後向散射係數的定標係數的校正方法及裝置與流程

2023-05-02 17:06:36 3

本發明涉及海洋微波遙感數據處理領域，具體而言，涉及一種後向散射係數的定標係數的校正方法及裝置。

背景技術：

海洋表面風場是影響海浪、海流、水團的活躍因子和海洋動力學的基本參數，對全球海洋風場的檢測，在沿海地區的防災減災，海洋環境保障，以及促進海洋相關科學研究中具有重要意義。衛星搭載的主動微波遙感器，比如微波散射計和雷達高度計，以其具有全天時、全天候、高時空解析度以及覆蓋範圍等優點成為海洋表面風場非常重要的觀測手段。

衛星主動微波遙感器觀測數據中的後向散射係數用於提取風場時，對於後向散射係數需要較高的準確度，但是隨著主動微波遙感器工作時間的延長，在經過一段時間後，儀器的觀測值會隨時間漂移，因此需要定期校正主動微波遙感器定標係數用於糾正偏差。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明實施例提供了一種後向散射係數的定標係數的校正方法，用於衛星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數的校正，通過複合雷達散射模型計算出海面雷達後向散射係數，並觀測後向散射進行線性擬合獲得線性擬合係數來對定標係數進行校正，從而使定標係數準確。

為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：

一種後向散射係數的定標係數的校正方法，用於衛星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數的校正，所述方法包括：建立微波二尺度後向散射模型和幾何光學模型組合的複合雷達後向散射模型；根據所述複合雷達後向散射模型、HY-2A衛星觀測數據以及浮標實測數據計算得到海面雷達後向散射係數，所述衛星觀測數據中包括觀測後向散射係數；將所述海面雷達後向散射係數與所述觀測後向散射係數進行線性擬合，得到所述觀測後向散射係數與所述海面雷達後向散射係數的線性擬合係數；根據所述線性擬合係數對衛星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數進行校正。

一種後向散射係數的定標係數的校正裝置，用於衛星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數的校正，所述裝置包括：模型建立模塊、計算模塊、線性擬合模塊以及校正模塊。其中：所述模型建立模塊用於建立微波二尺度後向散射模型和幾何光學模型組合的複合雷達後向散射模型；所述計算模塊用於根據所述複合雷達後向散射模型、衛星觀測數據以及浮標實測數據計算得到海面雷達後向散射係數，所述衛星觀測數據中包括觀測後向散射係數；所述線性擬合模塊用於將所述海面雷達後向散射係數與所述觀測後向散射係數進行線性擬合，得到所述觀測後向散射係數與所述海面雷達後向散射係數的線性擬合係數；所述校正模塊用於根據所述線性擬合係數對衛星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數進行校正。

本發明實施例提供的後向散射係數的定標係數的校正方法及裝置，用於星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數的校正，利用微波二尺度後向散射模型和幾何光學模型組合的複合雷達後向散射模型計算海面雷達後向散射係數，並與觀察後向散射係數進行線性擬合得到線性擬合係數，利用所得線性擬合係數對後向散射係數的定標係數進行校正，從而達到使定標係數在校正後變得準確。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

圖1示出了本發明實施例提供的計算機的結構示意圖；

圖2示出了本發明第一實施例提供的後向散射係數的定標係數的校正方法一種流程圖；

圖3示出了本發明第一實施例提供的後向散射係數的定標係數的校正方法中步驟S110的流程圖；

圖4示出了本發明第二實施例提供的後向散射係數的定標係數的校正裝置的功能模塊圖；

圖5示出了本發明第二實施例提供的後向散射係數的定標係數的校正裝置的模型建立模塊的功能模塊圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。同時，在本發明的描述中，術語「第一」、「第二」等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

如圖1所示，是本申請實施例提供的計算機100的方框示意圖。所述計算機100包括後向散射係數的定標係數的校正裝置200、存儲器101、存儲控制器102、處理器103、外設接口104及其他。

