CN110174652A - 一种星载微波成像仪天线在轨发射率的定标方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星载微波成像仪天线在轨发射率的定标方法及装置,该方法包括以下步骤:S1:获取微波成像仪的一观测区域在一观测时间段的观测辐射量,同时,根据辐射传输模型计算得到微波成像仪的观测区域在观测时间段的模拟辐射量;S2:根据观测辐射量和模拟辐射量,分别计算得到升轨单偏差值和降轨单偏差值;S3:根据升轨单偏差值和降轨单偏差值,计算得到升降轨双偏差值;S4:根据在升轨和降轨情况下天线的物理温度计算天线的物理温度差值,并根据升降轨双偏差值和物理温度差值,计算得到天线在轨发射率,以实现对微波成像仪天线在轨发射率的定标。本发明具有天线在轨发射率计算精准、简单高效的技术特点。
Description
技术领域
本发明属于航天遥感技术领域,尤其涉及一种星载微波成像仪天线在轨发射率的定标方法及装置。
背景技术
微波成像仪通过测量地表和大气辐射信息,可以反演温度、风速、海冰、积雪、土壤湿度和降水等参数,广泛应用于大气、海洋和陆地等环境的探测领域。微波成像仪在轨运行时能否取得准确有效的地表亮温遥感数据,主要取决于微波成像仪的定标精度。因此,为了获得准确有效的地表亮温遥感数据,需要大大提高微波成像仪的定标精度。
在传统定标的过程中,主天线的发射率由于在地面测试工程中难以测准,通常在星载定标时主天线发射率均根据理想公式计算得到,其值并未进行在轨修正,存在着不精准、偏离实际等缺点。为了提高微波成像仪的定标精度,准确计算天线在轨发射率是非常有必要的。
发明内容
本发明的技术目的是提供一种星载微波成像仪天线在轨发射率的定标方法及装置,消除了天线的物理温度测量固有误差以及辐射传输模型计算的固有误差,从而可以有效而精准的计算出主天线发射率,具有天线在轨发射率计算精准、简单高效的技术特点。
为解决上述问题,本发明的技术方案为:
一种星载微波成像仪天线在轨发射率的定标方法,包括以下步骤:
S1:获取所述微波成像仪的一观测区域在一观测时间段的观测辐射量,同时,根据辐射传输模型计算得到所述微波成像仪的所述观测区域在所述观测时间段的模拟辐射量;
S2:根据所述观测辐射量和所述模拟辐射量,分别计算得到所述微波成像仪升轨情况下的升轨单偏差值和降轨情况下的降轨单偏差值;
S3:根据所述升轨单偏差值和所述降轨单偏差值,计算得到升降轨双偏差值;
S4:根据在升轨和降轨情况下所述天线的物理温度计算所述天线的物理温度差值,并根据所述升降轨双偏差值和所述物理温度差值,计算得到天线在轨发射率,以实现对所述微波成像仪天线在轨发射率的定标。
根据本发明一实施例,所述步骤S1中,所述模拟辐射量和所述观测辐射量的获取过程具体包括以下步骤:
根据辐射传输模型计算得到所述的星载微波成像仪的所述观测区域在所述观测时间段的所述模拟辐射量TB;
接收所述观测区域在所述观测时间段的辐射量真值,得到辐射接收值;
测定热源亮温TH和冷源亮温TC,并根据所述热源亮温TH和冷源亮温TC,计算得到所述观测辐射量TO:
TO=G(TH-TC)+TC
式中,G为根据所述辐射接收值计算的***参数。
根据本发明一实施例,所述步骤S4具体包括以下步骤:
根据在升轨和降轨情况下所述天线的物理温度计算所述物理温度差值其中, 为升轨情况下的所述天线的物理温度,为降轨情况下的所述天线的物理温度;
根据所述和所述升降轨双偏差值计算得到天线在轨发射率ε,以实现对所述微波成像仪天线在轨发射率的定标:
式中,为升轨和降轨两种情况对应的所述模拟辐射量的差值。
根据本发明一实施例,所述步骤S2具体包括以下步骤:
根据所述观测辐射量和所述模拟辐射量,分别计算得到所述升轨单偏差值和所述降轨单偏差值
