一种基于月球观测的微波水汽吸收通道交叉定标方法与流程

1.本发明涉及星载微波辐射计辐射定标技术领域，尤其涉及一种基于月球观测的微波水汽吸收通道交叉定标方法，特别涉及星载微波辐射计183.31ghz频段大气探测水汽吸收通道间辐射交叉定标技术。


背景技术：

2.星载毫米波辐射计辐射率资料可直接同化应用于数值天气预报模式。欧洲中期数值预报中心ecmwf通过同化卫星资料使得预报时效延长4天，其中星载毫米波大气探测载荷的辐射率资料贡献最大，仅先进微波探测仪amsu-a单个仪器的同化贡献率就高达17％。但数值天气预报同化系统对卫星观测资料精度要求极高，通常情况下毫米波大气温度探测资料(50-60ghz)经过观测-背景场(o-b)偏差修正，均方根误差可以达到0.2k，在数值预报模式中产生显著正效果；而对于风云三号微波湿度计这类设置在高频水汽吸收线(183.31ghz)附近的探测载荷而言，由于辐射计在轨辐射定标的不确定性，加上大气水汽场本身时空变异性比温度场复杂，订正前偏差经常会超过5.0k，即便经过修正，资料偏差仍会大于1.5k，这成为困扰毫米波水汽吸收通道探测资料同化应用的焦点。
3.受载荷研制技术水平制约，国产卫星微波载荷非线性严重，美国snpp/atms大气湿度探测通道峰值非线性亮温差0.4k，而2017年即将投入业务使用的与snpp/atms具有相同设计参数的fy-3d/mwhts毫米波大气探测载荷非线性亮温差超过3.4k。
4.围绕星载微波辐射计辐射定标的现有技术主要是基于卫星发射前开展的实验室测量技术或在轨交叉定标技术手段。图1是一种在轨定标方法的流程图，根据在轨运行的星载微波辐射计下传的遥测数据和遥感数据，判断仪器的工作状态是否正常、观测的数据是否有效；利用正演仿真生成的亮温值和国外同类型的微波辐射计的亮温值，确定微波辐射计仪器在轨定标精度。
5.星载微波遥感仪器的定标主要包括发射前在地面真空罐里进行的辐射定标和发射后在轨定标两方面。发射前地面定标为仪器在轨定标提供基础参数，确定仪器在真空条件下的定标准确度和灵敏度等主要技术指标；但是，对各仪器部件所测得的基于热真空定标实验数据和仪器在轨业务运行的实测数据存在偏差。水汽吸收通道间辐射定标不确定性的差异影响了其数据的同化应用。
6.星载微波辐射计窗区通道受大气影响小，可以利用条件相对稳定的地球目标校准通道间的辐射定标相对偏差，但吸收通道无法利用地球稳定目标实现通道间的相对定标。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于月球观测的微波水汽吸收通道交叉定标方法。
8.为了实现上述目的，本发明提出了一种基于月球观测的微波水汽吸收通道交叉定标方法，所述方法包括：
9.根据月球进入微波辐射计冷空观测区域的轨道预报数据，从星载微波辐射计下传的一帧观测数据中提取大气探测水汽吸收线附近五个通道含有月球影响的冷空观测数据；
10.对于从五个通道中预先选定的基准通道，利用该基准通道的冷空观测数据，通过稳态约束原理，得到无月球影响时的基准通道冷空观测数据，计算得到基准通道定标系数；
11.基于该基准通道定标系数，定标得到基准通道含有月球影响的冷空观测辐射；
12.基于五个通道的冷空观测辐射的传递关系，将基准通道含有月球影响的冷空观测辐射用于其他通道定标，从而实现通道间交叉定标，并计算得到各通道定标系数；
13.由各通道定标系数计算得到水汽吸收线附近五个通道对地观测的目标亮温。
14.作为上述方法的一种改进，所述大气探测水汽吸收线附近五个通道具体包括：中心频率分别为183
±
1ghz、183
±
1.8ghz、183
±
3ghz、183
±
4.5ghz和183
±
7ghz。
15.作为上述方法的一种改进，所述方法还包括基准通道的选定步骤，具体包括：