所述存儲器101、存儲控制器102、處理器103、外設接口104各元件相互之間直接或間接地電性連接，以實現數據的傳輸或交互。例如，這些元件相互之間可通過一條或多條通訊總線或信號線實現電性連接。所述後向散射係數的定標係數的校正裝置200包括至少一個可以軟體或固件(firmware)的形式存儲於所述存儲器101中或固化在所述計算機100的作業系統(operating system，OS)中的軟體功能模塊。所述處理器103用於執行存儲器101中存儲的可執行模塊，例如所述後向散射係數的定標係數的校正裝置200包括的軟體功能模塊或電腦程式。

其中，存儲器101可以是，但不限於，隨機存取存儲器(Random Access Memory，RAM)，只讀存儲器(Read Only Memory，ROM)，可編程只讀存儲器(Programmable Read-Only Memory，PROM)，可擦除只讀存儲器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，電可擦除只讀存儲器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。其中，存儲器101用於存儲程序，所述處理器103在接收到執行指令後，執行所述程序，前述本發明實施例任一實施例揭示的流過程定義的計算機100所執行的方法可以應用於處理器103中，或者由處理器103實現。

處理器103可能是一種集成電路晶片，具有信號的處理能力。上述的處理器103可以是通用處理器，包括中央處理器(Central Processing Unit，簡稱CPU)、網絡處理器(Network Processor，簡稱NP)等；還可以是數位訊號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現成可編程門陣列(FPGA)或者其他可編程邏輯器件、分立門或者電晶體邏輯器件、分立硬體組件。可以實現或者執行本發明實施例中的公開的各方法、步驟及邏輯框圖。通用處理器可以是微處理器或者該處理器103也可以是任何常規的處理器等。

所述外設接口104將各種輸入/輸出裝置耦合至處理器103以及存儲器101。在一些實施例中，外設接口104，處理器103以及存儲控制器102可以在單個晶片中實現。在其他一些實例中，他們可以分別由獨立的晶片實現。

可以理解的，圖1所示的結構僅為示意，計算機100還可以包括比圖1中所示更多或更少的組件，或者具有與圖1所示不同的配置。圖1中所示的各組件可以採用硬體、軟體或其組合實現。

第一實施例

本發明第一實施例提供了一種後向散射係數的定標係數的校正方法，用於衛星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數的校正。通過複合雷達模型計算的海面雷達後向散射係數與觀測後向散射係數線性擬合得到線性擬合係數，根據線性擬合係數對定標係數進行校正。請參見圖2，所述後向散射係數的定標係數的校正方法包括：

步驟S110：建立微波二尺度後向散射模型和幾何光學模型組合的複合雷達後向散射模型。

具體的，請參見圖3，所述步驟S110包括：

步驟S111：根據所述微波二尺度的後向散射模型建立同極化的海面局地歸一化散射界面模型。

在微波二尺度後向散射模型中，海面局地的散射均為小波對入射雷達波的布拉格散射，長波通過其傾斜波面調節小波，改變局地布拉格散射的局地入射角。其中，布拉格散射模型為：

上式中，k為雷達波數，θ為雷達波入射角，W為海面波浪的波數譜，為波向(相對於海面風)，2k sinθ為發生布拉格共振的海面波波數，下標p和q表示極化信息(即V或H)。對於同極化即HH極化和VV極化，gpp表示為：

其中，εr為海水相對復介電常數，為溫度和鹽度的函數。

在微波二尺度後向散射模型下，同極化的海面局地歸一化散射截面可表示為：

或

上式中，布拉格共振波數的兩分量分別為KBx＝2kα以及KBy＝2kγsinδ，θi＝cos-1[cos(θ+ψ)cosδ]為雷達波局地入射角，αi＝sinθi，α＝sin(θ+ψ)，γ＝cos(θ+ψ)，其中ψ和δ分別為x和y方向的海面坡面的傾角(x-z平面為電磁波入射波所在平面，y垂直於x-z平面)。

