CN114218786A - 非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法。该方法包括:获取非偏振卫星传感器在轨后获得的洋面场景区域的卫星观测数据作为地物观测目标;对所述卫星观测数据进行预处理;获取所述洋面场景区域的环境数据并进行预处理得到洋面环境数据;利用所述洋面环境数据构建海洋表面三维模型;基于所述海洋表面三维模型,结合菲涅尔反射定律模拟海洋表面的偏振辐射状态。此方法能够对在轨后的非偏振卫星传感器的偏振辐射特性进行反演及分析,得到大气顶的偏振辐射状态;对仪器偏振敏感性随观测几何和环境条件进行分析,得出仪器偏振辐射随不同条件的变化规律,对后续非偏振卫星传感器的偏振校正和辐射定标具有指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及卫星遥感技术领域,具体地,涉及一种非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法。
背景技术
在遥感探测中,地物目标的辐射偏振状态可用来反演风速、气溶胶类型和光学厚度等,国内外都有相关的辐射偏振探测仪搭载于卫星进行偏振信息的探测与分析。但是对于非偏振卫星传感器,偏振是一种干扰信息,辐射传递链路的偏振灵敏度会影响遥感观测数据的精度及其后续应用,需要对仪器的偏振灵敏度进行反演分析及定量去除,以提高辐射定标精度。
对仪器进行在轨的偏振辐射校正主要是结合发射前实验室测量得到的仪器偏振灵敏度和利用辐射传输模拟工具模拟观测目标的大气顶偏振辐射状态这两部分进行的。但是,由于以往一些国产卫星仪器发射前未测量实验室偏振灵敏度,且仪器在轨的特性往往偏离发射前实验室的状态,需要针对在轨后的非偏振卫星传感器,利用其获取的特定遥感场景对仪器进行在轨偏振辐射特性反演,分析其偏振灵敏度,以便更准确地对仪器进行在轨偏振辐射校正和定标。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明的目的是提供一种非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法,此方法能够对非偏仪器辐射链路的偏振辐射响应进行建模、反演及分析,以便更准确地对仪器进行在轨偏振辐射校正。
为了达到上述目的,本申请提供了一种非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法,包括以下步骤:
S1,挑选非偏振卫星传感器在轨后获得的洋面场景遥感图像作为地物观测目标;
S2,对洋面场景区域的卫星观测数据进行预处理;
S3,对洋面场景区域的环境数据进行选择及预处理;
S4,利用洋面环境数据构建海洋表面三维模型;
S5,结合菲涅尔反射定律模拟真实海洋表面的偏振辐射状态;
S6,基于辐射传输模拟工具分析大气散射对辐射偏振状态的影响,建立大气辐射偏振状态查找表;
S7,将海表辐射状态与大气辐射传输状态耦合,得到洋面场景的大气顶偏振辐射状态;
S8,分析传感器在特定波段对于不同观测几何、不同环境的偏振辐射特性,得出其偏振敏感性变化规律,实现非偏振传感器在轨偏振辐射特性的反演。
在一些可选的实施方式中,所述步骤S1的挑选洋面场景遥感图像为通过轨道预报挑选区域面积大的洋面,获得其太阳反射波段的Level1数据。
进一步地,所述步骤S2的洋面场景区域的卫星观测数据进行预处理,包括:
对选取的洋面场景区域的卫星观测数据进行反射率定标;
对定标后的卫星观测数据进行云检测处理;
将处理完的多个5分钟块卫星观测数据合并成完整的一轨数据。
在一些可选的实施方式中,所述对数据进行反射率定标采用国家卫星气象中心的定标方法并确定具体系数。
在一些可选的实施方式中,所述云检测采用特定通道反射率变异系数的阈值判断算法,变异系数=标准差/其平均值,在某几个特定通道如果其变异系数大于固定阈值,则认为是云;也可采用成熟的云检测产品。
进一步地,所述步骤S3的对洋面场景区域的环境数据进行选择及预处理,包括:
环境数据主要包括气溶胶光学厚度和风速风向;
根据卫星观测数据的经纬度,查找对应经纬度网格的环境数据;
气溶胶光学厚度从MODIS 3级大气8天全球联合产品MYD08_E3中获得;