16.在卫星发射前对微波辐射计真空定标试验得到的非线性因子进行对比分析，结合在轨冷空、热源、仪器温度和通道在轨灵敏度及增益状态参数，经综合分析，从五个通道中选取定标精度高且在轨性能稳定的通道作为基准通道。
17.作为上述方法的一种改进，所述对于从五个通道中预先选定的基准通道，利用该基准通道的冷空观测数据，通过稳态约束原理，得到无月球影响时的基准通道冷空观测数据，计算得到基准通道定标系数；具体包括：
18.根据轨道预报数据，提取本帧观测数据附近含有月球影响的基准通道冷空观测数据，外推得到与本帧等效的无月球影响的冷空观测数据，与2.73k相匹配，结合热源观测数据和热源温度遥测数据，计算得到基准通道定标系数。
19.作为上述方法的一种改进，所述基准通道定标系数包括基准通道定标方程的截距a0和斜率系数b0，满足下式：
[0020][0021][0022]rw，0
＝f
plank
(tw dt
w，0
)
[0023]rsp，0
＝f
plank
(t
sp
dt
sp，0
)
[0024]
其中，c
w，0
为基准通道的热源观测计数值，c
sp，0
为基准通道的冷空观测计数值，r
w，0
为基准通道的热源辐射；r
sp，0
为基准通道的冷空观测辐射，f
plank
()表示普朗克函数，tw为星上热源温度，通过遥测获取，t
sp
为冷空温度，dt
w，0
，dt
sp，0
分别为基准通道的热源和冷源带宽订正项，根据发射前仿真计算得到。
[0025]
作为上述方法的一种改进，所述基于五个通道的冷空观测辐射的传递关系，将基准通道含有月球影响的冷空观测辐射用于其他通道定标，从而实现通道间交叉定标，并计算得到各通道定标系数；具体包括：
[0026]
基于五个通道的冷空观测辐射的传递关系，根据基准通道含有月球影响的冷空观测辐射t
sp，moon，0
得到第ch个非基准通道的冷空观测辐射r
sp，ch
为：
[0027]rsp，ch
＝f
plank
(t
sp，moon，0
dt
sp，ch
)
[0028]
其中，f
plank
()表示普朗克函数，ch＝1，2，...，4，dt
sp，ch
为第ch个非基准通道的冷
源带宽订正项，根据发射前仿真计算得到；
[0029]
根据下式得到第ch个非基准通道的热源辐射r
w，ch
为：
[0030]rw，ch
＝f
plank
(tw dt
w，ch
)
[0031]
其中，tw为星上热源温度，通过遥测获取；dt
w，ch
为第ch个非基准通道的热源带宽订正项，根据发射前仿真计算得到；
[0032]
根据下式得到第ch个非基准通道定标方程的截距a
ch
和斜率项系数b
ch
：
[0033][0034][0035]
其中，c
w，ch
为第ch个非基准通道的热源观测计数值，c
sp，ch
为第ch个非基准通道的冷空观测计数值。
[0036]
与现有技术相比，本发明的优势在于：
[0037]
1、本发明的方法可以有效减小通道间的相对辐射偏差，提高遥感数据的应用效果；
[0038]
2、本发明的方法利用地外目标作为媒介，完成大气水汽吸收通道间的相对辐射定标；
[0039]
3、针对星载微波大气探测以水汽吸收通道特点，本发明提出一种在轨基于月球观测数据的通道间交叉定标方法，基于基准通道建立各通道的辐射传递关系，这样可以使183ghz附近水汽吸收通道辐射定标结果不确定性趋于一致，提高其资料在数值天气预报同化应用中的数据使用效率和效果。
附图说明
[0040]
图1是现有技术在轨定标流程；
[0041]
图2是本发明的基于月球观测的微波水汽吸收通道交叉定标方法流程图；
[0042]
图3是月球进入冷空观域示意图；
[0043]
图4是月球进入冷空观域后冷空观测计数值得变化；
