后向散射系数的定标系数的校正方法及装置与流程

本发明涉及海洋微波遥感数据处理领域，具体而言，涉及一种后向散射系数的定标系数的校正方法及装置。

背景技术：

海洋表面风场是影响海浪、海流、水团的活跃因子和海洋动力学的基本参数，对全球海洋风场的检测，在沿海地区的防灾减灾，海洋环境保障，以及促进海洋相关科学研究中具有重要意义。卫星搭载的主动微波遥感器，比如微波散射计和雷达高度计，以其具有全天时、全天候、高时空分辨率以及覆盖范围等优点成为海洋表面风场非常重要的观测手段。

卫星主动微波遥感器观测数据中的后向散射系数用于提取风场时，对于后向散射系数需要较高的准确度，但是随着主动微波遥感器工作时间的延长，在经过一段时间后，仪器的观测值会随时间漂移，因此需要定期校正主动微波遥感器定标系数用于纠正偏差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种后向散射系数的定标系数的校正方法，用于卫星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数的校正，通过复合雷达散射模型计算出海面雷达后向散射系数，并观测后向散射进行线性拟合获得线性拟合系数来对定标系数进行校正，从而使定标系数准确。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种后向散射系数的定标系数的校正方法，用于卫星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数的校正，所述方法包括：建立微波二尺度后向散射模型和几何光学模型组合的复合雷达后向散射模型；根据所述复合雷达后向散射模型、HY-2A卫星观测数据以及浮标实测数据计算得到海面雷达后向散射系数，所述卫星观测数据中包括观测后向散射系数；将所述海面雷达后向散射系数与所述观测后向散射系数进行线性拟合，得到所述观测后向散射系数与所述海面雷达后向散射系数的线性拟合系数；根据所述线性拟合系数对卫星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数进行校正。

一种后向散射系数的定标系数的校正装置，用于卫星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数的校正，所述装置包括：模型建立模块、计算模块、线性拟合模块以及校正模块。其中：所述模型建立模块用于建立微波二尺度后向散射模型和几何光学模型组合的复合雷达后向散射模型；所述计算模块用于根据所述复合雷达后向散射模型、卫星观测数据以及浮标实测数据计算得到海面雷达后向散射系数，所述卫星观测数据中包括观测后向散射系数；所述线性拟合模块用于将所述海面雷达后向散射系数与所述观测后向散射系数进行线性拟合，得到所述观测后向散射系数与所述海面雷达后向散射系数的线性拟合系数；所述校正模块用于根据所述线性拟合系数对卫星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数进行校正。

本发明实施例提供的后向散射系数的定标系数的校正方法及装置，用于星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数的校正，利用微波二尺度后向散射模型和几何光学模型组合的复合雷达后向散射模型计算海面雷达后向散射系数，并与观察后向散射系数进行线性拟合得到线性拟合系数，利用所得线性拟合系数对后向散射系数的定标系数进行校正，从而达到使定标系数在校正后变得准确。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例提供的计算机的结构示意图；

图2示出了本发明第一实施例提供的后向散射系数的定标系数的校正方法一种流程图；

图3示出了本发明第一实施例提供的后向散射系数的定标系数的校正方法中步骤S110的流程图；

图4示出了本发明第二实施例提供的后向散射系数的定标系数的校正装置的功能模块图；

图5示出了本发明第二实施例提供的后向散射系数的定标系数的校正装置的模型建立模块的功能模块图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，是本申请实施例提供的计算机100的方框示意图。所述计算机100包括后向散射系数的定标系数的校正装置200、存储器101、存储控制器102、处理器103、外设接口104及其他。

所述存储器101、存储控制器102、处理器103、外设接口104各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述后向散射系数的定标系数的校正装置200包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器101中或固化在所述计算机100的操作系统(operating system，OS)中的软件功能模块。所述处理器103用于执行存储器101中存储的可执行模块，例如所述后向散射系数的定标系数的校正装置200包括的软件功能模块或计算机程序。

其中，存储器101可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。其中，存储器101用于存储程序，所述处理器103在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的计算机100所执行的方法可以应用于处理器103中，或者由处理器103实现。

处理器103可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器103可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器103也可以是任何常规的处理器等。

