王蕊，史順文，陸文

(1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，南京 211101；2.解放軍理工大學(xué) 指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院，南京 211101)

1 引 言

地表及大氣微波輻射的功率譜分布、輻射強(qiáng)度、極化狀態(tài)等與物體本身的物理特性密切相關(guān)，微波輻射計(jì)通過(guò)對(duì)目標(biāo)物的輻射強(qiáng)度及輻射特征進(jìn)行測(cè)量，可獲取地表及大氣的多種信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)地氣系統(tǒng)物理參數(shù)的遙感探測(cè)。

目標(biāo)物的電磁輻射特征可用斯托克斯(Stokes)參數(shù)表示。Stokes參數(shù)是一組描述電磁波輻射特性的4個(gè)平均量，在微波遙感領(lǐng)域，一般將前兩個(gè)Stokes參數(shù)稱為垂直極化參數(shù)和水平極化參數(shù)(或稱為正交極化參數(shù))，將后兩個(gè)Stokes參數(shù)稱為第3和第4 Stokes參數(shù)(或稱為交叉極化參數(shù))。傳統(tǒng)微波輻射計(jì)測(cè)量目標(biāo)微波輻射的垂直極化和水平極化分量，也稱為雙極化微波輻射計(jì)。極化微波輻射計(jì)在傳統(tǒng)微波輻射計(jì)的基礎(chǔ)上增加了對(duì)于電磁波第3、第4 Stokes參數(shù)亮溫的測(cè)量。能夠測(cè)量3個(gè)Stokes參數(shù)的輻射計(jì)稱為多極化微波輻射計(jì)，能夠測(cè)量所有4個(gè)Stokes參數(shù)的輻射計(jì)則稱為全極化微波輻射計(jì)。

在繼承了傳統(tǒng)雙極化輻射計(jì)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，全極化微波輻射計(jì)除對(duì)海水鹽度、海冰覆蓋、土壤濕度、大氣水汽含量、降雨率等[1]地球大氣圈的環(huán)境要素進(jìn)行觀測(cè)外，其創(chuàng)新之處在于實(shí)現(xiàn)了海面風(fēng)場(chǎng)、海面溫度等參數(shù)的被動(dòng)遙感探測(cè)。全極化微波輻射計(jì)作為新一代微波遙感儀器，探測(cè)對(duì)象多、信息量大，可以與紅外和可見(jiàn)光探測(cè)互為補(bǔ)充，共同構(gòu)成天基對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)。和其他微波遙感儀器相比，全極化微波輻射計(jì)具有多通道、被動(dòng)無(wú)源、全天候、立體探測(cè)等特點(diǎn)，可提供海洋、大氣、陸地相關(guān)的多種產(chǎn)品。

本文在介紹全極化微波輻射探測(cè)原理及相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于星載全極化微波輻射計(jì)windSat的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了以海面風(fēng)場(chǎng)、海面溫度為代表的環(huán)境參數(shù)反演實(shí)驗(yàn)，并在改進(jìn)海面風(fēng)向反演精度方面進(jìn)行了嘗試。

2 全極化微波輻射探測(cè)技術(shù)

2.1 目標(biāo)微波輻射的全極化描述

(1)

(2)

在(v,h)平面±45°上的輻射強(qiáng)度可寫(xiě)為：

(3a)

左旋(L)和右旋(R)極化的輻射強(qiáng)度可寫(xiě)為：

(3b)

(4)

其中，C為比例系數(shù)。TBv和TBh分別表示垂直極化亮溫和水平極化亮溫，T45和T-45分別表示+45°線極化亮溫和-45°線極化亮溫，TL和TR分別表示左旋和右旋圓極化亮溫，它們之間的關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 垂直極化水平極化、±45°線極化、左右旋圓極化亮溫

2.2 全極化微波輻射測(cè)量技術(shù)

