阅读说明：本技术 一种使用后向散射截面校正粗糙海面亮温的方法 (Method for correcting brightness and temperature of rough sea surface by using backscattering cross section ) 是由 马文韬 于暘 刘桂红 杨晓峰 杜延磊 李紫薇 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种使用后向散射截面校正粗糙海面亮温的方法,该方法应用于海洋微波遥感中的盐度遥感,用于粗糙海面亮温校正,适用于Aquarius卫星的主被动联合观测体制,与原有的先利用散射计反演海表风速或获取辅助风速,再用风速校正海面粗糙度对亮温的影响不同,该方法直接利用散射计观测的NRCS和辅助的海表风向信息,校正海表粗糙度对海面亮温的影响,无需使用辅助的风速数据对海表面亮温进行校正,该方法使用的参数更少、精度更高,且该方法处理过程简单、成本低、精度高、易于操作。(The invention discloses a method for correcting rough sea surface brightness temperature by using a backscattering cross section, which is applied to salinity remote sensing in ocean microwave remote sensing, is used for correcting rough sea surface brightness temperature, is suitable for an active and passive combined observation system of an Aquarius satellite, is different from the original method that sea surface wind speed is inverted or auxiliary wind speed is obtained by using a scatterometer, and sea surface roughness is corrected by using wind speed to influence brightness temperature.)

一种使用后向散射截面校正粗糙海面亮温的方法

技术领域

本发明涉及一种海洋微波遥感领域的海表盐度反演方法，更特别的说，是指一种使用后向散射截面校正粗糙海面亮温的方法。

背景技术

海表面盐度的观测对于研究和预测全球的气候变化、以及大洋环流和海洋水团的监测和预报等有着重要的意义，海表面盐度的分布与海水蒸发和降雨时空变化有密切关联。卫星盐度遥感是获取全球范围、长时序、宽覆盖的海表盐度数据的最有效手段。Aquarius卫星(即宝瓶座卫星)是一颗专为盐度遥感设计的卫星，它采用主被动联合的观测手段，将1.26GHz的散射计和1.413GHz的辐射计联合对海面同一位置采用同一角度进行观测，并计划反演获得150km分辨率，月平均的精度优于0.2psu(实用标准盐度单位)的全球海表盐度数据。

辐射计观测得到的亮温中不仅包含盐度变化的影响，还包括其他因素的影响，其中，海表粗糙度对亮温的影响是盐度遥感精度提高的最主要限制因素。以往的粗糙度校正方法需要先利用散射计反演海表面风速或获取其他辅助风速，再利用风速校正亮温，该方法一方面步骤繁琐，另一方面更容易引入模型误差。而Aquarius卫星使用辐射计和散射计对海面同一位置利用相同角度进行观测，那么，就可以利用散射计观测得到的后向散射截面数据(简称为NRCS，normalized radar backscatter cross section)直接对亮温进行校正，而不用首先反演风速。

发明内容

为了校正海表盐度反演时对海表亮温的影响最主要的海表粗糙度影响，本发明提出了一种使用后向散射截面校正粗糙海面亮温的方法。该方法基于Aquarius卫星主被动联合观测体制，利用同入射角同方位角观测的辐射计和散射计，利用散射计观测的后向散射截面和辅助的风向数据，通过本专利方法直接计算得到风引起的粗糙海面亮温增量。与传统的校正算法相比，本发明方法无需获取辅助的风速数据且可以不用首先反演中间变量海表面风速。该发明方法的校正精度优于使用辅助的NCEP(美国国家环境预报中心)数据的校正精度。

本发明的一种使用后向散射截面校正粗糙海面亮温的方法，其特征在于包括有下列步骤：

步骤一：散射计数据读取和预处理；

从Aquarius卫星L2级数据中提取散射计水平发射水平接收后向散射截面数据记为scat_HH_toa；然后，对所述scat_HH_toa采用对数还原模型进行还原，得到还原后的水平发射水平接收后向散射截面数据Rσ_HH；

从Aquarius卫星L2级数据中提取散射计垂直发射垂直接收后向散射截面数据记为scat_VV_toa；然后，对所述scat_VV_toa采用对数还原模型进行还原，得到还原后的垂直发射垂直接收后向散射截面数据Rσ_VV；

