基于一维综合孔径微波辐射计的大气海洋环境参数敏感性分析

相比于实孔径微波辐射计,一维综合孔径微波辐射计具有高空间分辨率和多入射角观测特点。本文提出采用观测频率为6.9,10.65,18.7,23.8和36.5 GHz,且入射角范围为0°~65°的一维综合孔径微波辐射计遥感大气海洋环境要素。基于构建的微波大气海洋辐射传输正演模型,分析了辐射计亮温对大气海洋环境要素的敏感性,为辐射计关键指标确定和大气海洋环境要素反演算法设计提供技术支撑。结果表明：一维综合孔径微波辐射计的垂直和水平极化亮温对大气海洋环境要素的敏感性表现出不同特性,且敏感性随入射角的改变而变化显著;6.9和10.65 GHz对海面温度的敏感性较大,且随着入射角的增大,垂直极化亮温的敏感性增大,水平极化亮温的敏感性减小;10.65和18.7 GHz对海面风速的敏感性相对较大,且敏感性最大的风速区间位于10~20 m/s;23.8 GHz对大气水汽含量最敏感,且水汽含量较低、入射角较大时,敏感性越大;36.5 GHz对云液态水含量最敏感,随着入射角的增大,垂直极化亮温的敏感性减小,水平极化的敏感性增大,但两者均在液态水含量较小时表现出较大的敏感性。     

海面盐度卫星遥感的大气影响仿真

海面盐度是描述海洋的重要参量之一,基于星载微波辐射计的海面盐度探测也是海洋遥感研究的重要内容.在影响盐度遥感的误差中,大气是重要的影响因素.在辐射传输理论的基础上,仿真计算了大气透射率和上、下行辐射随地面大气温度、压强和辐射计入射角的变化关系,进而得到大气对接收辐射亮温的影响.仿真结果表明,大气对盐度遥感的影响很大,但当地面大气温度和压强精度分别达到2℃和1000 Pa时,可以消除大气的影响.     

环境参数对L波段盐度计观测亮温的影响研究

星载海洋盐度计依据海表面盐度在微波波段的辐射特性,通过构建海面微波辐射探测器,利用海面辐射亮温、海表面粗糙度以及海面温度等信息反演得到海表面盐度,是实现全球海洋盐度观测的有效手段。构建合理的星载L波段盐度计辐射传输正演模型是准确定量反演海表盐度的基础,卫星盐度计观测亮温不仅与卫星固有参数有关,还与海洋、大气及空间因素密切相关。为了研究外界环境因素(海表盐度、温度、海面风场、海面气压、海表气温、大气水汽含量、降雨以及法拉第旋转角等)对盐度计观测亮温的影响,文中基于L波段盐度计辐射传输正演模型以及MPM93大气毫米波传播模型,通过敏感性分析,研究星载盐度计在不同环境条件下的参数敏感性,为减小外界因素对海表盐度反演精度的不利影响提供理论依据。     

基于星载微波辐射计的海洋大气参数反演算法研究

利用3个辐射传输模式对无冰无降水情况下的星载微波辐射计亮温测量进行仿真研究,通过模拟计算结果与同步卫星数据之间的比较分析,确定了用于反演算法研究的前向模式;利用该模式,提出了基于物理的星载微波辐射计海洋大气参数(包括海面风速、海表温度、大气垂直积分水汽量以及积分液态水量)多重线性回归算法。     

HY-2微波辐射计降雨条件下海面风速反演算法研究

由于降雨改变了海洋-大气的辐射/散射特性,长期以来星载遥感器在降雨条件下进行海面风速信息提取存在困难。本文针对自主海洋动力环境卫星海洋2号（HY-2）搭载的扫描微波辐射计,分析了不同频段亮温对降雨和海面风速敏感性,自此基础上获得了一种对降雨不敏感的亮温通道组合,该亮温通道组合对海面风速的敏感性甚至高于原有亮温通道。本文利用该亮温通道组合建立了降雨条件下的风速反演算法,并将反演结果与WindSat全天候风速产品、HY-2微波辐射计原有风速产品以及浮标实测数据进行了比较。结果表明本文算法在降雨条件下的反演误差小于2m/s,明显优于原有HY-2微波辐射计风速产品,验证了本文发展的算法在降雨条件下的风速反演能力。     

基于星载微波辐射低频双极化通道观测数据的微波辐射传输模型

微波辐射传输方程是海洋-大气微波遥感的理论基础,本文基于晴空条件下AMSR-E 10.7GHz水平与垂直极化亮温数据,将平静海面的亮温观测结果与4种海水相对电容率模型和2种大气水汽吸收模型的计算结果进行比较,确定了海水相对电容率模型与水汽吸收模型,基于上述模型和实测亮温数据反演了风致各项同性海面发射率,其与已有的经验模型结果基本一致,由此建立了星载微波辐射传输模型;利用建立的辐射传输模型计算亮温与AMSR-E观测亮温分别反演了海表面温度与海表面风速,验证了所建微波传输模型的有效性。本文的研究结果可为星载微波辐射计亮温定标、海洋地球物理参数提取奠定基础。     

