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遥感技术与应用, 2022, 37(1): 8-16 doi: 10.11873/j.issn.1004-0323.2022.1.0008

青促会十周年专栏

小卫星大气微波探测仪及其应用模拟研究

王振占,1,2, 孙艺玲,1,2, 王文煜1,2, 张兰杰1,2, 张子瑾1,2, 李彬1,2, 董晓龙1,2, 张升伟1,2

1.中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室,北京 100190

2.中国科学院国家空间科学中心,北京

3.中国科学院大学,北京 100049

4.北京信息科技大学信息与通信工程学院,北京 100101

Simulation Studies on the Applications of Small-satellite-based Atmospheric Microwave Sounder (SAMS)

Wang Zhenzhan,1,2, Sun Yiling,1,2, Wang Wenyu1,2, Zhang Lanjie1,2, Zhang Zijin1,2, Li Bin1,2, Dong Xiaolong1,2, Zhang Shengwei1,2

1.Key Laboratory of Microwave Remote Sensing Technology,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China

2.National Space Science Center,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China

3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

4.School of Information& Communication Engineering Beijing Information Science And Technology University,Beijing 100101,China

通讯作者: 孙艺玲(1995-),女,吉林吉林人,硕士研究生,主要从事大气温湿廓线反演研究。E⁃mail:sunyl95@163.com

收稿日期: 2021-02-08   修回日期: 2021-12-27  

基金资助: 科工局民用航天背景型号项目“微小卫星大气微波探测有效载荷及应用技术”.  D040301

Received: 2021-02-08   Revised: 2021-12-27  

作者简介 About authors

王振占(1969-),男,河北青龙人,研究员,主要从事微波遥感定标、定量反演与应用技术研究E⁃mail:wangzhenzhan@mirslab.cn , E-mail:wangzhenzhan@mirslab.cn

摘要

小卫星大气微波探测仪技术是目前微波遥感技术的一个研究热点。通过研制一台小卫星大气微波探测仪(以下简称大气微波探测仪,英文简称SAMS)并搭载在我国的商业小卫星上,实现对大气温湿度、极端天气和降雨的快速测量。介绍了SAMS的应用方面设计的特点,并结合目前的灵敏度测试数据,分析了在轨应用性能,尤其是在海面气压、大气湿路径延迟反演方面小卫星微波探测仪提供了一种新型灵活的探测手段,同时也对载荷在大气温度和湿度廓线探测常规的探测能力方面也进行了总结和分析,为卫星数据的应用和开发打下基础。

关键词: 小卫星大气微波探测仪 ; 大气温度廓线 ; 大气湿度廓线 ; 海面气压反演 ; 湿路径延迟反演

Abstract

The technology of small satellite atmospheric microwave sounder is currently a research hotspot of microwave remote sensing technology. In this paper, a small Satellite Atmospheric Microwave Sounder (SAMS) has been developed and planned to be carried on commercial small satellites to achieve rapid measurement of atmospheric temperature and humidity profiles, extreme weather and rainfall. This paper introduces the characteristics of SAMS application design, combined with the current sensitivity test data, analyzes the on-orbit application performance, especially provides a new kind of flexible means of detection for sea surface pressure and atmospheric humidity path delay. At the same time, this paper also summarizes and analyzes the conventional detection capabilities of atmospheric temperature and humidity profile retrieval, laying a foundation for the application and development of satellite data.

Keywords: Small-satellite-based Atmospheric Microwave Sounder ; Atmospheric temperature profile ; Atmospheric humidity profile ; Sea surface pressure ; Wet path delay retrieving

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本文引用格式

王振占, 孙艺玲, 王文煜, 张兰杰, 张子瑾, 李彬, 董晓龙, 张升伟. 小卫星大气微波探测仪及其应用模拟研究. 遥感技术与应用[J], 2022, 37(1): 8-16 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2022.1.0008

Wang Zhenzhan, Sun Yiling, Wang Wenyu, Zhang Lanjie, Zhang Zijin, Li Bin, Dong Xiaolong, Zhang Shengwei. Simulation Studies on the Applications of Small-satellite-based Atmospheric Microwave Sounder (SAMS). Remote Sensing Technology and Application[J], 2022, 37(1): 8-16 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2022.1.0008