所述外设接口104将各种输入/输出装置耦合至处理器103以及存储器101。在一些实施例中，外设接口104，处理器103以及存储控制器102可以在单个芯片中实现。在其他一些实例中，他们可以分别由独立的芯片实现。

可以理解的，图1所示的结构仅为示意，计算机100还可以包括比图1中所示更多或更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。图1中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。

第一实施例

本发明第一实施例提供了一种后向散射系数的定标系数的校正方法，用于卫星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数的校正。通过复合雷达模型计算的海面雷达后向散射系数与观测后向散射系数线性拟合得到线性拟合系数，根据线性拟合系数对定标系数进行校正。请参见图2，所述后向散射系数的定标系数的校正方法包括：

步骤S110：建立微波二尺度后向散射模型和几何光学模型组合的复合雷达后向散射模型。

具体的，请参见图3，所述步骤S110包括：

步骤S111：根据所述微波二尺度的后向散射模型建立同极化的海面局地归一化散射界面模型。

在微波二尺度后向散射模型中，海面局地的散射均为小波对入射雷达波的布拉格散射，长波通过其倾斜波面调节小波，改变局地布拉格散射的局地入射角。其中，布拉格散射模型为：

上式中，k为雷达波数，θ为雷达波入射角，W为海面波浪的波数谱，为波向(相对于海面风)，2k sinθ为发生布拉格共振的海面波波数，下标p和q表示极化信息(即V或H)。对于同极化即HH极化和VV极化，g_pp表示为：

其中，ε_r为海水相对复介电常数，为温度和盐度的函数。

在微波二尺度后向散射模型下，同极化的海面局地归一化散射截面可表示为：

或

上式中，布拉格共振波数的两分量分别为K_Bx＝2kα以及K_By＝2kγsinδ，θ_i＝cos^-1[cos(θ+ψ)cosδ]为雷达波局地入射角，α_i＝sinθ_i，α＝sin(θ+ψ)，γ＝cos(θ+ψ)，其中ψ和δ分别为x和y方向的海面坡面的倾角(x-z平面为电磁波入射波所在平面，y垂直于x-z平面)。

步骤S112：建立几何光学后向散射模型。

Kirchoff近似的几何光学(Geometric optics,GO)模型表示为：

上式中，σ_u²和σ_c²分别为顺风向和测风向海面粗糙度的均方坡度。R为菲涅耳反射系数(Fresnel reflection coefficient)，垂直入射的菲涅耳发射系数对于HH和VV极化均相同，其表达式为：

步骤S113：根据所述同极化的海面局地归一化散射界面模型、几何光学后向散射模型以及归一化雷达后向散射系数模型建立复合雷达后向散射模型。

考虑所有长波坡度的情况，归一化雷达后向散射系数模型可表示为：

P_θ(Zx',Zy')＝(1+Zxtanθ)P(Zx',Zy')。

在上式中，Zx'、Zy'、Zx和Zy分别为x'、y'、x和y方向上的海面坡度(长波斜率)，Zx＝tanψ，Zy＝tanδ；x'平行于风向，y'垂直于风向；P(Zx',Zy')为海面坡度联合概率密度函数；Zx和Zy与Zx'和Zy'的转换关系为：

Zx'＝Zx cosφ+Zy sinφ；

Zy'＝Zy cosφ-Zx sinφ。

沿垂直海面风向观测的海面坡度概率密度函数P(Zx',Zy')的表达式为：

上式中，C₄₀＝0.4，C₂₂＝0.1，C₀₄＝0.2，C₂₁＝-0.11U₁₀/14，C₀₃＝-0.42U₁₀/14，σ_u²＝0.005+0.78×10^-3U_12.5，σ_c²＝0.003+0.84×10^-3U_12.5，U₁₀和U_12.5分别为距离海面10米高和12.5米高处的风速。距离海面10米高处海面风速大小和距离海面不同高度处风速可使用如下关系进行换算：