[0044]
图5是稳态约束条件下冷空观测计数值的推算。
具体实施方式
[0045]
根据风云三号a/b/c三颗卫星微波大气探测载荷在轨辐射定标的应用经验，围绕在轨辐射定标这个困扰星载毫米波大气湿度探测资料定量化应用的核心技术问题，本技术提出利用星载毫米波辐射计在轨对月球观测不存在大气水汽影响的特点，通过风云卫星毫米波大气湿温探测仪在轨月球观测数据，发展在轨毫米波水汽吸收通道间相对辐射定标技术。
[0046]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0047]
实施例1
[0048]
如图2所示，本发明的实施例1提供了一种基于月球观测的微波水汽吸收通道交叉定标方法。
[0049]
1、月球进入微波辐射计冷空观域轨道预报技术
[0050]
依托国家卫星气象中心风云三号地面业务系统，利用现有月球轨道预报业务算法，以风云三号c星微波湿温探测仪为基准仪器坐标系，着重解决仪器安装矩阵在轨校验、卫星姿态补偿、扫描拖曳参数化等研究内容，准确计算月球在仪器冷空观域瞬时视场(fov)中出现的时间和相对位置，据此从历史及实时数据中提取含有月球信息的冷空观测数据，建立月球观测数据集。
[0051]
2、基准通道筛选及辐射精校准技术
[0052]
风云三号卫星微波大气探测载荷水汽吸收通道中心频点设置如表1，与目前国际上气象卫星的通道设置一致。基于在轨月球进入冷空观域的数据进行相对定标时需要优选线性度和稳定性最好的通道作为基准通道，而后根据月球观测亮温，完成其他通道向基准通道的相对标定。首先通过卫星发射前的真空试验数据，分析计算所有通道的非线性因子，再结合冷空、热源以及通道在轨灵敏度及增益变化与工程遥测数据的响应关系，建立通道品质复合解析模型，确定最优基准通道。基准通道确定后，其入瞳处的辐射与相同中心频点的其它吸收通道相等，经天馈系统耦合修正后得到由基准通道传递过来的各通道月球辐射测量值。
[0053]
表1大气水汽探测通道参数
[0054][0055]
3、基准通道辐射计算技术
[0056]
基准通道辐射计算包含定标系数计算和目标亮温计算2部分。月球只影响到冷空的定标中的冷空观测数据，对热源数据和对地观测数据没有影响。所以在确定扫描线定标系数时，只需要还原没有月球影响时的冷空观测数据即可。此时通过稳态数据约束，可以得到没有月球影响时的冷空观测数据，计算得到定标系数，然后根据业务定标流程计算得到地气系统目标亮温。定标计算公式如下：
[0057]
t
ch
＝t
0，ch
δt
ch
[0058][0059][0060]
r0＝a
ch
(t
inst
)
×
c b
ch
(t
inst
)
[0061]
其中，t
ch
，t
0，ch
，δt
ch
分别为通道亮温，通道线性亮温，通道非线性亮温订正。
[0062]en，ch
，n＝0，1，2，ch＝1，...5为通道非线性亮温订正系数；t
int
为仪器温度；r0为通
道线性定标辐射值，a
ch
，b
ch
为通道定标系数，c为通道观测计数值；为普朗克函数的反函数。
[0063]
定标系数计算公式如下：
[0064][0065][0066]rw，ch
＝f
plank
(tw dt
w，ch
)
[0067]rsp，ch
＝f
plank
(t
sp
dt
sp，ch
)
[0068]
其中，tw为星上热源温度，通过遥测获取；c
w，ch
为热源观测计数值(5个/帧)；t
sp
为冷空温度，一般为2.73k，有月球影响时的冷空温度不再是2.73k需要通过基准通道建模计算得到后交叉传递到其它通道；c
sp，ch
为冷空观测计数值(3个/帧)；dt
w，ch
，dt
sp，ch
为冷热源带宽订正项，根据发射前仿真计算得到；r
w，ch
为热源辐射；r
