星载微波传感器大气温湿度物理反演算法研究

针对我国下一代静止轨道微波探测器资料应用的需求,对微波50~60GHz和183GHz的温湿遥感通道开展了不同大气条件下探测敏感高度的模拟,发现大气散射对微波探测影响明显,尤其是近地面通道,在未来数据应用时需加以注意。提出一种基于一维变分的大气温湿度廓线物理反演算法。以美国最新一代气象卫星Suomi NPP搭载的ATMS(Advanced Technology Microwave Sounder)获取的观测资料为研究对象,RTTOV(Radiative Transfer for TOVS)快速辐射传输模式为前向算子,利用一维变分算法开展了温湿度廓线反演单点试验。研究发现:地表参数对微波亮温,尤其是地面通道影响较大。同时,反演所需背景场对反演结果影响较明显,反演所得温度与背景场较接近。     

星载微波辐射计的计算机仿真研究

星载微波辐射计是大气观测和海洋观测的重要微波遥感仪器，计算机仿真研究对于系统分析、设计、研究和性能的测定具有重要的意义。文章对全功率型微波辐射计进行了计算机仿真研究，建立了全功率型微波辐射计的系统仿真模型，并采用伪随机数模拟微波辐射计信号源，进行了微波辐射计测温灵敏度的仿真测试。仿真测试结果证明了所建模型准确有效，为系统设计提供了重要参考。     

NASA建造先进的对地观测微波辐射计

据美国国家航空航天局网站报道,2013年5月,美国航空航天局戈达德太空飞行中心开发了一台先进的微波辐射计。该微波辐射计能够克服以往类似地球观测仪器所遇到的困扰,将配备为对地观测卫星任务研制的最先进的信号处理系统,主要用于测量电磁辐射密度及特殊的微波。目前,仪器已被运输到加利福尼亚州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室,在这里技术人员将把微波辐射计与一台喷气推进实验室研发的合成孔径雷达系统一并集成到该实验室的土壤水分有源-无源探测     

星载微波辐射计分辨率匹配的平滑参数选择

为了反演获得准确的大气海洋参数,须要将星载微波辐射计分辨率不同的观测亮温进行分辨率统一的重采样处理。结合卫星的相关参数,使用渐削圆形口径和正轴等距投影的方式对星载微波辐射计的天线方向图进行仿真模拟。使用Backus-Gilbert方法对包含地理信息的模拟天线方向图以及AMSR-E真实数据进行观测亮温重采样试验,并分析了调整平滑参数时匹配误差和噪声参数两个关键指标的变化,得出选定的最佳平滑参数是当平滑参数从0向无穷大变化时,首次出现构造天线方向图非负的平滑参数。试验表明,目前常用的固定滤波分辨率匹配方法结果较好且计算效率高,具有一定的应用价值。     

星载微波辐射成像仪天线温度误差分析

：阐述了星载微波辐射成像仪扫描式外部两点周期定标原理，介绍了利用星载微波辐射成像仪原始测量数据计算其天线温度的方法———定标方程。详细分析了星载微波辐射成像仪的天线温度精度。并估算了星载微波辐射成像仪的１８ＧＨｚ接收通道天线温度精度。确定了影响天线温度精度的主要误差源，为提高天线温度精度提供了依据     

空间目标三维重构误差分析与相机参数设计方法

针对空间目标三维重构任务中的相机参数设计问题，提出一套由目标重构精度反演观测相机参数及观测方案的方法。通过梳理三维重构误差传播机理，将误差传播归结为相机内参数影响特征点齐次坐标和齐次坐标影响重构精度两个过程，给出了三维重构误差计算方法。基于误差下限分析计算结果，给出了观测距离、拍照间隔与相机姿态指向等任务参数的设计原则，建立了由重构精度反演相机焦距和像素尺寸的方法，形成一套以重构精度为核心指标的观测方案和相机参数设计方法。针对模拟空间目标的仿真试验校验了重构误差估算算法及相机参数和观测方案设计方法的有效性。     

