“衛(wèi)星資料應(yīng)用” 專題系列　AMSR2儀器上新增設(shè)的C波段通道對陸地無線電頻率干擾的有效緩解

鄒曉蕾翁富忠田小旭（美國馬里蘭大學(xué)地球系統(tǒng)多學(xué)科中心，Maryland University, College Park, USA；美國國家海洋和大氣管理局國家環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)與信息服務(wù)中心，Washington D. C., USA）

“衛(wèi)星資料應(yīng)用” 專題系列AMSR2儀器上新增設(shè)的C波段通道對陸地無線電頻率干擾的有效緩解

鄒曉蕾1翁富忠2田小旭1
（1美國馬里蘭大學(xué)地球系統(tǒng)多學(xué)科中心，Maryland University, College Park, USA；2美國國家海洋和大氣管理局國家環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)與信息服務(wù)中心，Washington D. C., USA）

搭載著第二代先進微波輻射成像儀（AMSR2）的“第一輪衛(wèi)星計劃之全球水圈變化觀測衛(wèi)星”（GCOM-W1）于2012年7月4日成功發(fā)射并進入極軌[1]。該衛(wèi)星由日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）進行地面操控。AMSR-E是AMSR2的前身，與前身相比，AMSR2增設(shè)了頻率為7.3GHz 的兩個通道，目的是通過緩解C波段無線電頻率間的干擾，使AMSR2在大部分陸地區(qū)域上空觀測資料時免受無線電頻率干擾[2-6]，從而可通過反演算法得到可靠的土壤濕度分布[7]。

在完成數(shù)據(jù)起始訂正操作的基礎(chǔ)上①，JAXA于2013年1月25日開始發(fā)布AMSR2亮溫觀測資料。本研究通過對AMSR2儀器C波段通道無線電頻率干涉（radio frequency interference，RFI）特征的分析，檢驗RFI在美國與中美地區(qū)的空間分布，并以此評估新增設(shè)的兩個通道對RFI的緩解作用。文中的第一節(jié)簡單介紹了AMSR2的通道屬性以及波譜差法，第二節(jié)討論了計算結(jié)果，第三節(jié)為小結(jié)和結(jié)論。

1　數(shù)據(jù)特征描述及方法論

1.1AMSR2儀器特征

AMSR2是一種先進的圓錐式掃描微波輻射成像儀。它的14個亮溫觀測通道分布于7個不同的中心頻率：6.925，7.3，10.65，18.7，23.8，36.5和89.0GHz[8]。AMSR2在距離地面700km的高空軌道上運行，以觀測點當?shù)貫閰⒄盏挠^測入射角為55°。AMSR2的天線反射器直徑為2.0m，比AMSR-E的要大，這樣可以增加觀測資料的空間分辨率。確切地說，AMSR2瞬時視場（instantaneous field of view， IFOV）的空間分辨率隨著頻率的升高而降低。AMSR2的瞬時視場在沿軌道及橫跨軌道方向上的空間分辨率為：在6.925和7.3GHz通道是62km×35km；10.65GHz通道是42km×24km；18.7GHz通道是22km×14km；23.8GHz通道是26km×15km；36.5GHz通道是12km×7km；89.0GHz通道是5km×3km。其中，89.0GHz通道的取樣間隔為5km，其他通道的取樣間隔為10km。

1.2波譜差法

一般來說，地表的發(fā)射性隨波頻的上升而增強，因此10.65GHz通道的亮溫要比6.925GHz的高，即TB6v＜TB10v。此外，諸如洪水或濕地此類的自然現(xiàn)象會使亮溫進一步降低，這個規(guī)律在低頻通道尤為明顯。因此，根據(jù)低頻通道的亮溫可以得到土壤濕度的反演產(chǎn)品。然而，RFI的存在使得6.925GHz通道的低頻段亮溫升高，從而造成相反的波譜梯度，即TB6v＞TB10v[9]。 通過檢驗對RFI敏感的波譜差TB6v－TB10v和/或TB6h－TB10h不均等的空間分布（也就是在一個給定的極化狀態(tài)下，在兩個不同頻率通道中測得亮溫的差），RFI造成的干擾信號可以被識別出來。 RFI一般來源于范圍較廣且一致的點源，它們通常具有方向性并且處于較窄的波段內(nèi)，導(dǎo)致其在空間上具有孤立性、時間上具有持續(xù)性的分布特點。