步驟S112：建立幾何光學後向散射模型。

Kirchoff近似的幾何光學(Geometric optics,GO)模型表示為：

上式中，σu2和σc2分別為順風向和測風向海面粗糙度的均方坡度。R為菲涅耳反射係數(Fresnel reflection coefficient)，垂直入射的菲涅耳發射係數對於HH和VV極化均相同，其表達式為：

步驟S113：根據所述同極化的海面局地歸一化散射界面模型、幾何光學後向散射模型以及歸一化雷達後向散射係數模型建立複合雷達後向散射模型。

考慮所有長波坡度的情況，歸一化雷達後向散射係數模型可表示為：

Pθ(Zx',Zy')＝(1+Zxtanθ)P(Zx',Zy')。

在上式中，Zx'、Zy'、Zx和Zy分別為x'、y'、x和y方向上的海面坡度(長波斜率)，Zx＝tanψ，Zy＝tanδ；x'平行於風向，y'垂直於風向；P(Zx',Zy')為海面坡度聯合概率密度函數；Zx和Zy與Zx'和Zy'的轉換關係為：

Zx'＝Zx cosφ+Zy sinφ；

Zy'＝Zy cosφ-Zx sinφ。

沿垂直海面風向觀測的海面坡度概率密度函數P(Zx',Zy')的表達式為：

上式中，C40＝0.4，C22＝0.1，C04＝0.2，C21＝-0.11U10/14，C03＝-0.42U10/14，σu2＝0.005+0.78×10-3U12.5，σc2＝0.003+0.84×10-3U12.5，U10和U12.5分別為距離海面10米高和12.5米高處的風速。距離海面10米高處海面風速大小和距離海面不同高度處風速可使用如下關係進行換算：

上式中，Uz為距離海面z米高處的風速大小。

對於小入射角(入射角小於10°)雷達入射波的後向散射，並非布拉格散射佔鏡面反射佔主要貢獻，而是鏡面反射佔主要貢獻。因此，當雷達波入射角小於10°，將幾何光學後向散射模型代入所述歸一化雷達後向散射係數模型。具體的，所述歸一化雷達後向散射係數模型中σ0pp(θi)用所述幾何光學模型計算的σ0GO(θ)替換。當雷達波入射角大於或者等於10°，將同極化的海面局地歸一化散射界面模型代入所述歸一化雷達後向散射係數模型。具體的，所述歸一化雷達後向散射係數模型中σ0pp(θi)用所述同極化的海面局地歸一化散射界面模型計算的σ0VV或σ0HH替換。從而，得到了根據所述同極化的海面局地歸一化散射界面模型、幾何光學後向散射模型以及歸一化雷達後向散射係數模型建立的複合雷達後向散射模型。

所述同極化的海面局地歸一化散射界面模型中的海浪波數譜W(KBx,KBy)使用方向譜代替，其中KB＝2ksinθi為布拉格波數，為布拉格波矢的方向，為二維海面波浪方向譜，為相對於風向的波矢方向。在本發明實施例中，所述複合雷達後向散射模型選用Elfouhaily海浪譜。

根據述同極化的海面局地歸一化散射界面模型、幾何光學後向散射模型以及歸一化雷達後向散射係數模型建立的複合雷達後向散射模型綜合考慮了小入射角鏡面反射的幾何光學模型和布拉格反射的微波二尺度後向散射模型，理論上適用於所有微波頻段的雷達後向散射。

步驟S120：根據所述複合雷達後向散射模型、衛星觀測數據以及浮標實測數據計算得到海面雷達後向散射係數，所述衛星觀測數據中包括觀測後向散射係數。

在步驟S120之前，所述後向散射係數的定標係數的校正方法還包括：

讀取衛星觀測數據以及浮標數據，所述衛星觀測數據與所述浮標數據對應，所述衛星觀測數據中包括雷達波入射角以及方位向，所述浮標實測數據包括浮標實測風速以及浮標實測風向。