上式中，U_z为距离海面z米高处的风速大小。

对于小入射角(入射角小于10°)雷达入射波的后向散射，并非布拉格散射占镜面反射占主要贡献，而是镜面反射占主要贡献。因此，当雷达波入射角小于10°，将几何光学后向散射模型代入所述归一化雷达后向散射系数模型。具体的，所述归一化雷达后向散射系数模型中σ_0pp(θ_i)用所述几何光学模型计算的σ_0GO(θ)替换。当雷达波入射角大于或者等于10°，将同极化的海面局地归一化散射界面模型代入所述归一化雷达后向散射系数模型。具体的，所述归一化雷达后向散射系数模型中σ_0pp(θ_i)用所述同极化的海面局地归一化散射界面模型计算的σ_0VV或σ_0HH替换。从而，得到了根据所述同极化的海面局地归一化散射界面模型、几何光学后向散射模型以及归一化雷达后向散射系数模型建立的复合雷达后向散射模型。

所述同极化的海面局地归一化散射界面模型中的海浪波数谱W(K_Bx,K_By)使用方向谱代替，其中K_B＝2ksinθ_i为布拉格波数，为布拉格波矢的方向，为二维海面波浪方向谱，为相对于风向的波矢方向。在本发明实施例中，所述复合雷达后向散射模型选用Elfouhaily海浪谱。

根据述同极化的海面局地归一化散射界面模型、几何光学后向散射模型以及归一化雷达后向散射系数模型建立的复合雷达后向散射模型综合考虑了小入射角镜面反射的几何光学模型和布拉格反射的微波二尺度后向散射模型，理论上适用于所有微波频段的雷达后向散射。

步骤S120：根据所述复合雷达后向散射模型、卫星观测数据以及浮标实测数据计算得到海面雷达后向散射系数，所述卫星观测数据中包括观测后向散射系数。

在步骤S120之前，所述后向散射系数的定标系数的校正方法还包括：

读取卫星观测数据以及浮标数据，所述卫星观测数据与所述浮标数据对应，所述卫星观测数据中包括雷达波入射角以及方位向，所述浮标实测数据包括浮标实测风速以及浮标实测风向。

读取浮标数据，根据浮标所在位置，读取浮标所在位置且时间匹配的卫星观测数据。所述卫星观测数据为卫星主动微波遥感器观测的后向散射系数数据，所述后向散射系数数据中包括观测后向散射系数、雷达波入射角和方位向。所述浮标数据中包括浮标实测风速以及浮标实测风向。读取的浮标数据以及卫星观测数据为多个。

根据浮标实测风向以及方位向确定出所述复合雷达后向散射模型中的风向。具体的，风向确定公式为：

风向＝浮标实测风向-方位向+90°。

从而将确定出的风向、雷达波入射角以及浮标实测风速作为输入，利用所述复合雷达后向散射模型计算出海面雷达后向散射系数。计算中，海水相对复介电常数ε_r为设置的常数，雷达波数k根据主动微波遥感器工作频率计算。在本发明实施例中，设置海水温度为25℃，盐度为35PSU，从而根据德拜公式可以计算出海水相对复介电常数ε_r。

步骤S130：将所述海面雷达后向散射系数与所述观测后向散射系数进行线性拟合，得到所述观测后向散射系数与所述海面雷达后向散射系数的线性拟合系数。

根据所述复合雷达后向散射模型计算的海面雷达后向散射系数，由于浮标数据以及卫星观测数据为多个，因此计算得到的海面雷达后向散射系数为多个，并且所述海面雷达后向散射系数与卫星观测数据中的观测后向散射系数一一对应。

将所述海面雷达后向散射系数σ⁰与所述观测后向散射系数σ⁰_观测进行线性拟合，得到线性拟合系数A和B，A和B满足：σ⁰＝Aσ⁰_观测+B。

步骤S140：根据所述线性拟合系数对卫星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数进行校正。

从而，在得到线性拟合系数后，根据所述线性拟合系数对卫星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数进行校正。具体的，用得到的线性拟合系数A和B作为新的定标系数，从而达到校正的目的。

在步骤S140之前，还包括：将所述海面雷达后向散射系数与所述观测后向散射系数与所述观测后向散射系数根据当前后向散射系数的定标系数定标后的值进行对比，获得所述观测后向散射系数根据当前后向散射系数的定标系数定标后的值与所述海面雷达后向散射系数的偏差；判断所述偏差是否大于预设值；若所述偏差大于预设值，则执行所述根据所述线性拟合系数对卫星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数进行校正。

