一种基于艇载毫米波测风仪的风场反演方法与系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于艇载毫米波测风仪的风场反演方法与系统，包括：使用大气参数、观测地点的经纬度和观测日计算先验信息，先验信息包括先验O2廓线协方差矩阵，二维风场先验协方差矩阵；用辐射传输模型对先验信息、大气参数、背景辐射、模拟传输过程进行正演得到模拟亮温；使用仪器对观测地点的高度层进行扫描获取实际亮温；根据实际亮温生成仪器观测协方差矩阵；根据模拟亮温和实际亮温所构建的仪器观测协方差矩阵来构建代价函数；对代价函数进行求解得到目标高度层的实际风速。本发明专利技术基于正演模型、反演先验信息和仪器观测协方差矩阵构建代价函数，并对代价函数进行求解得到目标高度层的实际风速，可以大大提高风速的反演精度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于艇载毫米波测风仪的风场反演方法与系统


[0001]本专利技术涉及风场反演
，特别是涉及一种基于艇载毫米波测风仪的风场反演方法与系统。

技术介绍

[0002]自然界中，只要是绝对零度以上的物体都会辐射电磁能量，而且不同物体的辐射强度和辐射波长与其本身的物理和化学性质、温度及表面状态有关。微波辐射计是一种工作在微波波段的本身不发射电磁波，只是被动接收目标及环境发射的电磁波的接收机；本算法采取的0.118THz频段是目前广受关注的电磁波频段，具有一定程度穿透云雨、不依赖太阳作为辐射源、可以全天时全天候工作。
[0003]大气风场是理解地球大气系统动力学、热力学特性的重要参数，是气象预报、空间环境监测、气候学研究等必须的基础数据。而在10～70km的高度上，本专利技术获取风的手段少之又少，对这一高度范围内可用风场数据少之又少。本专利技术可以通过星载平台用临边扫描的方式获取亮温以此来反演风场，但测量的风速要到达较高精度需在辐射计成本上下功夫。也可以通过地基对142GHz频段的臭氧峰值吸收谱线，测量多普勒频移实现风场测量，但地基微波辐射计的观测亮温会在个别通道或整体出现系统性漂移，产生明显的观测误差。而基于艇载的毫米波辐射计相比于地基平台，在平流层空中平台，由于水汽较少，太赫兹辐射(0.118THz)可以不受衰减影响，传播距离远，高度范围大。相比于星载平台的太赫兹辐射计，空中平台具有驻留时间长，积分时间长，成本不高，亮温测量精度高等优点。因此相比于地基和卫星平台，艇载毫米波测风优势明显。
[0004]在局地热力平衡设定下，由基态的化学物质产生的分子谱线可以用来反演分子的含量和温度等信息，风可以产生分子谱线的多普勒频移，可以根据辐射计被动获取亮温信息和多普勒频移，以此来反演风场。而在有风和无风的情况下，辐射计获取的亮温随着风速的大小在频率上有偏差，但这个偏差产生的原因却有可能是风速、线型、频率等。这使得反演风场变成了一个病态、非线性，很有可能是没有解的超定方程或者无数解的欠定方程，不能很高精度的实现风场反演，而且在10～70km这个高度上连续的风场探测手段非常少。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种基于艇载毫米波测风仪的风场反演方法与系统。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种基于艇载毫米波测风仪的风场反演方法，包括：
[0008]使用大气参数、观测地点的经纬度和观测日计算先验信息，所述先验信息包括先验O2廓线协方差矩阵，二维风场先验协方差矩阵；
[0009]用辐射传输模型对所述先验信息、大气参数、背景辐射、模拟大气传输过程进行正演得到模拟亮温；
[0010]使用仪器对观测地点的高度层进行扫描获取实际亮温；
[0011]根据实际亮温生成仪器观测协方差矩阵；
[0012]根据所述模拟亮温和所述仪器观测到的实际亮温所构建的仪器观测协方差矩阵来构建代价函数；
[0013]对所述代价函数进行求解得到目标高度层的实际风速。
[0014]优选地，所述先验O2廓线协方差矩阵为：
[0015][0016]其中，S
a
表示先验O2廓线协方差矩阵，对角线元素代表先验状态矢量的方差，也即大气中氧气的廊线分布，这里M我们取4，也对应四个扫描的方位角，由于使用的三维大气模式，需要对氧气廊线进行插值处理，代表第一个方位角处的氧气廊线分布，代表第M个方位角处的氧气廊线分布，代表第一个方位角与第M个方位角廊线之间大气的相关性，代表第M个方位角与第一个方位角廊线之间大气的相关性。
[0017]优选地，所述根据实际亮温生成仪器观测协方差矩阵，包括：
[0018]采用公式：
[0019][0020]生成仪器观测协方差矩阵；其中，S
y
表示仪器观测协方差矩阵，表示通道一所测量的亮温，表示通道二所测量的亮温，表示通道三所测量的亮温，表示通道四所测量的亮温。
[0021]优选地，所述根据所述正演模型、所述反演先验信息和所述仪器观测协方差矩阵构建代价函数，包括：
[0022]根据贝叶斯理论使用所述正演模型、所述反演先验信息和所述仪器观测协方差矩阵构建代价函数；其中所述代价函数为：
