使噪声最小化。

BG算法可表示为

式中：e2为天线亮温误差造成的构造观测亮温值的误差;w为尺度因子;β为平滑参数;Q0=;F(ρ),J(ρ)为用于产生期望特性的函数,在归一化条件∫4πG dΩ=1下通过选择合适的F(ρ),J(ρ)使Q0为最小[7]。由式(1)～(3),式(3)最小化的权重系数可表示为

式中：

此处：E为误差协方差阵;δ为狄拉克函数;w为尺度因子;γ为平滑因子;G=[Gi];v=[vi];u=[ui]。参数w,γ为可调因子。在进行通道分辨率匹配处理时,调节w,γ,使分辨率和噪声水平达到最优平衡状态,图像匹配效果最好[1]。

由模拟获得各频率天线方向图地面足迹数据,根据匹配目标设置窗口大小,调节w,γ,由式(4)可得最优通道分辨率匹配权重系数a。

2 圆锥扫描波束天线方向图地面足迹模拟

当星载微波成像仪扫描几何和轨道特性(包括传感器观测角、圆锥扫描每个地面足迹方位角、卫星高度、波束宽度、中心频率)已知时,可由地心坐标系-平面大地坐标系-传感器观测坐标系(天线口面坐标系)间的关系,将不同频率和极化的三维天线方向图按要求分辨率投影到同一大地坐标系中,生成不同频率和极化天线方向图地面投影格点数据集,据此计算BG算法系数以实现通道分辨率匹配。其中,圆锥扫描波束地面足迹模拟及天线方向图地面投影格点模拟数据的生成是BG算法实现的关键。

2.1 圆锥波束地面足迹模拟中坐标系及其转换

根据微波辐射计对地观测扫描几何生成不同频率天线方向图地面足迹投影数据,首先需要根据观测位置定义球面坐标系、大地平面坐标系和天线对地观测坐标系。如图1所示,设观测像元所在平面的直角坐标系为O-XYZ,观测点纬度为φ,经度为θ,定义平面直角坐标系为

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

图1 圆锥扫描天线方向图地面足迹模拟坐标系系统Fig.1 Coordinate system of conical scan antenna footprint

设天线视向量对地观测角为α,方位角为β,则天线坐标系矢量(Xs,Ys,Zs)为

图1中：S为卫星星下点观测矢量,且S=R Zr Zs。此处：R为地球半径;r为卫星至地面观测点的距离。

本文目的是在要求的地面分辨率尺度上模拟仪器扫描天线方向图地面足迹。根据定义的地面坐标系、天线坐标系和卫星星下点观测矢量,对每个观测像素,可得与每个分辨率单元对应的天线观测矢量

式中：d s为卫星到每个观测点的距离;ξ,η分别为与每个地面分辨率单元对应的天线方向图高度角和方位角。由Vs可得定义观测区域的每个观测像素在要求分辨率尺度下的天线方向图地面足迹。

2.2 模拟数据生成的不同频率和极化天线方向图地面投影格点数据

为验证通道分辨率匹配算法的有效性,利用FY-3卫星MWRI轨道数据对MWRI天线方向图地面足迹进行了模拟。本文中,用高斯函数拟合天线方向图,设地面足迹分辨率为2 km,模拟区域大小为MWRI轨道扫描向243列,轨道向29行。用本文的坐标系和卫星传感器扫描几何特性参数,生成要求分辨率格点下不同频率和极化的天线方向图地面投影格点数据。模拟所得10,18,36 GHz垂直极化天线方向图地面足迹如图2所示。为使天线方向图地面足迹分布更清晰,已对图像作抽样处理。

图2 圆锥扫描微波成像仪10,18,36 GHz垂直极化天线方向图地面足迹模拟结果Fig.2 Simulated conical scan antenna f ootprint with 10,18,36 GHz of vertical polarization pattern

3 天线方向图模拟及基于BG算法的通道匹配系数计算

由生成的天线方向图地面足迹模拟数据,用BG算法对MWRI数据分别进行了通道分辨率降低和增强两种匹配处理实验。由BG算法可知,经匹配处理后,模拟天线方向图应尽可能接近真实天线方向图。

分辨率降低匹配处理中BG算法的w,γ见表1。用36 GHz的H极化天线方向图拟合所得10,18 GHz时H极化天线方向图分别如图3、4所示。图中：横纵坐标为每个格点细化80×80个小格点的格点号,纵坐标为归一化值。由图可知：对降低分辨率处理过程,BG算法能很好地用高分辨率天线方向图拟合低分辨率天线方向图,匹配结果较佳。

表1 分辨率降低匹配时窗口大小和调节参数Tab.1 Window sizeand tuning parameters setting for down resolution

