星载微波辐射计观测无线电频率干扰识别和订正系统的制作方法
【技术领域】：
[0001] 本发明公开了一种星载微波辐射计观测无线电频率干扰识别和订正系统，属于气 象卫星观测数据质量控制领域。
【背景技术】：
[0002] 卫星微波接收的来自地气系统的被动热辐射与主动传感器发射的信号相混合，称 之为无线电频率干扰（Radio-Frequency Interference，简称RFI)，在主动及被动微波遥感 探测领域已成为越来越严重的问题。人为的RFI源主要来自建于地表的主动微波发射器， 如手机、雷达、GPS导航、空中交通管制、车辆测速仪器等，这些RFI源会污染地球的散射和 发射辐射，会在卫星遥感探测量中增加不可预测的噪声。特别对于被动遥感，这一问题犹为 严重，因为地表相对较弱的热发射辐射很容易被强的RFI信号淹没。由于这一原因，人们在 设计被动传感器的工作频率时优先选用专为被动遥感预留的受保护的频段。但是为了实现 特定目标的探测，许多星载被动传感器不得不工作在不受保护的波段，如C波段（6. 9GHz) 和X波段（10. 7GHz)，而且未来的传感器仍得使用这些不受保护的波段来进行探测。鉴于商 业服务中对微波波段的使用日益增多，使得该波段的频谱变得越来越拥挤，解决星载微波 仪器的无线电干涉问题也越来越突显其重要性。气象卫星仪器使用的光谱中只有微波观测 可以部分穿过云区，遥感云区和地表，然而目前全世界广泛使用的微波成像仪，如：载在地 球观测系统EOS Aqua卫星上的先进微波扫描辐射计AMSR-E及其后续仪器AMSR-2、载在我 国FY-3系列卫星上的微波成像仪MWRI和美国国防卫星上的WindSat全极化辐射计等的C 波段（6. 9GHz)或X波段（10. 7GHz)观测受来自地面主动的微波发射即无线电频率干扰RFI 影响，造成观测亮度温度相比视场内来自自然大气和地表发射/散射辐射而言异常偏大， 进而使反演的地表参数（如地表温度、土壤湿度等）和资料同化的分析场具有较大偏差。
[0003] 近10年来随着地面通讯等主动微波技术的发展被动接收来自地球/大气系统辐 射的星载微波仪器观测越来越受到主动遥感的影响，如果不正确识别和去除RFI污染资 料，将大大降低星载被动微波仪器的科学价值。为解决这一问题已经开发了很多RFI识别 技术，定量给出RFI的范围和强度。如：谱差法、平均值和标准差方法、主成分分析PCA方 法、标准化的主成分分析NPCA方法和双主成分分析DPCA方法等。
[0004] 邹晓蕾等在2013年提出了标准化的主分量分析RFI识别算法（参考文献），该论 文只是对RFI进行了识别，没有进行订正，没有分析过RFI对反演的地面参数（如地表温度 等）和资料同化的影响。而且该标准化的主分量分析方法对有积雪和RFI混合下垫面进行 无线电频率干扰识别时会有虚警现象，即将积雪视场误判为RFI影响区，且给出的RFI强度 偏强，表现在识别出的RFI区域偏大，强度偏强。
[0005] 因此本发明提出了一套星载微波辐射计观测无线电频率干扰识别和订正系统，不 仅包括无线电频率干扰识别模块，还包括无线电频率干扰订正模块和信息分析显示模块。 在无线电频率干扰识别模块，发明了一种新的改进的主成分分析识别方法。
[0006] 参考文献：邹晓蕾，赵娟，翁富忠，秦正坤.2013,风云三号B星微波成像仪资料在 陆地上的无线电频率干扰信号的识别.气象科技进展：英文版，3(4) :144-152
【发明内容】
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[0007] 本发明提出了星载微波辐射计观测无线电频率干扰识别和订正系统，将无线电频 率干扰（RFI)影响与自然的云、降水和冰雪的观测区别开来。
[0008] 本发明的具体技术方案如下：
[0009] 本发明提出了一种星载微波辐射计观测无线电频率干扰识别和订正系统，包括数 据读取模块、无线电频率干扰识别模块、无线电频率干扰订正模块和信息分析和显示模块。 其中所述数据读取模块对星载微波辐射计观测数据进行读取和通道分离处理，将读取的各 通道亮度温度值提供给无线电频率干扰识别模块；所述无线电频率干扰识别模块对星载微 波辐射计观测存在干扰的区域和强度进行识别，将RFI影响与自然的云、降水和冰雪的观 测区别开来，定量给出污染区域的空间分布和强度；所述无线电频率干扰订正模块对无线 电频率干扰识别模块识别出的RFI影响区域进行订正处理，定量给出订正后亮度温度的分 布；所述信息分析和显示模块，对上述各模块的输出信息进行判断、标记、处理、显示和存 储。
[0010] (1)在无线电频率干扰识别模块，发明了改进的主成分分析RFI识别方法，对微波 低频6. 9GHz和10. 7GHz波段无线电频率干扰进行识别。该方法综合考虑了受无线电频率 影响区微波观测通道之间的不相关性和积雪、冰下垫面的散射作用影响，尤其关注该方法 对冬季积雪覆盖和RFI混合的复杂区域的适用性。
