東亞陸地星載微波成像儀新增通道觀測質量評估

官莉 任心怡

摘要基于2014年8月1—16日AMSR2的觀測資料，采用譜差法重點對東亞陸地低頻73 GHz的無線電頻率干擾（RFI）進行識別與分析。研究發(fā)現(xiàn)，東亞地區(qū)73 GHz通道觀測存在無線電頻率干擾，其中韓國京畿道、大邱市，孟加拉國，越南及柬埔寨東南部地區(qū)的干擾源是穩(wěn)定、持續(xù)的地面主動源。日本地區(qū)73 GHz通道RFI僅出現(xiàn)在AMSR2升軌觀測上，而降軌觀測則幾乎不受干擾，且RFI污染區(qū)出現(xiàn)的位置與強度隨時間及輻射計掃描角度周期性變化，探究其污染源，發(fā)現(xiàn)主要來自地面反射的靜止通信/電視衛(wèi)星信號對星載微波被動傳感器觀測的干擾。

關鍵詞微波遙感；AMSR2；無線電頻率干擾

對氣象衛(wèi)星觀測亮溫數據進行質量控制，是進行衛(wèi)星數據資料同化、反演前非常重要的一步。衛(wèi)星微波接收的來自地氣系統(tǒng)的被動熱輻射與主動傳感器發(fā)射的混合信號，稱之為無線電頻率干擾（RFI），在主動及被動微波遙感探測領域已成為越來越嚴重的問題（Zou et al.，2012）。對于被動遙感來說這一問題尤為嚴重，主動微波傳感器發(fā)射的較強信號會掩蓋來自地球—大氣自然的、相對較弱的熱輻射信號，從而導致衛(wèi)星觀測亮溫數據失真，嚴重影響后期的各類反演產品精度。RFI作為氣象衛(wèi)星觀測亮溫數據誤差的一種，對其進行識別與成因的分析是必要的，正確識別與分析這些污染源的時空特性，有利于進一步提高星載被動微波輻射計觀測資料的應用價值。

針對美國國防衛(wèi)星上的全極化輻射計（WindSat）和AMSRE資料的早期研究表明，低頻波段（如C波段和X波段）的亮溫資料廣泛存在無線電頻率干擾，RFI可以在某些特定頻率上顯著增加亮溫，并產生負的頻譜梯度（吳瑩，2012）。地表主動微波發(fā)射器如手機、雷達、GPS導航系統(tǒng)、航空管制、車輛測速器等都是RFI污染源（Wu and Weng，2011），Li et al.（2004）利用AMSRE C波段的觀測亮溫資料研究美國大陸地區(qū)的無線頻率電干擾現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)存在大范圍的無線電頻率干擾，并指出RFI源大部分都集中在人口稠密的市區(qū)。針對強度較高的RFI，Li et al.（2004）提出可以利用譜差法來進行定量識別。Njoku et al.（2005）利用全年的觀測亮溫資料，采用譜差法繼續(xù)分析了AMSRE數據中的陸面無線電頻率干擾問題，指出69 GHz通道觀測中RFI區(qū)主要集中在美國、日本和中東地區(qū)；而107 GHz通道觀測中RFI區(qū)主要集中在英國、意大利和日本。Njoku等同時還注意到陸面一些不穩(wěn)定RFI的成因可能與衛(wèi)星的掃描方位角有關。Ellingson and Johnsoon（2006）利用WindSat六個月的觀測亮溫資料分析了美國大陸地區(qū)C波段和X波段探測所受的無線電頻率干擾，識別出的RFI位置和強度與上述Li et al.（2004）和Njoku et al.（2005）利用AMSRE觀測亮溫數據的研究結果基本一致。Adams et al.（2010）利用WindSat三個月的觀測亮溫資料反演參數χ2，用概率估計法分析了洋面RFI的污染特性及成因，發(fā)現(xiàn)洋面RFI主要源于海表面反射的靜止通信/電視衛(wèi)星信號。我國開展無線電頻率干擾的識別研究相對較晚，主要針對地面主動遙感設備間相互干擾方面展開（蔣蘭，2009；張曉燕，2012；王葉慧等，2013；馮呈呈和董慧杰，2016）。