式中,为升轨情况下的所述观测辐射量,为降轨情况下的所述观测辐射量,为升轨情况下的所述模拟辐射量,为降轨情况下的所述模拟辐射量。
根据本发明一实施例,所述步骤S3具体包括以下步骤:
根据所述升轨单偏差值和所述降轨单偏差值计算得到所述升降轨双偏差值
一种星载微波成像仪天线在轨发射率的标定装置,包括:
在轨观测辐射量模块,被配置为获取所述微波成像仪的一观测区域在一观测时间段的观测辐射量;
辐射模型模拟辐射量模块,被配置为根据辐射传输模型计算得到所述微波成像仪的所述观测区域在所述观测时间段的模拟辐射量;
单偏差处理模块,被配置为根据所述观测辐射量和所述模拟辐射量,分别计算得到所述微波成像仪升轨情况下的升轨单偏差值和降轨情况下的降轨单偏差值;
升降轨双偏差处理模块,被配置为根据所述升轨单偏差值和所述降轨单偏差值,计算得到升降轨双偏差值;
天线在轨发射率计算模块,被配置为根据在升轨和降轨情况下所述天线的物理温度计算所述天线的物理温度差值,并根据所述升降轨双偏差值和所述物理温度差值,计算得到天线在轨发射率,以实现对所述微波成像仪天线在轨发射率的定标。
根据本发明一实施例,所述在轨观测辐射量模块包括定标热源单元、定标冷源单元,其中,
所述定标热源单元被配置为测定热源亮温TH;
所述定标冷源单元被配置为测定冷源亮温TC;
所述在轨观测辐射量模块被配置为接收所述观测区域在所述观测时间段的辐射量真值,得到辐射接收值,并根据所述热源亮温TH和冷源亮温TC,计算得到所述观测辐射量TO:
TO=G(TH-TC)+TC
式中,G为根据所述辐射接收值计算的***参数。
根据本发明一实施例,所述天线在轨发射率计算模块具体被配置为:
根据在升轨和降轨情况下所述天线的物理温度计算所述物理温度差值其中, 为升轨情况下的所述天线的物理温度,为降轨情况下的所述天线的物理温度;
根据所述和所述升降轨双偏差值计算得到天线在轨发射率ε,以实现对所述微波成像仪天线在轨发射率的定标:
式中,为升轨和降轨两种情况对应的所述模拟辐射量的差值。
根据本发明一实施例,所述单偏差处理模块具体被配置为:
根据所述观测辐射量和所述模拟辐射量,分别计算得到所述升轨单偏差值和所述降轨单偏差值
式中,为升轨情况下的所述观测辐射量,为降轨情况下的所述观测辐射量,为升轨情况下的所述模拟辐射量,为降轨情况下的所述模拟辐射量。
根据本发明一实施例,所述升降轨双偏差处理模块具体被配置为:
根据所述升轨单偏差值和所述降轨单偏差值计算得到所述升降轨双偏差值
本发明由于采用以上技术方案,使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果:
本发明通过在卫星升轨和降轨两种情景下,对微波成像仪在轨观测辐射量和模拟辐射量进行双偏差比对以及天线物理温度差值,计算天线在轨发射率,消除了主天线的物理温度测量固有误差以及辐射传输模型计算的固有误差,从而消除微波成像仪天线在轨发射率对仪器定标精度影响,有利于评估仪器实际在轨定标效果,能针对性的改善***定标方案,进而提高星载微波成像仪的辐射测量结果,与现有技术相比,本发明科学合理、易于实现,可以有效而精准的获得星载微波成像仪在轨的天线发射率,从而解决地面测试工程中天线发射率难以测准的问题,达到了天线在轨发射率计算精准、简单高效的技术效果。
附图说明
图1为本发明的一种星载微波成像仪天线在轨发射率的定标方法的流程示意图;
图2为本发明的一种星载微波成像仪天线在轨发射率的定标的架构示意图;
图3为本发明的一种星载微波成像仪天线在轨发射率的辐射传输模型示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种星载微波成像仪天线在轨发射率的定标方法及装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书,本发明的优点和特征将更清楚。
