星载微波散射计的在轨定标技术现状及展望

星载微波散射计通过测量海面不同方位向的后向散射系数反演出海面的风速和风向,为了满足测量精度要求,必须对其进行在轨定标.本文总结了现有微波散射计的在轨定标技术,包括有源定标器法、陆地自然目标法、海洋目标法和星星交叉定标法;然后分析了每种定标方法的优缺点;最后,描述了现有定标方法适用扇形波束体制散射计和笔形波束圆锥扫描体制散射计的特性.     

星载微波散射计的研究现状及发展趋势

介绍了美国宇航局(NASA)和欧空局(ESA)星载微波散射计传感器的类别、特点以及发展历程,详细描述了星载散射计海面风矢量在大洋环流、海洋大气交互作用、中短期极端天气状况预报等领域的应用以及散射计分辨率增强数据在极地海冰制图、监测、分类、陆地植被参数反演等方面的应用,展望星载散射计研究在全天候、全天时、高时间分辨率、高空间分辨率等提高观测能力方向的发展趋势,最后简述国内星载散射计神州4号(SZ 4)散射计(CN/SCAT)和海洋卫星2号(HY 2)散射计的特点及研究现状。     

星载微波散射计高分辨率σ~0图像重构方法研究

针对我国海洋二号卫星微波散射计(HaiYang-2Scatterometer,HY2-SCAT)数据存在的空间分辨率较低、无法满足对于地球冰冻圈、生物圈探测需求的问题,以其数据拓展应用为目标,开展了微波散射计高分辨率后向散射系数(σ0)图像重构技术仿真研究。采用仿真的方法实现并对比了AART(Additive Algebraic Reconstruction Technique)、MART(Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique)、SIR(Scatterometer Image Reconstruction)3种分辨率增强的图像重构算法,得出了AART算法没有噪声抑制能力、MART算法噪声抑制能力较弱、SIR算法具有较强的噪声抑制能力,能更好地重构图像,达到分辨率增强效果的结论。然后采用HY2-SCAT测量L1B数据对结论进行了验证,重构了岛屿的地貌特征,得到了分辨率增强、细节丰富、边界清晰的重构图像;重构后的图像还可以应用于植被、冰盖和台风观测等地球地理学研究领域。     

CFOSAT散射计几何定位验证与精度初步评估

采用STK软件对中法海洋卫星（CFOSAT）散射计几何定位算法进行了验证。针对CFOSAT散射计扇形波束扫描观测体制,分别就扇形波束扫描散射计几何定位原型算法、包含天线安装误差的完整几何定位算法利用STK进行了详细验证。结果表明了CFOSAT扇形波束散射计几何定位算法的准确性,与STK几何定位结果偏差在100 m以内。在此基础上,结合有源定标器实验数据,对CFOSAT实际观测数据几何定位参数进行了校正,给出了CFOSAT散射计几何定位精度的初步评估。     

基于星载宽刈幅散射计的海面舰船目标检测方法与识别

针对全球海面舰船目标检测的需求,结合宽刈幅与方位高分辨的需求,提出了一种基于星载宽刈幅散射计的海面舰船目标检测方法。该方法使用扇形波束旋转扫描散射计,发射宽带线性调频信号,对回波信号进行方位高分辨,海面目标二维检测,得到舰船的多次观测信息。使用方位角、多普勒频率、高分辨距离像等观测数据,计算船长、船速、与卫星运动方向夹角,并对舰船类型进行初步分类识别,实现辅助检测的功能。仿真结果表明：该方法能够实现对海面舰船的检测,得到有效的舰船信息,具备辅助检测的能力,对未来星载雷达海面舰船目标检测与识别提供了可实现的路径。     

RFSCAT散射计数据地理定位与误差分析

星载微波散射计是目前唯一能够同时测量海面风速和风向的传感器,在海洋科学研究中发挥着重要作用。散射计获取的地物后向散射只有经过地理定位才能得到包含地物位置信息的有效物理量。因此,散射计地理定位是数据预处理的重要组成部分,与遥感数据的质量密切相关。扇形波束旋转扫描散射计具备扇形固定波束散射计和笔形波束旋转扫描散射计的优势,目前还没有实现在轨运行。基于其工作方式的特殊性,详细分析了该散射计的扫描方式,给出了一种适用于该散射计的地理定位方法,得到了最终的定位结果。然后分析了影响定位结果的误差源,讨论了卫星姿态对于定位结果的影响情况,最终利用HY\|2卫星产品评价了该地理定位算法的相对精度指标。     

