一种计算星载微波辐射计月球观测亮温的方法及系统

本发明涉及微波遥感月球观测亮温，具体涉及一种计算星载微波辐射计月球观测亮温的方法及系统。

背景技术：

1、地球极地轨道观测卫星所搭载的微波辐射计是探测全球大气温度和湿度垂直分布、降水等气象要素的重要仪器之一。微波辐射计通过观测地球目标自身辐射获取目标物的物理特性。为了将仪器观测电压转化成地球目标辐射，微波辐射计通常采用两点定标技术，将冷空和黑体分别作为星上载荷辐射定标的冷源和热源，通过对冷空和内部黑体两个辐射参考点的周期观测实现在轨定标。

2、星载微波辐射计天线冷空视场辐射来源主要是宇宙背景辐射亮温，月球有时会进入微波辐射计的天线视场范围，也因此引入冷空观测的外来辐射——月球辐射亮温。这种由于月球进入星载微波辐射计冷空观测视场的辐射信号叠加在用于辐射定标的宇宙背景亮温上，会造成两点定标法中的冷源定标点亮温误差，进一步影响星载微波辐射计定标精度。

3、利用这种月球进入冷空视场的辐射信号可以获得月球观测亮温。由于月球表面地理物理特性稳定，月球上没有大气水汽变化的干扰和影响，月球微波辐射具有相对较高的稳定性和可预测性。因此，用微波辐射计进行充分观测的情况下可以准确建模月球辐射亮温。月球观测数据可以作为星载微波仪器新的辐射参考点，在微波辐射计两点定标基础上引入第三个定标参考点，改善星载微波辐射计在轨辐射定标精度，为开展在轨微波辐射计校准精度和评估长期稳定性带来契机。

4、随着微波辐射探测技术的不断发展，星载微波辐射计已经积累了多年的观测数据。针对月球进入观测视场引入的外来辐射信号，目前卫星在轨辐射定标业务系统均采取对月球影响进行滤除或者修正，尚未针对星载微波辐射计自身参数设计提出系统及合理有效的识别及月球观测亮温提取的技术方案。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种计算星载微波辐射计月球观测亮温的方法，本发明针对月球进入辐射计天线观测视场的情况，识别月球影响观测结果的起始时间节点，修正被月球污染的冷空辐射亮温，并结合星载微波辐射计定标方案提取月球观测亮温，为星载微波辐射计在轨定标过程提供新的辐射参考基准。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种计算星载微波辐射计月球观测亮温的方法，包括下述步骤：

4、获取卫星发射前地面测得的微波辐射计天线方向图，设置月球的相位角度范围，结合星载微波辐射计的灵敏度和测量精度模拟月球进入天线视场，计算得到星载微波辐射计亮温变化，作为月球进入星载微波辐射计的冷空视场判识阈值；

5、对每个扫描周期，基于观测冷源、黑体热源亮温和黑体热源电压计算得到月球进入冷空视场后对应的定标增益；

6、对星载微波辐射计每个通道计算相邻扫描周期的增益变化率；

7、计算所有扫描周期的定标增益绝对变化率，将设定比例的定标增益变化率所在的范围作为增益变化上限阈值；

8、判定相邻周期增益变化率绝对值是否超过增益变化上限阈值，若超过则减小该时刻的观测冷源电压，重新计算增益变化率，若不超过则将当前观测冷源电压作为月球进入冷空视场后的校正观测冷源电压；

9、获取月球进入冷空视场时刻的校正观测冷源电压、黑体热源电压、黑体热源亮温和宇宙微波背景辐射亮温，计算经过校正后的定标增益；

10、计算经过校正后的定标增益计算每个扫描周期的月球观测亮温。

11、作为优选的技术方案，所述设置月球的相位角度范围，范围为0°-180°，分别对应新月-满月情景。

12、作为优选的技术方案，所述结合星载微波辐射计的灵敏度和测量精度模拟月球进入天线视场，计算得到星载微波辐射计亮温变化，作为月球进入星载微波辐射计的冷空视场判识阈值，具体包括：

13、

14、

15、tcosmic＝2.73k

16、其中，tobs为星载微波辐射计观测亮温，tcosmic为宇宙微波背景辐射亮温，ωmoon为星载微波辐射计天线方向图中被月球覆盖的天线视场立体角范围，ωothers为其他区域，tmoon为月球亮温，为月球的相位角度。

17、星载微波辐射计的灵敏度和测量精度为0.5k量级，当tobs＝0.5+2.73k时获得由于月球进入微波辐射计天线视场，获得星载微波辐射计观测亮温增加0.5k对应的夹角θ0.5k，将夹角θ0.5k进行平均得到夹角

18、当月球球心和微波辐射计天线视场中心的夹角时，标记为月球辐射进入微波辐射计的天线观测视场。

19、作为优选的技术方案，基于观测冷源、黑体热源亮温和黑体热源电压计算得到月球进入冷空视场后对应的定标增益，表示为：

20、

21、其中，vblackbody表示黑体热源电压，vcold表示观测冷源电压，tblackbody表示黑体热源亮温，g表示定标增益。

22、作为优选的技术方案，校正后的定标增益表示为：

23、

24、其中，gcor表示校正后的定标增益，vblackbody表示黑体热源电压，tblackbody表示黑体热源亮温，vcosmic,cor表示校正观测冷源电压，tcosmic表示宇宙微波背景辐射亮温。