实施例1
参看图1,本实施例提供一种星载微波成像仪天线在轨发射率的定标方法,包括以下步骤:
S1:获取微波成像仪的一观测区域在一观测时间段的观测辐射量,同时,根据辐射传输模型计算得到微波成像仪的观测区域在观测时间段的模拟辐射量;
S2:根据观测辐射量和模拟辐射量,分别计算得到微波成像仪升轨情况下的升轨单偏差值和降轨情况下的降轨单偏差值;
S3:根据升轨单偏差值和降轨单偏差值,计算得到升降轨双偏差值;
S4:根据在升轨和降轨情况下天线的物理温度计算天线的物理温度差值,并根据升降轨双偏差值和物理温度差值,计算得到天线在轨发射率,以实现对微波成像仪天线在轨发射率的定标。
现具体对本实施例进行详细说明:
1)S1:获取微波成像仪的一观测区域在一观测时间段的观测辐射量,同时,根据辐射传输模型计算得到微波成像仪的观测区域在观测时间段的模拟辐射量:
具体地,观测辐射量和模拟辐射量均包括升轨情况和降轨情况的辐射量值。
较优地,所选择观测时间段的观测区域是晴空无云无降水条件下的。
具体地,模拟辐射量的获取是根据辐射传输模型计算得到所述的星载微波成像仪的所述观测区域在所述观测时间段的模拟辐射量TB。
具体地,观测辐射量的获取过程具体包括以下步骤:接收观测区域在观测时间段的辐射量真值,得到辐射接收值;测定热源亮温TH和冷源亮温TC,并根据热源亮温TH和冷源亮温TC,计算得到观测辐射量TO:
TO=G(TH-TC)+TC
式中,G为根据辐射接收值计算的***参数。
具体地,辐射接收值为由接收的辐射量真值转换的电压值,根据电压值计算得到***参数G,即***参数G是与观测目标相关的参数,***参数G和观测辐射量之间存在着上述计算关系,其中,该计算关系可通过测量标定热源和冷源的亮温,来确定该直线对应关系。
具体地,辐射传输模型为利用大气辐射传输方程,模拟辐射能量经过大气中气体等介质的吸收作用、散射作用和消光作用等,最终被微波成像仪接收的过程。
具体地,本实施例的辐射传输模型建立过程为:
大气中存在介质,由于介质的吸收和散射作用导致了入射波辐射亮度的衰减,参看图3,包括介质对辐射的吸收作用,介质散射来自外来的辐射至某一特定方向以及介质的消光作用。
假设入射波的辐射亮度为由于介质小柱体的吸收和散射作用,使得辐射亮度在距离为ds的衰减为,
其中,dBext表示的是介质消光作用引起的在方向上的辐射亮度的衰减,为入射波的辐射亮度,与介质柱体的位置和所在方向相关,为衡量介质消光作用的物理量。
同时,介质柱体在吸收入射波能量的同时也将向外辐射能量,
其中,dBabs表示的是介质柱体的吸收辐射亮度,B(T(s))为介质柱体在温度为T时的对外发射的辐射亮度,为衡量介质吸收能力的物理量。
介质小柱体散射来自空间各个方向的辐射,并且散射到接收微波成像仪方向的辐射亮度为:
其中,dBsca表示介质柱体散射的辐射亮度,为来自方向的辐射亮度,为衡量介质散射能力的物理量,将辐射亮度从方向散射到方向的能力。
根据辐射亮度的损失与补偿,可以得到在经过介质小柱体传输之后,辐射亮度的变化可以写成:
假设大气为平面平行大气,并且在水平方向是对称的,则上述大气辐射传输方程可以简化为:
上述大气辐射传输方程表示,由于大气中介质的存在,导致入射辐射亮度发生变化,这种变化主要是由于:
消光作用:入射的辐射亮度被介质消光作用而衰减,从而减少了沿着接收辐射计方向上传输的辐射亮度;
吸收作用:由于本身介质的吸收作用,介质在吸收入射辐射亮度的同时,将向外均匀发射辐射亮度;
散射作用:来自空间的辐射亮度被介质散射到沿着接收辐射计方向传输的辐射亮度。
具体地,根据上述大气辐射传输方程,可计算得到微波成像仪的观测区域在观测时间段的模拟辐射量。