海洋二号有效载荷微波散射计数据处理系统的设计

海洋二号有效载荷微波散射计是由中科院空间中心研制的一种星载微波遥感器。它采用笔型波束圆锥扫描脉冲体制,主要用来测量海面风矢量,具有广泛的应用需求。着重介绍了散射计的数据处理系统的功能、结构及部分实验结果。     

Ku波段成像散射计后向散射系数精度分析

成像微波散射计是增加了成像功能的新型散射计系统,其后向散射系数的测量精度仍然是系统的关键指标.根据成像微波散射计的系统特点,提出了基于FFT对信号与噪声进行同时测量的数字处理系统,推导了适用于衡量成像散射计后向散射系数测量精度的归一化标准差Kp .对于不同观测条件下的Kp 进行了公式描述及数值仿真.得出不同区域和不同目标观测情况下如何配置系统参数的结论,并落实到成像散射计系统的性能分析中,对如何折衷设计性能参数并在实验过程中获取最佳试验结果进行理论指导.     

基于斜侧视圆周扫描的近场微波成像算法

针对传统小角度转台成像对大转角目标不能很好聚焦这一问题,研究了基于斜侧视圆周扫描的近场转台成像系统,提出了一种近场大转角成像算法,采用角度域卷积运算,可以快速得到目标的散射点分布,并能够进行很好的聚焦。本文根据点扩散函数给出了圆周扫描成像系统的分辨率计算公式,并推导了频率域和角度域的采样间隔。最后通过仿真和实验结果对该算法进行验证,结果表明该算法具有近场成像的能力,且能够得到高质量高分辨率的目标像。     

用微波辐射资料确定加拿大草原区的雪水当量

加拿大与美国进行融雪径流研究的目的是对利用被动微波资料制作区域雪盖图的实用性进行评价。机载伽玛射线和地面雪测量能够为机载和卫星(雨云—7SMMR)被动微波测量系统的改进提供雪水当量值的“地面实况”。机载测量系统适合于干雪;用37GHz的垂直偏振亮温度资料进行统计分析可达到对雪水当量值的最佳估计。用没有树木覆盖地区的SMMR资料验证了机载测量系统,雪水当量的分布与伽玛射线以及地面测量得到的结果具有很好的一致性,可以清楚地识别湿雪,但却得不到雪水当量(SWE)值。研究表明,对于区域雪盖分析,被动遥感资料是很有用的。     

我国微波遥感现状及前景

分析比较了遥感技术中使用的可见光、红外和微波遥感器的特点,介绍了微波遥感理论研究内容和我国的研究现状,叙述了我国机载合成孔径侧视雷达、机载微波辐射计、机载微波散射计、机载海洋雷达高度计的研制和应用状况,指出目前我国机载微波遥感器已基本达到实用水平,并且在生产建设、科学研究和防灾减灾中发挥出作用。列出了国际主要对地观测卫星装载遥感器的情况,从中看出微波遥感器在对地观测中日益增强的作用,建议国家对微波遥感的研究和应用加强统一领导,加强机载实用运行、陆基实验、微波遥感理论研究,以确保早日实现我国自己的星载微波遥感。     

基于积雪调查数据的东北地区被动微波积雪遥感产品精度验证与分析

积雪遥感数据产品可以提供积雪的时空分布信息,是积雪监测的重要数据源。对现有的不同遥感产品进行精度验证和对比分析,明确其适用范围,有利于积雪数据产品的进一步发展和应用。为验证积雪产品在东北地区的适用性,以中国积雪特性及分布调查项目为依托,精心设计野外实验,观测了东北地区25 km典型样方和积雪线路调查数据,验证了在阔叶林和农田两种下垫面下,FY-3B雪深产品、AMSR-2雪深产品、GlobSnow雪水当量产品在东北地区的反演精度。结果表明:GlobSnow雪水当量产品精度最高,不区分下垫面的情况下,最大偏差和均方根误差分别为10.87 cm和12.53 cm。考虑下垫面的影响,GlobSnow雪水当量产品和FY-3B雪深产品在两种下垫面下的雪深反演精度差别很小,偏差和均方根误差的差值小于2.11 cm和3.46 cm,AMSR-2积雪产品在两种下垫面下反演精度差别很大,两种下垫面下偏差和均方根误差的差值大于9.94 cm和7.19 cm。对于3种积雪产品,下垫面为农田的雪深反演精度均高于下垫面为阔叶林的反演精度。     