1 引 言

小卫星大气微波探测仪技术是目前微波遥感技术的一个研究热点,由于其小型化、低成本的技术特点,有望提高观测的多样性和灵活性1。通过卫星组网,并有机地结合多种观测手段,可以实现全球或者特殊区域的快速重访观测,提高探测的次数和观测范围。国外已经开展了许多微小卫星大气微波探测的研究,并发射了多颗立方体卫星用于技术验证2-5。小卫星大气被动微波探测的主要科学和应用方向:①高时空分辨率大气温湿度探测,为数值天气预报提供基础数据6;②为降雨、灾害监测与环境保障提供区域应急响应预报,提高对快速变化目标和区域的遥感能力7-8;③为全球变化研究和气候变化监测提供历史数据,尤其是增加对昼夜周期规律与变化特征的大尺度实测数据9-11

中国科学院微波遥感技术重点实验室正在研制的小卫星大气微波探测仪(以下简称大气微波探测仪,Small-satellite-based Atmospheric Microwave Sounder,英文简称SAMS)可用于探测全球大气温度和湿度廓线,同时探测海面气压、降水、台风路径等大气参数和天气现象。SAMS即将在我国的商业小卫星上搭载。SAMS的主要系统指标见表1。SAMS采用交轨扫描方式,在400 km的轨道高度下的刈幅宽度大于1 100 km。由于采用交轨扫描,在天底点和扫描线的边缘像元的大小是不同的。SAMS整个扫描周期内的全采样,在匀速扫描的情况下,每个扫描周期的采样点数约230个,而在变速扫描的情况下,采样点数约210个。

表1   SMAS的主要系统指标

Table 1  The main system indicators of SMAS

序号项目技术指标
1频率/GHz89、118、166、183
2空间分辨率

89/118 GHz频段空间分辨率为14 km(天底点)

166/183 GHz空间分辨率为8 km(天底点)

3刈幅宽度1 100 km(轨道高度400 km)
4灵敏度0.5~2.5 K
5采样点数

全空间采样,变速扫描采样点数为210个/每条扫描线

匀速扫描采样点数为230个/每条扫描线

6星上定标2个(常温定标源、冷空背景)
7通道数18
8扫描周期

变速扫描状态:2 800±10 ms

匀速扫描状态:3 000±10 ms

9数据率≤30 kbps
10定标精度≤1.5 K
11质量<20 kg
12体积约500 mm(长)×260 mm(宽)×300 mm(高)
13功耗<90 W

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海面气压是近年来提出的一种新的卫星遥感参数12,是在极端天气条件下天气预报的重要输入参数;大气路径延迟是微波高度计海面高度测量的一个重要误差项,需要实时获取才能实现高精度的海面高度测量。传统的雷达高度计路径延迟获取是通过天底点指向的低频微波辐射计获取13,而成像高度计14 的观测刈幅宽,需要提供与观测视场对应的大气湿路径的校正,这是传统的大气校正辐射计很难实现的。作为我国首台基于小卫星平台的微波辐射计载荷,SAMS针对上述应用进行综合设计。在一些通道设计上有别于目前已经在轨的星载大气微波探测载荷,所以本文第二章首先对载荷的系统设计特征、定标技术等关键技术进行介绍,为后续的小卫星微波探测技术提供参考。第三章介绍辐射传输模拟使用的数据集以及反演算法,第四章对全球海面场景进行辐射传输模拟仿真,分析SAMS在大气温度和湿度廓线、海面气压、大气湿路径延迟等大气参数的反演能力。

2 SAMS应用目标设计

2.1 SAMS通道设计

SAMS样机如图1所示,系统主要包括天线单元、扫描驱动机构、定标单元、电子学部件等。反射面天线采用偏置抛物面设计,通过连续的圆周扫描接收来自地球表面和大气的微波辐射;通过极化栅网将输入频率分为89 GHz和118 GHz、166 GHz和183 GHz两组频率,最终到达各自的接收机实现信号的采集和记录。

图1

图1   大气微波探测仪(SAMS)样机

Fig.1   Small-satellite-based Atmospheric Microwave Sounder (SAMS) prototype


大气微波探测仪在频率设置上继承了FY-3E微波湿度计15,通道有所拓展,包含18个探测通道,其中,89 GHz和166 GHz两个通道,用于探测表面发射率以及降雨等总量参数;118 GHz为氧气吸收峰,包含11个通道,用于探测大气的温度廓线;183 GHz为水汽吸收峰,用于探测大气水汽廓线。表2给出SAMS的通道设置及其主要技术指标。