讀取浮標數據，根據浮標所在位置，讀取浮標所在位置且時間匹配的衛星觀測數據。所述衛星觀測數據為衛星主動微波遙感器觀測的後向散射係數數據，所述後向散射係數數據中包括觀測後向散射係數、雷達波入射角和方位向。所述浮標數據中包括浮標實測風速以及浮標實測風向。讀取的浮標數據以及衛星觀測數據為多個。

根據浮標實測風向以及方位向確定出所述複合雷達後向散射模型中的風向。具體的，風向確定公式為：

風向＝浮標實測風向-方位向+90°。

從而將確定出的風向、雷達波入射角以及浮標實測風速作為輸入，利用所述複合雷達後向散射模型計算出海面雷達後向散射係數。計算中，海水相對復介電常數εr為設置的常數，雷達波數k根據主動微波遙感器工作頻率計算。在本發明實施例中，設置海水溫度為25℃，鹽度為35PSU，從而根據德拜公式可以計算出海水相對復介電常數εr。

步驟S130：將所述海面雷達後向散射係數與所述觀測後向散射係數進行線性擬合，得到所述觀測後向散射係數與所述海面雷達後向散射係數的線性擬合係數。

根據所述複合雷達後向散射模型計算的海面雷達後向散射係數，由於浮標數據以及衛星觀測數據為多個，因此計算得到的海面雷達後向散射係數為多個，並且所述海面雷達後向散射係數與衛星觀測數據中的觀測後向散射係數一一對應。

將所述海面雷達後向散射係數σ0與所述觀測後向散射係數σ0觀測進行線性擬合，得到線性擬合係數A和B，A和B滿足：σ0＝Aσ0觀測+B。

步驟S140：根據所述線性擬合係數對衛星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數進行校正。

從而，在得到線性擬合係數後，根據所述線性擬合係數對衛星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數進行校正。具體的，用得到的線性擬合係數A和B作為新的定標係數，從而達到校正的目的。

在步驟S140之前，還包括：將所述海面雷達後向散射係數與所述觀測後向散射係數與所述觀測後向散射係數根據當前後向散射係數的定標係數定標後的值進行對比，獲得所述觀測後向散射係數根據當前後向散射係數的定標係數定標後的值與所述海面雷達後向散射係數的偏差；判斷所述偏差是否大於預設值；若所述偏差大於預設值，則執行所述根據所述線性擬合係數對衛星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數進行校正。

主動微波遙感器的定標係數需要定期進行校正，但並不是每次校正定標係數時，都需要對定標係數進行更新。需要以觀測後向散射係數根據當前定標係數定標的值與複合雷達後向散射模型計算的海面雷達後向散射係數對比，得到偏差。設定一個預設值，作為偏差大小的判斷標準。在本發明實施例中，預設值可以設為0.5dB。

判斷所述偏差的大小是否大於所述預設值；如果偏差大於預設值，則根據所述線性擬合係數對衛星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數進行校正，即對衛星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數進行更新。如果偏差小於或者等於預設值，則衛星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數保持不變。

利用微波二尺度後向散射模型和幾何光學模型組合的複合雷達後向散射模型根據浮標實測數據和衛星觀測數據進行計算，得到海面雷達後向散射係數，並與衛星觀測數據中的觀察後向散射係數進行線性擬合得到線性擬合係數，利用所得線性擬合係數對後向散射係數的定標係數進行校正，從而達到使定標係數在校正後變得準確。

第二實施例

本發明第二實施例提供了一種後向散射係數的定標係數的校正裝置200，用於衛星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數的校正。請參見圖4，所述後向散射係數的定標係數的校正裝置200包括：模型建立模塊210、計算模塊220、線性擬合模塊230以及校正模塊240。其中：所述模型建立模塊210用於建立微波二尺度後向散射模型和幾何光學模型組合的複合雷達後向散射模型；所述計算模塊220用於根據所述複合雷達後向散射模型、衛星觀測數據以及浮標實測數據計算得到海面雷達後向散射係數，所述衛星觀測數據中包括觀測後向散射係數；所述線性擬合模塊230用於將所述海面雷達後向散射係數與所述觀測後向散射係數進行線性擬合，得到所述觀測後向散射係數與所述海面雷達後向散射係數的線性擬合係數；所述校正模塊240用於根據所述線性擬合係數對衛星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數進行校正。