外定标中海面参数对发射率影响研究

星载微波辐射计外定标的关键问题是通过辐射传输方程计算天线入瞳处亮温。根据辐射传输方程,海面成份对亮温的影响包括海面的微波辐射和对下行大气辐射的反射,其中的关键参数分别为海面发射率ep和海表面反射率R。文中对平静海面Fresnel反射率模式和粗糙海面反射率模式进行了研究分析,在此基础上着重研究了海面温度TS、海面盐度SS、海面风速W、以及观测角度θ等物理参数对海面发射率ep的影响,进而分析了这些物理参数的测量误差对亮温的计算精度的影响。     

大气对微波散射计回波信号衰减的修正方法研究

为了使微波散射计测得的海面后向散射具有足够的精度，必须考虑大气对微波衰减的影响。大气对微波的衰减可以用微波射计来测定。本文将估算晴空、云和降雨天气下的衰减系，讨论计算海面发射率及用微波辐射计剩余亮温估算散射计工作频率下大气衰减的方法。     

HY-2卫星扫描微波辐射计数据反演北极海冰漂移速度

本文基于最大互相关法,利用海洋二号（HY-2）卫星扫描微波辐射计37 GHz通道多时相垂直极化亮温数据,获取了北极海冰漂移速度。采用2012年和2013年国际北极浮标计划海冰现场观测数据,对利用微波辐射计亮温资料反演的冬季北极海冰漂移速度进行了定量验证,结果表明:流速和流向均方根误差分别为1.12 cm/s和16.37°,从一定程度上说明了HY-2卫星扫描微波辐射计亮温数据反演海冰漂移速度的可行性。此外,使用美国国防气象卫星F-17搭载的专用微波成像仪91 GHz通道垂直极化亮温,采用高斯拉普拉斯滤波方法进行处理,结合最大互相关法反演的海冰漂移速度,优于法国海洋开发研究院海冰漂移速度产品。     

红外和微波辐射计反演海表面温度的比较

介绍了红外辐射计和微波辐射计测量海表面温度的原理，分析了它们各自在反演海表面温度时的差异。在全球范围的海表面温度的遥感蛉测中，红外辐射计和微波辐射计的遥感精度受到多种因素影响。传感器本身的噪音、算法反演精度、传感器分辨率、搭载卫星的全球覆盖率等自身因素使辐射计的探测资料产生差别：大气状况、海面风速、测量海洋不同深度海水的表征温度等外界因子也同时影响着红外辐射计和微波辐射计的遥感精度。了解红外波段和微波波段的辐射计在各方面的优劣，有助于发挥各自特长，有效提高卫星监测海表面温度的精度。     

Sea surface temperature retrieval based on simulated microwave polarimetric measurements of a one-dimensional synthetic aperture microwave radiometer

Compared with traditional real aperture microwave radiometers, one-dimensional synthetic aperture microwave radiometers have higher spatial resolution. In this paper, we proposed to retrieve sea surface temperature using a one-dimensional synthetic aperture microwave radiometer that operates at frequencies of 6.9 GHz, 10.65 GHz,18.7 GHz and 23.8 GHz at multiple incidence angles. We used the ERA5 reanalysis data provided by the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts and a radiation transmission forward model to calculate the model brightness temperature. The brightness temperature measured by the spaceborne one-dimensional synthetic aperture microwave radiometer was simulated by adding Gaussian noise to the model brightness temperature.Then, a backpropagation(BP) neural network algorithm, a random forest(RF) algorithm and two multiple linear regression algorithms(RE1 and RE2) were developed to retrieve sea surface temperature from the measured brightness temperature within the incidence angle range of 0°–65°. The results show that the retrieval errors of the four algorithms increase with the increasing Gaussian noise. The BP achieves the lowest retrieval errors at all incidence angles. The retrieval error of the RE1 and RE2 decrease first and then increase with the incidence angle and the retrieval error of the RF is contrary to that of RE1 and RE2.     