表2   SAMS的通道设置及其主要技术指标

Table 2  The channel settings and main technical indicators of SAMS

通道

中心频率

/GHz

极化

带宽

/MHz

频率稳定度/MHz动态范围/K

实测灵

敏度/K

189H1 500303~3400.4
2118.75±0.08(30)H60303~3401.5
3118.75±0.2(60)H100303~3401.1
4118.75±0.4(100)H200303~3400.9
5118.75±0.8(180)H200303~3400.7
6118.75±1.1(220)H300303~3400.7
7118.75±1.6(300)H300303~3400.7
8118.75±2.1(380)H300303~3400.7
9118.75±3.0(490)H300303~3400.8
10118.75±3.6(600 mb)H500303~3400.7
11118.75±4.3(700 mb)H500303~3400.6
12118.75±4.9(800 mb)H500303~3400.6
13166.0(表面)V1 500503~3400.6
14183.31±1H500303~3400.7
15183.31±1.8H1 000303~3400.6
16183.31±3H1 000303~3400.7
17183.31±4.5H1 500303~3400.6
18183.31±7H1 500303~3400.6

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118 GHz包括11个氧气吸收峰附近的通道,用于测量大气氧气,进而反演大气温度廓线11。本次设计对通道之间的权重系数分布进行了一定的修改,增加了118.75±1.6 GHz这个300 mb附近的通道7(对应图2中的10 km附近的权重函数),以提高对于极端天气条件下暖心的观测能力16-17。同时细分了近表面的118.75±5.0 GHz为3个通道,期望提高其对近表面温度和湿度廓线(参见图3)的探测能力。未来118.75±5.0 GHz总的通道还继续保存。图2给出118 GHz的11个通道的权重函数随着大气压的分布。

图2

图2   SAMS的氧气权重函数

Fig.2   O2 weighting function of SAMS


图3

图3   SAMS的水汽通道权重函数

Fig.3   H2O weighting function of SAMS


图3给出166 GHz和183 GHz的5个湿度通道和118 GHz的通道对于大气水汽的权重函数的分布。图中绿色线对应118GHz氧气通道对于湿度的敏感性。可见118.75 GHz的远端通道对于水汽也是较为敏感的,因此结合166~183 GHz和118 GHz可以提高对于大气湿度廓线的探测能力。

2.2 SAMS定标技术

通常的微小卫星微波辐射计载荷没有星上定标,只能借助其他手段,如GNSS等手段结合辐射传输计算获得定标参考亮温进行18。SAMS采用星上实时两点定标技术,与FY-3微波湿度计相似,星上定标方式为天线口面定标,通过周期性地观测常温定标黑体和冷空背景温度来实现全路径的实时两点定标15。定标黑体如图4所示,采用金属尖劈涂覆吸波材料,涂敷材料采用了中科院国家空间科学中心自研的YH-1型宽带吸波材料,涂层厚度采用渐变的方式,提高了黑体发射率。黑体实测发射率在89~425 GHz范围内大于0.999 5。总质量小于1 kg。

图4

图4   SAMS的定标黑体

Fig.4   Calibration blackbody of SAMS


3 数据源及反演方法

3.1 数据源及亮温的模拟方法

为了初步分析SAMS对于大气温度和湿度廓线、大气水汽含量和湿路径延迟的反演能力,实验使用的典型大气廓线数据集来自数值天气预报应用研究组(NWP SAF)生成的60层大气变量廓线数据集19,从中选出的3 962条无雨海面大气廓线(液水含量≤0.2 mm)作为18个通道亮温的模拟输入。模拟过程中考虑上下边带的吸收系数以及表面发射率的差异,利用各自边带中心频点作为对应边带亮温模拟的频点。

对于大气温度和湿度廓线、水汽含量和湿路径延迟反演使用的亮温是通过ARTS辐射传输软件,选择MPM93大气吸收系数模型20和Fastem5表面发射率模型21来模拟的。

3.2 反演算法

大气水汽反演和路径延迟反演使用了1通道和6~18通道的组合进行统计回归:使用一半数据建立线性反演算法,使用另外一半数据进行算法验证1322。算法形式如下:

p=i=1naiTB,i+c

其中:n=14表示通道总数;i表示通道;对应1和6~18通道;ai为该通道亮温的算法系数;c为常数项。这些系数通过待反演的参数与亮温组合的线性回归分析得到,这里由于篇幅关系省略。

