基于风云三号MWTS的地表比辐射率反演

李恩晨，贺 平，苏兴华

(上海航天测控通信研究所，上海 201109)

基于风云三号MWTS的地表比辐射率反演

李恩晨，贺 平，苏兴华

(上海航天测控通信研究所，上海 201109)

针对地表比辐射率反演，提出基于氧气二窗口频率下的反演方法。以am大气模型为基础，结合风云三号微波温度探测仪(MWTS)的扫描特性，推导出基于其二窗口频率下的地表比辐射率公式。运用Matlab对地表比辐射率进行仿真，仿真结果反映了地表的陆海特性。

am大气模型；地表比辐射率；微波遥感；MWTS；反演

0 引言

地表比辐射率不仅是实现微波辐射资料直接同化的重要参数，也是陆地区域大气温湿廓线反演时需要的基本物理量[1-2]。文献[3]表明，各种地表类型的比辐射率受地表温度影响较小，而地表的含水量对各种地表的比辐射率影响要大得多，因此针对地表比辐射率的反演变化可推测地表的湿度信息。国内外对地表比辐射率的计算做过大量的研究，Grody[4]针对MSU氧气吸收带上相关通道的探测资料，提出了适用于50.30 GHz、53.74 GHz、54.96 GHz和57.97 GHz通道地表微波辐射率的统计反演算法，结果表明频率越低反演结果越好。

随着星载被动微波遥感仪器从扫描多通道微波辐射计(SSMR)、专用微波成像仪(SSM/I)、微波辐射计(SSM/T)、微波探测仪(MSU)、高级微波探测器(AMSU)发展到微波辐射仪(TMI)和改进型微波扫描辐射计(AMSR-E)，除了建立地表比辐射率模式外，利用星载被动微波遥感资料反演大范围地表微波辐射率一直是研究的热点之一[5-7]。

地表的比辐射率值是由地表的介电常数特性所决定的，同时与频率密切相关。因而为简化正向算法复杂性，地表比辐射率的遥感选取相近的窗口频点进行。风云三号C星的细化通道中，在氧气线低端的三个通道:50.3 GHz、51.76 GHz和52.8 GHz很适合其要求，可以近似认为3个频点下的比辐射率值一样，通过同时测定同一区域的微波辐射亮温，建立比辐射率联立方程，可相对精确地反演出地表微波比辐射率值。

1 am大气模型分析

am大气模型[8-9]是由SAO(Smithsonian Astrophysical Observatory)亚毫米波接收实验室编制的一款计算大气传输辐射的专用工具，适用于微波、毫米波、亚毫米波和THz波段的谱分析，以及路径辐射、吸收和饱和深度等参数计算。am首先作为空间天文观察应用来计算地球大气的影响，在Mauna Kea(美夏威夷)等多个项目中得到很好的应用。am的方法是基于静态大气分层理论进行C语言编程，并结合HITRAN数据库[10]谱线参数进行逐线、逐层计算仿真，具有高的分辨率和精度。am的基本结构如图1所示。

图1 am基本结构

由图1可以看出，背景辐射B(υ,T0)经各层大气后，由am计算而得到相应频率下的普朗克亮温Tb(υ)和瑞利亮温TR-J(υ),同时可计算出各层的光深τ(υ)、透过率t(υ)和路径时延L(υ)等特性参数信息。

作为基础性的模型分析工具，只要知道目标特性以及路径中的大气参数，利用am仿真工具，则可分析出各种状态下的大气以及目标特性。

按照am基本的大气模型设置，对于天基大气层外对地遥感，其普朗克亮温可表示为：

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

(1)

式中，Tb为卫星观察的亮温；Ts为地表温度；ε(f)为地表辐射率；Ta(θ,f)↓和Ta(θ,f)↑分别为大气向下和向上辐射亮温值；τ(θ,f)为大气透过率。

2 三频点下微波地表比辐射率验算

在地球大气环境中，O2含量相对稳定且含量较高，特征谱线及其边带展宽效应形成其独特的遥感谱线图。天基某一状态下的特征谱线如图2所示。

图2 天基遥感O2通道谱线

由图2可以看出，50.3GHz处于窗口频点，51.76GHz和52.8GHz均处于2个吸收峰中间。对于地表特性遥感探测，大气H2O辐射强度改变是不得不考虑的问题，但是相对O2要弱得很多，离谱线中心越近，影响越小。以模型M2(Mid-latitudesummer：中纬度夏季)、天顶角直射为例，在地表温度一定的情况下，通过改变大气模型中参数设置，尤其是表层1km和2km内的大气参数：温度改变±10K，大气湿度改成RH100(即100%湿度)，分别用am模型计算对应3个频点下(T1对应50.3GHz亮温，T2对应51.76GHz亮温，T3对应52.8GHz亮温)的亮温值，并就其结果按照式(1)建立的联立方程，最终通过Matlab仿真得到的结果如图3和图4所示。

图3 e与T1-T2关系曲线

图4 e与T2-T3关系曲线

从图3和图4中可以看出，表面发射率与相对频点通道亮温差呈线性关系，并且模型参数中的随意改变(尤其是H2O含量改变)对其相对应差值变化很小。由此可以认为，利用其任意2个频点遥感数据，通过解联立方程可获取比辐射率值。该方法是遥感反演地表比辐射率的一种最为简洁实用方法，并且可用第3个频点亮温值进行大气模型修正，可得到更好的效果。另外，由于陆地表面的表面比辐射率值在0.5～1之间，比较图3和图4可以看出，利用通道2和通道3则更加合适。

