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    利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料对FY-2C红外分裂窗通道的绝对辐射定标.pdf

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    利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料对FY-2C红外分裂窗通道的绝对辐射定标.pdf

    第28卷第3期 2009年6月 红外与毫米波学报 J.Infrared Millim.Wayes Vo1.28,No.3 June,2009 文章编号10019014200903018806 利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料对FY-2 C 红外分裂窗通道的绝对辐射定标 张 勇 , 李 元 , 戎志国 , 胡秀清 ,-, 许健民 1.国家卫星气象中心中国遥感卫星辐射测量与定标重点开放实验室,北京 100081 2.中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101 摘要介绍利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料对FY一2C红外分裂窗通道进行在轨绝对辐射定标的方法,并选 择了2006年10个时次的卫星数据进行辐射定标试验.将利用这种方法获得的定标结果与FY-2C卫星数据产品中 提供的定标查找表进行比较分析,结果表明两套不同的定标系数反演的大气层顶TOA亮度温度的主要差别集中 在云顶、冰雪覆盖区域等低温像元;而在常温区的陆表和海表像元定标结果差别较小,反演的TOA亮温差在2K左 右.提出的替代定标方法可以极大地提高定标频次,为实现FY-2C红外分裂窗通道的实时绝对辐射定标提供了重 要的方法基础. 关键词遥感;辐射定标;大洋浮标数据;NCEP再分析资料;分裂窗通道 中图分类号御32.2 文献标识码A ABSoLUTE RADIoMETRIC CALIBRATIoN oF FY-2 C INFRARED SPLIT.WINDoW CHANNELS BY USING SEA BUoY DATA AND NCEP REANALYSIS DATA ZHANG Yong 一,LI Yuan ,RONG Zhi.Guo ,HU XiuQing‘ ,xu Jian.Min。 1.Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites, China Meteorological Administration,Beijing 100081,China; 2.State Key Laboratory of Remote Sensing Science,Jointly Sponsored by the Institute of Remote Sensing Applications of Chinese Academy of Sciences and Beijing Normal University,Beijing 100101,China AbstractA method of absolute radiometric calibration for FY.2C infrared split.window channels by using sea buoy data and NCEP reanalysis data was introduced.In 2O06.ten times remote sensing data were selected to obtain the radiometric calibration coemcients.The calibration results obtained from this new method were compared with the product brightness temperature provided by FY_2C.The results show that the biggest differences of the brightness temperatures at the top of at mosphereT0A obtained from these two suits of calibration coemcients are mainly located at the low surface temperature pixels。