星載微波輻射計觀測無線電頻率干擾識別和訂正系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明公開了一種星載微波輻射計觀測無線電頻率干擾識別和訂正系統(tǒng)，屬于氣 象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】：
[0002] 衛(wèi)星微波接收的來自地氣系統(tǒng)的被動熱輻射與主動傳感器發(fā)射的信號相混合，稱 之為無線電頻率干擾（Radio-Frequency Interference，簡稱RFI)，在主動及被動微波遙感 探測領(lǐng)域已成為越來越嚴(yán)重的問題。人為的RFI源主要來自建于地表的主動微波發(fā)射器， 如手機(jī)、雷達(dá)、GPS導(dǎo)航、空中交通管制、車輛測速儀器等，這些RFI源會污染地球的散射和 發(fā)射輻射，會在衛(wèi)星遙感探測量中增加不可預(yù)測的噪聲。特別對于被動遙感，這一問題猶為 嚴(yán)重，因為地表相對較弱的熱發(fā)射輻射很容易被強(qiáng)的RFI信號淹沒。由于這一原因，人們在 設(shè)計被動傳感器的工作頻率時優(yōu)先選用專為被動遙感預(yù)留的受保護(hù)的頻段。但是為了實現(xiàn) 特定目標(biāo)的探測，許多星載被動傳感器不得不工作在不受保護(hù)的波段，如C波段（6. 9GHz) 和X波段（10. 7GHz)，而且未來的傳感器仍得使用這些不受保護(hù)的波段來進(jìn)行探測。鑒于商 業(yè)服務(wù)中對微波波段的使用日益增多，使得該波段的頻譜變得越來越擁擠，解決星載微波 儀器的無線電干涉問題也越來越突顯其重要性。氣象衛(wèi)星儀器使用的光譜中只有微波觀測 可以部分穿過云區(qū)，遙感云區(qū)和地表，然而目前全世界廣泛使用的微波成像儀，如：載在地 球觀測系統(tǒng)EOS Aqua衛(wèi)星上的先進(jìn)微波掃描輻射計AMSR-E及其后續(xù)儀器AMSR-2、載在我 國FY-3系列衛(wèi)星上的微波成像儀MWRI和美國國防衛(wèi)星上的WindSat全極化輻射計等的C 波段（6. 9GHz)或X波段（10. 7GHz)觀測受來自地面主動的微波發(fā)射即無線電頻率干擾RFI 影響，造成觀測亮度溫度相比視場內(nèi)來自自然大氣和地表發(fā)射/散射輻射而言異常偏大， 進(jìn)而使反演的地表參數(shù)（如地表溫度、土壤濕度等）和資料同化的分析場具有較大偏差。
[0003] 近10年來隨著地面通訊等主動微波技術(shù)的發(fā)展被動接收來自地球/大氣系統(tǒng)輻 射的星載微波儀器觀測越來越受到主動遙感的影響，如果不正確識別和去除RFI污染資 料，將大大降低星載被動微波儀器的科學(xué)價值。為解決這一問題已經(jīng)開發(fā)了很多RFI識別 技術(shù)，定量給出RFI的范圍和強(qiáng)度。如：譜差法、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差方法、主成分分析PCA方 法、標(biāo)準(zhǔn)化的主成分分析NPCA方法和雙主成分分析DPCA方法等。
[0004] 鄒曉蕾等在2013年提出了標(biāo)準(zhǔn)化的主分量分析RFI識別算法（參考文獻(xiàn)），該論 文只是對RFI進(jìn)行了識別，沒有進(jìn)行訂正，沒有分析過RFI對反演的地面參數(shù)（如地表溫度 等）和資料同化的影響。而且該標(biāo)準(zhǔn)化的主分量分析方法對有積雪和RFI混合下墊面進(jìn)行 無線電頻率干擾識別時會有虛警現(xiàn)象，即將積雪視場誤判為RFI影響區(qū)，且給出的RFI強(qiáng)度 偏強(qiáng)，表現(xiàn)在識別出的RFI區(qū)域偏大，強(qiáng)度偏強(qiáng)。
[0005] 因此本發(fā)明提出了一套星載微波輻射計觀測無線電頻率干擾識別和訂正系統(tǒng)，不 僅包括無線電頻率干擾識別模塊，還包括無線電頻率干擾訂正模塊和信息分析顯示模塊。 在無線電頻率干擾識別模塊，發(fā)明了一種新的改進(jìn)的主成分分析識別方法。