3 MWTS特性描述及正向模型推导

结合式(1)可以看出，Ta(θ,f)↓、Ta(θ,f)↑和τ(θ,f)均与θ有关，因此必须在特定入射角下建立正演模型及其公式推导，由此需结合工程在轨实际状态进行。

风云三号卫星是我国自主研制的新一代极轨气象卫星，微波温度计(MWTS[11])是风云三号卫星研制的重要有效载荷。在轨运行时，MWTS采用机械扫描方式，天线视场垂直于飞行轨迹方向做圆周步进扫描，扫描周期为16 s，采取步进驻留的运行方式，每个扫描周期天线波束在15个地球观测点、一个冷空观测点和一个热定标源观测点驻留720 ms。天线从起始扫描位置(位置0)开始，每次步进6.9°，依次扫过位置0，位置1，位置2，…，位置14，共得到15个对地观测点，对地扫描图如图5所示。

图5 风云三号MWTS在轨扫描方式

此外，根据风云三号载荷数据协议，数据起始点从M1(Tropical：热带)区开始，风云三号卫星绕地球运行一周所得的一轨数据交替经历了全部5种大气模型区域(M1(Tropical：热带)、M2(Mid-latitude summer：中纬度夏季)、M3(Mid latitude winter)、M4(Subarctic summer：高纬度夏季)和M5(Subarctic winter：高纬度冬季))。针对不同的区域和对地观察角度，就每种大气模型，均需应用am大气模型仿真，进行正演公式推算。

下面仅给出针对M1大气模型特性下，推演出的地表辐射率计算公式：

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。

上述公式分别适合于天线扫描角0°，6.9°，13.8°，…，48.3°。

4 风云三号MWTS数据地表比辐射率反演验算

选取风云三号C星2014年12月4日-0024一轨遥感数据进行数据反演和分析：从国家卫星气象中心所得的一级数据可知其对应卫星轨迹及其星下点经纬度，其数据起始点M1区，依次经由M2-M4-M2-M1-M3-M5-M3，最后再回到M1共9个区。数据反演中需将整个数据分成15×9个区间分别计算，最后再整合成一轨幅图。

经过反演的对比图如图6所示。其中，图6(a)是卫星气象中心所给出的图片，图6(b)和图6(c)分别是第1通道和第2通道亮温数据对应图，图6(d)是经联立方程所得的地表比辐射率反演图。

图6 地表比辐射率反演及其对比

经仿真分析，基本可分清陆地与海洋的基本状况，尤其是在极地冰川区域表现出很强的地表辐射率特性，也能很强烈地得出海岛和陆海分界线。从反演结果来看，可以得出地表的比辐射率值分布。

5 结束语

利用星载被动微波遥感反演大范围地表微波辐射率一直是遥感研究的热点。本文从大气模型出发，用其中2个通道数据反演其地表比辐射率特性，为反演地表辐射率提供一个简洁实用方法，并结合风云三号C星数据给出了反演初步结果。

然而，由于没有最新的大气模型数据，其5种大气模型参数仍采用20世纪90年代MODTRAN Report数据，因而其反演结果不尽完美。在整合的比辐射率反演图中，模式过渡带很明显，可以看出其地表辐射率的跳变痕迹。同时，MWTS采取的各个不同扫描角方式，在正演公式推导过程中，也加重了不确定性误差。所有这些均是未来需改进的地方，并逐渐采用第三通道特性对大气模型中H2O影响进行修正。

[1] 顾松强.复杂地表微波比辐射率模式在GRAPES中的应用研究[D].南京：南京信息工程大学，2005.

[2] 姜 通，曹 琼，温 渊.海洋区域大气CO2卫星遥感观测模型及仿真研究[J].上海航天，2015，32(3)：47-50.[3] FLEMING H E,GRODY N C,KRATZ E J.The Forward Problem and Corrections for the SSM/T Satellite Microwave Temperature Sounder[J].Geoscience and Remote Sensing,IEEE Transactions on,1991,29(4):571-583.

[4] GRODY N C.Surface Identification Using Satellite Microwave Radiometers[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remotie Sensing,1988,26(6):850-859.

[5] 赵高祥，汪宏七.由卫星测量确定地面温度和比辐射率的算法[J].科学通报，1997(18)：1 957-1 960.

[6] 李 欣，张佳华，张文忠.遥感反演地表温度的研究进展[C]∥中国气象学会2007年年会生态气象业务建设与农业气象灾害预警分会场论文集，2007：66-74.

[7] 程显海，康士峰，曹仲晴.大气微波遥感辐射计天线指标设计分析[J].无线电工程，2015，45(10)：52-54.

[8] PAINE S.The am Atmospheric Model[EB/OL].[2015-07-01].http:∥www.cfa.harvard.edu/sma/memos/152.pdf.

[9] 苏兴华，任梦飞.“am”大气模型及其临边遥感特性分析[J].太赫兹科学与电子信息学报，2015(6)：917-920.

[10] ROTHMAN L S,GORDON I E,BABIKOV Y,et al.The HITRAN 2012 Molecular Spectroscopic Database[J].Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer,2013(130):4-50.

[11] 陈文新，迟吉东，李延明，等.风云三号气象卫星微波温度计(MWTS)[J].中国工程科学，2013(7)：88-91.

李恩晨 男，(1987—)，硕士研究生。主要研究方向：微波遥感。

苏兴华 男，(1966—)，研究员。主要研究方向：微波、毫米波和THz遥感系统工程。

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,贺 平,苏兴华.基于风云三号MWTS的地表比辐射率反演[J].无线电工程,2017,47(3):43-46.

2016-12-13

TP722.6

A

1003-3106(2017)03-0043-04