一种基于地基高光谱微波辐射计的大气廓线反演方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于地基高光谱微波辐射计的大气廓线反演方法，属于微波遥感【技术领域】。本方法包括以下步骤：设置地基微波辐射计的系统参数；获取背景参数以及背景场误差；建立辐射传输模型，确定大气辐射传输亮温；利用变分方法的迭代过程反演大气廓线。利用本发明可以通过地基高光谱微波辐射计得到精确反演的大气廓线，特别适用于多通道辐射计和先验数据不足的探测情况，能够完整地利用高光谱辐射计提供的大量频段信息，具有较强的适用性和较小的探测误差。
【专利说明】 一种基于地基高光谱微波辐射计的大气廓线反演方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微波遥感【技术领域】，具体涉及一种基于地基高光谱微波辐射计的大气廓线反演方法。
【背景技术】
[0002]无源微波遥感传感器的最大通道数量大部分为数个或十数个，很少有几十个通道的微波辐射计，因为通道数量受限于现有技术。但是这些通道数量通常不能满足大气反演问题，尤其是在云和雨存在的情况下，由于待反演变量的数量增多使得病态反演问题严重，不能有效反演出待测参数，从而影响反演精度。
[0003]地基微波辐射计因其在低对流层具有更高的探测精度，并且能够对局部区域实现连续不间断地观测等优势，已成为大气廓线探测的重要工具。目前国际上比较成熟的推向市场的地基微波福射计主要有美国Radiometrics公司的MP-3000系列微波福射计以及前德国RPG公司RPG-xxxPRO系列微波辐射计。其无源微波遥感探测传感器探测通道数目大部分为5?30通道，但这些受限的通道数目不足以解决探测大气参数时的病态反演问题，特别是有云雨的情况下，由于待反演变量增多导致反演结果精度有限。随着微波器件加工技术与数字信号处理芯片技术的提高，微波探测传感器可以在一个频段内精细化分，从而使探测通道数目达到成百上千个。通道数目多，信息量就大，并且能够为探测大气参数提供更高的精度和垂直、水平分辨率，从而提高短时间小范围内的天气预测能力，改善数值天气的预报，特别是极端天气的预测能力。
[0004]但是，目前的大气廓线反演方法针对的微波辐射计通道数量较少。而随着通道数目的增多，相邻通道之间的相关性也随之增加，这就为大气廓线的反演带来麻烦。因为通常的大气参数反演方法大都是包含矩阵求逆的过程，而当通道数量多且相邻通道之间存在一定的相关性时，矩阵的求逆就变得十分困难，从而不能正确地反演相应大气参数。神经网络方法，对于通道数目大于20的微波辐射计，虽然能利用主元素分析法来降低维度，只选择一部分的探测通道进行计算，但是同时也减少了探测数据的信息量，失去了高光谱大量通道探测的意义，在一定程度上也减弱了高光谱通道数目多信息量大的优势，不能完全发挥高光谱辐射计的作用。
【发明内容】
[0005]本发明为充分利用高光谱高信息量的特点，不损失有效的探测信息，同时获得更精确的大气廓线反演结果，提出了一种基于地基高光谱微波辐射计的大气廓线反演方法。
[0006]本发明提供的基于地基高光谱微波辐射计的大气廓线反演方法，包括如下步骤:
[0007]步骤1:设置地基微波辐射计的系统参数，包括探测频段，通道数量以及各通道频率和辐射计的探测误差。
[0008]步骤2:获取背景参数以及背景场误差。背景参数表示为大气状态的平均值Xb，通过统计被反演地区探测日前具有共同特点的历史大气廓线探测结果得到，是大气廓线反演的先验数据。背景场误差反映了被反演地区大气廓线的准确性，表示为通过先验数据得到的背景场协方差矩阵B。
[0009]步骤3:建立辐射传输模型,确定大气辐射传输亮温。
[0010]所采用的辐射传输模型如下:
【权利要求】
1.一种基于地基高光谱微波辐射计的大气廓线反演方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1:设置地基微波辐射计的系统参数；所述系统参数包括探测频段，通道数量以及各通道频率和辐射计的探测误差； 步骤2:获取背景参数以及背景场误差；所述背景参数表示为大气状态的平均值Xb，通过统计被反演地区探测日前具有共同特点的历史大气廓线探测结果得到，是大气廓线反演的先验数据；所述背景场误差反映了被反演地区大气廓线的准确性，表示为通过先验数据得到的背景场协方差矩阵B; 步骤3:建立辐射传输模型,确定大气辐射传输亮温； 所采用的辐射传输模型如下:
2.根据权利要求1所述的一种基于地基高光谱微波辐射计的大气廓线反演方法，其特征在于，步骤4.2中所述的目标函数，通过如下方法确定: 首先，设ε服从高斯分布，则观测数据y的概率分布P (y I X)满足下式:
-21nP(y|x) = [y-F (x) ] tR^1 [y-F (x) ]+C1 设测量的大气状态X相对于大气状态的平均值Xb的偏差是一个随机变量，设这个随机变量的概率密度PU)也是高斯分布，满足下式:
-21nP (x) = [x-xb] tB"1 [x~xb] +C2
其中，C2都是常数； 根据贝叶斯理论，得到下式:
3.根据权利要求1所述的一种基于地基高光谱微波辐射计的大气廓线反演方法，其特征在于，步骤4.3中所述的参数Y，设定初始值为2。
【文档编号】G01S7/02GK103792538SQ201410061749
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2014年2月24日
【发明者】刘大伟, 吕长春, 刘凯, 张艺凡, 苗俊刚 申请人:北京航空航天大学