[0006] 參考文獻(xiàn)：鄒曉蕾，趙娟，翁富忠，秦正坤.2013,風(fēng)云三號B星微波成像儀資料在 陸地上的無線電頻率干擾信號的識別.氣象科技進(jìn)展：英文版，3(4) :144-152
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0007] 本發(fā)明提出了星載微波輻射計觀測無線電頻率干擾識別和訂正系統(tǒng)，將無線電頻 率干擾（RFI)影響與自然的云、降水和冰雪的觀測區(qū)別開來。
[0008] 本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：
[0009] 本發(fā)明提出了一種星載微波輻射計觀測無線電頻率干擾識別和訂正系統(tǒng)，包括數(shù) 據(jù)讀取模塊、無線電頻率干擾識別模塊、無線電頻率干擾訂正模塊和信息分析和顯示模塊。 其中所述數(shù)據(jù)讀取模塊對星載微波輻射計觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和通道分離處理，將讀取的各 通道亮度溫度值提供給無線電頻率干擾識別模塊；所述無線電頻率干擾識別模塊對星載微 波輻射計觀測存在干擾的區(qū)域和強(qiáng)度進(jìn)行識別，將RFI影響與自然的云、降水和冰雪的觀 測區(qū)別開來，定量給出污染區(qū)域的空間分布和強(qiáng)度；所述無線電頻率干擾訂正模塊對無線 電頻率干擾識別模塊識別出的RFI影響區(qū)域進(jìn)行訂正處理，定量給出訂正后亮度溫度的分 布；所述信息分析和顯示模塊，對上述各模塊的輸出信息進(jìn)行判斷、標(biāo)記、處理、顯示和存 儲。
[0010] (1)在無線電頻率干擾識別模塊，發(fā)明了改進(jìn)的主成分分析RFI識別方法，對微波 低頻6. 9GHz和10. 7GHz波段無線電頻率干擾進(jìn)行識別。該方法綜合考慮了受無線電頻率 影響區(qū)微波觀測通道之間的不相關(guān)性和積雪、冰下墊面的散射作用影響，尤其關(guān)注該方法 對冬季積雪覆蓋和RFI混合的復(fù)雜區(qū)域的適用性。
[0011] (2)在無線電頻率干擾訂正模塊發(fā)明了利用不受影響通道觀測和被干擾通道觀測 之間的相關(guān)性來進(jìn)行統(tǒng)計訂正的方法。
[0012] (3)本系統(tǒng)還包括一個用于對數(shù)據(jù)讀取模塊、RFI識別模塊和RFI訂正模塊信息進(jìn) 行分析和顯示的模塊。所述信息顯示模塊顯示內(nèi)容包括：不同通道觀測亮度溫度、RFI強(qiáng)度 和空間分布、RFI訂正后亮度溫度分布等。
[0013] 只有解決了星載微波輻射計低頻通道的RFI污染問題，才能讓這些低頻通道的觀 測數(shù)據(jù)更好地服務(wù)于地表參數(shù)反演系統(tǒng)和資料同化系統(tǒng)，提高反演場和同化分析場精度， 同時提高數(shù)值天氣預(yù)報質(zhì)量。
[0014] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0015] (1)本發(fā)明可實現(xiàn)儀器不同通道觀測亮度溫度、無線電頻率干擾空間分布和強(qiáng)度、 無線電頻率干擾訂正后亮度溫度空間分布等的直觀量化顯示；運(yùn)算結(jié)果顯示質(zhì)量高，空間 分布形態(tài)清晰明確、量化信息直觀。
[0016] (2)本發(fā)明的計算方法科學(xué)合理、簡單高效，驗證方法嚴(yán)謹(jǐn)可靠。與現(xiàn)有技術(shù)相比 大大縮短了計算機(jī)計算時間，提高了計算效率。如：現(xiàn)有的主成分分析識別算法運(yùn)算的矩陣 維數(shù)為[12XN]，而該發(fā)明的識別算法進(jìn)行主成分分析的矩陣維數(shù)為[3XN]，減少了矩陣 的維數(shù)，就節(jié)約了計算成本，其中N為觀測視場數(shù)。
[0017] (3)本發(fā)明的適用性好。發(fā)明的改進(jìn)的主成分分析方法適用于所有目前使用的星 載微波輻射計低頻通道的無線電頻率干擾識別和訂正，如ASMR-E、WindSat、MWRI、AMSR2等 類似的儀器。