基于积雪调查数据的东北地区被动微波积雪遥感产品精度验证与分析

积雪遥感数据产品可以提供积雪的时空分布信息,是积雪监测的重要数据源。对现有的不同遥感产品进行精度验证和对比分析,明确其适用范围,有利于积雪数据产品的进一步发展和应用。为验证积雪产品在东北地区的适用性,以中国积雪特性及分布调查项目为依托,精心设计野外实验,观测了东北地区25 km典型样方和积雪线路调查数据,验证了在阔叶林和农田两种下垫面下,FY-3B雪深产品、AMSR-2雪深产品、GlobSnow雪水当量产品在东北地区的反演精度。结果表明：GlobSnow雪水当量产品精度最高,不区分下垫面的情况下,最大偏差和均方根误差分别为10.87 cm和12.53 cm。考虑下垫面的影响,GlobSnow雪水当量产品和FY-3B雪深产品在两种下垫面下的雪深反演精度差别很小,偏差和均方根误差的差值小于2.11 cm和3.46 cm,AMSR-2积雪产品在两种下垫面下反演精度差别很大,两种下垫面下偏差和均方根误差的差值大于9.94 cm和7.19 cm。对于3种积雪产品,下垫面为农田的雪深反演精度均高于下垫面为阔叶林的反演精度。     

基于AR模型的多普勒散射计回波功率谱估计

当采样点数少或流速较小时,采用周期图法估计的多普勒散射计(Doppler scatterometer, DopSCAT)回波功率谱分辨率低,多普勒频移提取精度低。对此,提出了一种基于自回归(autoregressive, AR)模型的DopSCAT回波功率谱估计方法。该方法为DopSCAT回波信号建立含有未知参数的AR模型,采用赤池信息量准则自适应确定模型的最优阶数;对定阶后的AR模型采用Burg算法计算模型参数,利用得到的AR模型估计回波功率谱;对功率谱进行峰值检测提取多普勒频移计算径向流,采用两个观测方位向的径向流合成得到海面流场。利用OSCAR海流数据进行了回波功率谱估计与海流反演实验。分析结果表明,与周期图法相比,该方法能够显著提高回波功率谱分辨率和多普勒频移的提取精度,进而提高了海流的反演精度。     

基于积雪调查数据的东北地区被动微波积雪遥感产品精度验证与分析

积雪遥感数据产品可以提供积雪的时空分布信息，是积雪监测的重要数据源。对现有的不同遥感产品进行精度验证和对比分析，明确其适用范围，有利于积雪数据产品的进一步发展和应用。为验证积雪产品在东北地区的适用性，以中国积雪特性及分布调查项目为依托，精心设计野外实验，观测了东北地区25 km典型样方和积雪线路调查数据，验证了在阔叶林和农田两种下垫面下，FY-3B雪深产品、AMSR-2雪深产品、GlobSnow雪水当量产品在东北地区的反演精度。结果表明：GlobSnow雪水当量产品精度最高，不区分下垫面的情况下，最大偏差和均方根误差分别为10.87 cm和12.53 cm。考虑下垫面的影响，GlobSnow雪水当量产品和FY-3B雪深产品在两种下垫面下的雪深反演精度差别很小，偏差和均方根误差的差值小于2.11 cm和3.46 cm，AMSR-2积雪产品在两种下垫面下反演精度差别很大，两种下垫面下偏差和均方根误差的差值大于9.94 cm和7.19 cm。对于3种积雪产品，下垫面为农田的雪深反演精度均高于下垫面为阔叶林的反演精度。     

FY-3A气象卫星大气垂直探测仪器数据几何位置匹配试验

随着卫星搭载的有效载荷数目的增加,卫星数据种类也不断增加,利用有限的数据资源获得多种卫星或多种仪器遥感数据源的信息,可以增强对目标物的检测与识别能力,提高卫星遥感应用的精度、范围和效率。以风云三号气象卫星L1级模拟数据为基础,用建立匹配查找表的方法进行红外分光计、微波温度计、微波湿度计三个大气垂直探测仪器的数据几何位置匹配技术研究,把三个仪器的观测资料统一匹配到红外分光计的观测格点上,并对匹配前后的资料进行了分析。匹配结果表明,当微波湿度计观测资料匹配到与其分辨率相差不大的红外分光计格点上时,其探测资料的精度损失不大,基本上保持了原有分辨率上观测资料的数据分布信息。而当微波湿度计观测资料匹配到与其分辨率相差较大的微波温度计格点上时(从15km分辨率匹配到50km分辨率上),总的数据信息损失不大,只有一些较细致的数据纹理信息有所损失,匹配后的观测资料为卫星大气垂直探测提供了良好的数据基础。     