25、作为优选的技术方案，计算经过校正后的定标增益计算每个扫描周期的月球观测亮温，表示为：

26、

27、其中，tobs-moon表示月球观测亮温，vcold表示观测冷源电压，vcosmic,cor表示校正观测冷源电压，gcor表示校正后的定标增益，tcosmic表示宇宙微波背景辐射亮温。

28、本发明还提供一种计算星载微波辐射计月球观测亮温的系统，包括：天线方向图获取模块、月相设置模块、月球进入微波辐射计冷空视场判识模块、定标增益计算模块、增益变化率计算模块、定标增益绝对变化率计算模块、增益变化上限阈值计算模块、观测冷源电压校正模块、校正定标增益计算模块、月球观测亮温计算模块；

29、所述天线方向图获取模块用于获取卫星发射前地面测得的微波辐射计天线方向图；

30、所述月相设置模块用于设置月球的相位角度范围；

31、所述月球进入微波辐射计冷空视场判识模块用于结合星载微波辐射计的灵敏度和测量精度模拟月球进入天线视场，计算得到星载微波辐射计亮温变化，输出月球进入星载微波辐射计的冷空视场判识阈值；

32、所述定标增益计算模块用于对每个扫描周期，基于观测冷源、黑体热源亮温和黑体热源电压计算得到月球进入冷空视场后对应的定标增益；

33、所述增益变化率计算模块用于对星载微波辐射计每个通道计算相邻扫描周期的增益变化率；

34、所述定标增益绝对变化率计算模块用于计算所有扫描周期的定标增益绝对变化率；

35、所述增益变化上限阈值计算模块用于将设定比例的定标增益变化率所在的范围作为增益变化上限阈值；

36、所述观测冷源电压校正模块用于校正观测冷源电压，判定相邻周期增益变化率绝对值是否超过增益变化上限阈值，若超过则减小该时刻的观测冷源电压，重新计算增益变化率，若不超过则将当前观测冷源电压作为月球进入冷空视场后的校正观测冷源电压；

37、所述校正定标增益计算模块用于获取月球进入冷空视场时刻的校正观测冷源电压、黑体热源电压、黑体热源亮温和宇宙微波背景辐射亮温，计算经过校正后的定标增益；

38、所述月球观测亮温计算模块用于计算经过校正后的定标增益计算每个扫描周期的月球观测亮温。

39、作为优选的技术方案，所述月球进入微波辐射计冷空视场判识模块用于结合星载微波辐射计的灵敏度和测量精度模拟月球进入天线视场，计算得到星载微波辐射计亮温变化，输出月球进入星载微波辐射计的冷空视场判识阈值，具体包括：

40、

41、

42、tcosmic＝2.73k

43、其中，tobs为星载微波辐射计观测亮温，tcosmic为宇宙微波背景辐射亮温，ωmoon为星载微波辐射计天线方向图中被月球覆盖的天线视场立体角范围，ωothers为其他区域，tmoon为月球亮温，为月球的相位角度。

44、星载微波辐射计的灵敏度和测量精度为0.5k量级，当tobs＝0.5+2.73k时获得由于月球进入微波辐射计天线视场，获得星载微波辐射计观测亮温增加0.5k对应的夹角θ0.5k，将夹角θ0.5k进行平均得到夹角

45、当月球球心和微波辐射计天线视场中心的夹角时，标记为月球辐射进入微波辐射计的天线观测视场。

46、作为优选的技术方案，所述定标增益计算模块用于对每个扫描周期，基于观测冷源、黑体热源亮温和黑体热源电压计算得到月球进入冷空视场后对应的定标增益，表示为：

47、

48、其中，vblackbody表示黑体热源电压，vcold表示观测冷源电压，tblackbody表示黑体热源亮温，g表示定标增益。

49、作为优选的技术方案，所述校正定标增益计算模块用于获取月球进入冷空视场时刻的校正观测冷源电压、黑体热源电压、黑体热源亮温和宇宙微波背景辐射亮温，计算经过校正后的定标增益，表示为：

50、

51、其中，gcor表示校正后的定标增益，vblackbody表示黑体热源电压，tblackbody表示黑体热源亮温，vcosmic,cor表示校正观测冷源电压，tcosmic表示宇宙微波背景辐射亮温；

52、所述月球观测亮温计算模块用于计算经过校正后的定标增益计算每个扫描周期的月球观测亮温，表示为：

53、

54、其中，tobs-moon表示月球观测亮温，vcold表示观测冷源电压，vcosmic,cor表示校正观测冷源电压，gcor表示校正后的定标增益，tcosmic表示宇宙微波背景辐射亮温。

55、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

56、本发明考虑了微波辐射计自身灵敏度、天线方向图以及月相角对月球辐射信号的影响，采用迭代逼近的方法保证相邻扫描周期增益变化最小，修正了辐射计冷空背景辐射观测亮温和定标增益，解决了由于月球进入星载微波辐射计天线视场导致的定标误差的技术问题，达到了准确计算月球观测亮温的技术效果。