[0018] (4)本發(fā)明實用性強(qiáng)，方便嵌入業(yè)務(wù)大氣參數(shù)反演系統(tǒng)和資料同化系統(tǒng)，作為資料 預(yù)處理模塊的一部分，也可直接用于科研分析，能直接改善星載微波輻射計低頻通道觀測 數(shù)據(jù)質(zhì)量，因此有較高的應(yīng)用價值和良好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】：
[0019] 圖1是本發(fā)明的總體框架圖。
[0020] 圖2是RFI識別模塊流程圖。
[0021] 圖3是RFI訂正模塊流程圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0023] 如圖1所示，本發(fā)明的星載微波輻射計觀測無線電頻率干擾識別和訂正系統(tǒng)，該 系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)讀取模塊、無線電頻率干擾識別模塊、無線電頻率干擾訂正模塊、信息分析 和顯示模塊；其中
[0024] 數(shù)據(jù)讀取模塊，對星載微波輻射計觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并進(jìn)行通道分離處理；將讀 取的各通道的亮度溫度值提供給無線電頻率干擾識別模塊；
[0025] 無線電頻率干擾識別模塊，對數(shù)據(jù)讀取模塊讀取的觀測數(shù)據(jù)中存在干擾的區(qū)域和 強(qiáng)度進(jìn)行識別，將無線電頻率干擾影響與自然的云、降水和冰雪的觀測區(qū)別開來，定量給出 污染區(qū)域的空間分布和強(qiáng)度；
[0026] 無線電頻率干擾訂正模塊對無線電頻率干擾識別模塊識別出的無線電頻率干擾 區(qū)域進(jìn)行訂正處理，定量給出訂正后亮度溫度的分布；
[0027] 信息分析和顯示模塊，對上述各模塊的輸出信息進(jìn)行判斷、標(biāo)記、處理、顯示和存 儲。
[0028] 1、本發(fā)明中，數(shù)據(jù)讀取模塊，從星載微波輻射計觀測的hdf二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式文件 中讀取觀測的亮度溫度值，進(jìn)行通道分離后，定量顯示每個通道觀測的亮度溫度空間分布； 判斷6. 9GHz水平和垂直通道、10. 7GHz水平和垂直通道以及18. 7GHz水平和垂直通道觀測 亮度溫度數(shù)值是否存在異常高值>300K的視場，如果沒有，則初步判斷該通道觀測沒有被 干擾，如果有異常高值區(qū)，初步判斷該通道觀測有可能被污染。（三個波段的水平和垂直觀 測通道，共分為6個通道。）
[0029] 2、本發(fā)明中，圖2給出了 RFI識別模塊的具體流程圖。無線電頻率干擾（RFI)識 別模塊，基于數(shù)據(jù)讀取模塊獲得的各通道的亮度溫度，利用三個變量來構(gòu)建進(jìn)行主成分分 析的向量，三個變量包括一個RFI指數(shù)和兩個積雪散射指數(shù)，RFI指數(shù)為6. 9GHz、 10. 7GHz、18. 7GHz三通道中受RFI影響和不受RFI影響兩通道的亮溫譜差，積雪散射指數(shù) 為對自然冰雪影響敏感的36. 5GHz與18. 7GHz亮溫譜差，每個通道均分水平極化和垂直極 化；
[0030] 如初判10. 7GHz水平和垂直通道觀測沒被干擾，6. 9GHz通道觀測被干擾，則對 6. 9GHz通道進(jìn)行主成分分析（PCA)的向量為
[0032] 若初判18. 7GHz水平和垂直通道觀測沒被干擾，10. 7GHz通道觀測被干擾，則對 10. 7GHz通道進(jìn)行主成分分析的向量為：
[0034] 其中TB表示觀測的亮度溫度，下標(biāo)H和V表示水平極化和垂直極化方式，下標(biāo)數(shù) 字表示通道的頻率：6表示6. 9GHz通道，10表示10. 7GHz通道，以此類推。
[0035] 具體，根據(jù)公式（1)向量構(gòu)成的二維數(shù)據(jù)矩陣如下，用于識別6. 9GHz水平極化通 道無線電頻率干擾，對該矩陣進(jìn)行主成分分析：
[0037] 其中N表示指定區(qū)域內(nèi)的觀測點總數(shù)；如果是識別6. 9GHz垂直極化通道無線電頻 率干擾，則將公式（3)矩陣中第一行數(shù)據(jù)的下標(biāo)改為