“卫星资料应用” 专题系列 AMSR2仪器上新增设的C波段通道对陆地无线电频率干扰的有效缓解

邹晓蕾翁富忠田小旭（美国马里兰大学地球系统多学科中心，Maryland University, College Park, USA；美国国家海洋和大气管理局国家环境卫星数据与信息服务中心，Washington D. C., USA）

“卫星资料应用” 专题系列AMSR2仪器上新增设的C波段通道对陆地无线电频率干扰的有效缓解

邹晓蕾1翁富忠2田小旭1
（1美国马里兰大学地球系统多学科中心，Maryland University, College Park, USA；2美国国家海洋和大气管理局国家环境卫星数据与信息服务中心，Washington D. C., USA）

搭载着第二代先进微波辐射成像仪（AMSR2）的“第一轮卫星计划之全球水圈变化观测卫星”（GCOM-W1）于2012年7月4日成功发射并进入极轨[1]。该卫星由日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）进行地面操控。AMSR-E是AMSR2的前身，与前身相比，AMSR2增设了频率为7.3GHz 的两个通道，目的是通过缓解C波段无线电频率间的干扰，使AMSR2在大部分陆地区域上空观测资料时免受无线电频率干扰[2-6]，从而可通过反演算法得到可靠的土壤湿度分布[7]。

在完成数据起始订正操作的基础上①，JAXA于2013年1月25日开始发布AMSR2亮温观测资料。本研究通过对AMSR2仪器C波段通道无线电频率干涉（radio frequency interference，RFI）特征的分析，检验RFI在美国与中美地区的空间分布，并以此评估新增设的两个通道对RFI的缓解作用。文中的第一节简单介绍了AMSR2的通道属性以及波谱差法，第二节讨论了计算结果，第三节为小结和结论。

1　数据特征描述及方法论

1.1AMSR2仪器特征

AMSR2是一种先进的圆锥式扫描微波辐射成像仪。它的14个亮温观测通道分布于7个不同的中心频率：6.925，7.3，10.65，18.7，23.8，36.5和89.0GHz[8]。AMSR2在距离地面700km的高空轨道上运行，以观测点当地为参照的观测入射角为55°。AMSR2的天线反射器直径为2.0m，比AMSR-E的要大，这样可以增加观测资料的空间分辨率。确切地说，AMSR2瞬时视场（instantaneous field of view， IFOV）的空间分辨率随着频率的升高而降低。AMSR2的瞬时视场在沿轨道及横跨轨道方向上的空间分辨率为：在6.925和7.3GHz通道是62km×35km；10.65GHz通道是42km×24km；18.7GHz通道是22km×14km；23.8GHz通道是26km×15km；36.5GHz通道是12km×7km；89.0GHz通道是5km×3km。其中，89.0GHz通道的取样间隔为5km，其他通道的取样间隔为10km。

1.2波谱差法

一般来说，地表的发射性随波频的上升而增强，因此10.65GHz通道的亮温要比6.925GHz的高，即TB6v＜TB10v。此外，诸如洪水或湿地此类的自然现象会使亮温进一步降低，这个规律在低频通道尤为明显。因此，根据低频通道的亮温可以得到土壤湿度的反演产品。然而，RFI的存在使得6.925GHz通道的低频段亮温升高，从而造成相反的波谱梯度，即TB6v＞TB10v[9]。 通过检验对RFI敏感的波谱差TB6v－TB10v和/或TB6h－TB10h不均等的空间分布（也就是在一个给定的极化状态下，在两个不同频率通道中测得亮温的差），RFI造成的干扰信号可以被识别出来。 RFI一般来源于范围较广且一致的点源，它们通常具有方向性并且处于较窄的波段内，导致其在空间上具有孤立性、时间上具有持续性的分布特点。