由日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）研發(fā)的的日本地球水環(huán)境變化監(jiān)測衛(wèi)星（GCOMW1）于2012年5月18日發(fā)射升空，搭載了先進微波掃描輻射計AMSR2。AMSR2是日本ADEOSⅡ衛(wèi)星及美國Aqua衛(wèi)星上搭載的先進微波掃描輻射計AMSR及AMSRE的繼承者。AMSR2通過增加與6925 GHz相鄰的73 GHz通道，欲增強對低頻無線電頻率干擾的識別能力。與其相鄰的69 GHz與107 GHz通道在日本地區(qū)目前存在嚴重的RFI污染，希望通過增加的通道來緩解這幾個低頻通道RFI的影響，使衛(wèi)星觀測數據具有更高的應用價值。根據最新的研究可知，AMSR2新增的中心頻率為73 GHz的兩個通道對緩解北美地區(qū)的RFI是成功的（鄒曉蕾等，2015）。盡管該儀器是由日本研發(fā)的，但目前為止還不知道其在日本和東亞其他地區(qū)對于RFI的緩解效果，包括該頻段在東亞陸地具體的RFI污染狀況。故本文著重分析AMSR2新增頻率在日本及東亞其他地區(qū)RFI污染的分布特征，并深入探討其形成原因。

1儀器簡介及RFI識別算法簡介

11AMSR2儀器簡介

AMSR2是一種先進的圓錐式掃描微波輻射成像儀，在距地面700 km的高空軌道上運行，以55°入射角、1 450 km幅寬的圓錐掃描方式掃描地球。衛(wèi)星降交點和升交點赤道過境時間分別為01：30（世界時，下同）和13：30。AMSR2共有14個通道，分別測量6925、73、1065、187、238、365和890 GHz水平極化與垂直極化的亮度溫度，瞬時視場（IFOV）的空間分辨率隨頻率的升高而升高（鄒曉蕾等，2015）。具體通道特性見表1。

本文使用的是2014年8月1—16日AMSR2一個觀測周期內覆蓋東亞地區(qū)的Level 1R觀測亮溫資料，AMSR2每16 d（一個觀測周期）覆蓋完全相同的區(qū)域，在這16 d的周期內每天軌道覆蓋的觀測范圍都有所不同（Team of GCOM project，2013）。對于夏季陸面RFI的識別，譜差法具有簡單、計算速度快的特點，故本文選取夏季8月的觀測資料主要是為了避免冬季冰雪下墊面對譜差法RFI識別的誤判。

12譜差法簡介

在大部分陸地上晴空時高頻率通道的亮溫通常比低頻率通道的亮溫高，這是由于土壤和植被中水的介電常數依賴于頻率，地表發(fā)射率隨頻率的增加而增大。即針對AMSR2，其相鄰通道的譜差應滿足TB10V/H-TB18V/H <0 K、TB7V/H-TB10V/H <0 K、TB6V/H-TB7V/H <0 K（其中，TB為亮度溫度，下標的數字為通道頻率，V/H為極化方式，V是垂直極化，H為水平極化，下同）。然而，RFI的存在會使被污染通道的觀測亮溫值顯著增加，使低頻通道的亮溫大于或遠大于相鄰高頻通道的亮溫，從而導致相反符號的譜差，通過檢驗分析這種波譜逆梯度的存在就可以在一定程度上識別出RFI污染，且波譜逆梯度越大，說明RFI對被污染通道的影響越明顯，RFI的強度也就越強。RFI一般多出現(xiàn)于低頻通道，且不同頻率的RFI污染區(qū)一般不會產生重疊，故可以假設相鄰的較高頻通道不存在RFI污染，依此利用譜差來檢驗低頻通道的RFI污染狀況。基于不同地表類型上的平均發(fā)射率特征，根據以往的研究，設定5 K作為譜差的閾值（Yang et al.，2011）。具體，假如187 GHz通道沒有被污染，則利用公式TB10V/H-TB18V/H>5 K來判斷1065 GHz通道視場是否被干擾。依次，如果1065 GHz通道沒有被污染，則利用公式TB7V/H-TB10V/H>5 K來判斷73 GHz通道視場是否被干擾。同理，如果73 GHz通道沒有被污染，那么判斷6925 GHz通道是否存在干擾，就可以利用公式TB6V/H-TB7V/H>5 K，由于73 GHz和6925 GHz通道頻率比較接近，用譜差大于5 K的閾值識別出來的是中等、偏強的RFI。