2)S2:根据观测辐射量和模拟辐射量,分别计算得到微波成像仪升轨情况下的升轨单偏差值和降轨情况下的降轨单偏差值:
具体地,根据观测辐射量和模拟辐射量,分别计算得到升轨单偏差值和降轨单偏差值
式中,为升轨情况下的观测辐射量,为降轨情况下的观测辐射量,为升轨情况下的模拟辐射量,为降轨情况下的模拟辐射量。
3)S3:根据升轨单偏差值和降轨单偏差值,计算得到升降轨双偏差值:
具体地,根据升轨单偏差值和降轨单偏差值计算得到升降轨双偏差值
4)S4:根据在升轨和降轨情况下天线的物理温度计算天线的物理温度差值,并根据升降轨双偏差值和物理温度差值,计算得到天线在轨发射率,以实现对微波成像仪天线在轨发射率的定标:
具体地,根据在升轨和降轨情况下天线的物理温度计算物理温度差值其中, 为升轨情况下的天线的物理温度,为降轨情况下的天线的物理温度;
根据和升降轨双偏差值计算得到天线在轨发射率ε,以实现对微波成像仪天线在轨发射率的定标:
式中,为升轨和降轨两种情况对应的模拟辐射量的差值。
现结合原理对本实施例进行说明:
观测辐射量TO由两部分组成,其中一部分由观测区域辐射量贡献得到,另一部分由主天线自身的物理辐射量贡献得到,具体地,观测辐射量TO的表达式如下:
TO=TB·(1-ε)+Tphy·ε
式中,Tphy为天线的物理温度,微波成像仪在轨时可根据主天线上的温度计测得;TB为辐射量真值,即实际的辐射量,本实施采用模拟辐射量作为辐射量真值,ε为在轨反射率。
由上述公式可知,已知Tphy、TB、TO即可求得我们要求的在轨反射率ε,但是Tphy存在测量的固有误差、TB存在辐射传输模型计算的固有偏差、TO存在辐射量接收的固有误差,故单纯的通过上述公式计算的在轨反射率ε是不精准的、存在明显误差的。
本实施例提供的方法可有效消除上述误差造成在轨反射率ε计算的不精准:
根据单偏差计算模型,计算单偏差值为
TO-B=TO-TB=(Tphy-TB)·ε
卫星升轨单偏差值为
卫星降轨单偏差值为
根据双偏差处理模型以及升轨以及降轨两种情况下单偏差值,可以计算双偏差值为
所以在轨反射率ε为:
因此,利用天线的物理温度差值、辐射传输模型计算所得辐射量差值、以及单偏差的差值即可计算得到天线发射率,同时,通过作差值可消除物理温度测量的固有误差、辐射传输模型计算的固有误差、观测辐射量的测量的固有误差,从而可以有效而精准的计算出主天线发射率ε。
综上所述,本实施例通过在卫星升轨和降轨两种情景下,对微波成像仪在轨观测辐射量和模拟辐射量进行双偏差比对以及天线物理温度差值,计算天线在轨发射率,消除了主天线的物理温度测量固有误差以及辐射传输模型计算的固有误差,从而消除微波成像仪天线在轨发射率对仪器定标精度影响,有利于评估仪器实际在轨定标效果,能针对性的改善***定标方案,进而提高星载微波成像仪的辐射测量结果,与现有技术相比,本发明科学合理、易于实现,可以有效而精准的获得星载微波成像仪在轨的天线发射率,从而解决地面测试工程中天线发射率难以测准的问题,达到了天线在轨发射率计算精准、简单高效的技术效果。
实施例2
参看图2,本实施例提供一种基于实施例1的星载微波成像仪天线在轨发射率的标定装置,
在轨观测辐射量模块,被配置为获取微波成像仪的一观测区域在一观测时间段的观测辐射量;
辐射模型模拟辐射量模块,被配置为根据辐射传输模型计算得到微波成像仪的观测区域在观测时间段的模拟辐射量;
单偏差处理模块,被配置为根据观测辐射量和模拟辐射量,分别计算得到微波成像仪升轨情况下的升轨单偏差值和降轨情况下的降轨单偏差值;
升降轨双偏差处理模块,被配置为根据升轨单偏差值和降轨单偏差值,计算得到升降轨双偏差值;