步骤二：风向数据获取及风向角度调整；

从Aquarius卫星L2级数据中提取出海面风向数据记为anc_wind_dir；

从Aquarius卫星L2级数据中提取出仪器方位角记为celphi；

然后利用风向校正模型

计算得到相对卫星观测的风向角度

若

小于0°，则通过加上360°，调整到

范围内。

若

大于360°，则通过减去360°，调整到

范围内。

步骤三：利用散射发射率模型计算海表发射率增量；

利用散射发射率模型计算海表发射率增量为：

余弦系数函数A_n(beam,p,Rσ)的计算为：

步骤四：海表面温度数据获取；

从Aquarius卫星L2级数据中提取出校正的亮温数据同一时间同一经纬度的海表面温度记为anc_surface_temp；

步骤五：进行海表面亮温校正；

去除粗糙海面影响的水平极化海表面亮温为：

TB_flat,H＝rad_TbH-ew_NRCS×anc_surface_temp

TB_flat,H为计算得到的水平极化平静海面亮温；

rad_TbH为水平极化海表面亮温数据；

去除粗糙海面影响的垂直极化海表面亮温为：

TB_flat,V＝rad_TbV-ew_NRCS×anc_surface_temp

TB_flat,V为计算得到的垂直极化平静海面亮温；

rad_TbV为垂直极化海表面亮温数据。

在本发明中，对数还原模型为：

在本发明中，使用后向散射截面直接校正粗糙海面亮温，不用首先反演风速。

在本发明中，散射计和辐射计使用同一入射角同一方位角对海面进行观测。

本发明使用后向散射截面校正粗糙海面亮温方法与传统方法相比的的优点在于：

①本发明方法直接建立了粗糙海面发射率与散射计后向散射截面的关系模型，减小了先反演风速后计算发射率引入的模型误差，模型更加简单且运算速度更快。

②本发明方法能直接发挥辐射计和散射计联合观测的优势，利用散射计只对海面粗糙度敏感且敏感性更高的特性，对辐射计中受粗糙度影响的部分进行精确地校正。

③本发明使用后向散射截面计算得到的发射率增量和海表温度校正了粗糙度对海面亮温的影响，校正后得到的平静海面亮温可直接用于海表盐度反演，可显著减小盐度反演的误差。

附图说明

图1是本发明使用后向散射截面校正海面粗糙度对亮温影响的流程图。

图2A是垂直极化的发射率增量随垂直发射垂直接收的Rσ和风向的变化图。

图2B是垂直极化的发射率增量随水平发射水平接收的Rσ和风向的变化图。

图2C是水平极化的发射率增量随垂直发射垂直接收的Rσ和风向的变化图。

图2D是水平极化的发射率增量随水平发射水平接收的Rσ和风向的变化图。

图3是模型计算得到的发射率增量随风向和NRCS的变化(beam3，用HH极化的NRCS计算得到的V极化发射率增量)。

图4A是模型计算得到的垂直极化发射率增量与实测的垂直极化发射率增量的均方根误差随风向和垂直发射垂直接收的Rσ的变化图。

图4B是模型计算得到的垂直极化发射率增量与实测的垂直极化发射率增量的均方根误差随风向和水平发射水平接收的Rσ的变化图。

图4C是模型计算得到的水平极化发射率增量与实测的水平极化发射率增量的均方根误差随风向和垂直发射垂直接收的Rσ的变化图。

图4D是模型计算得到的水平极化发射率增量与实测的水平极化发射率增量的均方根误差随风向和水平发射水平接收的Rσ的变化图。

图5A是校正后的beam1垂直极化平静海面亮温与亮温理论估计值的对比图。

图5B是校正后的beam2垂直极化平静海面亮温与亮温理论估计值的对比图。

图5C是校正后的beam3垂直极化平静海面亮温与亮温理论估计值的对比图。

图5D是校正后的beam1水平极化平静海面亮温与亮温理论估计值的对比图。

图5E是校正后的beam2水平极化平静海面亮温与亮温理论估计值的对比图。

图5F是校正后的beam3水平极化平静海面亮温与亮温理论估计值的对比图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明针对采用辐射计和散射计对同一位置采用同一入射角和方位角观测这一体制，利用散射计观测得到的后向散射截面数据(简称为NRCS，normalized radarbackscatter cross section)校正辐射计观测得到的亮温中的海表粗糙度影响，目前，使用这一体制的卫星主要为Aquarius卫星。