基于车载微波辐射计的地面观测试验方法

微波遥感具有全天时全天候的优点,并对云雾、雨雪和植被等有一定的穿透能力。地基微波辐射计以机动灵活的方式接收地表在微波波段的电磁辐射特性,被广泛用于土壤水分、冻融过程等微波遥感定量试验中。以车载多通道双极化微波辐射计(RPG-6CH-DP)为例,针对不同植被覆盖地表,在内蒙古多伦地区开展了为期3个月的野外观测试验,获得了L(1.4GHz)、C(6.925GHz)、X(10.65GHz)三个频率下的极化亮温观测数据。结果发现,L波段对植被的穿透能力最强,对土壤水分变化最敏感。微波辐射计观测地物的方位角、入射角均对观测亮温有直接影响。这为解译地物微波辐射传输过程及其相互作用机理、各种理论模型的发展和验证、地表参数反演算法的改进,以及相关地球观测卫星计划的载荷方案论证奠定了基础。     

一体化微波成像探测技术发展和展望

介绍了微波成像探测技术的发展历程及趋势。阐述了将多种遥感目的和功能集于一体微波成像探测的优势和必要性。通过多频点大口径天馈、高灵敏度多通道接收及高稳定度长寿命转动机构等关键技术的突破,研制了一体化微波成像探测样机。与目前在轨的风云三号(FY-3)卫星微波成像仪相比,最高测量频段提高、细分通道数目增多、探测灵敏度及辐射测量精度提升,实现了大气温度廓线、大气湿度廓线和地表成像的一体化同源观测,在增强数据同化能力的同时提高了卫星的载荷效率,可同时获得全天时、全天候的海面风场,海面温度,海冰分布和雪覆盖,大气温湿度廓线,大气水汽和液态水分布等全球性气象资料。对一体化微波成像探测技术的高分辨率、高频率接收和全极化探测等发展方向进行了展望。     

微波辐射计静止轨道遥感试验技术

在地球静止轨道上对大气进行微波遥感探测尚无先例。为验证静止轨道微波探测仪器关键技术,研究高轨微波辐射传输特性并积累遥感数据,研制了微波探测试验载荷,搭载于风云四号A星进行在轨试验。微波探测载荷采用真实孔径圆周扫描体系,配置双频段(183,425 GHz)五通道。载荷在轨试验中,各项指标正常,183GHz频段灵敏度优于0.5K,425GHz灵敏度优于1.9K,性能稳定并超过3个月考核寿命。对微波探测载荷183GHz与极轨载荷先进技术微波辐射计(advanced technology microwave sounder,ATMS)进行亮温交叉比对的结果显示,两者亮温相近,变化趋势一致,验证了探测数据的有效性。载荷还在静止轨道获取了极轨无法探知的3K/h量级亮温变化,并在风云四号A星姿态调整期间完成了静止轨道微波遥感成像。验证了在静止轨道上进行真实孔径体制微波遥感探测的有效性。     

基于GNSS掩星资料的风云卫星微波载荷产品质量验证与分析

聚焦新一代国产极轨气象卫星微波载荷和全球导航卫星系统(GNSS)掩星临边观测的探测机理,及其各自仪器的性能指标和在轨运行的特点,利用2019年1月1日到12月31日的全球数据,开展基于GNSS掩星资料的风云气象卫星微波观测亮温对比和反演廓线产品质量检验研究。在匹配数据时间分辨率为30 min和经纬度分辨率为0.5°的情况下,亮温偏差小于5 K,大气温湿度探测精度分别为1.92 K和22.8%,同时分析了2019年青藏高原地区大气温湿度的时空分布规律。结果表明:风云气象卫星微波辐射计具有全球全天候探测大气温湿度的功能,在近地面具有丰富的反演数据,而对于GNSS掩星探测资料,3 km以上探测精度优于微波湿度计,近地面数据较少,两者联合,既可以互相补充和验证,又能以青藏高原为例,分析长时间序列气象和气候数据,为后续的气候研究提供基础数据集。     