天线在轨发射率计算模块,被配置为根据在升轨和降轨情况下天线的物理温度计算天线的物理温度差值,并根据升降轨双偏差值和物理温度差值,计算得到天线在轨发射率,以实现对微波成像仪天线在轨发射率的定标。
具体地,在轨观测辐射量模块包括定标热源单元、定标冷源单元,其中,
定标热源单元被配置为测定热源亮温TH;
定标冷源单元被配置为测定冷源亮温TC;
在轨观测辐射量模块被配置为接收观测区域在观测时间段的辐射量真值,得到辐射接收值,并根据热源亮温TH和冷源亮温TC,计算得到观测辐射量TO:
TO=G(TH-TC)+TC
式中,G为根据辐射接收值计算的***参数。
具体地,在轨观测辐射量模块设有馈源,馈源设有主反射面天线,馈源可接收观测区域的辐射量真值,得到辐射接收值。
具体地,单偏差处理模块具体被配置为:
根据观测辐射量和模拟辐射量,分别计算得到升轨单偏差值和降轨单偏差值
式中,为升轨情况下的观测辐射量,为降轨情况下的观测辐射量,为升轨情况下的模拟辐射量,为降轨情况下的模拟辐射量。
具体地,升降轨双偏差处理模块具体被配置为:
根据升轨单偏差值和降轨单偏差值计算得到升降轨双偏差值
具体地,天线在轨发射率计算模块具体被配置为:
根据在升轨和降轨情况下天线的物理温度计算物理温度差值其中, 为升轨情况下的天线的物理温度,为降轨情况下的天线的物理温度;
根据和升降轨双偏差值计算得到天线在轨发射率ε,以实现对微波成像仪天线在轨发射率的定标:
式中,为升轨和降轨两种情况对应的模拟辐射量的差值。
本实施例通过在卫星升轨和降轨两种情景下,对微波成像仪在轨观测辐射量和模拟辐射量进行双偏差比对以及天线物理温度差值,计算天线在轨发射率,消除了主天线的物理温度测量固有误差以及辐射传输模型计算的固有误差,从而消除微波成像仪天线在轨发射率对仪器定标精度影响,有利于评估仪器实际在轨定标效果,能针对性的改善***定标方案,进而提高星载微波成像仪的辐射测量结果,与现有技术相比,本发明科学合理、易于实现,可以有效而精准的获得星载微波成像仪在轨的天线发射率,从而解决地面测试工程中天线发射率难以测准的问题,达到了天线在轨发射率计算精准、简单高效的技术效果。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化,倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则仍落入在本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种星载微波成像仪天线在轨发射率的定标方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:获取所述微波成像仪的一观测区域在一观测时间段的观测辐射量,同时,根据辐射传输模型计算得到所述微波成像仪的所述观测区域在所述观测时间段的模拟辐射量;
S2:根据所述观测辐射量和所述模拟辐射量,分别计算得到所述微波成像仪升轨情况下的升轨单偏差值和降轨情况下的降轨单偏差值;
S3:根据所述升轨单偏差值和所述降轨单偏差值,计算得到升降轨双偏差值;
S4:根据在升轨和降轨情况下所述天线的物理温度计算所述天线的物理温度差值,并根据所述升降轨双偏差值和所述物理温度差值,计算得到天线在轨发射率,以实现对所述微波成像仪天线在轨发射率的定标。
2.根据权利要求1所述的星载微波成像仪天线在轨发射率的定标方法,其特征在于,所述步骤S1中,所述模拟辐射量和所述观测辐射量的获取过程具体包括以下步骤:
根据辐射传输模型计算得到所述的星载微波成像仪的所述观测区域在所述观测时间段的所述模拟辐射量TB;
接收所述观测区域在所述观测时间段的辐射量真值,得到辐射接收值;
测定热源亮温TH和冷源亮温TC,并根据所述热源亮温TH和冷源亮温TC,计算得到所述观测辐射量TO:
TO=G(TH-TC)+TC
式中,G为根据所述辐射接收值计算的***参数。
3.根据权利要求1或2所述的星载微波成像仪天线在轨发射率的定标方法,其特征在于,所述步骤S4具体包括以下步骤:
根据在升轨和降轨情况下所述天线的物理温度计算所述物理温度差值其中, 为升轨情况下的所述天线的物理温度,为降轨情况下的所述天线的物理温度;
根据所述和所述升降轨双偏差值计算得到天线在轨发射率ε,以实现对所述微波成像仪天线在轨发射率的定标:
式中,为升轨和降轨两种情况对应的所述模拟辐射量的差值。
4.根据权利要求3所述的星载微波成像仪天线在轨发射率的定标方法,其特征在于,所述步骤S2具体包括以下步骤:
根据所述观测辐射量和所述模拟辐射量,分别计算得到所述升轨单偏差值和所述降轨单偏差值
式中,为升轨情况下的所述观测辐射量,为降轨情况下的所述观测辐射量,为升轨情况下的所述模拟辐射量,为降轨情况下的所述模拟辐射量。
5.根据权利要求4所述的星载微波成像仪天线在轨发射率的定标方法,其特征在于,所述步骤S3具体包括以下步骤:
根据所述升轨单偏差值和所述降轨单偏差值计算得到所述升降轨双偏差值
6.一种星载微波成像仪天线在轨发射率的标定装置,其特征在于,包括:
在轨观测辐射量模块,被配置为获取所述微波成像仪的一观测区域在一观测时间段的观测辐射量;
辐射模型模拟辐射量模块,被配置为根据辐射传输模型计算得到所述微波成像仪的所述观测区域在所述观测时间段的模拟辐射量;
单偏差处理模块,被配置为根据所述观测辐射量和所述模拟辐射量,分别计算得到所述微波成像仪升轨情况下的升轨单偏差值和降轨情况下的降轨单偏差值;
升降轨双偏差处理模块,被配置为根据所述升轨单偏差值和所述降轨单偏差值,计算得到升降轨双偏差值;
天线在轨发射率计算模块,被配置为根据在升轨和降轨情况下所述天线的物理温度计算所述天线的物理温度差值,并根据所述升降轨双偏差值和所述物理温度差值,计算得到天线在轨发射率,以实现对所述微波成像仪天线在轨发射率的定标。
7.根据权利要求6所述的星载微波成像仪天线在轨发射率的标定装置,其特征在于,所述在轨观测辐射量模块包括定标热源单元、定标冷源单元,其中,
所述定标热源单元被配置为测定热源亮温TH;
所述定标冷源单元被配置为测定冷源亮温TC;
所述在轨观测辐射量模块被配置为接收所述观测区域在所述观测时间段的辐射量真值,得到辐射接收值,并根据所述热源亮温TH和冷源亮温TC,计算得到所述观测辐射量TO:
TO=G(TH-TC)+TC
式中,G为根据所述辐射接收值计算的***参数。
8.根据权利要求6或7所述的星载微波成像仪天线在轨发射率的标定装置,其特征在于,所述天线在轨发射率计算模块具体被配置为:
根据在升轨和降轨情况下所述天线的物理温度计算所述物理温度差值其中, 为升轨情况下的所述天线的物理温度,为降轨情况下的所述天线的物理温度;
根据所述和所述升降轨双偏差值计算得到天线在轨发射率ε,以实现对所述微波成像仪天线在轨发射率的定标:
式中,为升轨和降轨两种情况对应的所述模拟辐射量的差值。
9.根据权利要求8所述的星载微波成像仪天线在轨发射率的标定装置,其特征在于,所述单偏差处理模块具体被配置为:
根据所述观测辐射量和所述模拟辐射量,分别计算得到所述升轨单偏差值和所述降轨单偏差值
式中,为升轨情况下的所述观测辐射量,为降轨情况下的所述观测辐射量,为升轨情况下的所述模拟辐射量,为降轨情况下的所述模拟辐射量。
10.根据权利要求9所述的星载微波成像仪天线在轨发射率的标定装置,其特征在于,所述升降轨双偏差处理模块具体被配置为:
根据所述升轨单偏差值和所述降轨单偏差值计算得到所述升降轨双偏差值
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