干涉式被动微波成像技术

近年来,大气、海洋和陆地土壤水分遥感的应用对被动微波遥感器的空间分辨率提出了越来越高的要求。但是传统的微波辐射成像技术在分辨率达到一定高度时,由于波束在每个分辨像元的驻留时间越来越短,以致对辐射亮温的测量分辨率产生了影响,这就使得采用传统扫描成像技术来提高空间分辨率的技术路径成为不可能。文章较为详细地综述了近年来发展起来的一种新的微波辐射成像技术--干涉式被动微波成像技术（或称为综合孔径微波辐射成像技术）。在阐述其原理时,采用了新颖的切入点,从被观测目标的空间频谱特征和如何对其进行采样入手,试图从另一个角度揭示干涉式辐射成像技术的基本原理,并使其更加系统化。在介绍实际的成像系统时,将重点放在二维成像系统上,其中时钟扫描成像方式和伪极网格图像反演方法是作者最新的研究成果。     

风云三号微波湿度计遥感图像地理定位方法

风云三号（FY-3）微波湿度计采用45°天线绕轴旋转形成垂直于卫星飞行轨迹的360°连续变速圆周扫描方式。依据这种扫描几何,给出了适用于风云三号微波湿度计遥感图像地理定位的方法,定义了完善的坐标系及坐标系转换关系,根据微波湿度计观测几何、卫星空间位置和姿态、仪器空间位置和指向建立了天线观测矢量与地面位置之间关系的模型。风云三号微波湿度计遥感图像地理定位方法在风云三号地面应用系统业务运行中,对微波湿度计遥感图像地理定位精度达到了像元级。     

NASA系列雪参数反演算法在单像元内的时间序列验证与分析

NASA系列算法(Chang,NASA96和Foster算法)是被动微波遥感反演雪深、雪水当量的简单、实用的经验算法,并经过了很多学者大范围的算法验证和改进。为了进一步评价NASA系列算法在东北地区的时空适用性,于长春净月潭区域选定了一个以农田和森林为主的10km×10km被动微波遥感混合像元,在时间上连续观测整个干雪期(2014年12月至次年2月)的积雪参数和气象数据,结合FY3B卫星搭载的微波成像仪(MWRI)亮温数据,对NASA系列算法精度进行了评价分析。结果表明:对于雪深的反演,Chang算法和NASA 96算法前期反演效果较好,后期随着时间的推进高估雪深的趋势愈加明显。由于考虑了森林覆盖率的影响,NASA 96算法的反演精度更高。两种算法最大高估值分别是24.46和14.62cm,这是因为期间雪性质不断变化,尤其是雪粒径不断增大的缘故。Foster算法也严重高估了雪水当量,可能是由于积雪类型的分类系统未必适合于东北地区的积雪特征。本文的积雪连续观测数据为认识东北地区的积雪特性奠定了基础,对算法的时间序列验证与分析为雪参数反演算法的进一步改进提供了可靠依据。     

非降水条件下微波辐射计海面风遥感产品性能分析

通过对5种微波辐射计SSM/I、SSM/IS、TMI、AMSR\|E和WINDSAT以及2种微波散射计ASCAT和QUIKSCAT多年的海面风产品同浮标同步的实测资料进行数据匹配处理,再对匹配后的数据进行数据分析和统计。研究结果表明:微波辐射计遥感海面风的性能在1 m/s左右,可以满足绝大多数应用的需求。微波辐射计的低频海面风产品性能优于中频产品,但是中频数据地面分辨率高,建议在近海应用中使用中频产品,在大洋应用中使用低频产品。就不同微波辐射计而言,AMSR\|E和WINDSAT性能较优,SSM/I和SSM/IS性能较差,TMI则处于中等水平。微波辐射计测量风速的性能与微波散射计相比处于同一水平,但在高风速段微波辐射计有一定优势。微波辐射计中仅全极化微波辐射计WINDSAT具有测量海面风向的能力,在低风速段,WINDSAT测量海面风向的性能远远不及微波散射计,只有风速超过6 m/s时,WINDSAT提供的海面风向数据才能符合应用的需求。当风速超过8 m/s后,WINDSAT遥感海面风向的能力就和微波散射计基本一致。在此基础上,提出了强风条件下深入研究的必要性,并对浮标测风存在的问题做出了初步的分析并指出了改进的方向。
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