本文主要研究的是AMSR2新增73 GHz上的RFI污染，故利用譜差TB7V/H-TB10V/H>5 K來判斷研究區(qū)域內是否存在RFI，并利用頻譜逆梯度的大小來判斷研究區(qū)域內RFI的強弱。

由圖1可以看出東亞陸地存在73 GHz通道RFI干擾，選擇的6 d里除了儀器掃描軌道未覆蓋的時候，韓國京畿道、大邱市，孟加拉國，越南及柬埔寨東南部地區(qū)皆受到很強的RFI污染，該RFI污染在8月1—16日剩余的日期里也都有出現(xiàn)（圖略），且RFI的位置、形狀與強度基本不隨時間變化，說明影響這些地區(qū)73 GHz通道的RFI主要來自地面持續(xù)、穩(wěn)定的主動源。而其他地區(qū)，包括日本、中國內蒙臨近赤峰市識別出的73 GHz通道RFI的位置與強度都隨時間發(fā)生改變，以日本島中部尤為明顯。8月1日、7日、8日、15日這4 d日本在升軌觀測上出現(xiàn)了較大范圍的強RFI污染區(qū)，而8月1—16日剩余的日期里則沒有出現(xiàn)（圖略），可能未受RFI干擾，或者是儀器軌道沒有覆蓋到該區(qū)域。連續(xù)分析了3個月的資料，由于下一個16 d的周期內衛(wèi)星軌道的位置重復上一個周期，因此在周期內某天出現(xiàn)RFI的位置和強大變化不大。而且這16 d內除去衛(wèi)星掃描軌道未覆蓋的狀況，日本在降軌觀測上都未識別出RFI污染（圖略）。

根據Adams et al.（2010）研究結果，洋面反射的靜止通信/電視衛(wèi)星信號是造成洋面上星載被動微波輻射計RFI的主要原因，當洋面風速較小時發(fā)生的是鏡面反射，陸地由于地形等影響多發(fā)生的是漫反射。與地面穩(wěn)定、持續(xù)的RFI主動源不同，反射的靜止通信/電視衛(wèi)星信號造成的RFI污染在時空上并不具有連續(xù)性，即隨時間和空間發(fā)生改變。因此，猜測日本地區(qū)的RFI可能是由星載被動微波輻射計接收到反射的靜止通信/電視衛(wèi)星信號所造成的。為了證明這一推論，下面就日本中部地區(qū)8月1日、7日、8日、15日升軌觀測上的RFI污染狀況進行詳細的分析。

AMSR2為圓錐型掃描儀器，其L1 R數據中提供了每個觀測視場（Field Of View）的地球方位角（earth azimuth），定義為衛(wèi)星掃描方向相對于觀測視場正北面的方位，即觀測視場和衛(wèi)星的連線在地球上的投影與正北方向的夾角，順時針方位為正值，逆時針方位為負值（官莉和張思勃，2014），由于AMSR2是后半錐掃描儀器，所以其取值范圍為[-180°，-90°]∪[90°，180°]。圖2給出了8月1日、7日、8日、15日研究區(qū)域內AMSR2亮溫譜差圖（TB7V/H-TB10V/H）及RFI強度—視場地球方位角散點圖。散點圖的分析數據對應譜差圖方框內所選擇的研究區(qū)域，方框內為識別出的強RFI污染區(qū)。