極化輻射計(jì)系統(tǒng)的研制與極化輻射測(cè)量理論研究是同步展開(kāi)的。自上世紀(jì)80年代起，世界上開(kāi)始了對(duì)極化微波輻射計(jì)的研制。第一臺(tái)機(jī)載極化微波輻射計(jì)NAMR是前期蘇聯(lián)空間探測(cè)研究所(IKI)研制的[2]，NAMR配備了觀測(cè)第3 Stokes參數(shù)亮溫的通道。上世紀(jì)90年代后，美國(guó)也加入了極化微波輻射計(jì)的研制，一度走在世界的前列。美國(guó)喬治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology，GIT)[3]和丹麥技術(shù)大學(xué)(Danmarks Tekniske Universitet，DTU)[4]研制了第一臺(tái)成像極化輻射計(jì)。為了給星載全極化輻射計(jì)WindSat升空提供大量機(jī)載試驗(yàn)驗(yàn)證，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)研制了機(jī)載全極化微波輻射計(jì)WINDRAD[5]。與此同時(shí)，芬蘭赫爾辛基理工大學(xué)(Teknillinen Korkeakoulu，TKK)在Ka波段極化輻射計(jì)的研制上也取得了成功[6]。

在機(jī)載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，世界上一個(gè)星載全極化微波輻射計(jì)WindSat，由美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(Naval Research Laboratory，NRL)研制，于2003年1月6日搭乘Coriolis衛(wèi)星發(fā)射升空，成功驗(yàn)證了全極化微波輻射計(jì)被動(dòng)遙感海面風(fēng)場(chǎng)的理論[7]。WindSat的首要任務(wù)是測(cè)量海面風(fēng)矢量，其設(shè)計(jì)和地面亮溫?cái)?shù)據(jù)的處理都是針對(duì)此任務(wù)來(lái)實(shí)施的。但作為第一個(gè)全極化參量微波輻射計(jì)，WindSat得到關(guān)于測(cè)量目標(biāo)全極化的信息也可以用來(lái)對(duì)海洋、陸地、海冰和大氣等許多領(lǐng)域的物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。之后歐空局土壤濕度與鹽度觀測(cè)計(jì)劃(Soil Moisture and Ocean Salinity，SMOS)上搭載的輻射計(jì)MIRAS[8]，以及NASA和阿根廷航天局合作項(xiàng)目“水瓶座”(Aquarius)海水鹽度遙感衛(wèi)星上搭載的輻射計(jì)都配備了L波段極化通道[9]，用于鹽度遙感的法拉第旋轉(zhuǎn)校正。鹽度計(jì)雖然以海水鹽度遙感為主要使命，但從廣義上說(shuō)還是極化微波輻射計(jì)的一種形式。由于極化輻射計(jì)的主要研究時(shí)間還短，不同類(lèi)型之間的優(yōu)點(diǎn)和局限仍然在研究中，所以在檢測(cè)T3和T4參數(shù)時(shí)，目前沒(méi)有哪一種接收機(jī)類(lèi)型優(yōu)勢(shì)最明顯。

國(guó)內(nèi)對(duì)全極化微波輻射計(jì)及其應(yīng)用的研究開(kāi)始于20世紀(jì)90年代中期，解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院和中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心等單位及時(shí)跟蹤國(guó)際上該領(lǐng)域的研究動(dòng)向，從1995年開(kāi)始，在863計(jì)劃的支持下，開(kāi)展了具有相關(guān)測(cè)量能力的微波輻射計(jì)的研制[10]，此后在國(guó)家“十一五”計(jì)劃和“十二五”計(jì)劃的連續(xù)支持下，開(kāi)展了全極化微波輻射計(jì)定標(biāo)方法[11-12]、模擬仿真、數(shù)據(jù)處理及資料應(yīng)用等一系列的研究[13-14]。中國(guó)航天科技集團(tuán)504所也對(duì)全極化微波輻射計(jì)系統(tǒng)開(kāi)展了大量的研究。

