CN113139153A - 一种星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置及方法 - Google Patents

一种星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置及方法,该装置及方法科学合理、易于实现。本发明基于星载微波辐射计在轨结构和运行规律,提供了有效而精准的在轨反射面温度推算装置及方法,可以通过微波辐射计的反射面温度、太阳高度角和方位角等历史数据来训练模型,以推算反射面在轨温度。可将反射面的推算温度作为星载微波辐射计的反射面温度备份,从而防止反射面温度测量模块失效而导致星载微波辐射计失效的问题,进而为星载微波辐射计在轨辐射测量的稳定性打下良好的基础。

Description

一种星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置及方法
技术领域
本发明涉及一种星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置及方法
背景技术
微波辐射计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。微波辐射计在轨运行时能否取得准确有效的地表亮温遥感数据,主要取决于微波辐射计的各个部分的精确探测。因此,为了获得有效稳定的地表亮温遥感数据,需要微波辐射计的各个部分稳定运行。
在微波辐射计在轨期间,如果反射面温度测量模块完好,微波辐射计的反射面温度则用反射面温度测量模块测量得到,但由于太空环境复杂,反射面温度测量模块可能失效,如失效则无法测量微波辐射计的反射面温度。本发明基于星载微波辐射计在轨温度测量结构,提供了有效的星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置及方法,可以在反射面温度测量模块失效后准确推算星载微波辐射计在轨的反射面温度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置及方法,能够解决星载微波辐射计反射面温度测量模块可能失效后反射面温度的计算问题,从而可获得星载微波辐射计的反射面温度备份,为星载微波辐射计在轨辐射测量的稳定性打下良好的基础。
为解决上述问题,本发明提供一种星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置,包括:
反射面温度测量模块、太阳角度测量模块、数据预处理模块、目标函数训练模块、反射面温度推算模块,其中,
所述反射面温度测量模块,用于采集星载微波辐射计在轨的反射面温度数据及数据采集时间,以形成反射面原始数据集,并将反射面原始数据集传递给数据预处理模块;
所述太阳角度测量模块,用于采集星载微波辐射计在轨的太阳角度数据及数据采集时间,以形成太阳角度原始数据集,并将太阳角度原始数据集传递给数据预处理模块;
所述数据预处理模块,用于对反射面温度测量模块传递过来的反射面原始数据集和太阳角度测量模块传递过来的太阳角度原始数据集进行预处理操作,预处理后形成历史数据集及待处理数据集,并将历史数据集传递给目标函数训练模块,及将待处理数据集传递给反射面温度推算模块;
所述目标函数训练模块,用于根据数据预处理模块传递的历史数据集训练目标函数,得到的目标函数参数,将目标函数参数和数据采集时间形成目标函数参数数据集,并将目标函数参数数据集传递给反射面温度推算模块;
所述反射面温度推算模块,用于根据数据预处理模块传递的待处理数据集和目标函数训练模块传递的目标函数参数数据集,推算得到反射面温度。
进一步的,在上述星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置中,所述太阳角度测量模块采集的太阳角度数据,包括:
在卫星本体坐标系下微波辐射计所对应的太阳高度角(θ)和方位角
Figure BDA0003069051840000021
进一步的,在上述星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置中,所述数据预处理模块,用于判断反射面温度测量模块传递过来的反射面温度数据(T)是否正常,其中,
若反射面温度正常,表示反射面温度测量模块完好,将此时的反射面温度测量模块传递过来的反射面原始数据集和太阳角度测量模块传递过来的太阳角度原始数据集,去除异常值,以形成历史数据集,并将历史数据集传递给目标函数训练模块。
进一步的,若反射面温度不正常,表示反射面温度测量模块失效,将此时反射面温度测量模块传递过来的反射面原始数据集和太阳角度测量模块传递过来的太阳角度原始数据集,以形成待处理数据集,并将待处理数据集传递给反射面温度推算模块。
进一步的,在上述星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置中,所述目标函数训练模块的目标函数,可选用函数如下:
