HY-2衛(wèi)星掃描微波輻射計多通道分辨率匹配技術(shù)研究

黃 磊，周 武，李延民

（1.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；2.中國航天科工集團公司第五研究院西安分院，西安 710100）

HY-2衛(wèi)星掃描微波輻射計多通道分辨率匹配技術(shù)研究

黃 磊1，周 武1，李延民2

（1.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；2.中國航天科工集團公司第五研究院西安分院，西安 710100）

星載微波輻射計多通道海洋參數(shù)反演需要基于同一位置、同一分辨率的多通道觀測值，但由于星載微波輻射計設(shè)計的局限性，多通道觀測地面像元位置和分辨率均不同，因此運用多通道分辨率匹配技術(shù)統(tǒng)一觀測面元是掃描微波輻射計數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵技術(shù)，基于海洋二號（HY-2）衛(wèi)星掃描微波輻射計的成像原理和天線方向圖，模擬各通道天線方向圖在地面的投影，用Backus-Gilbert（BG）算法將高頻觀測亮溫重采樣到最低的低頻6.6 GHz通道的觀測位置和像元分辨率。結(jié)果表明，BG降低分辨率重采樣算法能得到很好的擬合效果，并且不另引入噪聲。

掃描微波輻射計；HY-2；分辨率匹配；BG算法

1 前言

被動微波輻射計能夠監(jiān)測海洋大范圍的變化，相對于主動微波遙感，其傳感器體積和功耗小，在沒有暴雨的情況下，儀器幾乎能全天候透過云層觀測海洋表面，是獲取大氣、海面和陸地等多領(lǐng)域環(huán)境信息的重要手段。但微波輻射計受自身系統(tǒng)的限制，其空間分辨率依賴于天線的尺寸，并與頻率相關(guān)，受衛(wèi)星有效載荷體積和重量的限制，星載微波輻射計無法配裝大型天線，不同的頻率的饋源共用一個反射面天線，導(dǎo)致各通道觀測的入射角度不同，對應(yīng)的地面觀測位置、覆蓋范圍和分辨率也不相同。在進行微波輻射計海洋參數(shù)反演時，需要用到多通道亮溫進行綜合計算，這要求多通道地面觀測位置和面元要一致，即將高分辨率的觀測結(jié)果降低到低分辨率的尺度，或者將低分辨率的觀測結(jié)果提高到高分辨率的尺度，前者會導(dǎo)致高分辨率通道的細(xì)節(jié)信息丟失，后者會引入大量的噪聲，降低觀測精度。由于海面溫度和海面風(fēng)場的觀測主要受低頻影響，且為了保證觀測的準(zhǔn)確性，所以星載微波輻射計多采用降低分辨率的多通道分辨率匹配技術(shù)進行地面像元重構(gòu)，將同一時刻所有通道的觀測值統(tǒng)一到同一位置和分辨率。

目前星載微波傳感器空間匹配算法主要有Backus和Gilbert提出的BG算法[1]、Sethmann的圖像反卷積技術(shù)等。其中BG算法廣泛應(yīng)用于國外的星載多通道掃描微波輻射計，如SSM/I、AMSR-E等微波輻射計[2，3]。在國內(nèi)，也有眾多將BG算法應(yīng)用于微波輻射計的研究[4，5]，并將此算法應(yīng)用于FY-3衛(wèi)星MWRI上[4～6]。BG算法通過模擬不同頻率天線增益到地面的投影，通過重采樣算法，利用鄰近觀測像元重疊部分，重構(gòu)指定位置的觀測結(jié)果，并盡可能地接近真實的天線增益方向圖。

HY-2衛(wèi)星上搭載的掃描微波輻射計是一臺設(shè)計有9個通道的輻射計，可以監(jiān)測海面溫度、海面風(fēng)場、海冰、降雨等海洋大氣參數(shù)，其頻率設(shè)置為6.6 GHz、10.7 GHz、18.7 GHz、23.8 GHz、37.0 GHz，除23.8 GHz頻率僅有垂直極化通道，其余頻率均包含水平極化通道和垂直極化通道，輻射計采用圓錐掃描的方式，天線的俯仰角為40°，幅寬1600 km，地面分辨率優(yōu)于100 km、70 km、40 km、35 km、25 km。根據(jù)HY-2掃描微波輻射計的觀測特性，本文應(yīng)用BG算法進行了多通道分辨率匹配研究，其中涉及觀測幾何定位、天線方向圖地面投影、目標(biāo)方向圖重構(gòu)，并對結(jié)果進行了分析，根據(jù)評價結(jié)果給出了HY-2掃描微波輻射計多通道分辨率匹配的方案。

2 BG反演算法

BG算法是由Stogryn將Backus-Gilbert矩陣反演方法引入星載微波輻射計系統(tǒng)提出的。根據(jù)Stogryn[7]，用G（ρA，ρ）表示地球坐標(biāo)系下中心位置在ρA的增益方向圖ρ位置的有效天線增益，是采樣積分時間τ和瞬時傳感器方向圖Gl的函數(shù)