3 環(huán)境參數(shù)反演技術(shù)

3.1 海面風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)

海面風(fēng)場(chǎng)探測(cè)包括海面風(fēng)速探測(cè)和海面風(fēng)向探測(cè)兩個(gè)方面。其中，海面風(fēng)速探測(cè)主要利用海面發(fā)射率與風(fēng)成海面粗糙度之間的關(guān)系，風(fēng)速越高，海面粗糙度越大，導(dǎo)致海面發(fā)射率增大，從而引起微波輻射計(jì)觀測(cè)亮溫的增大。海面風(fēng)向探測(cè)主要利用風(fēng)成海面發(fā)射率的各向異性與相對(duì)風(fēng)向角(海面風(fēng)向與觀測(cè)方向之間的夾角)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，該關(guān)系表現(xiàn)為微波輻射計(jì)觀測(cè)亮溫隨相對(duì)風(fēng)向角的周期性變化。

輻射亮溫分布隨相對(duì)風(fēng)向角的變化，即風(fēng)成海面發(fā)射率隨相對(duì)風(fēng)向角的變化，該變化在4個(gè)Stokes分量上都有表現(xiàn)，且可以用二次諧波模型逼近[15]：

ΔE=γ1cosφ+γ2cos2φ

(5)

其中，ΔE是海面發(fā)射率的變化量；φ是相對(duì)風(fēng)向角，當(dāng)φ=0°(180°)時(shí)即為逆風(fēng)(順風(fēng))，諧波系數(shù)γ1和γ2是風(fēng)速的函數(shù)。同時(shí)第3Stokes分量T3和第4 Stokes分量T4的諧波滿足正交特性(圖2)，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)向反演的去模糊處理。在海面溫度為290K，海面上空水汽含量為30mm，云水含量為0.1mm，海面風(fēng)速分別為2m/s、10m/s和20m/s的背景場(chǎng)條件下，10GHz交叉極化通道觀測(cè)亮溫隨海面風(fēng)向的變化情況如圖2所示。

圖2 10GHz交叉極化通道亮溫隨海面風(fēng)向的變化(實(shí)線表示第3 Stokes極化通道亮溫T3，虛線表示第4 Stokes極化通道亮溫T4)

由于海面風(fēng)向變化引起的微波輻射亮溫的變化幅度很小，如圖2所示，即使海面風(fēng)速達(dá)到20m/s，第3和第4 Stokes通道亮溫變化范圍在-2K～2K之間，比垂直極化和水平極化通道亮溫小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，所以進(jìn)行海面風(fēng)向測(cè)量的極化微波輻射計(jì)要具有很高的靈敏度和穩(wěn)定性，并且要求各極化通道有很高的輻射測(cè)量精度和定標(biāo)精度。

海面風(fēng)場(chǎng)反演一般需構(gòu)建全極化微波輻射正演模型，采用基于物理統(tǒng)計(jì)的最大似然估計(jì)法對(duì)海面風(fēng)向進(jìn)行估計(jì)，再利用中值濾波等方法對(duì)估計(jì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行去模糊處理，得到海面風(fēng)場(chǎng)反演的最終結(jié)果。

3.2 海面溫度反演技術(shù)

微波輻射亮溫是觀測(cè)目標(biāo)輻射強(qiáng)度的一種表示形式。根據(jù)Plank定律，溫度為T(mén)的黑體，其輻射強(qiáng)度Iλ定義為：

(6)

其中，c是光速(3×108ms-1)，h是Planck常量(6.626×10-34J)，k是Boltzmann常量(1.381×10-23JK-1)，λ(cm)是輻射波長(zhǎng)。假設(shè)地表的發(fā)射輻射強(qiáng)度為Iλ，則亮溫TB定義為發(fā)射輻射強(qiáng)度相同的黑體的溫度。在微波波段，基于Rayleigh Jeans近似λ?hc/kT，式(6)可簡(jiǎn)化為：

