一种微波辐射计交叉极化误差修正方法技术

一种微波辐射计天线交叉极化误差修正方法，针对现有微波辐射计交叉极化误差修正方法的缺陷：校正步骤多、计算量大、严重依赖地面测试参数的缺点，提出了一种新的修正方法，即在对微波辐射计测量值进行定标和冷空溢出修正的基础上，通过对模式亮温数据与微波辐射计测量亮温进行多元线性回归，直接得到针对全部交叉极化影响的修正矩阵，从而实现对测量亮温的交叉极化误差修正。相比于现有交叉极化误差修正方法具有以下优点：不需要获取天线方向图数据、天线安装偏差、卫星姿态等参数即可完成修正；可对不同来源的交叉极化误差统一进行修正，提高数据处理精度和速度。

A Correction Method for Cross Polarization Error of Microwave Radiometer

A method for correcting the cross-polarization error of microwave radiometer antenna is presented. In view of the shortcomings of the existing methods for correcting the cross-polarization error of microwave radiometer, such as many steps of correction, large amount of calculation and heavy dependence on ground test parameters, a new method for correcting the cross-polarization error of microwave radiometer antenna is proposed, which is to calibrate the measured value of microwave radiometer and to overflow On the basis of the correction, the correction matrix for all cross-polarization effects is directly obtained by multiple linear regression between the mode brightness temperature data and the brightness temperature measured by microwave radiometer, thus the cross-polarization error correction for the measurement of brightness temperature is realized. Compared with the existing cross-polarization error correction methods, it has the following advantages: it can complete the correction without acquiring antenna pattern data, antenna installation deviation, satellite attitude and other parameters; it can uniformly correct cross-polarization errors from different sources, and improve the accuracy and speed of data processing.

