王蕊，史順文，陸文

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

1 引 言

地表及大氣微波輻射的功率譜分布、輻射強度、極化狀態(tài)等與物體本身的物理特性密切相關，微波輻射計通過對目標物的輻射強度及輻射特征進行測量，可獲取地表及大氣的多種信息，實現(xiàn)對地氣系統(tǒng)物理參數(shù)的遙感探測。

目標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個平均量，在微波遙感領域，一般將前兩個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)微波輻射計測量目標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。極化微波輻射計在傳統(tǒng)微波輻射計的基礎上增加了對于電磁波第3、第4 Stokes參數(shù)亮溫的測量。能夠測量3個Stokes參數(shù)的輻射計稱為多極化微波輻射計，能夠測量所有4個Stokes參數(shù)的輻射計則稱為全極化微波輻射計。

在繼承了傳統(tǒng)雙極化輻射計優(yōu)點的基礎上，全極化微波輻射計除對海水鹽度、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)境要素進行觀測外，其創(chuàng)新之處在于實現(xiàn)了海面風場、海面溫度等參數(shù)的被動遙感探測。全極化微波輻射計作為新一代微波遙感儀器，探測對象多、信息量大，可以與紅外和可見光探測互為補充，共同構(gòu)成天基對地觀測平臺系統(tǒng)。和其他微波遙感儀器相比，全極化微波輻射計具有多通道、被動無源、全天候、立體探測等特點，可提供海洋、大氣、陸地相關的多種產(chǎn)品。

本文在介紹全極化微波輻射探測原理及相關技術的基礎上，基于星載全極化微波輻射計windSat的實測數(shù)據(jù)，進行了以海面風場、海面溫度為代表的環(huán)境參數(shù)反演實驗，并在改進海面風向反演精度方面進行了嘗試。

2 全極化微波輻射探測技術

2.1 目標微波輻射的全極化描述

(1)

(2)

在(v,h)平面±45°上的輻射強度可寫為：

(3a)

左旋(L)和右旋(R)極化的輻射強度可寫為：

(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，它們之間的關系見圖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 全極化微波輻射測量技術

極化輻射計系統(tǒng)的研制與極化輻射測量理論研究是同步展開的。自上世紀80年代起，世界上開始了對極化微波輻射計的研制。第一臺機載極化微波輻射計NAMR是前期蘇聯(lián)空間探測研究所(IKI)研制的[2]，NAMR配備了觀測第3 Stokes參數(shù)亮溫的通道。上世紀90年代后，美國也加入了極化微波輻射計的研制，一度走在世界的前列。美國喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology，GIT)[3]和丹麥技術大學(Danmarks Tekniske Universitet，DTU)[4]研制了第一臺成像極化輻射計。為了給星載全極化輻射計WindSat升空提供大量機載試驗驗證，美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)研制了機載全極化微波輻射計WINDRAD[5]。與此同時，芬蘭赫爾辛基理工大學(Teknillinen Korkeakoulu，TKK)在Ka波段極化輻射計的研制上也取得了成功[6]。

在機載試驗的基礎上，世界上一個星載全極化微波輻射計WindSat，由美國海軍研究實驗室(Naval Research Laboratory，NRL)研制，于2003年1月6日搭乘Coriolis衛(wèi)星發(fā)射升空，成功驗證了全極化微波輻射計被動遙感海面風場的理論[7]。WindSat的首要任務是測量海面風矢量，其設計和地面亮溫數(shù)據(jù)的處理都是針對此任務來實施的。但作為第一個全極化參量微波輻射計，WindSat得到關于測量目標全極化的信息也可以用來對海洋、陸地、海冰和大氣等許多領域的物理參數(shù)進行測量。之后歐空局土壤濕度與鹽度觀測計劃(Soil Moisture and Ocean Salinity，SMOS)上搭載的輻射計MIRAS[8]，以及NASA和阿根廷航天局合作項目“水瓶座”(Aquarius)海水鹽度遙感衛(wèi)星上搭載的輻射計都配備了L波段極化通道[9]，用于鹽度遙感的法拉第旋轉(zhuǎn)校正。鹽度計雖然以海水鹽度遙感為主要使命，但從廣義上說還是極化微波輻射計的一種形式。由于極化輻射計的主要研究時間還短，不同類型之間的優(yōu)點和局限仍然在研究中，所以在檢測T3和T4參數(shù)時，目前沒有哪一種接收機類型優(yōu)勢最明顯。

國內(nèi)對全極化微波輻射計及其應用的研究開始于20世紀90年代中期，解放軍理工大學氣象海洋學院和中國科學院空間科學與應用研究中心等單位及時跟蹤國際上該領域的研究動向，從1995年開始，在863計劃的支持下，開展了具有相關測量能力的微波輻射計的研制[10]，此后在國家“十一五”計劃和“十二五”計劃的連續(xù)支持下，開展了全極化微波輻射計定標方法[11-12]、模擬仿真、數(shù)據(jù)處理及資料應用等一系列的研究[13-14]。中國航天科技集團504所也對全極化微波輻射計系統(tǒng)開展了大量的研究。

3 環(huán)境參數(shù)反演技術

3.1 海面風場反演技術

海面風場探測包括海面風速探測和海面風向探測兩個方面。其中，海面風速探測主要利用海面發(fā)射率與風成海面粗糙度之間的關系，風速越高，海面粗糙度越大，導致海面發(fā)射率增大，從而引起微波輻射計觀測亮溫的增大。海面風向探測主要利用風成海面發(fā)射率的各向異性與相對風向角(海面風向與觀測方向之間的夾角)存在對應關系，該關系表現(xiàn)為微波輻射計觀測亮溫隨相對風向角的周期性變化。