(7)

微波波段大多數(shù)物體的輻射率在0.9～0.95之間，根據(jù)Kirchhoff定律，亮溫TB與實(shí)際溫度T之間的關(guān)系為T(mén)B=εT，ε是物體的比輻射率。因此微波輻射計(jì)測(cè)量亮溫與海面溫度間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖4)，選擇對(duì)海面溫度敏感的窗區(qū)頻段，即可實(shí)現(xiàn)海面溫度遙感探測(cè)。海面上空水汽含量為30mm，海面上空云水含量為0.1mm，風(fēng)速為8m/s，相對(duì)風(fēng)向?yàn)?5°的背景場(chǎng)條件下，6.8GHz垂直極化和水平極化通道亮溫隨海面溫度的變化情況如圖3所示。

圖3 6.8GHz正交極化通道亮溫隨海面溫度的變化

目前的海面溫度反演模型可以分為兩大類(lèi)，第1類(lèi)是經(jīng)驗(yàn)反演模型，第2類(lèi)是物理反演模型。經(jīng)驗(yàn)反演模型是通過(guò)使用大量衛(wèi)星遙感和浮標(biāo)等同步測(cè)量數(shù)據(jù)獲得經(jīng)驗(yàn)反演公式[16]：

(8)

物理反演模型即物理統(tǒng)計(jì)法，反演基于物理輻射傳輸模式(physical radiative transfer model，RTM)進(jìn)行，RTM包含一般包含大氣和海面兩個(gè)部分，其中大氣部分包括水汽吸收模式、氧氣吸收模式和云水吸收模式等，海面部分包括與海面溫度、海面風(fēng)速、海面風(fēng)向、海水鹽度等相關(guān)的海面發(fā)射率模式等。進(jìn)行高精度的海面溫度反演，還包括入射角修正、大氣影響修正、海面風(fēng)場(chǎng)修正、鹽度修正[17]等。

3.3 反演算法可行性驗(yàn)證

通過(guò)WindSat數(shù)據(jù)處理技術(shù)組(Cal/Val Science Team)，獲得了JPL PO.DAAC(Physical Oceanography Distributed Active Archive Center)下發(fā)的2003年11月至2004年12月的WindSat傳感器數(shù)據(jù)SDR(Sensor Data Record)、環(huán)境數(shù)據(jù)EDR(Environmental Data Record)，數(shù)據(jù)版本TDR(Technical Data Report)為146AFBBDA。其中，SDR為定標(biāo)、定位、極化旋轉(zhuǎn)校正等預(yù)處理后的傳感器亮溫，EDR為對(duì)應(yīng)于SDR觀測(cè)點(diǎn)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，主要包含晴空條件下海面風(fēng)矢量產(chǎn)品，還包括其他產(chǎn)品如海面溫度、大氣柱中水汽總量、大氣柱中云液態(tài)水總量和降水強(qiáng)度等。為了驗(yàn)證本文海面風(fēng)場(chǎng)和海面溫度反演算法的可行性，選取從自2004年8月1日10：44：23(軌道號(hào)08128)起，將近6軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)中無(wú)降水區(qū)海面數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，涉及的海面區(qū)域見(jiàn)圖4。

圖4 軌道掃描位置示意圖

海面溫度和海面風(fēng)速反演采用經(jīng)驗(yàn)反演模型，反演公式采用式(9)的構(gòu)造形式，其中，下標(biāo)v、h分別代表垂直極化通道和水平極化通道，系數(shù)ai(i=1～10)見(jiàn)表1，海面風(fēng)向反演采用最大似然估計(jì)法進(jìn)行。

(9)

表1 海面溫度和海面風(fēng)速反演系數(shù)