数据说明

辐射计型号是Aquarius卫星L波段微波辐射计，散射计型号是Aquarius卫星L波段微波散射计。使用Aquarius卫星对海面同一位置进行观测，它使用三个入射角对海面进行观测，第一个入射角记为beam1，第二个入射角记为beam2，第三个入射角记为beam3，分别为28.7度，37.8度和45.6度。本发明使用的辐射计数据包含水平极化状态H和垂直极化状态V，使用的辐射计包含水平发射水平接收状态HH和垂直发射垂直接收状态VV。本发明使用的数据为Aquarius卫星L2级数据，具体包括有：水平极化海表面亮温数据记为rad_TbH，垂直极化海表面亮温数据记为rad_TbV；散射计水平发射水平接收后向散射截面数据记为scat_HH_toa，散射计垂直发射垂直接收后向散射截面数据记为scat_VV_toa；海面风向数据记为anc_wind_dir、海表面温度记为anc_surface_temp、仪器方位角记为celphi、海面风速数据记为anc_wind_speed，平静海面水平极化亮温数据记为rad_exp_TbH0，平静海面垂直极化亮温数据记为rad_exp_TbV0。

参见图1所示，本发明的一种使用后向散射截面校正粗糙海面亮温的方法，其包括有以下步骤：

步骤一：散射计数据读取和预处理；

从Aquarius卫星L2级数据中提取散射计水平发射水平接收后向散射截面数据记为scat_HH_toa；然后，对所述scat_HH_toa采用对数还原模型进行还原，得到还原后的水平发射水平接收后向散射截面数据Rσ_HH；

从Aquarius卫星L2级数据中提取散射计垂直发射垂直接收后向散射截面数据记为scat_VV_toa；然后，对所述scat_VV_toa采用对数还原模型进行还原，得到还原后的垂直发射垂直接收后向散射截面数据的Rσ_VV；

在本发明中，由于scat_HH_toa和scat_VV_toa是分贝形式存在的，因此采用对数还原模型进行还原，得到后向散射截面数据的观测量Rσ；

在本发明中，将scat_HH_toa和scat_VV_toa采用集合形式表达记为σ＝{scat_HH_toa,scat_VV_toa}。

在本发明中，对数还原模型为：

Rσ表示还原后的后向散射截面数据(即观测量)，针对scat_HH_toa可以记为Rσ_HH，针对scat_VV_toa可以记为Rσ_VV；σ表示后向散射截面数据；“∧”表示幂的符号。

对所述scat_HH_toa采用对数还原模型进行还原，得到还原后的水平发射水平接收后向散射截面数据Rσ_HH。

对所述scat_VV_toa采用对数还原模型进行还原，得到还原后的垂直发射垂直接收后向散射截面数据Rσ_VV。

步骤二：风向数据获取及风向角度调整；

从Aquarius卫星L2级数据中提取出海面风向数据记为anc_wind_dir和仪器方位角记为celphi；然后利用风向校正模型计算得到相对卫星观测的风向角度

风向校正模型为：

在本发明中，若

小于0°，则通过加上360°，调整到

范围内。

在本发明中，若

大于360°，则通过减去360°，调整到

范围内。

在本发明中，获取anc_wind_dir和celphi是指校正的亮温数据同一时间同一经纬度的数据。

步骤三：利用散射发射率模型计算海表发射率增量；

在本发明中，根据Aquarius卫星载荷工作特点，针对其可同时获取主被动参数的优势，利用散射计只对海表粗糙度敏感且敏感性更高的特性，使用散射计主动获取的Rσ和散射发射率模型计算得到海表发射率增量ew_NRCS。在传统的海水盐度反演算法中，为得到海表发射率增量需要引入风速反演算法，先反演获得风速后再计算获得海表发射率增量，这一步不仅引入了风速反演模型带来的误差，同时增加了海水盐度反演的计算时间。因此本发明中直接使用卫星观测获得的参数计算获得海表发射率增量具有很强的业务化应用意义。

利用散射发射率模型计算海表发射率增量为：

ew_NRCS表示发射率增量。

beam表示入射角；在本发明中，可以是第一个入射角记为beam1，第二个入射角记为beam2，第三个入射角记为beam3。

p表示辐射计的极化方式；在本发明中，可以是水平极化(记为H)或者是垂直极化(记为V)。

Rσ表示还原后的后向散射截面数据；

表示相对卫星观测的风向角度；

A_n(beam,p,Rσ)表示余弦系数函数，下角标n表示系数标识号(在本发明中，n的取值为0，1，2，4)。其中，A₀(beam,p,Rσ)表示0阶的余弦系数函数；A₁(beam,p,Rσ)表示一阶的余弦系数函数；A₂(beam,p,Rσ)表示二阶的余弦系数函数；A₄(beam,p,Rσ)表示四阶的余弦系数函数。

