李恩晨，賀 平，蘇興華

(上海航天測控通信研究所，上海 201109)

基于風(fēng)云三號MWTS的地表比輻射率反演

李恩晨，賀 平，蘇興華

(上海航天測控通信研究所，上海 201109)

針對地表比輻射率反演，提出基于氧氣二窗口頻率下的反演方法。以am大氣模型為基礎(chǔ)，結(jié)合風(fēng)云三號微波溫度探測儀(MWTS)的掃描特性，推導(dǎo)出基于其二窗口頻率下的地表比輻射率公式。運用Matlab對地表比輻射率進行仿真，仿真結(jié)果反映了地表的陸海特性。

am大氣模型；地表比輻射率；微波遙感；MWTS；反演

0 引言

地表比輻射率不僅是實現(xiàn)微波輻射資料直接同化的重要參數(shù)，也是陸地區(qū)域大氣溫濕廓線反演時需要的基本物理量[1-2]。文獻[3]表明，各種地表類型的比輻射率受地表溫度影響較小，而地表的含水量對各種地表的比輻射率影響要大得多，因此針對地表比輻射率的反演變化可推測地表的濕度信息。國內(nèi)外對地表比輻射率的計算做過大量的研究，Grody[4]針對MSU氧氣吸收帶上相關(guān)通道的探測資料，提出了適用于50.30 GHz、53.74 GHz、54.96 GHz和57.97 GHz通道地表微波輻射率的統(tǒng)計反演算法，結(jié)果表明頻率越低反演結(jié)果越好。

隨著星載被動微波遙感儀器從掃描多通道微波輻射計(SSMR)、專用微波成像儀(SSM/I)、微波輻射計(SSM/T)、微波探測儀(MSU)、高級微波探測器(AMSU)發(fā)展到微波輻射儀(TMI)和改進型微波掃描輻射計(AMSR-E)，除了建立地表比輻射率模式外，利用星載被動微波遙感資料反演大范圍地表微波輻射率一直是研究的熱點之一[5-7]。

地表的比輻射率值是由地表的介電常數(shù)特性所決定的，同時與頻率密切相關(guān)。因而為簡化正向算法復(fù)雜性，地表比輻射率的遙感選取相近的窗口頻點進行。風(fēng)云三號C星的細化通道中，在氧氣線低端的三個通道:50.3 GHz、51.76 GHz和52.8 GHz很適合其要求，可以近似認(rèn)為3個頻點下的比輻射率值一樣，通過同時測定同一區(qū)域的微波輻射亮溫，建立比輻射率聯(lián)立方程，可相對精確地反演出地表微波比輻射率值。

1 am大氣模型分析

am大氣模型[8-9]是由SAO(Smithsonian Astrophysical Observatory)亞毫米波接收實驗室編制的一款計算大氣傳輸輻射的專用工具，適用于微波、毫米波、亞毫米波和THz波段的譜分析，以及路徑輻射、吸收和飽和深度等參數(shù)計算。am首先作為空間天文觀察應(yīng)用來計算地球大氣的影響，在Mauna Kea(美夏威夷)等多個項目中得到很好的應(yīng)用。am的方法是基于靜態(tài)大氣分層理論進行C語言編程，并結(jié)合HITRAN數(shù)據(jù)庫[10]譜線參數(shù)進行逐線、逐層計算仿真，具有高的分辨率和精度。am的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 am基本結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出，背景輻射B(υ,T0)經(jīng)各層大氣后，由am計算而得到相應(yīng)頻率下的普朗克亮溫Tb(υ)和瑞利亮溫TR-J(υ),同時可計算出各層的光深τ(υ)、透過率t(υ)和路徑時延L(υ)等特性參數(shù)信息。

作為基礎(chǔ)性的模型分析工具，只要知道目標(biāo)特性以及路徑中的大氣參數(shù)，利用am仿真工具，則可分析出各種狀態(tài)下的大氣以及目標(biāo)特性。

按照am基本的大氣模型設(shè)置，對于天基大氣層外對地遙感，其普朗克亮溫可表示為：

Tb={ε(f)Ts+[1-ε(f)]Ta(θ,f)↓}τ(θ,f)+Ta(θ,f)↑。

(1)