such as the top of clouds and snow covered areas,however,the calibration differences are smallin the Borlnal tem perature pixels of land and sea surface areas.and the differences of T0A brightness temperature are mainly around 2K. This new vicarious calibration method can increase the calibration frequency and provide a methodological foundation for the rea1.time radiometrie calibration of FY一2C infrared splitwindow channels. Key wordsremote sensing;radiometfic calibration;sea buoy data;NCEP reanalysis data;split-window channels 引言 遥感传感器的绝对辐射定标是仪器计数值与其 所反映的地表真实参数之间的桥梁,是遥感信息定 量化的开端,又是遥感定量反演地表生物物理参数 和建立遥感模型的基础.静止轨道气象卫星热红外 通道的实时绝对辐射定标目前在国内外还都没得到 很好的解决,而它又直接影响到静止卫星热红外通 道定量化应用水平.我国遥感卫星的星上定标系统 开发总体相对滞后,尤其是热红外通道星上定标装 收稿日期2008.02.24,修回日期2008一l107 Received date2008-02-24,reVised date2008一l107 基金项目国家自然科学基金项目40701ll8、国家“863”计划项目2007AA12Z145和遥感科学国家重点实验室开放基金项目共同资助 作者简介张勇1977一,男。陕西镇巴人,国家卫星气象中心助理研究员,博士,主要从事定量遥感、遥感传感器辐射定标和热红外遥感的理 论和应用研究. 3期 张 勇等利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料对FY一2C红外分裂窗通道的绝对辐射定标 置研制比较欠缺,由于卫星平台和星载仪器设计上 的限制,导致目前在轨运行的热红外有效载荷星上 黑体定标光路还是后光路插入,无法满足绝对辐射 定标的要求l2 J.并且针对星上黑体的国家标准和 精度指标测试还不完善,红外定标总体精度评价比 较模糊.另外,由于我国实验遥感力量投入少、实验 场地类型不全、基础研究薄弱、学科交叉不够,严重 影响了系统的理论和技术原始创新与全定量化的发 展.虽然在辐射场地定标方面,已经初步建成了敦煌 陆地定标试验场和青海湖水面定标试验场,并分别 针对我国的FY一1C、FY一1D、FY-2B、FY一2C、FY-2D气 象卫星、HY一1、HY.2海洋卫星、CBERS-l、CBERS-2 资源卫星和神州号飞船遥感器等卫星开展了场地外 定标方法试验 2j,但由于进场次数和天气条件的限 制,仅局限于部分遥感器的校正工作,而且所用的校 正方法偏少、试验场气候条件也不理想,远不能满足 实际应用的需要 .目前主要利用国外的卫星传 感器如NOAA/AVHRR,MODIS,AIRS对我国的气 象卫星FY一1C/1D和FY一2B/2C和资源卫星 CBERS一1/2传感器进行交叉定标 ,取得了较 好的结果.但是交叉定标方法对参考传感器和被定 标传感器之间的通道设置、通道光谱响应函数、空间 分辨率、过境时间、回访周期、几何配准精度等方面 有严格要求,实施的门槛高;并且定标精度极大地依 赖于参考传感器自身的绝对辐射定标精度【2 J.这些 都直接影响了卫星数据的预处理工作、标准产品的 生产;缺少被测物理参数真实性检验,减低数据产品 可靠性和应用,不能为应用提供模式或算法.因此, 探索新的定标方法对静止卫星进行替代定标势在 必行. FY-2C地球静止轨道气象卫星于2004年l0月 19日发射升空,l0月24日定点于东经104.5度赤 道上空,并在轨正常运行至今,目前该卫星已经投入 业务化运行.FY-2C卫星上搭载了一台5通道扫描 辐射计MCSR,它是通过卫星自旋结合光机步进 扫描获取地球目标辐射图像的多波段成像系统. MCSR具有一个可见光、两个长波红外、一个中波红 外和一个水汽共五个光谱通道,可实现同时对地观 测,特别是对快速变化的天气现象进行多时次连续 监测,提供地球目标白天可见光图像、昼夜红外图像 和水汽分布图.风云二号02批卫星C、D、E星 MCSR是0l批A星和B星辐射计的改进型,其光 谱通道从3个增加到5个,主要技术指标有明显 改进. 