基于一维综合孔径微波辐射计的海面温度反演研究

Due to the low spatial resolution of sea surface temperature(T_S) retrieval by real aperture microwave radiometers,in this study, an iterative retrieval method that minimizes the differences between brightness temperature(T_B)measured and modeled was used to retrieve sea surface temperature with a one-dimensional synthetic aperture microwave radiometer, temporarily named 1 D-SAMR. Regarding the configuration of the radiometer, an angular resolution of 0.43° was reached by theoretical calculation. Experiments on sea surface temperature retrieval were carried out with ideal parameters; the results show that the main factors affecting the retrieval accuracy of sea surface temperature are the accuracy of radiometer calibration and the precision of auxiliary geophysical parameters. In the case of no auxiliary parameter errors, the greatest error in retrieved sea surface temperature is obtained at low T_S scene(i.e., 0.710 6 K for the incidence angle of 35° under the radiometer calibration accuracy of0.5 K). While errors on auxiliary parameters are assumed to follow a Gaussian distribution, the greatest error on retrieved sea surface temperature was 1.330 5 K at an incidence angle of 65° in poorly known sea surface wind speed(W)(the error on W of 1.0 m/s) over high W scene, for the radiometer calibration accuracy of 0.5 K.     

用蒙特卡洛方法研究海洋盐度遥感误差

海洋的盐度观测对于气候和海洋科学的研究有重要的意义,盐度的卫星遥感观测需要估计各种因素带来的误差影响。本文基于海面微波辐射理论和海水相对电容率等模型,采用蒙特卡洛模拟方法研究了在盐度遥感中温度误差、仪器误差以及风速误差对于后续的盐度反演的影响。通过计算温度误差产生的盐度误差,并与敏感性方法的对比发现,在低温低盐时温度误差对盐度反演误差的影响较大,2种方法的偏差较大;而在高温高盐时温度误差对盐度反演误差的影响较小,2种方法的偏差较小。辐射计仪器噪声对盐度误差的影响普遍在0.1psu以上,在低温低盐时可达0.5psu以上。风速误差对盐度反演误差的影响在水平极化状态下随入射角增大,在温度低于20℃时普遍超过1psu;在垂直极化状态下随入射角先减小后增大,在温度低于20℃以及较小的入射角下误差也会超过1psu。对误差的综合分析发现,采用垂直极化状态在高温时这2种误差的影响较小。研究发现,当入射角是45.6°和垂直极化状态下,对于3种典型海面状态(35℃和35psu,20℃和35psu,5℃和30psu),反演的盐度反演误差可达到0.162,0.153和0.444psu,达到了卫星单次扫描对盐度反演的误差要求。     

A study on retrieval algorithms in oceanic passive microwave remote sensing using 1.4 GHz and 10.7 GHz bands

To retrieve sea-surface salinity (SSS) from radiometer data at 1.4 GHz, auxiliary data of sea-surface temperature (SST), surface roughness and meteorological variables are needed. The authors study oceanic passive polarimetric microwave remote sensing using 1.4 GHz and 10.7 GHz bands. A set of algorithms are developed for 1.4 GHz and 10.7 GHz microwave polarimetric radiometer at 50° incidence angle to retrieve wind vector, as well as other geophysical parameters, such as SSS, SST, atmospheric volumes of water vapor and liquid water. Idealized retrievals are conducted using 2324 simulated brightness temperatures of full Stokes parameters at 1.4 GHz and 10.7 GHz. Results indicate that SSS, SST, sea-surface wind speed, direction, atmospheric volumes of water vapor and liquid water can be inversed at the same time. This suggests an alternative way for SSS remote sensing.     

SMAP卫星辐射计在中国近海及沿岸的RFI特征分析

射频干扰RFI(Radio-Frequency Interference)的校正和抑制一直是微波遥感研究领域的重要问题之一。本文基于SMAP卫星2015年5月1日至5日L波段辐射计亮温数据对中国近海及沿岸的射频干扰进行了特征分析。研究发现RFI分布不均匀,主要集中在城市群及其周边地区;通过对比辐射计天线接收的亮温数据与射频干扰校正和抑制后的数据,发现研究区域主要的射频干扰(95%)的平均值为1.4 K,整体射频干扰平均值为2.5 K,标准差为6.5;研究区域中不同波段和极化的数据受到射频干扰影响较为相似,受射频干扰影响最大的是升轨的垂直极化数据,受影响最小的是升轨的水平极化数据。     

Radiometric observations of sea temperature at 2.65 GHZ over the chesapeake bay

The present work describes the various corrections necessary in order to deduce ocean surface temperature fromS-band microwave radiometer measurements and applies these results to a series of data obtained with a high absolute accuracy radiometer. Measurements made with a 2.65 GHz radiometer from an aircraft flown over the Chesapeake Bay area are presented and compared in detail with accurately obtained sea truth data. For the calm sea, it was found that the observed brightness temperature agreed well with that calculated from the known sea surface and atmospheric properties over a fairly wide range of surface salinity values (0.2 per mille to 25 per mille). For cases where the surface wind speeds are of the order of 7 to 15 knots, an excess brightness temperature was observed which is attributable to surface roughness and microscale surface disturbances. The excess brightness temperature dependence on wind speed was found to correlate to a certain extent with the rms wave slope dependence on wind speed.