輻射亮溫分布隨相對風向角的變化，即風成海面發(fā)射率隨相對風向角的變化，該變化在4個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是相對風向角，當φ=0°(180°)時即為逆風(順風)，諧波系數(shù)γ1和γ2是風速的函數(shù)。同時第3Stokes分量T3和第4 Stokes分量T4的諧波滿足正交特性(圖2)，可以用來實現(xiàn)對風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，海面風速分別為2m/s、10m/s和20m/s的背景場條件下，10GHz交叉極化通道觀測亮溫隨海面風向的變化情況如圖2所示。

圖2 10GHz交叉極化通道亮溫隨海面風向的變化(實線表示第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，即使海面風速達到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數(shù)量級，所以進行海面風向測量的極化微波輻射計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量精度和定標精度。

海面風場反演一般需構(gòu)建全極化微波輻射正演模型，采用基于物理統(tǒng)計的最大似然估計法對海面風向進行估計，再利用中值濾波等方法對估計風場進行去模糊處理，得到海面風場反演的最終結(jié)果。

3.2 海面溫度反演技術

微波輻射亮溫是觀測目標輻射強度的一種表示形式。根據(jù)Plank定律，溫度為T的黑體，其輻射強度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。假設地表的發(fā)射輻射強度為Iλ，則亮溫TB定義為發(fā)射輻射強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與實際溫度T之間的關系為TB=εT，ε是物體的比輻射率。因此微波輻射計測量亮溫與海面溫度間存在對應關系(圖4)，選擇對海面溫度敏感的窗區(qū)頻段，即可實現(xiàn)海面溫度遙感探測。海面上空水汽含量為30mm，海面上空云水含量為0.1mm，風速為8m/s，相對風向為45°的背景場條件下，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，第1類是經(jīng)驗反演模型，第2類是物理反演模型。經(jīng)驗反演模型是通過使用大量衛(wèi)星遙感和浮標等同步測量數(shù)據(jù)獲得經(jīng)驗反演公式[16]：

(8)

物理反演模型即物理統(tǒng)計法，反演基于物理輻射傳輸模式(physical radiative transfer model，RTM)進行，RTM包含一般包含大氣和海面兩個部分，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、海面風速、海面風向、海水鹽度等相關的海面發(fā)射率模式等。進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、海面風場修正、鹽度修正[17]等。

3.3 反演算法可行性驗證

通過WindSat數(shù)據(jù)處理技術組(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、定位、極化旋轉(zhuǎn)校正等預處理后的傳感器亮溫，EDR為對應于SDR觀測點的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，主要包含晴空條件下海面風矢量產(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)水總量和降水強度等。為了驗證本文海面風場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08128)起，將近6軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)中無降水區(qū)海面數(shù)據(jù)進行研究，涉及的海面區(qū)域見圖4。

圖4 軌道掃描位置示意圖

海面溫度和海面風速反演采用經(jīng)驗反演模型，反演公式采用式(9)的構(gòu)造形式，其中，下標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)見表1，海面風向反演采用最大似然估計法進行。

(9)

表1 海面溫度和海面風速反演系數(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海面風場產(chǎn)品進行對比分析，其中WindSat和QSCAT兩顆衛(wèi)星間采用60分鐘的時間窗口和25公里的空間窗口進行數(shù)據(jù)匹配。圖5和圖6分別是海面溫度和海面風速反演結(jié)果與衛(wèi)星產(chǎn)品的對比散點圖，圖中對角線為x=y對比線，圖中絕大多數(shù)數(shù)據(jù)點分布于x=y對比線附近，海面溫度、海面風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)品對比

圖6 海面風速反演結(jié)果與QSCAT產(chǎn)品對比

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

圖7 海面風場反演結(jié)果與QSCAT產(chǎn)品對比

3.4 風向精度提高技術

事實上，全極化微波輻射計交叉極化通道測量的亮溫T3和T4除了隨海面風向的不同而發(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，而后者對于海面風矢量的反演來說是一種干擾因素。為了消除其他物理因素的影響，在此設計一個修正函數(shù)f(TS,V,L)：

f=a0+a1V+a2L+a3VL+a4TS

+a5TSV+a6TSL

(10)

在利用最大似然算法進行海面風向反演前，將T3和T4加上該函數(shù)，可以達到大氣和海面修正的效果。實驗區(qū)采用的修正函數(shù)系數(shù)見表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場反演結(jié)果。綜合統(tǒng)計6軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演結(jié)果，使用修正后的T3和T4進行海面風向反演，可使反演誤差減小5°～10°，在風速小于8m/s的情況下為28.7°，在風速大于等于8m/s的情況下為18.4°，風矢量分布情況也與QSCAT產(chǎn)品更加接近。

圖8 修正后的海面風場反演結(jié)果

4 結(jié)束語

作為一個新興事物，全極化微波輻射計已經(jīng)顯示了其比傳統(tǒng)雙極化輻射計更加強大的觀測地球海洋、大氣、地表的能力。由于全極化微波輻射計的研究主要開始于十多年前，許多技術還不夠成熟，還存在一些科學問題和關鍵技術有待解決和完善。比如高精度的輻射測量技術、全天候條件下海面風場反演技術、輻射計資料應用等許多方面均有待進一步研究。在目前階段，全極化微波輻射計可以與散射計相互配合，兼顧對海面高風速和低風速的測量要求。從發(fā)展趨勢上，它有可能取代目前所采用的微波散射計測量海面風場，成為天基平臺上重要的對地觀測載荷。開展相應的預先研究，對我國贏得衛(wèi)星對地遙感主動權具有重要意義。

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