從圖2可以看出，這四天日本中部地區(qū)RFI出現(xiàn)的位置和強度與AMSR2視場掃描的地球方位角有關，即只有某些方位出現(xiàn)了很強的RFI干擾，這表明AMSR2并不是每個觀測視場都會受到反射的靜止通信/電視衛(wèi)星信號干擾，而只當星載被動微波輻射計掃描到某一地球方位角范圍之內這些視場才受到RFI的影響。觀察圖2亮溫譜差圖中日本RFI污染區(qū)相對衛(wèi)星飛行方向的位置（灰色細線為軌道邊界），再結合每幅亮溫譜差圖所對應的散點圖即可進一步發(fā)現(xiàn)，8月1日、8日、15日日本RFI污染區(qū)都處于衛(wèi)星飛行方向的右側（升軌，飛行方向由南至北），相應的，觀測到RFI的視場地球方位角取值范圍都在[-170°，-130°]區(qū)間之內，且污染區(qū)相對衛(wèi)星飛行方向的位置越偏右，其對應觀測到RFI的視場地球方位角數值越大。而8月7日日本RFI污染區(qū)位置處于衛(wèi)星飛行方向的左側，相應觀測到RFI的視場地球方位角取值范圍則在[120°，130°]區(qū)間之內?？梢?，觀測到RFI的視場地球方位角數值大小、正負與RFI污染區(qū)處于衛(wèi)星飛行方向的哪一側有關。觀測方位角為正值，說明出現(xiàn)RFI的觀測視場在衛(wèi)星飛行方向的左側。反之，觀測方位角為負值，說明出現(xiàn)RFI的觀測視場在衛(wèi)星飛行方向的右側，而且負值的絕對值越小，出現(xiàn)RFI的觀測視場相對衛(wèi)星飛行方向更偏右。根據官莉和張思勃（2014）對歐洲大陸X波段RFI的研究可知，當星載被動微波輻射計受到反射的靜止通信/電視衛(wèi)星信號干擾時，產生的RFI的位置與星載被動微波輻射計觀測地球方位角和觀測視場相對于靜止通信/電視衛(wèi)星的方位有關。對于AMSRE而言，當觀測方位角為正，則RFI污染視場出現(xiàn)在衛(wèi)星飛行方向右側；反之當觀測方位角為負，RFI視場位于衛(wèi)星飛行方向左側。該文的研究驗證了這個觀點，陸地上相對比較平坦、且地表覆蓋類型比較均一處可能產生鏡面反射，當星載微波輻射計視場掃描方位角大小與該視場相當于靜止衛(wèi)星發(fā)射方位角大小接近時，該視場易受RFI影響。因為AMSRE為前半錐掃描儀器，而AMSR2為后半錐掃描儀器，所以兩者由于反射靜止通信/電視衛(wèi)星信號產生的RFI的時空特性是相反的，即AMSRE在陸地上的RFI多出現(xiàn)在降軌觀測，而AMSR2的RFI主要出現(xiàn)在升軌，而降軌則幾乎不受干擾。這與Zou et al.（2014）認為，AMSRE洋面上電視衛(wèi)星頻率干擾TFI（Televison Frequency Interference）出現(xiàn)在降軌觀測的結論是一致的。這些特點也同時說明日本地區(qū)的RFI確是由反射的靜止通信/電視衛(wèi)星信號引起。

目前民用靜止通信/電視衛(wèi)星多使用的是C（6/4 GHz）或Ku（14/11 GHz）波段，括號內“/”前的數值為上行頻率，“/”后的數值為下行頻率。而為了將民用衛(wèi)星通信波段與政府部門、軍事部門衛(wèi)星通信波段分開，大部分軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作在SHF（7/8 GHz）波段（如舟，1994），其下行頻率為725～775 GHz，與AMSR2的新增73 GHz通道頻率接近，這可能是造成日本73 GHz通道RFI的主要因素。

由穩(wěn)定、持續(xù)的地面主動源影響所產生的73 GHz通道RFI的亮溫譜差圖（TB7V/H-TB10V/H）及RFI強度—視場地球方位角散點圖如圖3所示。以越南南部、柬埔寨東南部為例，即圖3a中方框區(qū)域。圖3b中顯示的是方框區(qū)域的數據，出現(xiàn)RFI干擾視場的地球方位角取值在區(qū)間[-180°，-90°]∪[90°，180°]內呈彌漫性分布，說明在該研究區(qū)域RFI出現(xiàn)的位置和強度與儀器的地球方位角無關，即儀器無論掃到那個方向都有很強的RFI污染存在，73 GHz亮溫甚至會超過1065 GHz亮溫100 K。對比圖2日本中部地區(qū)RFI視場隨地球方位角的分布特征可知，圖3a中方框內地區(qū)RFI源為穩(wěn)定、持續(xù)的地面主動微波發(fā)射源，而非反射的靜止通信/電視衛(wèi)星信號。反之，也可以再次證明日本中部地區(qū)的73 GHz通道RFI主要是由反射的靜止通信/電視衛(wèi)星信號造成的。如圖3a所示，越南整個地區(qū)都受到極強的地面主動源干擾，且干擾源的位置分布與該國疆界有非常高的吻合度（圖3c）。由地面主動微波反射源引起的RFI通常都與人類活動有關，人口密度高、人類活動頻繁是造成RFI污染的主要成因之一。越南的紅河三角洲、湄公河三角洲地區(qū)為人口高密度區(qū)，特別在紅河三角洲地區(qū)，人口密度極高，每平方千米最高可超過1 000人。越南東部海岸線附近的人口密度也很高，同時柬埔寨東南部金邊附近因為臨近河道，人口也相對密集。故越南、柬埔寨東南部地區(qū)的高強度RFI可能與當地稠密的人口有一定關聯(lián)。