地球静止轨道微波辐射计技术

静止轨道微波辐射计可实现全天时、全天候、高频次云雨大气观测,在台风、流域性强降水探测和预报方面发挥重要作用。但在波束扫描、多频复用、系统定标等方面的运用存在较大困难,世界上尚无在轨应用先例。现从探测需求出发,对静止轨道微波辐射计进行了系统方案设计。提出了卫星平台与辐射计部件快慢结合扫描的方法,以解决波束扫描和系统定标难题;提出了低频选入射角层叠式布局准光学频段分离方法,以解决多频段复用难题。研制了微波辐射计原理样机,通过实验室和外场试验验证了系统设计,为静止轨道微波探测卫星研制提供了一定指导。     

中分辨率微波扫描辐射仪

仪器实施的方案为固定视角圆锥扫描双参数温度外部两点式周期定标全功率型，论述了它的工作原理、视向与扫描方式、频段选择和总体的构形。同时对天馈技术、微波接收机、定位技术、数据采集与处理、驱动与传输、电源、热控制等技术进行了分析。     

提高微波辐射计灵敏度研究的综述

介绍影响微波辐射计灵敏度的两个主要因素 :系统增益和本机噪声。围绕这两个影响因素 ,介绍提高辐射测量灵敏度所采取的两种方法 :电的或人工的方法以及软件处理的方法。最后讨论微波辐射计灵敏度研究中存在的问题 ,并指出其今后的发展方向     

基于SVM和"嫦娥一号"数据的月球表面亮温分布

月球表面的微波辐射亮度温度分布与月表物质的物理化学和地理分布特性密切相关.为了分析月球表面微波辐射亮温的分布特点,利用支持向量机(SVM)方法对嫦娥一号(CE-1)绕月卫星搭载的微波辐射计获得的2C级亮温数据建立回归分析模型,并利用粒子群算法优化SVM回归模型,建立了月球表面不同地理位置的4个频率通道(3GHz,7.8GHz,19.35GHz,37GHz)的微波辐射亮温与时间的关系,获得了这4个频率的微波辐射亮温在月表很窄时间段的全球分布,因而显示出了更多的细节特征.最后对这些特征进行了描述并对影响月球表面亮温的因素进行了讨论.     

星载微波辐射计的天线方向图校正和亮温计算

在简要介绍星载微波辐射计周期定标技术基础上,着重分析了外部周期定标技术,采用天线方向图校正技术进行了误差分析,对“冷”、“热”定标源进行了计算,提出了提高星载微波辐计定标精度的措施。     

深空干涉测量对流层经典模型改进

对流层延迟修正误差是深空干涉测量的重要误差源之一。通过修正对流层经典天顶延迟模型和Niell映射函数NMF（Niell Mapping Function）构建了一种高精度区域对流层延迟模型。首先，结合我国深空网喀什深空站对流层延迟实测数据，对Saastamoinen模型的适用性进行分析，通过线性最小二乘拟合修正天顶干延迟参数，模型精度相对改善29.6%；然后，针对NMF低仰角情况下映射偏差较大的问题，构建偏差函数模型，显著改善了低仰角下的映射性能，经实测数据验证：仰角在0°~30°时，对流层延迟模型偏差相对改善约30%。改进后的对流层区域模型估计精度高，可为我国深空干涉测量对流层延迟修正提供参考。     

星载微波辐射计天馈系统噪声温度分析

星载微波辐射计在轨运行时,影响天线温度的因素与天馈系统的空间与时 间的不稳定性有关。在最坏情况下,裸露在卫星舱外的天线物理温度的变化值可达±
150℃,而且太空环境和卫星舱内环境存在一定的温度差异,使得连接天线与开关 的波导存在一定的温度梯度。依次分析了反射面对观测信号传输的影响,天线馈源物理 温度在-150℃～150℃范围内时的噪声温度,温度梯度对计算连接波导噪声温度的影响。利 用上述的分析结果,确定了天馈系统的在轨测温方法以满足星载微波辐射计精确定标的要求 。
     

微波成像仪扫描转动对卫星姿态的影响分析和控制实现

介绍了微波成像仪扫描运动方式,分析了微波成像仪扫描运动及对卫星姿态稳定性的影响,提出了微波成像仪扫描运动稳定性控制中天线静平衡、天线展开到位精度、转动体动平衡和整体动平衡状态的控制方法。给出了微波成像仪扫描平衡状态及在轨验证效果。结果表明：微波成像仪动平衡控制有效,达到了预期的姿态稳定性控制要求。