2　计算结果

在没有冰雪覆盖的地表，6.925GHz通道的亮温比10.65GHz通道的亮温低，即TB6v－TB10v＜0。原因是陆地表面在低频通道的发射率要低于其在高频通道的发射率。6.925GHz通道RFI的存在使得该通道亮温异常升高，造成了相反符号的波谱梯度，体现为TB6v－TB10v＞0。在6.925或者7.3GHz （图1）通道被RFI干扰的资料可以通过寻找它们与10.65GHz 通道亮温间波谱的大量正差值进行辨别。图2 给出了2012年12月11日经过北美大陆的一条AMSR2的降轨轨道上波谱差TB6h－TB10h，TB6v－TB10v，TB7h－TB10h和TB7v－TB10v的空间分布。波谱差异常大值区体现了RFI信号具有典型的孤立特性。6.925GHz通道中的RFI在美国陆地上分布较密集，7.3GHz通道中的RFI仅出现在墨西哥、华盛顿和纽约，其他观测日的结果相似（图略）。

为了给6.925和7.3GHz两个通道RFI信号间的关系提供数量上的度量，图3给出了TB6h－TB10h相对于TB7h－TB10h（图3a）和TB6v－TB10v相对于TB7v－TB10v（图3b）的散点图。从图3中可以看出除了强RFI信号的情况以外（图3a和3b），在一个给定的TB6h－TB10h间隔之内，7.3GHz通道的亮温随着6.925GHz通道亮温的增加而线性增加。只有一小部分数据点在6.925和7.3 GHz两个水平极化通道同时存在RFI信号（图3a）。RFI不会在两个低频频率的垂直极化通道同时出现（图3b）。

图4和图5给出了AMSR2在丹佛、墨西哥、华盛顿和纽约4个区域内观测亮温散点图。在丹佛附近，中心频率为6.925GHz的水平极化（图4a）和垂直极化（图4b）通道受RFI信号干扰的数据对应高亮温离群点。在墨西哥附近区域内，中心频率为7.3GHz的水平极化（图4c）和垂直极化（图4d）通道被RFI信号影响的数据点也均为亮温具有异常暖值的离群点。图4中同样可以看出在未受RFI影响的数据点中，7.3GHz通道的亮温随着6.925GHz亮温的增长而呈线性增长。

在华盛顿和纽约地区，6.925GHz（图5a）和7.3 GHz（图5c）的水平极化通道可同时受到RFI信号干扰，AMSR2的两个低频频率通道受RFI信号干扰的数据点比未受RFI影响的数据点的亮温更高。对于垂直极化通道来说，在华盛顿和纽约只有6.925GHz频率的通道出现RFI（图5b），7.3GHz频率的通道在这两个地区未受RFI干扰（图5d）。

3　小结

在运用AMSR2辐射量数据反演如土壤湿度等此类地理变量之前，必须识别和剔除受（RFI）的数据。为了缓解RFI对C波段通道造成的影响，AMSR相对于它的前身AMSR-E增设了两个中心频率为7.3GHz的C波段通道。 本研究利用波谱差法对北美和中美地区AMSR2数据中无线电频率干扰情况进行了评估。

分析结果表明，北美地区中心频率为6.925GH的水平和垂直极化通道都存在较强的RFI信号，RFI信号一般都出现在美国的大都市及其邻近地区，而在墨西哥地区，6.925GHz的两个水平和垂直极化通道均未受RFI影响。然而，除墨西哥、华盛顿及纽约以外，AMSR2新增设的中心频率为7.3GHz的C波段通道基本未受RFI影响。AMSR2两个C波段低频频率通道均受RFI影响的资料仅出现在华盛顿和纽约附近。由此可知，AMSR2新增设的中心频率为7.3GHz的两个C波段通道对缓解北美地区RFI的影响是成功的。

10.3969/j.issn.2095-1973.2015.02.006

2014年9月11日；

2014年11月1日

邹晓蕾（1960—），Email: xzou1@umd.edu

资助信息：国家重大科学研究计划项目（2010CB951600）；NOAA联合极地卫星系统（JPSS）