风速风向使用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的全球大气再分析数据中的10m风场资料,选择与卫星观测时间最为接近、空间分辨率最高的一组数据;
对环境数据和卫星观测数据进行地理位置匹配。
在一些可选的实施方式中,所述步骤S4中的海洋表面三维模型为Cox&Munk等人建立的仅由海洋表面风速风向决定的三维波浪斜坡的概率密度函数分布模型。
在一些可选的实施方式中,所述步骤S5中的海洋表面的偏振辐射状态包括特定观测几何条件下的反射率、偏振反射率和偏振度。
在一些可选的实施方式中,所述步骤S6中的辐射传输模拟工具为6SV矢量模型,大气辐射偏振状态查找表为对应观测几何(太阳天顶角、太阳方位角、卫星天顶角、卫星方位角)和气溶胶光学厚度下的瑞利散射和气溶胶散射的偏振度、偏振反射率。
在一些可选的实施方式中,所述步骤S8中的偏振敏感性变化规律为根据观测几何和环境条件建立的大气顶偏振辐射状态的查找表。
与现有技术相比,本申请具有如下的有益效果:
(1)本申请提供了一种非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法,此方法能够对在轨后的非偏振卫星传感器的偏振辐射特性进行反演及分析,得到大气顶的偏振辐射状态。
(2)对仪器偏振敏感性随观测几何和环境条件进行分析,得出仪器偏振辐射随不同条件的变化规律,对后续非偏振卫星传感器的偏振校正和辐射定标具有指导意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明实施例提供的非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法的流程示意图。
图2为本发明实施例提供的基于MERSI 412nm通道的偏振辐射特性反演结果示意图;
图中:(a)为观测值,(b)为反演值,(c)为差值。
图3为本发明实施例提供的MERSI在不同观测几何的偏振敏感性变化规律(气溶胶光学厚度为0.15,风速为15m/s,风向角为150°);
图中:(a)(c)为偏振度变化;(b)(d)为反射率变化。
图4为本发明实施例提供的MERSI在不同风速风向的偏振敏感性变化规律(太阳天顶角为30°,相对方位角为120°,气溶胶光学厚度为0.15);
图中:(a)(c)为偏振度变化;(b)(d)为反射率变化。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示,一种非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法,包括以下步骤:
S1,挑选非偏振卫星传感器在轨后获得的洋面场景遥感图像作为地物观测目标。
在本发明实施例中,挑选洋面场景遥感图像为通过轨道预报挑选区域面积大的洋面,获得其太阳反射波段的Level1数据。由于太平洋海洋较为辽阔,本发明实施例选取MERSI传感器在太平洋洋面太阳反射波段的Level1数据。
S2,对洋面场景区域的卫星观测数据进行预处理,具体包括:
对选取的洋面场景区域的卫星观测数据进行反射率定标;
对定标后的卫星观测数据进行云检测处理;
将处理完的多个5分钟块卫星观测数据合并成完整的一轨数据。
在本发明实施例中,对数据进行反射率定标采用国家卫星气象中心的定标方法并确定具体系数。云检测采用特定通道反射率变异系数的阈值判断算法,变异系数=标准差/其平均值,如果在650nm通道的反射率大于0.15且1380nm处变异系数大于固定阈值0.01,则判定为有云。
S3,对洋面场景区域的环境数据进行选择及预处理,具体包括:
环境数据主要包括气溶胶光学厚度和风速风向;
根据卫星观测数据的经纬度,查找对应经纬度网格的环境数据;
气溶胶光学厚度从MODIS 3级大气8天全球联合产品MYD08_E3中获得;
风速风向使用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的全球大气再分析数据中的10m风场资料,选择与卫星观测时间最为接近、空间分辨率最高的一组数据;
对环境数据和卫星观测数据进行地理位置匹配。