將反演結(jié)果與WindSat EDR海面溫度產(chǎn)品和PO.DAAC提供的QSCAT level 2B海面風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析，其中WindSat和QSCAT兩顆衛(wèi)星間采用60分鐘的時(shí)間窗口和25公里的空間窗口進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配。圖5和圖6分別是海面溫度和海面風(fēng)速反演結(jié)果與衛(wèi)星產(chǎn)品的對(duì)比散點(diǎn)圖，圖中對(duì)角線為x=y對(duì)比線，圖中絕大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布于x=y對(duì)比線附近，海面溫度、海面風(fēng)速反演均方根誤差分別為0.9K、1.5m/s。

圖5 海面溫度反演結(jié)果與WindSat EDR產(chǎn)品對(duì)比

圖6 海面風(fēng)速反演結(jié)果與QSCAT產(chǎn)品對(duì)比

圖7(a)和圖7(b)分別是QSCAT海面風(fēng)矢量產(chǎn)品及海面風(fēng)矢量反演結(jié)果。為使風(fēng)場(chǎng)分布情況更加清晰，在此選取衛(wèi)星掃描的一段區(qū)域，并使用間隔為5的觀測(cè)點(diǎn)采樣結(jié)果進(jìn)行圖像顯示。圖中箭頭方向代表海面風(fēng)向，箭頭顏色及長(zhǎng)度代表海面風(fēng)速。與QSCAT產(chǎn)品相比，海面風(fēng)向反演均方根誤差在風(fēng)速小于8m/s的情況下為37.5°，在風(fēng)速大于等于8m/s的情況下為26.1°。

圖7 海面風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果與QSCAT產(chǎn)品對(duì)比

3.4 風(fēng)向精度提高技術(shù)

事實(shí)上，全極化微波輻射計(jì)交叉極化通道測(cè)量的亮溫T3和T4除了隨海面風(fēng)向的不同而發(fā)生變化以外，還受到大氣水汽含量V、云中液態(tài)水含量L、海面溫度TS等因素的干擾。因此，T3和T4不僅包含了海面風(fēng)矢量的信息，還包含了大氣和海洋的其他物理信息，而后者對(duì)于海面風(fēng)矢量的反演來(lái)說(shuō)是一種干擾因素。為了消除其他物理因素的影響，在此設(shè)計(jì)一個(gè)修正函數(shù)f(TS,V,L)：

f=a0+a1V+a2L+a3VL+a4TS

+a5TSV+a6TSL

(10)

在利用最大似然算法進(jìn)行海面風(fēng)向反演前，將T3和T4加上該函數(shù)，可以達(dá)到大氣和海面修正的效果。實(shí)驗(yàn)區(qū)采用的修正函數(shù)系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 第3和第4 Stokes極化通道亮溫修正系數(shù)

圖8為圖7所示區(qū)域上修正后的海面風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果。綜合統(tǒng)計(jì)6軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演結(jié)果，使用修正后的T3和T4進(jìn)行海面風(fēng)向反演，可使反演誤差減小5°～10°，在風(fēng)速小于8m/s的情況下為28.7°，在風(fēng)速大于等于8m/s的情況下為18.4°，風(fēng)矢量分布情況也與QSCAT產(chǎn)品更加接近。