sp，ch
为冷空辐射。
[0069]
从而得到基准通道定标系数包括基准通道定标方程的截距a0和斜率系数b0，满足下式：
[0070][0071][0072]rw，0
＝f
plank
(tw dt
w，0
)
[0073]rsp，0
＝f
plank
(t
sp
dt
sp，0
)
[0074]
其中，c
w，0
为基准通道的热源观测计数值，c
sp，0
为基准通道的冷空观测计数值，r
w，0
为基准通道的热源辐射；r
sp，0
为基准通道的冷空观测辐射，f
plank
()表示普朗克函数，tw为星上热源温度，通过遥测获取，t
sp
为冷空温度，dt
w，0
，dt
sp，0
分别为基准通道的热源和冷源带宽订正项，根据发射前仿真计算得到。
[0075]
基于五个通道的冷空观测辐射的传递关系，根据基准通道含有月球影响的冷空观测辐射t
sp，moon，0
得到第ch个非基准通道的冷空观测辐射r
sp，ch
为：
[0076]rsp，ch
＝f
plank
(t
sp，moon，0
dt
sp，ch
)
[0077]
其中，f
plank
()表示普朗克函数，ch＝1，2，...，4，dt
sp，ch
为第ch个非基准通道的冷源带宽订正项，根据发射前仿真计算得到；
[0078]
根据下式得到第ch个非基准通道的热源辐射r
w，ch
为：
[0079]rw，ch
＝f
plank
(tw dt
w，ch
)
[0080]
其中，tw为星上热源温度，通过遥测获取；dt
w，ch
为第ch个非基准通道的热源带宽订正项，根据发射前仿真计算得到；
[0081]
根据下式得到第ch个非基准通道定标方程的截距a
ch
和斜率项系数b
ch
：
[0082]
[0083][0084]
其中，c
w，ch
为第ch个非基准通道的热源观测计数值，c
sp，ch
为第ch个非基准通道的冷空观测计数值
[0085]
4、水汽吸收通道间辐射定标
[0086]
辐射定标就是要确定星载微波辐射计水汽吸收通道观测计数值转换成目标辐射亮温的函数关系，当代国际上毫米波大气探测载荷都是通过观测宇宙背景(2.72548k)和内黑体(280k)来实现在轨辐射定标，但两点无法解决非线性定标。月球的光谱半球辐射为常数(kieffer，1997)，太阳-卫星-月球之间的位置关系，以及由于月球轨道偏心率、自转轴和绕地球转动轨道面法线有6～7度交角而形成的天平动等因素决定了到达辐射计天线入瞳处月球辐射通量的差异，极端情况下从没有月球的2.72548k冷空，到最强时0.5
°
视场角的月球(表面温度最高可达400k)完全进入扫到冷空观域1.1
°
波束宽度、大于95％主波束效率的天线主波束内最大甚至能产生超过150k接近200k的月球辐射测量值。经耦合修正后将基准通道的辐射传递到了其它通道，这样就得到各通道对月观测计数值和月球辐射量的匹配数据，根据对匹配数据的统计分析，可以得到从计数值到辐射量的响应函数关系，实现基于月球观测的辐射定标，只是此时数据的动态范围集中在200k以下的低端。
[0087]
技术效果
[0088]
1.减小通道间辐射相对偏差
[0089]
通过步骤1-4可以得到183ghz附近一组5个水汽吸收通道的定标系数，因为是基于基准通道得到的各通道辐射定标系数，通道间的辐射偏差大为降低，可以通过o-b来监测分析。
[0090]
2.提高水汽吸收通道同化数据有效性改善同化效果
[0091]
通道间辐射偏差的减小，提高了183ghz水汽吸收通道同化应用的效率和效果。更多的数据可以通过质量检控，进入数值预报系统，提高同化数据量，同时也提升了同化效果。
[0092]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。