S4,利用洋面环境数据构建海洋表面三维模型,其中海洋表面三维模型为Cox&Munk等人建立的仅由海洋表面风速风向决定的三维波浪斜坡的概率密度函数分布模型。
在本发明实施例中,在由海洋表面风速风向决定的三维波浪斜坡的概率密度函数分布模型中,波浪斜坡面沿侧风和上风方向的倾斜度用Zx和Zy分别表示为
起伏的海面斜坡的概率密度函数P可表示为
对于洁净表面,式中的ξ和η表示为
其中σx、σy分别是Zx,Zy的均方根值;偏度系数C21和C03以及尖峰强度系数C40,C22和C04由Cox&Munk定义如下
其中,θn是入射方向(θs,φs,)反射到反射面(θv,φv)的波面斜率;n是海水的折射率;R(n,θs,φs,θv,φv)和Rpol(n,θs,φs,θv,φv)分别是是菲涅尔反射系数和偏振反射系数。
S5,结合菲涅尔反射定律模拟真实海洋表面的偏振辐射状态,包括特定观测几何条件下的反射率、偏振反射率和偏振度。
菲涅尔反射理论中的入射角θi和反射角θt如下式表示
其中的n1和n2分别是空气和海水的折射率。
根据菲涅尔定律,入射光电矢量被分解成两个分量,一个平行于入射面,另一个则垂直于入射面。如果记r//和r⊥分别是两个分量的反射率,则菲涅尔方程可写为
由于直射的太阳光是自然光(非偏振光),沿各个方向的振幅分量都相等,所以总反射率ρ和偏振反射率ρpol为
偏振度可表示为
S6,基于辐射传输模拟工具分析大气散射对辐射偏振状态的影响,建立大气辐射偏振状态查找表。
在本发明实施例中,辐射传输模拟工具为6SV矢量模型,大气辐射偏振状态查找表为对应观测几何(太阳天顶角、太阳方位角、卫星天顶角、卫星方位角)和气溶胶光学厚度下的瑞利散射和气溶胶散射的偏振度、偏振反射率。
利用6SV模型建立查找表需要逐点输入的参数主要包括观测几何(太阳天顶角、太阳方位角、卫星天顶角、卫星方位角)和气溶胶光学厚度(AOD),构建的查找表的主要参数间隔如表1所示:
表1大气查找表主要输入参数
Table 1Main parameters in lookup table
其他参数均设为固定值,包括大气模型、气溶胶类型、目标海拔高度、光谱信息等。利用该模型构建的查找表的输出参数主要包括瑞利散射和气溶胶散射的偏振度、偏振反射率和斯托克斯矢量等。
S7,将海表辐射状态与大气辐射传输状态耦合,得到洋面场景的大气顶偏振辐射状态。
根据S5和S6分别计算出海表和大气的偏振辐射状态后,将它们耦合在一起得到大气顶的偏振辐射状态。得到大气顶反射率和偏振反射率的计算公式:
式中,ρg和即为2.3节的海表反射率和偏振反射率;ρm、和ρa、分别是由6SV查找表查找到的瑞利散射和气溶胶散射的反射率和偏振反射率。ρw对应于离水辐射,ρf对应于泡沫反射率;M是空气质量因子,δ是大气的总光学厚度。由于泡沫反射率通常较小(小于0.001),离水辐射大小与海水中的叶绿素浓度等相关,本文中默认选择的海洋都是较为“干净”的深海,因此忽略离水辐射ρw和泡沫反射率ρf,则大气顶的反射率和偏振度可以缩减为如下公式进行计算
将上述步骤结合,可获得特定日期特定环境条件下特定海表目标到达大气顶的偏振辐射状态,以2018年4月3日23:00~23:30观测太平洋的条件开展模拟,对MERSI这个非偏振卫星传感器进行了偏振辐射特性反演,结果如图2所示,整体分布上对于反射率和偏振度MERSI的模拟值和观测值都比较一致。模拟与观测的反射率误差绝对值基本小于5%,验证了本方法的正确性和有效性。
S8,分析传感器在特定波段对于不同观测几何、不同环境的偏振辐射特性,得出其偏振敏感性变化规律,即根据观测几何和环境条件建立的大气顶偏振辐射状态的查找表,实现非偏振传感器在轨偏振辐射特性的反演。
在本发明实施例中,传感器为非偏载荷MERSI,特定波段为412nm,观测几何为太阳天顶角、卫星天顶角和相对方位角,不同环境为风速风向。
图3为MERSI对观测几何的偏振敏感性,给出了在不同的相对方位角(PHI)和太阳天顶角(SZA)下,模拟的偏振度和反射率随着卫星天顶角(VZA)的变化。可以看到,大气顶的偏振辐射状态对太阳天顶角的依赖性远大于相对方位角。相对方位角只能微弱地影响反射率和偏振度的绝对值,其随着卫星天顶角的变化规律不会被改变。而太阳天顶角则是会完全改变偏振度,偏振度随着卫星天顶角发生变化;不同太阳天顶角对于反射率的影响不同,在卫星天顶角较大时(大于40°),反射率的变化也很显著。