大气温度和湿度廓线反演选取仿真数据集中的20条廓线(3 962条廓线中每隔40个廓线选择1组SST>275 K的海面数据,共计获得49组数据,其中选择20组用于反演,主要考虑计算和反演的速度)。以每个通道的灵敏度为标准差,模拟20组高斯噪声,辐射亮温加上高斯噪声即为模拟的观测亮温。

反演采用一维变分法,利用仿真数据集中的49条廓线,平均后得到背景廓线,其中Fastem5使用的表面参数为使用SAMS反演的海面参数(海面温度和风速,盐度设置为35)。采用高斯牛顿法进行温、湿度的同步反演。在构建反演方法的过程中,不考虑通道间的相关噪声,测量协方差矩阵是对角线数值为灵敏度平方的对角阵,背景协方差矩阵的对角线元素设置为初始廓线偏差的平方,非对角元素呈指数下降。由于不同廓线的压强网格并不相同,最终反演得到的廓线插值到统一的等距反演网格中。海面气压的仿真流程图如图5所示。

图5

图5   仿真流程图

Fig.5   Simulating flow chart for air pressure retrieving


为了独立评价海面气压的反演能力,海面气压反演使用了另外一组独立的数据集——美国威斯康星大学开发的全球晴空反演训练样本(SeeBorV5.0)23。廓线层数为101层,使用参数包括大气温度廓线、水汽含量廓线、海面风速、海面温度、海面气压。该晴空样本主要由探空廓线数据组成,其中海面气压数据精度为1.0 hPa24。样本包含的中低纬度海洋廓线共3 940条,随机选择其中3 000条用于反演模型训练,其余940条用于测试。这样设置的目的是减少反演效果对于大气吸收模型和数据集的依赖性(NWP SAF是再分析数据集,样本的独立性较弱)。为了减少模型误差的传递,气压反演使用微波辐射传输模型MonoRTM作为正演模型25,海面发射率模式不变,仍然使用Fastem5表面发射率模型21

4 SAMS的大气参数反演仿真

4.1 大气水汽含量和路径延迟反演

使用算法式(1),水汽含量和湿路径延迟反演的初步反演结果见图6。反演使用±2°以内的数据进行大气水汽和路径延迟的反演,基本对应于天底点两侧的2次观测数据。这个反演效果对应于传统微波高度计的天底观测。虽然大气水汽含量和路径延迟具有高度的相关性,但是由于这是两个独立的参数,在不同路径延迟算法中的应用方式不同中,所以这里同时给出了这两个参数的反演结果。从结果中可以看出,在天地点±2°以内,水汽含量的反演均方根误差(RMSE)约为2.7 mm,路径延迟误差约为1.4 cm,略大于传统大气校正微波辐射计的精度13。但是传统的大气校正辐射计采用的是固定波束观测,很难实现宽幅观测。

图6

图6   在±2°以内所有角度数据反演的水汽含量和湿路径延迟初步结果

Fig.6   The retrieved water vapor content and wet path delay within 2° scanning angles


考虑到卫星宽幅微波高度计大气路径延迟校正的需求,图7给出±15°范围的水汽反演结果, ±15°在831 km的轨道高度对应的范围约450 km。图6中统计了SAMS的大气湿路径延迟的反演RMSE,在±15° 范围内约为1.4 cm,水汽含量的误差小于2.8 mm。

图7

图7   在±15°以内所有角度数据反演的水汽含量初步结果

Fig.7   The retrieved water vapor content and wet path delay within 15° scanning angles


因此SAMS可以实现宽幅大气湿路径延迟的校正,并且反演结果的精度优于再分析数据和预报数据。

此外,在目前的配置下,SAMS还可以对宽幅±15°范围内海面参数进行初步的估计,如SST的反演误差小于2.5 K,风速误差小于3 m/s,因此具有一定的下表面参数的估计能力。尽管存在一定的误差,但是这些表面反演结果可以作为下面大气温度和湿度剖面反演的表面参数的初值,以减小表面参数对反演结果的影响。这里的算法没有对于不同角度单独建立反演算法(图中纵向的连续点对应相同场景的不同角度数据反演的结果),因此当考虑角度变化影响的情况下,反演精度还可以提升,具体应用效果等待利用实测数据进行分析,并发掘其应用潜力。