式中，Tb為衛(wèi)星觀察的亮溫；Ts為地表溫度；ε(f)為地表輻射率；Ta(θ,f)↓和Ta(θ,f)↑分別為大氣向下和向上輻射亮溫值；τ(θ,f)為大氣透過率。

2 三頻點下微波地表比輻射率驗算

在地球大氣環(huán)境中，O2含量相對穩(wěn)定且含量較高，特征譜線及其邊帶展寬效應(yīng)形成其獨特的遙感譜線圖。天基某一狀態(tài)下的特征譜線如圖2所示。

圖2 天基遙感O2通道譜線

由圖2可以看出，50.3GHz處于窗口頻點，51.76GHz和52.8GHz均處于2個吸收峰中間。對于地表特性遙感探測，大氣H2O輻射強度改變是不得不考慮的問題，但是相對O2要弱得很多，離譜線中心越近，影響越小。以模型M2(Mid-latitudesummer：中緯度夏季)、天頂角直射為例，在地表溫度一定的情況下，通過改變大氣模型中參數(shù)設(shè)置，尤其是表層1km和2km內(nèi)的大氣參數(shù)：溫度改變±10K，大氣濕度改成RH100(即100%濕度)，分別用am模型計算對應(yīng)3個頻點下(T1對應(yīng)50.3GHz亮溫，T2對應(yīng)51.76GHz亮溫，T3對應(yīng)52.8GHz亮溫)的亮溫值，并就其結(jié)果按照式(1)建立的聯(lián)立方程，最終通過Matlab仿真得到的結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 e與T1-T2關(guān)系曲線

圖4 e與T2-T3關(guān)系曲線

從圖3和圖4中可以看出，表面發(fā)射率與相對頻點通道亮溫差呈線性關(guān)系，并且模型參數(shù)中的隨意改變(尤其是H2O含量改變)對其相對應(yīng)差值變化很小。由此可以認(rèn)為，利用其任意2個頻點遙感數(shù)據(jù)，通過解聯(lián)立方程可獲取比輻射率值。該方法是遙感反演地表比輻射率的一種最為簡潔實用方法，并且可用第3個頻點亮溫值進行大氣模型修正，可得到更好的效果。另外，由于陸地表面的表面比輻射率值在0.5～1之間，比較圖3和圖4可以看出，利用通道2和通道3則更加合適。

3 MWTS特性描述及正向模型推導(dǎo)

結(jié)合式(1)可以看出，Ta(θ,f)↓、Ta(θ,f)↑和τ(θ,f)均與θ有關(guān)，因此必須在特定入射角下建立正演模型及其公式推導(dǎo)，由此需結(jié)合工程在軌實際狀態(tài)進行。

風(fēng)云三號衛(wèi)星是我國自主研制的新一代極軌氣象衛(wèi)星，微波溫度計(MWTS[11])是風(fēng)云三號衛(wèi)星研制的重要有效載荷。在軌運行時，MWTS采用機械掃描方式，天線視場垂直于飛行軌跡方向做圓周步進掃描，掃描周期為16 s，采取步進駐留的運行方式，每個掃描周期天線波束在15個地球觀測點、一個冷空觀測點和一個熱定標(biāo)源觀測點駐留720 ms。天線從起始掃描位置(位置0)開始，每次步進6.9°，依次掃過位置0，位置1，位置2，…，位置14，共得到15個對地觀測點，對地掃描圖如圖5所示。

圖5 風(fēng)云三號MWTS在軌掃描方式

此外，根據(jù)風(fēng)云三號載荷數(shù)據(jù)協(xié)議，數(shù)據(jù)起始點從M1(Tropical：熱帶)區(qū)開始，風(fēng)云三號衛(wèi)星繞地球運行一周所得的一軌數(shù)據(jù)交替經(jīng)歷了全部5種大氣模型區(qū)域(M1(Tropical：熱帶)、M2(Mid-latitude summer：中緯度夏季)、M3(Mid latitude winter)、M4(Subarctic summer：高緯度夏季)和M5(Subarctic winter：高緯度冬季))。針對不同的區(qū)域和對地觀察角度，就每種大氣模型，均需應(yīng)用am大氣模型仿真，進行正演公式推算。