圖8 修正后的海面風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

作為一個(gè)新興事物，全極化微波輻射計(jì)已經(jīng)顯示了其比傳統(tǒng)雙極化輻射計(jì)更加強(qiáng)大的觀測(cè)地球海洋、大氣、地表的能力。由于全極化微波輻射計(jì)的研究主要開(kāi)始于十多年前，許多技術(shù)還不夠成熟，還存在一些科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)有待解決和完善。比如高精度的輻射測(cè)量技術(shù)、全天候條件下海面風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)、輻射計(jì)資料應(yīng)用等許多方面均有待進(jìn)一步研究。在目前階段，全極化微波輻射計(jì)可以與散射計(jì)相互配合，兼顧對(duì)海面高風(fēng)速和低風(fēng)速的測(cè)量要求。從發(fā)展趨勢(shì)上，它有可能取代目前所采用的微波散射計(jì)測(cè)量海面風(fēng)場(chǎng)，成為天基平臺(tái)上重要的對(duì)地觀測(cè)載荷。開(kāi)展相應(yīng)的預(yù)先研究，對(duì)我國(guó)贏得衛(wèi)星對(duì)地遙感主動(dòng)權(quán)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] MEISSNER T，WENTZ F J.Ocean retrievals for WindSat：Radiative transfer model，algorithm，validation[C].In Proc.9th Spec.Meeting Microw.Radiometry Remote Sens.Appl.，2006.

[2] DZURA M S，ETKIN V S，KHRUPIN A S，et al.Radiometers-polarimeters：Principles of design and application for sea surface microwave emission polarimetry[C].Proceedings of the 1992 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium.New York：IEEE，1992：1432-1434.

[3] PIEPMEIER J R，GASIEWSKI A J.Polarimetric scanning radiometer for airborne microwave imaging studies[C].Geoscience and Remote Sensing Symposium，1996.IGARSS’96.’Remote Sensing for a Sustainable Future.’，International.IEEE，1996(2)：1120-1122.

[4] SKOU N B，LAURSEN S S.Polarimetric radiometer configurations：Potential accuracy and sensitivity[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，1999，37(5)：2165-2171.

[5] YUEH S H，WILSON W J，LI F K，et al.Polarimetric measurements of sea surface brightness temperatures using an aircraft K-band radiometer[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，1995，33(1)：85-92.

[6] LAHTINEN J，PIHLFLYCKT J，MONONEN I，et al.Fully polarimetric microwave radiometer for remote sensing[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing.2003，41(8)：1869-1878.

[7] GAISER P W，GERMAIN K M，TWAROG E M.WindSat spaceborne remote sensing of Ocean surface winds[J].OCEANS 2003 Proceedings，2003(1)：22-26.

[8] BARRé H M J P，DUESMANN B，KERR Y H.SMOS：The mission and the system[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2008，46(3)：587-593.

[9] VINE D M L，LAGERLOEF G S E，COLOMB F R，et al.Aquarius：An instrument to monitor sea surface salinity from space[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2007，45(7)：2040-2050.

[10] 董曉龍，吳季，姜景山.被動(dòng)微波遙感技術(shù)的新發(fā)展—綜合孔徑微波輻射計(jì)和全極化參量微波輻射計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2001，4 (23)：74-78.

[11] 王振占.海面風(fēng)場(chǎng)全極化微波輻射測(cè)量[D].中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心博士學(xué)位論文，2005.

[12] LU W，YAN W，HAN D，et al.Faraday rotation correction for passive microwave remote sensing from space[J].Radioengineering，2011，20(4)：839.

[13] 劉璟怡.全極化微波輻射計(jì)定標(biāo)和風(fēng)場(chǎng)反演若干問(wèn)題研究[D].中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心博士學(xué)位論文，2007.

[14] 嚴(yán)衛(wèi)，王蕊.全極化微波輻射計(jì)海面風(fēng)矢量敏感性分析[C].第四屆蘇皖兩省大氣探測(cè)、環(huán)境遙感與信息技術(shù)學(xué)術(shù)交流研討會(huì)，安慶.2007：157-159.

[15] WENTZ F J.Measurement of oceanic wind vector using satellite microwave radiometers[J].Geoscience and Remote Sensing，IEEE Transactions on，1992，30(5)：960-972.

[16] WENTZ F J.AMSR Ocean Algorithm，Remote Sensing System[M].RSS Tech.Report 110398.1999，version 2.

[17] MEISSNER T，WENTZ F.High quality sea surface temperature from the windsat radiometer：Algorithm and validation[C].IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium，2007：862-864.