4.2 大气温度和湿度廓线反演

根据第2节对SAMS通道权重函数特性分析,实验选取反演温度廓线的压强范围是1~1 100 hPa,湿度反演廓线的压强范围是200~1 100 hPa,使用平均偏差、标准差和均方根误差作为对反演结果统计验证的定量标准26图8图9分别给出了SAMS反演的在0.55°入射角下反演的温度廓线和湿度廓线(SAMS观测天底点的最小角度是0.55°,步长是1.1°)。

图8

图8   湿度廓线随压强的变化

Fig.8   Retrieved humidity profile changes with pressure


图9

图9   温度廓线随压强的变化

Fig.9   Retrieved temperature profile changes with pressure


图8中,湿度反演的偏差(Bias)小于5%,标准差(STD)基本上在10%~15%,在600 mb附近最大,约为20%。均方根误差类似于标准差,经过计算在200 mb以下的大气湿度反演总的RMSE均值约在13%。

图9给出了温度廓线反演的误差。图中只显示了5 K以内的误差,可以SAMS反演的温度廓线在35 km(约6 mb)以上的误差已经大于5 K。在30 mb高度以下,温度的RMSE在2~3 K左右,均值2.2 K左右,其中100 mb和850 mb略大,约为3 K。总体反演大气的温度廓线水平与其他同类大气廓线仪的精度相当。需要说明的是,使用一维变分方法大气廓线反演的精度受到初值的准确度影响很大,如果初值的精度提高,对于廓线反演精度的提高有较大帮助。实验也尝试使用在真实温度廓线上加入1.5 K偏差,以及湿度廓线加入10% 的误差(各层湿度乘以1.1)得到湿度廓线平均偏差、标准差和均方根误差均小于10%,温度的反演误差均小于1.5 K(结果图由于篇幅关系这里省略)。

总之,从目前给定的有限数据的温度和湿度大气廓线反演结果来看,SAMS基本上保持MWHTS的性能和温度廓线反演能力,同时由于增加近地面的通道,使得近底层大气湿度廓线的能力有所提升。这些结果未来有待利用实测数据进一步验证。

4.3 海面气压反演仿真分析

海面气压微波辐射计遥感是近年来提出的一个新的微波辐射计遥感方向12。在SAMS的设计和应用方向中,通过优化通道设计,力争兼顾海面气压反演的应用。下面基于Zhang等27提出的方法,建立海面气压神经网络反演模型,采取BP神经网络对海面气压进行反演。BP神经网络的输入为模拟的各通道的亮温,输出为对应的海面气压。最优的神经网络结构通过交叉验证法确定。通过验证,模型测试结果如图10所示。可以看出,测试数据集的反演结果与探空数据的均方根偏差为2.0 hPa,能够满足数值天气预报等应用对晴空海面气压探测精度的需求28

图10

图10   海面反演结果与探空数据的对比

Fig.10   Comparison of sea surface inversion results and sounding data


5 结 语

小卫星大气微波探测仪SAMS是一台完全基于国产技术自行研制的毫米波辐射计。其采用交轨扫描技术体制,通过89、118、166和183 GHz 4个频段18个通道的全功率接收机,通过交轨扫描连续观测来自地球表面和大气的微波辐射,通过天线口面的外定标技术,实现定量化的被动微波遥感测量。研究基于目前系统灵敏度的测试结果,仿真分析了全部18个通道用于大气温度和湿度廓线的反演能力,结果表明在30 mb高度以下,温度的反演误差(RMSE)在2~3 K左右。SAMS的湿度反演误差RMS误差均值约在13%。由于增加近地面的通道,使得近底层大气湿度廓线的能力有所提升。研究还仿真分析了SAMS数据在海面气压、大气水汽含量和湿路径延迟方面的能力,可以发现海面气压的反演可以达到2 mb,大气的湿路径延迟可望达到1.4 cm。这些结果对于大范围的海面强对流天气的监测和海面高度路径延迟校正具有重要的意义。

与现有的微波业务卫星相比,小型、低成本的微波探测仪可以在保持精度的情况下,利用编队或星座的方式获得更高的时间分辨率(30 min),捕捉快速发展的天气系统,为研究台风和其他极端灾害天气的发展提供宝贵的观测资料。SAMS体积小,功耗低,使用方便,通用性强,未来有望在更多卫星和平台上发挥重要的作用。

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