2　計算結(jié)果

在沒有冰雪覆蓋的地表，6.925GHz通道的亮溫比10.65GHz通道的亮溫低，即TB6v－TB10v＜0。原因是陸地表面在低頻通道的發(fā)射率要低于其在高頻通道的發(fā)射率。6.925GHz通道RFI的存在使得該通道亮溫異常升高，造成了相反符號的波譜梯度，體現(xiàn)為TB6v－TB10v＞0。在6.925或者7.3GHz （圖1）通道被RFI干擾的資料可以通過尋找它們與10.65GHz 通道亮溫間波譜的大量正差值進行辨別。圖2 給出了2012年12月11日經(jīng)過北美大陸的一條AMSR2的降軌軌道上波譜差TB6h－TB10h，TB6v－TB10v，TB7h－TB10h和TB7v－TB10v的空間分布。波譜差異常大值區(qū)體現(xiàn)了RFI信號具有典型的孤立特性。6.925GHz通道中的RFI在美國陸地上分布較密集，7.3GHz通道中的RFI僅出現(xiàn)在墨西哥、華盛頓和紐約，其他觀測日的結(jié)果相似（圖略）。

為了給6.925和7.3GHz兩個通道RFI信號間的關(guān)系提供數(shù)量上的度量，圖3給出了TB6h－TB10h相對于TB7h－TB10h（圖3a）和TB6v－TB10v相對于TB7v－TB10v（圖3b）的散點圖。從圖3中可以看出除了強RFI信號的情況以外（圖3a和3b），在一個給定的TB6h－TB10h間隔之內(nèi)，7.3GHz通道的亮溫隨著6.925GHz通道亮溫的增加而線性增加。只有一小部分數(shù)據(jù)點在6.925和7.3 GHz兩個水平極化通道同時存在RFI信號（圖3a）。RFI不會在兩個低頻頻率的垂直極化通道同時出現(xiàn)（圖3b）。

圖4和圖5給出了AMSR2在丹佛、墨西哥、華盛頓和紐約4個區(qū)域內(nèi)觀測亮溫散點圖。在丹佛附近，中心頻率為6.925GHz的水平極化（圖4a）和垂直極化（圖4b）通道受RFI信號干擾的數(shù)據(jù)對應(yīng)高亮溫離群點。在墨西哥附近區(qū)域內(nèi)，中心頻率為7.3GHz的水平極化（圖4c）和垂直極化（圖4d）通道被RFI信號影響的數(shù)據(jù)點也均為亮溫具有異常暖值的離群點。圖4中同樣可以看出在未受RFI影響的數(shù)據(jù)點中，7.3GHz通道的亮溫隨著6.925GHz亮溫的增長而呈線性增長。

在華盛頓和紐約地區(qū)，6.925GHz（圖5a）和7.3 GHz（圖5c）的水平極化通道可同時受到RFI信號干擾，AMSR2的兩個低頻頻率通道受RFI信號干擾的數(shù)據(jù)點比未受RFI影響的數(shù)據(jù)點的亮溫更高。對于垂直極化通道來說，在華盛頓和紐約只有6.925GHz頻率的通道出現(xiàn)RFI（圖5b），7.3GHz頻率的通道在這兩個地區(qū)未受RFI干擾（圖5d）。

3　小結(jié)

在運用AMSR2輻射量數(shù)據(jù)反演如土壤濕度等此類地理變量之前，必須識別和剔除受（RFI）的數(shù)據(jù)。為了緩解RFI對C波段通道造成的影響，AMSR相對于它的前身AMSR-E增設(shè)了兩個中心頻率為7.3GHz的C波段通道。 本研究利用波譜差法對北美和中美地區(qū)AMSR2數(shù)據(jù)中無線電頻率干擾情況進行了評估。

分析結(jié)果表明，北美地區(qū)中心頻率為6.925GH的水平和垂直極化通道都存在較強的RFI信號，RFI信號一般都出現(xiàn)在美國的大都市及其鄰近地區(qū)，而在墨西哥地區(qū)，6.925GHz的兩個水平和垂直極化通道均未受RFI影響。然而，除墨西哥、華盛頓及紐約以外，AMSR2新增設(shè)的中心頻率為7.3GHz的C波段通道基本未受RFI影響。AMSR2兩個C波段低頻頻率通道均受RFI影響的資料僅出現(xiàn)在華盛頓和紐約附近。由此可知，AMSR2新增設(shè)的中心頻率為7.3GHz的兩個C波段通道對緩解北美地區(qū)RFI的影響是成功的。

10.3969/j.issn.2095-1973.2015.02.006

2014年9月11日；

2014年11月1日

鄒曉蕾（1960—），Email: xzou1@umd.edu

資助信息：國家重大科學(xué)研究計劃項目（2010CB951600）；NOAA聯(lián)合極地衛(wèi)星系統(tǒng)（JPSS）