z=f(x,y)=p00+p10*x+p01*y+p20*x2+p11*x*y+p02*y2+p30*x3+p21*x2*y+p12*x*y2+p03*y3+p40*x4+p31*x3*y+p22*x2*y2+p13*x*y3+p04*y4+p50*x5+p41*x4*y+p32*x3*y2+p23*x2*y3+p14*x*y4+p05*y5
其中,x为太阳高度角(θ),y为太阳方位角
Figure BDA0003069051840000031
z为反射面温度(T),p00~p05共21项为目标函数的目标函数参数。
进一步的,在上述星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置中,所述目标函数训练模块,用于将数据预处理模块传递的太阳高度角(θ)作为x、太阳方位角
Figure BDA0003069051840000032
作为y、反射面温度(T)作为z,用已知的x、y和z训练目标函数,得到目标函数的目标函数参数(p00~p05共21项)。
进一步的,在上述星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置中,所述反射面温度推算模块,用于根据数据预处理模块传递的待处理数据集中数据采集时间匹配目标函数训练模块传递的目标函数参数数据集中的数据采集时间,也就是匹配不同年份的同一天,将匹配好的目标函数参数数据集中的目标函数参数(p00~p05共21项)代入目标函数,同时将数据预处理模块传递的待处理数据集中的太阳高度角(θ)作为x、太阳方位角
Figure BDA0003069051840000033
作为y,输入目标函数,计算得到z,以此得到反射面温度(T′=z)。
根据本发明的另一面,还提供一种星载微波辐射计在轨反射面温度推算方法,所述方法包括:
步骤1、反射面温度测量模块采集反射面温度数据及数据采集时间,以形成反射面原始数据集,并将反射面原始数据集传递给数据预处理模块;
步骤2、太阳角度测量模块采集太阳角度数据及数据采集时间,以形成太阳角度原始数据集,并将太阳角度原始数据集传递给数据预处理模块;
步骤3、数据预处理模块对反射面温度测量模块传递过来的反射面原始数据集和太阳角度测量模块传递过来的太阳角度原始数据集进行预处理,以形成历史数据集及待处理数据集,并将历史数据集传递给目标函数训练模块,及将待处理数据集传递给反射面温度推算模块;
步骤4、目标函数训练模块根据数据预处理模块传递的历史数据集训练目标函数,得到目标函数参数数据集,并将目标函数参数数据集传递给反射面温度推算模块;
步骤5、反射面温度推算模块根据数据预处理模块传递的待处理数据集和目标函数训练模块传递的目标函数参数数据集,推算得到反射面温度。
本发明基于星载微波辐射计在轨温度测量结构,提供了有效而精准的在轨反射面温度推算装置及方法,从而可以通过微波辐射计的历史数据的测量来推算反射面温度,作为星载微波辐射计的反射面温度备份,从而防止反射面温度测量模块失效而导致星载微波辐射计失效的问题,进而为星载微波辐射计在轨辐射测量的稳定性打下良好的基础。
附图说明
图1是本发明一种星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置,如图1所示,包括:
反射面温度测量模块、太阳角度测量模块、数据预处理模块、目标函数训练模块、反射面温度推算模块,其中,
所述反射面温度测量模块,用于采集星载微波辐射计在轨的反射面温度数据及数据采集时间,以形成反射面原始数据集,并将反射面原始数据集传递给数据预处理模块;
所述太阳角度测量模块,用于采集星载微波辐射计在轨的太阳角度数据及数据采集时间,以形成太阳角度原始数据集,并将太阳角度原始数据集传递给数据预处理模块;
所述数据预处理模块,用于对反射面温度测量模块传递过来的反射面原始数据集和太阳角度测量模块传递过来的太阳角度原始数据集进行预处理操作,预处理后形成历史数据集及待处理数据集,并将历史数据集传递给目标函数训练模块,及将待处理数据集传递给反射面温度推算模块;
所述目标函数训练模块,用于根据数据预处理模块传递的历史数据集训练目标函数,以得到的目标函数参数,将目标函数参数和数据采集时间形成目标函数参数数据集,并将目标函数参数数据集传递给反射面温度推算模块;
所述反射面温度推算模块,用于根据数据预处理模块传递的待处理数据集和目标函数训练模块传递的目标函数参数数据集,推算得到反射面温度。
进一步的,在上述星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置中,所述太阳角度测量模块采集的太阳角度数据,包括:
在卫星本体坐标系下微波辐射计所对应的太阳高度角(θ)和方位角
Figure BDA0003069051840000051