图3 36 GHz拟合10 GHz时H极化天线方向图Fig.3 10 GHz simulated by 36 GHz of horizontal polarization pattern

图4 36 GHz拟合18 GHz时H极化天线方向图Fig.4 18 GHz simulated by 36 GHz Hz of horizontal polarization pattern

分辨率增强能一定程度弥补被动微波成像仪仪器观测的分辨率不足,但同时也会引进一定的噪声。分辨率增强处理中的w,γ见表2。分别用10,18 GHz的H极化通道分辨率拟合36 GHz的H极化分辨率,结果如图5所示。由图可知：18 GHz的拟合结果优于10 GHz,但两者均不能完全拟合出36 GHz水平极化的天线方向图,表明分辨率增强匹配在提高图像分辨率的同时也引入了部分噪声。

表2 分辨率增强匹配时窗口大小和调节参数设置Tab.2 Window size and tuning parameters setting for resolution enhancement

4 BG算法在MWRI数据中的应用

在将BG算法用于实际MWRI-E轨道图像中,对分辨率降低和增强处理分别采用不同大小的窗口。降低分辨率匹配操作中,为使低分辨率像素包含尽可能多的高分辨率像素,采用29×29窗口;增强分辨率匹配操作中,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。对不同大小的窗口,用BG算法生成相应大小的匹配权重系数阵,由权重系数与原始图像进行卷积运算获得匹配目标图像。因在垂直轨道扫描方向的位置不同,相邻像素间的位置关系不同,故匹配处理中对不同位置采用了不同的权重系数。

图5 36 GHz H极化原始天线方向图和10,18 GHz H极化拟合结果Fig.5 36 GHz original data and matched results by 10,18 GHz for horizontal pattern

4.1 降低分辨率处理

进行了36 GHz H极化通道观测亮温分别匹配到10,18 GHz H极化通道两种分辨率降低实验,结果分别如图6、7所示。由图可知：36 GHz图像降低分辨率处理后,图像边缘信息减弱,但仍保持36 GHz频率对地观测的特点,即由于水气吸收和散射,分布在海面上空的薄云和积雨云在匹配后的36 GHz图像上仍清晰可见。

分辨率降低的实验和分析结果表明,高分辨率到低分辨率的匹配处理效果较好,匹配后亮温数据很好地模拟了实际仪器观测,且未引入噪声。

图6 36 GHz H极化匹配到10 GHz H极化通道结果Fig.6 36 GHz matched to 10 GHz resolution image

图7 36 GHz H极化匹配到18 GHz H极化通道结果Fig.7 36 GHz matched to 18 GHz resolution image

4.2 增强分辨率处理

进行了10,18 GHz H极化通道观测亮温匹配到36 GHz H极化通道两种分辨率增强实验,结果分别如图8、9所示。由图可知：10 GHz增强到36 GHz后改变不明显,18 GHz增强到36 GHz后图像可视度有很大提高,基本达到了36 GHz的图像分辨率,图像中的一些边缘和纹理更清晰。但同时增强处理也引入了部分噪声,使图像动态范围较原始图像增大约50 K。

分辨率从增强的实验和分析结果表明,低分辨率到高分辨率的匹配处理使原始图像分辨率有一定提高,匹配后亮温数据能部分模拟实际仪器观测,但会引入噪声。

图8 10 GHz H极化匹配到36 GHz H极化通道结果Fig.8 10 GHz matched to 36 GHz resolution image

图9 18 GHz H极化匹配到36 GHz H极化通道结果Fig.9 18 GHz matched to 36 GHz resolution image

根据上述研究结果,建议FY-3卫星MWRI通道分辨率匹配采用两种方案：高分辨率向低分辨率通道匹配和10,18,23 GHz通道通过分辨率增强处理向36 GHz通道匹配。具体见表3。

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

5 结束语

本文在对FY-3卫星微波成像仪天线方向图地面足迹模拟的基础上,用BG算法对分辨率降低(高频通道匹配到低频通道)和分辨率增强(低分辨率匹配到高分辨率)处理进行了实验分析。研究表明：最优匹配权重系数与可调参数(w,γ)和扫描位置密切相关。实际轨道数据处理中,对不同频率间的匹配,设置BG算法中的最优调节参数,并在不同扫描位置采取不同匹配权重系数。分辨率降低的匹配处理能较好模拟实际仪器观测,且不另引入噪声数据,可在FY-3卫星MWRI通道分辨率匹配中实际应用;分辨率增强匹配可提高低频图像分辨率,但会一定程度引入噪声,实际应用中应考虑在分辨率增强与噪声间进行折中处理,在增强分辨率的同时,使引入的噪声在可接受的范围内。

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