【技术实现步骤摘要】
一种微波辐射计交叉极化误差修正方法
本专利技术涉及一种微波辐射计交叉极化误差修正方法，属于微波遥感

技术介绍
微波辐射计观测地物目标时，通过天线被动接收地物目标的能量，由于抛物面天线本身的特性，如反射率损耗、端对端口隔离度、反射面交叉极化特性等，导致天线在非预定的极化接收不需要的极化分量能量，同时，目标场景与天线视轴极化基准失配，法拉第旋转也是引起交叉极化误差的原因。可见，天线交叉极化误差来源复杂，难以建立包含所有误差来源的交叉极化传输方程，只能针对不同交叉极化误差来源逐一进行修正，目前交叉极化误差修正主要分为三个步骤：天线交叉极化修正天线交叉极化误差主要由抛物面天线非理想特性导致，根据天线传输方程及全极化微波辐射计信号测量原理可推导出天线交叉极化误差修正公式：其中，TB＝[TBv；TBh；TB3；TB4]为目标真实亮温，TA＝[TAv；TAh；TA3；TA4]为微波辐射计测量亮温，Fn为天线交叉极化矩阵，可通过天线方向图计算得到：其中，fn,vv、fn,hh分别为v、h主极化电压方向图，fn,vh、fn,hv为v、h交叉极化电压方向图。可见，如果可获取准确的天线主极化和交叉极化天线方向图，那么，就能根据(2)式算出天线交叉极化修正矩阵Fn，再利用(1)式对全极化微波辐射计测量亮温TA进行交叉极化误差修正，得到目标真实亮温TB。极化旋转修正极化旋转角定义为地表目标极化基准和辐射计天线极化基准之间的旋转。微波辐射计对地观测时，由于卫星姿态偏移，导致天线的极化基准并不和地球场景的极化基准完全匹配，产生了极化旋转角假设目标真实亮温为TB，由于极化旋转角的存在，天线测量亮温为:通过扫描几何转换，可得极化旋转矩阵如下：通过矩阵求逆可将天线亮温测量值TA转换为地面辐射亮温矢量，即可见，极化旋转误差修正的关键是极化旋转角的计算，只要已知辐射计姿态偏移量：俯仰、翻滚、偏航以及扫描方位角、天底角，就可以计算出极化旋转角法拉第旋转修正法拉第旋转来指自电离层对电磁波极化平面的旋转，导致目标极化基准与天线极化基准失配，其修正方法与极化旋转校正方法完全一致，仅仅旋转角度计算方法不同。法拉第旋转角计算公式为：式中，ne为电离层自由电子密度(m-3)，Bgeo为地磁场矢量(高斯)，v为电磁波频率(Hz)，s为电磁波传播路径单位矢量(m)，积分范围是从电离层底至卫星所在高度。目前，针对交叉极化误差，按照天线交叉极化修正、极化旋转修正、法拉第旋转修正的顺序，对各项交叉极化误差逐一进行修正，但是这样的修正方法存在很大的局限性：(1)对于天线交叉极化修正，需要准确测量4pi范围内天线方向图，目前技术水平难以达到，很难获得准确的交叉极化修正矩阵Fn，同时，卫星在轨后，天线辐射特性可能发生变化，可能导致地面测试天线方向图不再适用；(2)全极化亮温矢量第三分量TB3对于极化旋转和法拉第旋转极为敏感，对于极化旋转校正来说，需要准确测量天线安装偏差、卫星姿态、天线扫描方位角、俯仰角等，涉及参数众多，很难保证每一项的测量精度，同时，法拉第旋转角计算较为复杂，计算精度也难以保证；(3)针对每一项误差来源逐一校正的方法只能对这三项误差进行修正，对于潜在的、机理尚未明确的其他交叉极化误差无法修正。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种微波辐射计交叉极化误差修正方法，通过模式亮温实现对测量亮温的误差修正。本专利技术的技术方案是：一种微波辐射计交叉极化误差修正方法，包括步骤如下：1)根据环境参数与微波辐射计测量数据进行时空匹配；2)根据微波辐射计正演模型，微波辐射计中心频率及入射角，计算模式亮温；3)选取大洋、海面区域亮温数据，利用多元线性回归算法得到模式亮温和微波辐射计测量亮温之间最优交叉极化修正矩阵；4)根据步骤3)得到的矩阵，对微波辐射计测量亮温进行交叉极化误差修正，得到目标亮温估计值T′B＝M·TA，其中，TA为微波辐射计测量亮温，M为交叉极化误差修正矩阵，完成微波辐射计测量亮温交叉极化误差修正。所述步骤3)中交叉极化误差修正矩阵M的计算方法为：多元线性回归方法求解模式亮温TB和微波辐射计测量亮温TA各分量之间的耦合关系式，获得交叉极化误差修正矩阵M：所述模式亮温TB和微波辐射计测量亮温TA各分量之间的耦合关系式具体为：TBv＝Mvv·Tv+Mhv·Th+M3v·T3+M4v·T4；TBh＝Mvh·Tv+Mhh·Th+M3h·T3+M4h·T4；TB3＝Mv3·Tv+Mh3·Th+M33·T3+M43·T4；TB4＝Mv4·Tv+Mh4·Th+M34·T3+M44·T4；其中，Tv、Th、T3、T4分别为第v、第h、第3和第4全极化通道的测量亮温，TBv、TBh、TB3、TB4分别为第v、第h、第3和第4全极化通道的模式亮温，Mpq(p＝v,h,3,4；q＝v,h,3,4)表示p极化分量耦合到q极化分量的系数。所述环境参数包括海面温度、盐度、风速风向、水汽含量、云水含量，以及各环境参数对应的时间、经纬度信息；且风速小于5m/s、云水含量小于0.02kg/m2。所述时空匹配的准则为环境参数与微波辐射计测量亮温TA＝[Tv；Th；T3；T4]满足：时间差异小于15分钟、经纬度差异小于0.25°。所述步骤2)中的微波辐射计正演模型为RSS2012RadiativeTransferModelSoftware。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)采用模式亮温作为参考值，实现对微波辐射计测量亮温的修正，避免了天线方向图、天线安装偏差、卫星姿态等参数测量不确定度带来的影响；(2)采用多元线性回归算法计算最优交叉极化修正矩阵，避免了计算极化旋转角和法拉第旋转角的复杂过程，大大提高了误差修正效率；(3)对微波辐射计测量亮温TA进行交叉极化修正，直接得到目标亮温估计值T′B，校正过程包含微波辐射计整个测量传输链路，对天线交叉极化、极化旋转和法拉第旋转实现了统一修正，同时对潜在的交叉极化误差也进行了修正。附图说明图1是本专利技术方法流程图。具体实施方式图1所示为本专利技术方法流程图，主要包括以下几部分：一是对环境参数与微波辐射计测量亮温进行时空匹配；二是根据辐射传输模型计算模式亮温；三是根据多元线性回归算法计算交叉极化修正矩阵；最后，可根据交叉极化矩阵实现交叉极化误差修正。具体实施方式如下：(1)环境参数获取为了计算模式亮温，需要获取海面温度、海水盐度、风速和相对风向、大气水汽含量以及云水含量各项环境参数，这些环境参数可从RemoteSensingSystem或欧洲中期天气预报中心等公开渠道下载，获取的环境参数应包含时间、经纬度辅助信息。为了提高模型计算精度，获取广阔大洋、平静海面区域环境参数，设置环境参数筛选条件为：风速w<5m/s、液态水含量L<0.02kg/m2。为了获取与微波辐射计测量亮温一一对应的模式亮温，需要根据时间和经纬度信息，对各环境参数与微波辐射计对地观测亮温进行时空匹配，匹配准则为时间差异小于15分钟，经纬度差异小于0.25°。(2)模式亮温计算微波辐射传输方程是海洋—大气微波遥感的理论基础，微波辐射传输模式反映了星载辐射计亮温和相关环境参数之间的非线性关系，微波辐射计正演模型采用RSS2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微波辐射计交叉极化误差修正方法，其特征在于，包括步骤如下：1)根据环境参数与微波辐射计测量数据进行时空匹配；2)根据微波辐射计正演模型，微波辐射计中心频率及入射角，计算模式亮温；3)选取大洋、海面区域亮温数据，利用多元线性回归算法得到模式亮温和微波辐射计测量亮温之间最优交叉极化修正矩阵；4)根据步骤3)得到的矩阵，对微波辐射计测量亮温进行交叉极化误差修正，得到目标亮温估计值T′B＝M·TA，其中，TA为微波辐射计测量亮温，M为交叉极化误差修正矩阵，完成微波辐射计测量亮温交叉极化误差修正。

【技术特征摘要】
1.一种微波辐射计交叉极化误差修正方法，其特征在于，包括步骤如下：1)根据环境参数与微波辐射计测量数据进行时空匹配；2)根据微波辐射计正演模型，微波辐射计中心频率及入射角，计算模式亮温；3)选取大洋、海面区域亮温数据，利用多元线性回归算法得到模式亮温和微波辐射计测量亮温之间最优交叉极化修正矩阵；4)根据步骤3)得到的矩阵，对微波辐射计测量亮温进行交叉极化误差修正，得到目标亮温估计值T′B＝M·TA，其中，TA为微波辐射计测量亮温，M为交叉极化误差修正矩阵，完成微波辐射计测量亮温交叉极化误差修正。2.根据权利要求1所述的误差修正方法，其特征在于，所述步骤3)中交叉极化误差修正矩阵M具体为：其中，Mpq...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢妍，王丛丛，金旭，李一楠，李浩，吕容川，王佳坤，沈尚宇，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61