表1 FY-2C红外分裂窗通道基本参数列表 Table 1 Basic parameters of FY-2C infrared split-window channeIs 本文针对FY.2C MCSR传感器红外分裂窗通道 的绝对辐射定标展开研究工作,利用大洋浮标数据 和NCEP再分析场数据实现该传感器对地观测常温 目标的高频次实时绝对辐射定标.这两个通道的基 本参数如表1所示。 l定标原理和流程 在814Lm的热红外光谱范围内,由辐射传输 理论可知,假定地表为朗伯表面,大气下行热辐射各 向同性,卫星所接收到的光谱辐射是太阳光谱辐射、 大气及地物目标三者相互作用的总贡献L8』.其主要 包括三部分第一部分为地物目标发射的热辐射,其 大小由物体表面温度和发射率及目标与卫星之间的 大气透过率决定;第二部分为地物目标对大气下行 辐射、环境背景辐射和太阳入射中的热辐射部分的 总辐射量的反射辐射,通常情况下太阳人射中的热 辐射部分忽略不计;第三部分为地物目标与卫星之 间的大气上行辐射,它与大气中吸收气体的含量和 物理状态有关.因此,卫星人瞳处分谱的热辐射可以 表达为 £MA[ A£ 口A, 1 , 、 一sA£ mA]丁。 mA£ m 式中, 硎A为传感器接收到的光谱辐亮度, 船 A,Ts为地表真实温度 所对应的黑体辐亮度, A为地表发射率,Tatm为大气透过率, A、L A分别为大气下行和上行辐射. 由于海水表面可近似为黑体,发射率近似为1. 因此,式1可以表达为 己 Ar A£ A, £ A . 2 将传感器入瞳处的分谱辐亮度 删A与传感 器热红外通道光谱响应函数厶A进行卷积,就可 以得到卫星某一通道人瞳处的通道等效辐亮度 r JL删A- AdA LqL 一. 3 AdA J 卫星通道i的通道辐亮度与该通道卫星计数值 的关系为 L a 。DNib , 4 红外与毫米波学报 28卷 标数据I l NCEP再分析数据I I卫星过境同步影像 匹配处理 变彗篓譬 l I大气廓线数据 大洋表面温度I l 甏黪H辐射传输计算H卫星 几何 卫星传感器入瞳处辐亮度计算 辐射定标系数计算 图1绝对辐射定标流程图 Fig.1 Flowchart of absolute radiometric calibration 式中,DN 为卫星i通道计数值,a 为卫星通道i的 定标斜率,b 为截距.要得到定标系数a 和b ,必须 至少有两组Leqi和DNi. FY.2C红外分裂窗通道在轨绝对辐射定标流程 如图1所示.定标工作主要包括卫星同步影像获取、 大洋浮标数据与卫星数据的匹配、NCEP数据提取、 MODTRAN辐射传输计算和辐射定标系数确定等几 部分. 2定标数据处理 2.1 大洋浮标数据与卫星数据的匹配 对2006年1月1 13,8月l8~24日,11月7 日,11月16日的大洋浮标资料与FY-2C红外分裂 窗通道数据进行匹配,选取无云区域的浮标点,获 取浮标的经纬度、大洋表面温度信息 』,同时从卫 星数据上提取匹配点位的太阳天顶角和卫星方位 角信息,并对匹配点取周边33窗口的DN值取 平均.由于NCEP全球再分析场资料是每天4个时 次的数据,分别在世界时000,600,1200和 l8o0点,因此,在进行数据时间匹配时选择了对 应时次的FY一2C卫星数据和大洋浮标资料进行匹 配处理. 图2是对8月18~24日时间段内的数据按日 期着色的匹配结果,红色五角星是FY-2C卫星的定 点经纬度,匹配结果主要分布于太平洋和印度洋地 区.按匹配点位洋面温度分类的匹配结果如图3 所示. 2.2 NCEP数据的提取和MODTRAN模拟 根据大洋浮标数据与卫星数据的匹配结果,获 取洋面匹配浮标点的经纬度信息,根据经纬度从 NCEP数据集中提取与匹配时间和空间相对应的 NCEP大气再分析场的位势高度、温度廓线、湿度廓 图2按13期着色的匹配结果图 Fig.2 Matching results map painted by date 0 20 40 6O 8O l00 12O 140 160 l8O 200 Longtitude/degree 图3按匹配点位洋面温度分类着色的结果图 Fig.3 Matching results map painted by sea surface tempera ture 线和气压廓线数据.其中,位势高度和温度廓线为 17层,分别在气压1000,925,850,700,600,500, 4O0,300,250,200,150,100,70,50,30,20,10rob位 置;湿度廓线为8层,分别在气压1000,925,850, 7O0,600,500,400,300mb位置 . 将传感器的通道响应函数、大气廓线数据以及 卫星观测的天顶角和方位角等信息输入MODTRAN 模型,模拟获得每个匹配点上的大气层顶通道表观 辐亮度. 2.3定标结果 将MODTRAN模型输出的每个匹配点上的大 气层顶通道表观辐亮度与从卫星数据上提取的DN 值进行线性回归获取定标系数,以8月21日定标直 线为例说明,如图4、图5所示;表2列出了全部10 个时次的定标系数. 