式（1）中，s^0（t）表示t時刻的天線視線方向；s^（t）表示傳感器到位置 ρ的單位矢量。 ρA對應(yīng)的有效天線指向為

則第i次觀測亮溫則是地球表面亮溫在天線增益上的積分

BG反演算法是尋找相鄰觀測值TBi一組最優(yōu)的線性組合，重構(gòu)出一個最接近于真實測量值TBC

根據(jù)最小二乘原理，使得重構(gòu)亮溫與參考亮溫最為接近必須滿足3個條件，首先是G為歸一化，即ai的總和為1，第2個約束條件Stogryn將其稱為分辨率價值函數(shù)

式（5）中，J為補償函數(shù)，用來產(chǎn)生理想的天線方向圖，通常將J設(shè)置為1。第3個約束條件是重構(gòu)觀測亮溫的噪聲最小，實際觀測亮溫中疊加有隨機噪聲信號，噪聲的方差為（ΔTi）2，則重構(gòu)亮溫的方

式（6）中，a是元素ai的列向量；E是誤差協(xié)方差矩陣。

為了在噪聲和重構(gòu)分辨率之間尋求折中，Stogryn建立了分辨率噪聲權(quán)衡函數(shù)

式（8）中，

式（9）中，I為單位矩陣，G為N×N 對稱矩陣，表示參與采樣足印面元的重疊度。

3 BG算法在HY-2掃描微波輻射計數(shù)據(jù)上的實現(xiàn)

針對于HY-2衛(wèi)星掃描微波輻射計各頻率觀測面元不同，運用BG算法來實現(xiàn)對各頻率數(shù)據(jù)的分辨率匹配計算。大致的過程包括微波輻射計定位、各通道天線方向圖地面投影、BG匹配算法重采樣系數(shù)生成和面元重構(gòu)結(jié)果評價分析。

3.1 HY-2掃描微波輻射計觀測幾何

通過HY-2掃描微波輻射計儀器的姿態(tài)和衛(wèi)星的軌道位置，可以推算出各頻率在地面的足印位置，主要包括由傳感器坐標(biāo)系-平面大地坐標(biāo)系-地心坐標(biāo)系的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和俯仰、航偏、滾動等姿態(tài)角度的旋轉(zhuǎn)，結(jié)合各頻率的天線方向圖，即可模擬各通道在地面的投影區(qū)域。

HY-2掃描微波輻射計上各個饋源通過反射面接收輻射能量，由于多個饋源接受信號，各通道觀測角度不同，所以同一時刻，各頻率在地面的投影位置也不相同，如圖1所示，37 GHz地面觀測中心點位置與6.6 GHz觀測面元中心位置并不重合。此外，由于HY-2掃描微波輻射計低頻6.6 GHz，10.7 GHz與高頻18.7 GHz、23.8 GHz、37 GHz的饋源分別位于飛行方向的兩側(cè)，高頻通道與低頻通道觀測的覆蓋范圍也不一樣，如圖2所示，它們只有中間143個觀測面元是重疊覆蓋并包含所有觀測通道的，每個掃描行的初始和結(jié)尾部分，只有高頻觀測或者低頻觀測，這部分觀測區(qū)域無法反演全部的海洋大氣參數(shù)。中間重合的部分即是需要進行空間分辨率匹配的區(qū)域。

圖1 6.6 GHz和37 GHz觀測面元地面投影位置分布Fig.1 The observation area center arrangement of 6.6 GHz and 37 GHz

圖2 6.6 GHz和37 GHz覆蓋范圍重疊圖Fig.2 The overlap of observation coverage between 6.6 GHz and 37 GHz

3.2 天線方向圖地面投影

在獲得準(zhǔn)確的定位算法后，按各通道的觀測幾何，將天線方向圖投影到地面，方向圖地面投影的采樣分辨率為1 km，選取沿軌道方向31行，掃描向150列，天線方向圖選取增益下降－10 db的區(qū)間，生成的各通道天線方向圖地面投影的結(jié)果如圖3所示。

圖3 地面足印Fig.3 Simulated scan antenna footprint

3.3 BG匹配算法重采樣系數(shù)計算

由生成的天線方向圖地面足印，用BG算法進行通道分辨率降低匹配計算，由于微波輻射計6.6 GHz頻段為海面溫度反演的關(guān)鍵通道，而且在多通道綜合反演算法中，大氣和海洋參數(shù)的反演均需要用到低頻部分，所以本文將6.6 GHz的天線方向圖作為參考方向圖。用18.7 GHz的垂直極化（V）天線方向圖擬合得出6.6 GHz V極化天線方向圖，用37 GHz的V極化天線方向圖擬合得出6.6 GHz V極化天線方向圖，如圖4所示。根據(jù)天線方向圖地面高低頻足印的重疊范圍，本文采用15×15的重采樣窗口。由圖4可知，對分辨率降低的計算，BG算法能很好地用高分辨率天線方向圖擬合低分辨率天線方向圖。