[0023][0024]其中，P(x|y)表示给定y情况下x的条件概率密度函数，x表示待反演的风场廊线，y表示带有噪声的观测亮温，F(x)表示正演模型，x
a
表示先验风场廊线，c表示观测误差。
[0025]优选地，所述对所述代价函数进行求解得到目标高度层的实际风速，包括：
[0026]使用最小二乘优化方法对所述代价函数进行求解得到目标高度层的视线风速；
[0027]根据视线中心与水平夹角对所述视线风速进行转换得到目标高度层的风场在水平和垂直两个方向的反演廊线。
[0028]本专利技术还提供了一种基于艇载毫米波测风仪的风场反演系统，包括：
[0029]先验信息获取模块，用于使用大气参数、观测地点的经纬度和观测日计算先验信息，所述先验信息包括先验O2廓线协方差矩阵，二维风场先验协方差矩阵；
[0030]用辐射传输模型对所述先验信息、大气参数、背景辐射、模拟传输过程进行正演得到模拟亮温；
[0031]实际亮温获取模块，用于使用仪器对观测地点的高度层进行扫描获取实际亮温；
[0032]仪器观测协方差矩阵计算模块，用于根据实际亮温生成仪器观测协方差矩阵；
[0033]代价函数构建模块，用于根据所述模拟亮温和所述仪器观测到的实际亮温所构建的仪器观测协方差矩阵来构建代价函数；
[0034]求解模块，用于对所述代价函数进行求解得到目标高度层的实际风速。
[0035]优选地，所述先验O2廓线协方差矩阵为：
[0036][0037]其中，Sa表示先验O2廓线协方差矩阵，代表第一个方位角处的氧气廊线分布，代表第M个方位角处的氧气廊线分布，代表第一个方位角与第M个方位角廊线之间大气的相关性，代表第M个方位角与第一个方位角廊线之间大气的相关性。
[0038]优选地，所述根据实际亮温生成仪器观测协方差矩阵，包括：
[0039]采用公式：
[0040][0041]生成仪器观测协方差矩阵；其中，S
y
表示仪器观测协方差矩阵，表示通道一所测量的亮温，表示通道二所测量的亮温，表示通道三所测量的亮温，表示通道四所测量的亮温。
[0042]优选地，所述根据所述正演模型、所述反演先验信息和所述仪器观测协方差矩阵构建代价函数，包括：
[0043]根据贝叶斯理论使用所述正演模型、所述反演先验信息和所述仪器观测协方差矩阵构建代价函数；其中所述代价函数为：
[0044][0045]其中，P(x|y)表示给定y情况下x的条件概率密度函数，x表示待反演的风场廊线，y表示带有噪声的观测亮温，F(x)表示正演模型，x
a
表示先验风场廊本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于艇载毫米波测风仪的风场反演方法，其特征在于，包括：使用大气参数、观测地点的经纬度和观测日计算先验信息，所述先验信息包括先验O2廓线协方差矩阵，二维风场先验协方差矩阵；用辐射传输模型对所述先验信息、大气参数、背景辐射、模拟传输过程进行正演得到模拟亮温；使用仪器对观测地点的高度层进行扫描获取实际亮温；根据实际亮温生成仪器观测协方差矩阵；根据所述模拟亮温和所述仪器观测到的实际亮温所构建的仪器观测协方差矩阵来构建代价函数；对所述代价函数进行求解得到目标高度层的实际风速。2.根据权利要求1所述的一种基于艇载毫米波测风仪的风场反演方法，其特征在于，所述先验O2廓线协方差矩阵为：其中，S
a
表示先验O2廓线协方差矩阵，代表第一个方位角处的氧气廊线分布，代表第M个方位角处的氧气廊线分布，代表第一个方位角与第M个方位角廊线之间大气的相关性，代表第M个方位角与第一个方位角廊线之间大气的相关性。3.根据权利要求2所述的一种基于艇载毫米波测风仪的风场反演方法，其特征在于，所述根据实际亮温生成仪器观测协方差矩阵，包括：采用公式：生成仪器观测协方差矩阵；其中，S
y
表示仪器观测协方差矩阵，表示通道一所测量的亮温，表示通道二所测量的亮温，表示通道三所测量的亮温，表示通道四
所测量的亮温。4.根据权利要求3所述的一种基于艇载毫米波测风仪的风场反演方法，其特征在于，所述根据所述正演模型、所述反演先验信息和所述仪器观测协方差矩阵构建代价函数，包括：根据贝叶斯理论使用所述正演模型、所述反演先验信息和所述仪器观测协方差矩阵构建代价函数；其中所述代价函数为：其中，P(x|y)表示给定y情况下x的条件概率密度函数，x表示待反演的风场廊线，y表示带有噪声的观测亮温，F(x)表示正演模型，x
a
表示先验风场廊线，c表示观测误差。5.根据权利要求4所述的一种基于艇载毫米波测风仪的风场反演方法，其特征在于，所述对所述代价函数进行求解得到目标高度层的实际风速，包括：使用最小二乘优化方法对所述代价函数进行求解得到目标高度层的视线风速；根据视线中心与水平夹角对所述视线风速进行转换得到目标高度层的风场在水平和垂直两个方向的反演廊线。6.一种基于艇载毫米波测风仪的风场反演系统，其特征在于，包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：周晨，刘祎，周育锋，张玉强，朱家玮，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：