舳 ∞ ∞ 。 加 加 椰 鄹 Qo ap,aq三 3期 张勇等利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料对FY-2C红外分裂窗通道的绝对辐射定标 191 图4 FY一2C IR1通道辐射定标结果以8月21 13定标直线 为例 Fig.4 Calibration results of FY-2C IR1sampled by Aug.21 图5 FY-2C IR2通道辐射定标结果以8月21日定标直线 为例 Fig.5 Calibration results of FY一2C IR2sampled by Aug.21 表2定标系数列表 Table 2 List of radiometric calibration coefficients 3定标结果分析与比较 3.1定标结果分析 将不同时间获取的两通道绝对辐射定标系数的 变化情况制作曲线图,如图6所示,可以发现除了 O 一2O -40 日.60 .80 .1oo .12O IRt系数a-一IR2系数a一IRI系数b-.IR2系数b I ’ I 州 . 。/ 2Oo6 2006 2006 2Oo6 2o06 20o6 2Oo6 2Oo6 2Oo6 2O06 0l01 0818 0819 0820 082l 0822 0823 0824 l107 ll16 l 4o0 l 2oo l 000 80o 60o 400 2oo O 图6不同时间获取的定标系数变化曲线图 Fig.6 Diversified eurves of calibration coefficients at different date 藿 重 量 蚕 。 Redf tom b uoy andN 2EP Blue }}Om1 he product., DN ‘ Redi iombuoy a ndNCEl .. Blue fromthepr aducts U0 图7 与产品提供的亮度温度查找表比较 Fig.7 Comparison of the TOA brightness temperature’S look up tables 2006年8月19日两通道的定标结果异常外,其它 各时次获取的两通道定标系数a,b的变化趋势都基 本相同. 通过图6可以看出,8月19日两通道的定标结 果与其它时次的结果存在差异.另外,从时间上来 看,不同时次的定标结果之间存在较大波动,其中8 月21日和11月7日的定标结果变化较大,这其中 彗 Bj兰墓 0 192 红外与毫米波学报 28卷 图8 FY一2C红外分裂窗通道亮温差值图象单位K Fig.8 Brightness temperature difference maps of FY一2C in frared split-window channelsunitK 主要包含两方面因素的影响仪器自身随着时间的 推移发生的衰减和变化;由于匹配区域大,匹配点位 多,加之定标靶区的云覆盖和地表类型的差异,导致 的定标结果变化. 3.2与FY-2C数据产品的定标结果比较 将利用大洋浮标数据与NCEP再分析资料进行 定标获取的定标结果与产品提供的交叉定标结果进 行比较,如图7所示. 从图7中可以看出,两种不同定标方法获取的 定标结果存在较大差异,主要表现在观测目标的低 温区.产品提供的定标查找表在冷端都有饱和的现 象,如图7中蓝色曲线所示.利用两种不同定标方法 获取的定标系数计算了2006年8月20日北京时间 正午12时的FY.2C红外分裂窗通道的TOA亮度温 度,并获取了两套定标系数反演的TOA亮温差值图 像和直方图,如图8,9所示.从图中可以看出两套定 标系数反演的TOA亮温差别较大的区域主要集中 在云顶的低温像元;而常温区的陆表和海表图像亮 温差别较小,主要在2K左右. 对FY.2c分裂窗两通道1023DN值所对应的亮 度温度与产品查找表中的亮温进行比较,结果如图 10.11所示. IRl l .Z lO IR2 8 6 4 2 一 J 图9 FY一2C红外分裂窗通道亮温差值图像直方图 Fig.9 Histogram of brightness temperature difference maps 0f FY一2C infrared split-window channels 从图10,11中可以看出不同定标方法获得的定 标结果其冷端对应的亮温存在很大差别,有些时次 温度差别在一倍以上,且利用大洋浮标数据和 NCEP再分析资料进行定标,获取的冷端亮温普遍 高于产品提供的定标结果.分析其原因,主要是因为 利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料进行定标的 方法,用海面作为定标靶区,其温度主要分布于常温 段,缺少低温端控制;因此,将定标系数线性外推至 冷端时会产生误差. 