[0011] (2)在无线电频率干扰订正模块发明了利用不受影响通道观测和被干扰通道观测 之间的相关性来进行统计订正的方法。
[0012] (3)本系统还包括一个用于对数据读取模块、RFI识别模块和RFI订正模块信息进 行分析和显示的模块。所述信息显示模块显示内容包括：不同通道观测亮度温度、RFI强度 和空间分布、RFI订正后亮度温度分布等。
[0013] 只有解决了星载微波辐射计低频通道的RFI污染问题，才能让这些低频通道的观 测数据更好地服务于地表参数反演系统和资料同化系统，提高反演场和同化分析场精度， 同时提高数值天气预报质量。
[0014] 本发明具有如下有益效果：
[0015] (1)本发明可实现仪器不同通道观测亮度温度、无线电频率干扰空间分布和强度、 无线电频率干扰订正后亮度温度空间分布等的直观量化显示；运算结果显示质量高，空间 分布形态清晰明确、量化信息直观。
[0016] (2)本发明的计算方法科学合理、简单高效，验证方法严谨可靠。与现有技术相比 大大缩短了计算机计算时间，提高了计算效率。如：现有的主成分分析识别算法运算的矩阵 维数为[12XN]，而该发明的识别算法进行主成分分析的矩阵维数为[3XN]，减少了矩阵 的维数，就节约了计算成本，其中N为观测视场数。
[0017] (3)本发明的适用性好。发明的改进的主成分分析方法适用于所有目前使用的星 载微波辐射计低频通道的无线电频率干扰识别和订正，如ASMR-E、WindSat、MWRI、AMSR2等 类似的仪器。
[0018] (4)本发明实用性强，方便嵌入业务大气参数反演系统和资料同化系统，作为资料 预处理模块的一部分，也可直接用于科研分析，能直接改善星载微波辐射计低频通道观测 数据质量，因此有较高的应用价值和良好的应用前景。
【附图说明】：
[0019] 图1是本发明的总体框架图。
[0020] 图2是RFI识别模块流程图。
[0021] 图3是RFI订正模块流程图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0023] 如图1所示，本发明的星载微波辐射计观测无线电频率干扰识别和订正系统，该 系统包括：数据读取模块、无线电频率干扰识别模块、无线电频率干扰订正模块、信息分析 和显示模块；其中
[0024] 数据读取模块，对星载微波辐射计观测数据进行读取，并进行通道分离处理；将读 取的各通道的亮度温度值提供给无线电频率干扰识别模块；
[0025] 无线电频率干扰识别模块，对数据读取模块读取的观测数据中存在干扰的区域和 强度进行识别，将无线电频率干扰影响与自然的云、降水和冰雪的观测区别开来，定量给出 污染区域的空间分布和强度；
[0026] 无线电频率干扰订正模块对无线电频率干扰识别模块识别出的无线电频率干扰 区域进行订正处理，定量给出订正后亮度温度的分布；
[0027] 信息分析和显示模块，对上述各模块的输出信息进行判断、标记、处理、显示和存 储。
[0028] 1、本发明中，数据读取模块，从星载微波辐射计观测的hdf二进制数据格式文件 中读取观测的亮度温度值，进行通道分离后，定量显示每个通道观测的亮度温度空间分布； 判断6. 9GHz水平和垂直通道、10. 7GHz水平和垂直通道以及18. 7GHz水平和垂直通道观测 亮度温度数值是否存在异常高值>300K的视场，如果没有，则初步判断该通道观测没有被 干扰，如果有异常高值区，初步判断该通道观测有可能被污染。（三个波段的水平和垂直观 测通道，共分为6个通道。）
[0029] 2、本发明中，图2给出了 RFI识别模块的具体流程图。无线电频率干扰（RFI)识 别模块，基于数据读取模块获得的各通道的亮度温度，利用三个变量来构建进行主成分分 析的向量，三个变量包括一个RFI指数和两个积雪散射指数，RFI指数为6. 9GHz、 10. 7GHz、18. 7GHz三通道中受RFI影响和不受RFI影响两通道的亮温谱差，积雪散射指数 为对自然冰雪影响敏感的36. 5GHz与18. 7GHz亮温谱差，每个通道均分水平极化和垂直极 化；
[0030] 如初判10. 7GHz水平和垂直通道观测没被干扰，6. 9GHz通道观测被干扰，则对 6. 9GHz通道进行主成分分析（PCA)的向量为
[0032] 若初判18. 7GHz水平和垂直通道观测没被干扰，10. 7GHz通道观测被干扰，则对 10. 7GHz通道进行主成分分析的向量为：
[0034] 其中TB表示观测的亮度温度，下标H和V表示水平极化和垂直极化方式，下标数 字表示通道的频率：6表示6. 9GHz通道，10表示10. 7GHz通道，以此类推。
[0035] 具体，根据公式（1)向量构成的二维数据矩阵如下，用于识别6. 9GHz水平极化通 道无线电频率干扰，对该矩阵进行主成分分析：
[0037] 其中N表示指定区域内的观测点总数；如果是识别6. 9GHz垂直极化通道无线电频 率干扰，则将公式（3)矩阵中第一行数据的下标改为