进一步的,在上述星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置中,所述数据预处理模块,用于判断反射面温度测量模块传递过来的反射面温度数据(T)是否正常,其中,
若反射面温度正常,表示反射面温度测量模块完好,将此时的反射面温度测量模块传递过来的反射面原始数据集和太阳角度测量模块传递过来的太阳角度原始数据集,去除异常值,以形成历史数据集,并将历史数据集传递给目标函数训练模块。
进一步的,若反射面温度不正常,表示反射面温度测量模块失效,将此时反射面温度测量模块传递过来的反射面原始数据集和太阳角度测量模块传递过来的太阳角度原始数据集,以形成待处理数据集,并将待处理数据集传递给反射面温度推算模块。
进一步的,在上述星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置中,所述目标函数训练模块的目标函数,可选用函数如下:
z=f(x,y)=p00+p10*x+p01*y+p20*x2+p11*x*y+p02*y2+p30*x3+p21*x2*y+p12*x*y2+p03*y3+p40*x4+p31*x3*y+p22*x2*y2+p13*x*y3+p04*y4+p50*x5+p41*x4*y+p32*x3*y2+p23*x2*y3+p14*x*y4+p05*y5
其中,x为太阳高度角(θ),y为太阳方位角
Figure BDA0003069051840000063
z为反射面温度(T),p00~p05共21项为目标函数的目标函数参数。
进一步的,在上述星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置中,所述目标函数训练模块,用于将数据预处理模块传递的太阳高度角(θ)作为x、太阳方位角
Figure BDA0003069051840000061
作为y、反射面温度(T)作为z,用已知的x、y和z训练目标函数,得到目标函数的目标函数参数(p00~p05共21项)。
进一步的,在上述星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置中,所述反射面温度推算模块,用于根据数据预处理模块传递的待处理数据集中数据采集时间匹配目标函数训练模块传递的目标函数参数数据集中的数据采集时间,也就是匹配不同年份的同一天,将匹配好的目标函数参数数据集中的目标函数参数(p00~p05共21项)代入目标函数,同时将数据预处理模块传递的待处理数据集中的太阳高度角(θ)作为x、太阳方位角
Figure BDA0003069051840000062
作为y,输入目标函数,计算得到z,以此得到反射面温度(T′=z)。
根据本发明的另一方面,还提供一种星载微波辐射计在轨反射面温度推算方法,所述方法包括:
步骤1、反射面温度测量模块采集反射面温度数据及数据采集时间,以形成反射面原始数据集,并将反射面原始数据集传递给数据预处理模块;
步骤2、太阳角度测量模块采集太阳角度数据及数据采集时间,以形成太阳角度原始数据集,并将太阳角度原始数据集传递给数据预处理模块;
步骤3、数据预处理模块对反射面温度测量模块传递过来的反射面原始数据集和太阳角度测量模块传递过来的太阳角度原始数据集进行预处理,以形成历史数据集及待处理数据集,并将历史数据集传递给目标函数训练模块,及将待处理数据集传递给反射面温度推算模块;
步骤4、目标函数训练模块根据数据预处理模块传递的历史数据集训练目标函数,以得到目标函数参数数据集,并将目标函数参数数据集传递给反射面温度推算模块;
步骤5、反射面温度推算模块根据数据预处理模块传递的待处理数据集和目标函数训练模块传递的目标函数参数数据集,推算得到反射面温度。
综上所述,本发明提出了一种星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置及方法。本发明基于星载微波辐射计在轨温度测量结构,提供了有效而精准的在轨反射面温度推算装置及方法,从而可以通过微波辐射计的历史数据来推算反射面温度,作为星载微波辐射计的反射面温度备份,从而防止反射面温度测量模块失效而导致星载微波辐射计失效的问题,进而为星载微波辐射计在轨辐射测量的稳定性打下良好的基础。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然,本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置,其特征在于,包括:反射面温度测量模块、太阳角度测量模块、数据预处理模块、目标函数训练模块、反射面温度推算模块,其中,
所述反射面温度测量模块,用于采集星载微波辐射计在轨的反射面温度数据及数据采集时间,以形成反射面原始数据集,并将反射面原始数据集传递给数据预处理模块;
所述太阳角度测量模块,用于采集星载微波辐射计在轨的太阳角度数据及数据采集时间,以形成太阳角度原始数据集,并将太阳角度原始数据集传递给数据预处理模块;