請參見圖5，所述模型建立模塊210包括：第一模型建立單元211、第二模型建立單元212以及第三模型建立單元213。其中：所述第一模型建立單元211用於根據所述微波二尺度的後向散射模型建立同極化的海面局地歸一化散射界面模型；所述第二模型建立單元212用於建立幾何光學後向散射模型；所述第三模型建立單元213用於根據所述同極化的海面局地歸一化散射界面模型、幾何光學後向散射模型以及歸一化雷達後向散射係數模型建立複合雷達後向散射模型。

當雷達波入射角小於10°，所述第三模型建立單元213用於將幾何光學後向散射模型代入所述歸一化雷達後向散射係數模型，當雷達波入射角大於或者等於10°，所述第三模型建立單元213用於將同極化的海面局地歸一化散射界面模型代入所述歸一化雷達後向散射係數模型，得到複合雷達後向散射模型。

請參見圖4，所述後向散射係數的定標係數的校正裝置200還包括數據讀取模塊250。所述數據讀取模塊用於讀取衛星觀測數據以及浮標數據，所述衛星觀測數據與所述浮標數據對應，所述衛星觀測數據中包括雷達波入射角以及方位向，所述浮標實測數據包括浮標實測風速以及浮標實測風向。

請參見圖4，所述後向散射係數的定標係數的校正裝置200還包括：偏差獲取模塊260、偏差判斷模塊270以及確定模塊280。其中：所述偏差獲取模塊用於將所述海面雷達後向散射係數與所述觀測後向散射係數與所述觀測後向散射係數根據當前後向散射係數的定標係數定標後的值進行對比，獲得所述觀測後向散射係數根據當前後向散射係數的定標係數定標後的值與所述海面雷達後向散射係數的偏差；所述偏差判斷模塊用於判斷所述偏差是否大於預設值；所述確定模塊用於若所述偏差大於預設值，則執行所述根據所述線性擬合係數對衛星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數進行校正。

綜上所述，本發明實施例提供的後向散射係數的定標係數的校正方法及裝置，用於衛星主動微波遙感器的後向散射係數的定標係數的校正，利用微波二尺度後向散射模型和幾何光學模型組合的複合雷達後向散射模型計算海面雷達後向散射係數，並與觀察後向散射係數進行線性擬合得到線性擬合係數，利用所得線性擬合係數對後向散射係數的定標係數進行校正，從而達到使定標係數在校正後變得準確。

在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的裝置和方法，也可以通過其它的方式實現。以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，附圖中的流程圖和框圖顯示了根據本發明的多個實施例的裝置、方法和電腦程式產品的可能實現的體系架構、功能和操作。在這點上，流程圖或框圖中的每個方框可以代表一個模塊、程序段或代碼的一部分，所述模塊、程序段或代碼的一部分包含一個或多個用於實現規定的邏輯功能的可執行指令。也應當注意，在有些作為替換的實現方式中，方框中所標註的功能也可以以不同於附圖中所標註的順序發生。例如，兩個連續的方框實際上可以基本並行地執行，它們有時也可以按相反的順序執行，這依所涉及的功能而定。也要注意的是，框圖和/或流程圖中的每個方框、以及框圖和/或流程圖中的方框的組合，可以用執行規定的功能或動作的專用的基於硬體的系統來實現，或者可以用專用硬體與計算機指令的組合來實現。

另外，在本發明各個實施例中的各功能模塊可以集成在一起形成一個獨立的部分，也可以是各個模塊單獨存在，也可以兩個或兩個以上模塊集成形成一個獨立的部分。

所述功能如果以軟體功能模塊的形式實現並作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。基於這樣的理解，本發明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的部分可以以軟體產品的形式體現出來，該計算機軟體產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，伺服器，或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括：U盤、移動硬碟、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二、另一等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應所述以權利要求的保護範圍為準。