下面僅給出針對M1大氣模型特性下，推演出的地表輻射率計算公式：

ε=(51.340256-0.632×T2+0.488×T1)/12.834656，

ε=(50.7636-0.63×T2+0.486×T1)/12.2472，

ε=(51.0417888-0.624×T2+0.478×T1)/12.0501888，

ε=(51.3264552-0.613×T2+0.464×T1)/11.6901552，ε=(51.35324-0.596×T2+0.445×T1)/11.13924，

ε=(51.365241-0.573×T2+0.419×T1)/10.323741，

ε=(51.3459816-0.543×T2+0.384×T1)/9.2370816，

ε=(50.465681-0.502×T2+0.341×T1)/7.788781。

上述公式分別適合于天線掃描角0°，6.9°，13.8°，…，48.3°。

4 風(fēng)云三號MWTS數(shù)據(jù)地表比輻射率反演驗算

選取風(fēng)云三號C星2014年12月4日-0024一軌遙感數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)反演和分析：從國家衛(wèi)星氣象中心所得的一級數(shù)據(jù)可知其對應(yīng)衛(wèi)星軌跡及其星下點經(jīng)緯度，其數(shù)據(jù)起始點M1區(qū)，依次經(jīng)由M2-M4-M2-M1-M3-M5-M3，最后再回到M1共9個區(qū)。數(shù)據(jù)反演中需將整個數(shù)據(jù)分成15×9個區(qū)間分別計算，最后再整合成一軌幅圖。

經(jīng)過反演的對比圖如圖6所示。其中，圖6(a)是衛(wèi)星氣象中心所給出的圖片，圖6(b)和圖6(c)分別是第1通道和第2通道亮溫數(shù)據(jù)對應(yīng)圖，圖6(d)是經(jīng)聯(lián)立方程所得的地表比輻射率反演圖。

圖6 地表比輻射率反演及其對比

經(jīng)仿真分析，基本可分清陸地與海洋的基本狀況，尤其是在極地冰川區(qū)域表現(xiàn)出很強的地表輻射率特性，也能很強烈地得出海島和陸海分界線。從反演結(jié)果來看，可以得出地表的比輻射率值分布。

5 結(jié)束語

利用星載被動微波遙感反演大范圍地表微波輻射率一直是遙感研究的熱點。本文從大氣模型出發(fā)，用其中2個通道數(shù)據(jù)反演其地表比輻射率特性，為反演地表輻射率提供一個簡潔實用方法，并結(jié)合風(fēng)云三號C星數(shù)據(jù)給出了反演初步結(jié)果。

然而，由于沒有最新的大氣模型數(shù)據(jù)，其5種大氣模型參數(shù)仍采用20世紀(jì)90年代MODTRAN Report數(shù)據(jù)，因而其反演結(jié)果不盡完美。在整合的比輻射率反演圖中，模式過渡帶很明顯，可以看出其地表輻射率的跳變痕跡。同時，MWTS采取的各個不同掃描角方式，在正演公式推導(dǎo)過程中，也加重了不確定性誤差。所有這些均是未來需改進的地方，并逐漸采用第三通道特性對大氣模型中H2O影響進行修正。

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李恩晨 男，(1987—)，碩士研究生。主要研究方向：微波遙感。

蘇興華 男，(1966—)，研究員。主要研究方向：微波、毫米波和THz遙感系統(tǒng)工程。

Land Surface Emissivity Inversion Based on FY-3 MWTS

LI En-chen,HE Ping,SU Xing-hua

(ShanghaiSpaceflightInstituteofTT&CandTelecommunication,Shanghai201109,China)

In order to inverse the land surface emissivity,a method based on oxygen absorption line window is proposed.Based on the am (atmospheric model) and combined with the scanning performance of FY-3 MWTS (Microwave Temperature Sounding),the land emissivity formula is derived.Matlab simulation results show the characteristics of the land and ocean.

am atmospheric model;land emissivity;microwave remote sensing;MWTS;inversion

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.11

李恩晨,賀 平,蘇興華.基于風(fēng)云三號MWTS的地表比輻射率反演[J].無線電工程,2017,47(3):43-46.

2016-12-13

TP722.6

A

1003-3106(2017)03-0043-04