图4是在不同的风速和风向角下大气顶的偏振度和反射率随着卫星天顶角的变化。可以看到风速风向对偏振度几乎没有影响,对反射率有较为微弱的影响。
本实施例取得了如下的有益效果:
(1)本申请提供了一种非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法,此方法能够对在轨后的非偏振卫星传感器的偏振辐射特性进行反演及分析,得到大气顶的偏振辐射状态。
(2)对仪器偏振敏感性随观测几何和环境条件进行分析,得出仪器偏振辐射随不同条件的变化规律,对后续非偏振卫星传感器的偏振校正和辐射定标具有指导意义。
以上对本发明的具体实施进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,挑选非偏振卫星传感器在轨后获得的洋面场景遥感图像作为地物观测目标;
步骤2,对洋面场景区域的卫星观测数据进行预处理;
步骤3,对洋面场景区域的环境数据进行选择及预处理;
步骤4,利用洋面环境数据构建海洋表面三维模型;
步骤5,结合菲涅尔反射定律模拟真实海洋表面的偏振辐射状态;
步骤6,基于辐射传输模拟工具分析大气散射对辐射偏振状态的影响,建立大气辐射偏振状态查找表;
步骤7,将海表辐射状态与大气辐射传输状态耦合,得到洋面场景的大气顶偏振辐射状态;
步骤8,分析传感器在特定波段对于不同观测几何、不同环境的偏振辐射特性,得出其偏振敏感性变化规律,实现非偏振传感器在轨偏振辐射特性的反演。
2.根据权利要求1所述的非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法,其特征在于,所述步骤1的挑选洋面场景遥感图像为通过轨道预报挑选区域面积大的洋面,获得其太阳反射波段的Level1数据。
3.根据权利要求1所述的非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法,其特征在于,所述步骤2的洋面场景区域的卫星观测数据进行预处理,包括:
对选取的洋面场景区域的卫星观测数据进行反射率定标;
对定标后的卫星观测数据进行云检测处理;
将处理完的多个5分钟块卫星观测数据合并成完整的一轨数据。
4.根据权利要求1所述的非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法,其特征在于,所述步骤3的对洋面场景区域的环境数据进行选择及预处理,包括:
环境数据主要包括气溶胶光学厚度和风速风向;
根据卫星观测数据的经纬度,查找对应经纬度网格的环境数据;
对环境数据和卫星观测数据进行地理位置匹配。
5.根据权利要求1所述的非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法,其特征在于,所述步骤4中的海洋表面三维模型为仅由海洋表面风速风向决定的三维波浪斜坡的概率密度函数分布模型。
6.根据权利要求1所述的非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法,其特征在于,所述步骤5中的海洋表面的偏振辐射状态包括特定观测几何条件下的反射率、偏振反射率和偏振度。
7.根据权利要求1所述的非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法,其特征在于,所述步骤6中的辐射传输模拟工具为6SV矢量模型,大气辐射偏振状态查找表为对应观测几何(太阳天顶角、太阳方位角、卫星天顶角、卫星方位角)和气溶胶光学厚度下的瑞利散射和气溶胶散射的偏振度、偏振反射率。
8.根据权利要求1所述的非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法,其特征在于,所述步骤7中的将海表辐射状态与大气辐射传输状态耦合方式为相加。
9.根据权利要求1所述的非偏振卫星传感器在轨偏振辐射特性反演方法,其特征在于,所述步骤8中的偏振敏感性变化规律为根据观测几何和环境条件建立的大气顶偏振辐射状态的查找表。
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