4结论与讨论 利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料对FY一 2C热红外分裂窗通道进行辐射定标是对遥感卫星 红外通道高频次替代定标方法的一次大胆尝试.目 前,FY-2C数据产品提供的定标系数每周更新一次, 通过本文提出的替代定标方法,可以将定标频次提 高到每天,甚至更高. 在轨场地辐射绝对定标需要有大量的人力、物力 和财力投入,定标频次低每年可以进行1~2次野外 ∞加∞如∞∞ m 0 3期 张勇等利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料对FY-2C红外分裂窗通道的绝对辐射定标 193 24O.UU 口计算系数_产品系数 2oo.oo 16O.oo 赠120.00 世 蜮 80.o0 40.0O O.0O 20o60l01 200608l8 2OO60819 2OO60820 20060821 20060822 20O60823 20060824 2006l107 2006l1l6 I口计算系数 l92.87 190_82 207.O8 l98.43 l28.12 l84.O8 151.56 174.4l 2l3.60 193.0l ●产品系数 ll8.76 l19.40 19.40 1l9.40 ll9.40 l9.40 l19.40 ll7.67 106.92 l18.66 日期 图10 IR1通道不同定标系数计算的1023DN值对应亮温比较 Fig.10 Comparison of brightness temperatures corresponding to 1023 DN from different calibration results of IR1 ZqU.UU 口i 【系 I 品 i赞 2o0.0o ●● - _ - ● ● _●● ●● ---_ __ 16O.O0 ●_● ●●● _ 赠120.oo ● ●● - - ● 豫 80.OO _ _● ●●● ●●● 40.o0 ●●- O.o0 20060l01 200608l8 2OO6O8l9 2o060820 20o6082l 2oo60822 20060823 2O060824 2o06I107 20061l16 口计算系数 l96.58 l91.11 162.69 l99.46 143l35 l84.57 143I35 168.26 209.57 l88.62 一 品系数 115.2O 89.76 89.76 89.76 89.76 89.76 89.76 ll3.74 03.65 04.97 日期 图11 IR2通道不同定标系数计算的1023DN值对应亮温比较 Fig.1 1 Comparison of brightness temperatures corresponding to 1023 DN from different calibration results of IR2 试验,野外同步观测实验的工作量大,观测参数多,数 据处理流程复杂,精度难以控制.与传统的在轨场地绝 对辐射定标相比,本文提出的定标方法具有明显的优 势①利用大洋浮标资料获取海表辐亮度,利用NCEP 再分析资料获取大气廓线数据,代替了场地辐射定标 的野t-fJ量工作,可以极大节省人力、物力和财力投 入;②由于大洋浮标资料和NCEP再分析场资料具有 很高的时间频次,每天可以达到4次以上,结合静止卫 星数据,可以极大地提高定标频次. 通过本研究工作的结果,可以发现利用大洋浮 标数据和NCEP再分析资料对遥感卫星红外通道替 代定标的方法,适用于地面常温目标为主的定量应 用.对于像类似云顶、极区、冰雪覆盖区等目标的定 量化应用,该方法的定标精度还有待进一步提高.在 未来的研究工作中,需要将更多的低温端定标靶区 数据引入定标数据流,增强对定标结果的低温端控 制,从而进一步提高其精度,推广该方法的适用性. 致谢NCEP Reanalysis data provided by the NOAA/ OAR/ESRL PSD,Boulder,Colorado,USA,from their Web site at http//www.cdc.noaa.gov/ 下转234页 红外与毫米波学报 28卷 其中的误差也包括光在望远镜与目标之间的大 气传输路径,它的折射率为1.0. 4结论 通过平衡外差探测,在600MHz带宽下,获得了 110 。W的探测灵敏度;利用DDS技术,生成了 50~250MHz的chirp信号,实现了距离向压缩;实 验已经初步证明距离向啁啾信号调制在发射光波 振幅强度上,方位向多普勒频移反映在回波光波 相位频率上,在处理距离向数据时可以不必考虑 方位向的多普勒相位变化,距离向和方位向处理可 以分开进行.方位向压缩难度很大,后期再报道其 结果. 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