同樣分析了AMSR2的73 GHz垂直極化通道觀測，RFI出現(xiàn)的原因及分布地理位置與水平極化通道相似。

3結論

本文基于2014年8月1—16日AMSR2觀測資料，利用譜差法對東亞陸地73 GHz通道無線電頻率干擾進行識別與分析，得出如下結論：

1） AMSR2新增波段73 GHz觀測受到不同程度的RFI干擾，利用譜差法基本可以在夏季識別出其位置與強度。

2） 日本地區(qū)73 GHz通道RFI出現(xiàn)的位置與強度隨時間周期性變化，多出現(xiàn)在AMSR2升軌觀測上，降軌則未出現(xiàn)；并不是每個觀測視場都有RFI出現(xiàn)，分析其來源發(fā)現(xiàn)日本地區(qū)的RFI主要來自于反射的靜止通信/電視衛(wèi)星下行信號對星載微波被動傳感器觀測的干擾。

3） 韓國京畿道、大邱市，孟加拉國，越南及柬埔寨東南部地區(qū)73 GHz通道RFI表現(xiàn)出離散、穩(wěn)定、持續(xù)性等特征，且強度、范圍幾乎不隨時間變化，說明這些地區(qū)的RFI源主要是地面穩(wěn)定、持續(xù)的主動源。

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The observation quality assessment of satellite borne microwave imager at newadded frequency over East Asia land

GUAN Li，REN Xinyi

Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters（CICFEMD）/Key Laboratory for AerosolCloudPrecipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China

The quality control of satellite observations has shown significant impact on data assimilation as well as retrieving meteorological products.Satellite microwave thermal emission mixed with signals derived from the active sensors，e.g.radar technologies，air traffic control system，garage door opener remote control，applications of the global positioning system to intelligent vehicle highway systems，defense transportation tracking system，vehicle speed detection system，etc.，is referred to as radiofrequency interference（RFI）.RFI remarkably causes serious problem for microwave sensing.Comparing with previous advanced microwave scanning radiometerEOS （AMSRE），AMSR2 which is on board the global change observation mission 1stwater（GCOMW1） satellite，and adds the channels at 73 GHz，in order to mitigate the RFI contamination at lower frequencies.AMSR2 has seven frequencies at 69，73，1065，187，238，365，and 890 GHz，each having dual channels at vertical and horizontal polarization states，respectively.In order to analyze the observations at this newadded channel be interfered or not，RFI at 73 GHz over East Asia is identified using spectral difference method based on AMSR2 observations collected from August 1st to 16th，2014.The achieved results showed that RFI at 73 GHz widely spreads over East Asia in some places.The RFIs located in Gyeonggido Province，South Korea，Bangladesh，Vietnam and，SouthEast Cambodia are isolated in space and persistent in time and originate from a wide variety of coherent point target sources.The observations of spaceborne microwave radiometer in ascending orbit portions usually are interfered over Japan，while no RFI approximately was detected in descending portions.The RFI location and intensity varied with time and radiometer scanning angle within observation period.After analyzing the contamination source，it can be concluded that the source of RFI in Japan is the results of the interference of the reflected geostationary communication or down linked satellite signals with the spaceborne microwave radiometer data.

Microwave remote sensing；AMSR2；radiofrequency interference

doi：1013878/j.cnki.dqkxxb.20160415001

（責任編輯：劉菲）