因为A_n(beam,p,Rσ)的计算为：

a_n,i表示余弦发射率模型系数，下角标n表示系数标识号，下角标i表示阶数标识号。在本发明中，通过a_n,i训练数据拟合得到，制成关于入射角beam和极化方式的表格用于查找，即表1、表2和表3。

步骤四：海表面温度数据获取；

从Aquarius卫星L2级数据中提取出校正的亮温数据同一时间同一经纬度的海表面温度记为anc_surface_temp。

在本发明中，引用所述anc_surface_temp来构建海表面发射率增量与海表面亮温增量的关系。

步骤五：进行海表面亮温校正；

在本发明中，为获取可直接用于盐度反演的平静海面亮温，首先使用了步骤三及步骤四中的海表发射率增量和海表面温度数据计算获得海表面亮温增量，然后在Aquarius卫星获取的总海表面亮温数据中剔除由于粗糙海面引起的海表面亮温增量部分。在剔除粗糙海面亮温增量这一影响海水盐度反演精度的因素时，使用了Aquarius卫星同时获取主被动参数的特点，减少了传统方法进行海面风速反演所带来的模型误差，因此计算获得平静海面亮温精度更高，从而提高了海水盐度反演精度。

去除粗糙海面影响的水平极化海表面亮温为：

TB_flat,H＝rad_TbH-ew_NRCS×anc_surface_temp

TB_flat,H为计算得到的水平极化平静海面亮温。

去除粗糙海面影响的垂直极化海表面亮温为：

TB_flat,V＝rad_TbV-ew_NRCS×anc_surface_temp

TB_flat,V为计算得到的垂直极化平静海面亮温。

实施例1

利用2015年9月至2016年3月的数据进行模型的建立和验证，其中，2015年9月～12月的数据用于方法建立，2016年1月～3月的数据用于方法验证。数据中受降雨、陆地、海冰等影响的数据已被剔除。用于方法建立的数据在每个入射角大于120万对，用于方法验证的数据在每个入射角大于90万对。

图2A、图2B、图2C和图2D显示了利用训练数据计算得到的beam3的粗糙海面发射率增量均值随Rσ和风向的变化，可以看出粗糙海面发射率增量与Rσ和风向都有很高的相关性，粗糙海面发射率增量随Rσ的增长而增长，随风向呈余弦方式变化，因此在本发明方法步骤3中提出的模型十分合理，采集中应用了beam3，入射角45.6°，风向间隔10°、Rσ间隔0.001取平均。在实施例1中，余弦发射率模型系数a_n,i利用最小二乘法由训练数据拟合得到表1、表2和表3。

表1 Beam1的a_n,i的系数表

注：V VV为垂直发射垂直接收的后向散射截面数据计算垂直极化发射率增量的模型系数，V HH为水平发射水平接收的后向散射截面数据计算垂直极化发射率增量的模型系数，H VV为垂直发射垂直接收的后向散射截面数据计算水平极化发射率增量的模型系数，HHH为水平发射水平接收的后向散射截面数据计算水平极化发射率增量的模型系数。

表2 Beam2的a_n,i的系数表

表3 Beam3的a_n,i的系数表

利用表3的模型系数和散射发射率模型，模拟得到的海表面发射率增量了，请参考图3所示。根据图3与图2B的对比，可以看出本发明方法提出的散射发射率模型对数据的拟合度较高，可以十分精确地显示海表发射率增量随NRCS和风向的变化。散射发射率模型计算误差参考图4A、图4B、图4C和图4D所示，可以看出本发明方法在大部分情况下的模拟精度都较高，可达到优于0.3K。

依据实施例1给出的数据信息并结合本发明方法，计算得到了平静海面亮温，并与由海表盐度模拟得到的平静海面亮温进行了对比，对比结果如图5A、图5B、图5C、图5D、图5E、图5F所示，可以看出使用本发明方法校正后的平静海面亮温在各个入射角和极化方式下与模拟亮温的拟合度都较高。

依据实施例1给出的数据信息并结合本发明方法，与使用Aquarius(译文为宝瓶座卫星)V5.0中的用风速计算亮温增量的模型和辅助的NCEP风速也进行了亮温计算，对比结果如表4。

表4模型结果对比

注：V为垂直极化，H为水平极化。

从表4中可以看出使用本发明方法校正得到的平静海面亮温偏差和均方根误差最小。