所述数据预处理模块,用于对反射面温度测量模块传递过来的反射面原始数据集和太阳角度测量模块传递过来的太阳角度原始数据集进行预处理操作,预处理后形成历史数据集及待处理数据集,并将历史数据集传递给目标函数训练模块,及将待处理数据集传递给反射面温度推算模块;
所述目标函数训练模块,用于根据数据预处理模块传递的历史数据集训练目标函数,以得到的目标函数参数,将目标函数参数和数据采集时间形成目标函数参数数据集,并将目标函数参数数据集传递给反射面温度推算模块;
所述反射面温度推算模块,用于根据数据预处理模块传递的待处理数据集和目标函数训练模块传递的目标函数参数数据集,推算得到反射面温度。
2.如权利要求1所述的星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置,其特征在于,所述太阳角度测量模块采集的太阳角度数据,包括:
在卫星本体坐标系下微波辐射计所对应的太阳高度角(θ)和方位角
Figure FDA0003069051830000011
3.如权利要求1所述的星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置,其特征在于,所述数据预处理模块,用于判断反射面温度测量模块传递过来的反射面温度数据(T)是否正常,其中,
若反射面温度正常,表示反射面温度测量模块完好,将此时的反射面温度测量模块传递过来的反射面原始数据集和太阳角度测量模块传递过来的太阳角度原始数据集,去除异常值,以形成历史数据集,并将历史数据集传递给目标函数训练模块;
若反射面温度不正常,表示反射面温度测量模块失效,将此时反射面温度测量模块传递过来的反射面原始数据集和太阳角度测量模块传递过来的太阳角度原始数据集,以形成待处理数据集,并将待处理数据集传递给反射面温度推算模块。
4.如权利要求1所述的星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置,其特征在于,所述目标函数训练模块的目标函数如下:
z=f(x,y)=p00+p10*x+p01*y+p20*x2+p11*x*y+p02*y2+p30*x3+p21*x2*y+p12*x*y2+p03*y3+p40*x4+p31*x3*y+p22*x2*y2+p13*x*y3+p04*y4+p50*x5+p41*x4*y+p32*x3*y2+p23*x2*y3+p14*x*y4+p05*y5
其中,x为太阳高度角(θ),y为太阳方位角
Figure FDA0003069051830000021
z为反射面温度(T),p00~p05共21项为目标函数的目标函数参数。
5.如权利要求4所述的星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置,其特征在于,所述目标函数训练模块,用于将数据预处理模块传递的太阳高度角(θ)作为x、太阳方位角
Figure FDA0003069051830000022
作为y、反射面温度(T)作为z,用已知的x、y和z训练目标函数,得到目标函数的目标函数参数(p00~p05共21项)。
6.如权利要求1所述的星载微波辐射计在轨反射面温度推算装置,其特征在于,所述反射面温度推算模块,用于根据数据预处理模块传递的待处理数据集中数据采集时间匹配目标函数训练模块传递的目标函数参数数据集中的数据采集时间,也就是匹配不同年份的同一天,将匹配好的目标函数参数数据集中的目标函数参数(p00~p05共21项)代入目标函数,同时将数据预处理模块传递的待处理数据集中的太阳高度角(θ)作为x、太阳方位角
Figure FDA0003069051830000023
作为y,输入目标函数,计算得到z,以此得到反射面温度(T′=z)。
7.一种星载微波辐射计在轨反射面温度推算方法,其特征在于,所述方法包括:
步骤1、反射面温度测量模块采集反射面温度数据及数据采集时间,以形成反射面原始数据集,并将反射面原始数据集传递给数据预处理模块;
步骤2、太阳角度测量模块采集太阳角度数据及数据采集时间,以形成太阳角度原始数据集,并将太阳角度原始数据集传递给数据预处理模块;
步骤3、数据预处理模块对反射面温度测量模块传递过来的反射面原始数据集和太阳角度测量模块传递过来的太阳角度原始数据集进行预处理,以形成历史数据集及待处理数据集,并将历史数据集传递给目标函数训练模块,及将待处理数据集传递给反射面温度推算模块;
步骤4、目标函数训练模块根据数据预处理模块传递的历史数据集训练目标函数,得到目标函数参数数据集,并将目标函数参数数据集传递给反射面温度推算模块;
步骤5、反射面温度推算模块根据数据预处理模块传递的待处理数据集和目标函数训练模块传递的目标函数参数数据集,推算得到反射面温度。
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