圖4 極化天線方向圖Fig.4 Polarization antenna pattern

BG算法可同時進行通道分辨率降低和增強兩種運算，但進行分辨率增強會引入噪聲，根據(jù)楊虎的研究[5]，針對掃描微波輻射計，利用低頻數(shù)據(jù)進行重采樣，不能完全擬合出高頻分辨率的天線方向圖，本文對此就不再進行計算分析。

3.4 擬合系數(shù)應(yīng)用及評估

為檢驗BG算法，本文將重采樣系數(shù)應(yīng)用于HY-2掃描微波輻射計L1B亮溫數(shù)據(jù)中。由于HY-2掃描微波輻射計有高頻和低頻兩組饋源指向，造成了高頻數(shù)據(jù)和低頻數(shù)據(jù)在地面的投影僅有中間的134列重合，另在掃描方向上，各掃描點的位置不同，觀測角度有所變化，則相鄰面元的相互關(guān)系不同，因此需要對掃描行中的各點分別選取不同的擬合系數(shù)。圖5表示的是37 GHz垂直極化通道觀測亮溫匹配到6.6 GHz垂直極化通道分辨率的情況。從圖5可看出，經(jīng)過圖像降低分辨率的處理后，圖像的細(xì)節(jié)信息有所弱化，但是仍然保留了其通道原有的觀測特點，能反映出海上的水汽分布。

圖5 37 GHz V極化匹配到6.6 GHz V極化分辨率的結(jié)果Fig.5 37 GHz V matched to 6.6 GHz V resolution image

4 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了BG算法的原理，并針對HY-2掃描微波輻射計各觀測通道地面觀測位置和足印覆蓋范圍不匹配的情況，以天線方向圖為基礎(chǔ)，利用BG算法進行了降分辨率足印匹配研究，結(jié)果表明，通過合理的參數(shù)選取，能很好地將高頻通道的觀測結(jié)果擬合到低頻通道的觀測，且不引入噪聲，這對后期掃描微波輻射計海洋大氣參數(shù)的反演將起到十分重要的作用。

[1]Backus G，Gibert F.Numerical applications of a formalism for geophysical inverse problem[J].Geophysical Journal Royal Astronomical Society，1967，13：247-276.

[2]Farrar M R，Smith E A.Spatial resolution enhancement of terrestrial features using deconvolved SSM/I microwave brightness temperatures[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 1992，30（2）：349-355.

[3]Robinson W D，Kummerow C，Olson W S.A technique for enhanceing and matching the resolution of microwave measurements from the SSM/I instrument[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，1992，30（3）：419-429.

[4]李 靖，王 濤，張升偉，等.利用BG算法提高微波輻射計空間分辨率[J].遙感學(xué)報，2004，8（5）：409-413.

[5]楊 虎，商 建，呂利清，等.星載微波輻射計通道分辨率匹配技術(shù)及其在FY-3衛(wèi)星MWRI中的應(yīng)用[J].上海航天，2012（1）：23-28.

[6]尹紅剛，張德海.星載微波輻射計空間分辨率增強算法研究[J].海洋科學(xué)進展，2004，22（增）：192-197.

[7]Stogryn A.Estimates of brightness temperatures from scanning radiometer data[J].IEEE Transaction Antennas and Propagation，1978，26（5）：720-726.

Study on channel resolution matching algorithm for HY-2 satellite scanning microwave radiometer

Huang Lei1，Zhou Wu1，Li Yanmin2

(1.National Satellite Ocean Application Service，Beijing 100081，China；2.The Fifth Institute Xi’an Branch of China Aerospace Science and Industry Corporation，Xi’an 710100，China)

Accuracy satellite scanning microwave radiometer ocean parameters retrieval needs brightness temperature of multiple channels from the same area and identical resolution.Due to the limitation of spaceborne radiometer antenna design and feedhorn arrangement，each channel has different resolutions and observation positions，which will increase the ocean parameter retrieval error.Based on the HY-2 scanning microwave radiometer antenna pattern and imaging geometry，we simulate the ground footprint form different channels，use Backus-Gilbert(BG)algorithms to produce a single composite sample at a particular location and with a particular spatial weighting pattern from combination of the adjacent measurements；the low frequency 6.6 GHz is set as the reference channel.The result shows that the matching with resolution decreasing could simulate the real instrument observation without introducing noise.

scanning microwave radiometer；HY-2；resolution matching；Backus-Gilbert algorithm

V443

A

1009-1742（2014）06-0065-05

2014-04-10

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）項目“海洋動力環(huán)境微波遙感信息提取技術(shù)與應(yīng)用”（2013AA09A505）

黃 磊，1982年出生，男，湖北潛江市人，助理研究員，研究方向為微波遙感；E-mail：huanglei@mail.nsoas.gov.cn