主动微波遥感器的定标系数需要定期进行校正，但并不是每次校正定标系数时，都需要对定标系数进行更新。需要以观测后向散射系数根据当前定标系数定标的值与复合雷达后向散射模型计算的海面雷达后向散射系数对比，得到偏差。设定一个预设值，作为偏差大小的判断标准。在本发明实施例中，预设值可以设为0.5dB。

判断所述偏差的大小是否大于所述预设值；如果偏差大于预设值，则根据所述线性拟合系数对卫星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数进行校正，即对卫星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数进行更新。如果偏差小于或者等于预设值，则卫星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数保持不变。

利用微波二尺度后向散射模型和几何光学模型组合的复合雷达后向散射模型根据浮标实测数据和卫星观测数据进行计算，得到海面雷达后向散射系数，并与卫星观测数据中的观察后向散射系数进行线性拟合得到线性拟合系数，利用所得线性拟合系数对后向散射系数的定标系数进行校正，从而达到使定标系数在校正后变得准确。

第二实施例

本发明第二实施例提供了一种后向散射系数的定标系数的校正装置200，用于卫星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数的校正。请参见图4，所述后向散射系数的定标系数的校正装置200包括：模型建立模块210、计算模块220、线性拟合模块230以及校正模块240。其中：所述模型建立模块210用于建立微波二尺度后向散射模型和几何光学模型组合的复合雷达后向散射模型；所述计算模块220用于根据所述复合雷达后向散射模型、卫星观测数据以及浮标实测数据计算得到海面雷达后向散射系数，所述卫星观测数据中包括观测后向散射系数；所述线性拟合模块230用于将所述海面雷达后向散射系数与所述观测后向散射系数进行线性拟合，得到所述观测后向散射系数与所述海面雷达后向散射系数的线性拟合系数；所述校正模块240用于根据所述线性拟合系数对卫星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数进行校正。

请参见图5，所述模型建立模块210包括：第一模型建立单元211、第二模型建立单元212以及第三模型建立单元213。其中：所述第一模型建立单元211用于根据所述微波二尺度的后向散射模型建立同极化的海面局地归一化散射界面模型；所述第二模型建立单元212用于建立几何光学后向散射模型；所述第三模型建立单元213用于根据所述同极化的海面局地归一化散射界面模型、几何光学后向散射模型以及归一化雷达后向散射系数模型建立复合雷达后向散射模型。

当雷达波入射角小于10°，所述第三模型建立单元213用于将几何光学后向散射模型代入所述归一化雷达后向散射系数模型，当雷达波入射角大于或者等于10°，所述第三模型建立单元213用于将同极化的海面局地归一化散射界面模型代入所述归一化雷达后向散射系数模型，得到复合雷达后向散射模型。

请参见图4，所述后向散射系数的定标系数的校正装置200还包括数据读取模块250。所述数据读取模块用于读取卫星观测数据以及浮标数据，所述卫星观测数据与所述浮标数据对应，所述卫星观测数据中包括雷达波入射角以及方位向，所述浮标实测数据包括浮标实测风速以及浮标实测风向。

请参见图4，所述后向散射系数的定标系数的校正装置200还包括：偏差获取模块260、偏差判断模块270以及确定模块280。其中：所述偏差获取模块用于将所述海面雷达后向散射系数与所述观测后向散射系数与所述观测后向散射系数根据当前后向散射系数的定标系数定标后的值进行对比，获得所述观测后向散射系数根据当前后向散射系数的定标系数定标后的值与所述海面雷达后向散射系数的偏差；所述偏差判断模块用于判断所述偏差是否大于预设值；所述确定模块用于若所述偏差大于预设值，则执行所述根据所述线性拟合系数对卫星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数进行校正。

综上所述，本发明实施例提供的后向散射系数的定标系数的校正方法及装置，用于卫星主动微波遥感器的后向散射系数的定标系数的校正，利用微波二尺度后向散射模型和几何光学模型组合的复合雷达后向散射模型计算海面雷达后向散射系数，并与观察后向散射系数进行线性拟合得到线性拟合系数，利用所得线性拟合系数对后向散射系数的定标系数进行校正，从而达到使定标系数在校正后变得准确。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二、另一等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。