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    青海湖地区NCEP资料对风云二号C星热红外通道绝对辐射定标影响研究.pdf

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    青海湖地区NCEP资料对风云二号C星热红外通道绝对辐射定标影响研究.pdf

    第27卷第5期 2008年10月 红外与毫米波学报 J.Infrared Millim.Waves Vo1.27,No.5 October,2008 文章编号10019014200805033706 青海湖地区NCEP资料对风云二号C星 热红外 ,■、-‘,- 通道绝对辐射定标影响研究 童进军 , 张 勇 , 胡 博 , 邱康睦 , 许健民 , 张玉香 , 戎志国 , 巴秀天 1.中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室国家卫星气象中心,北京100081; 2.北京大学物理学院北京100871;3.中国气象局人事教育司,北京10008l; 4.敦煌市气象局,甘肃敦煌736200 摘要为了分析大气廓线中温度和相对湿度变化对风云二号C星FY一2C热红外通道定标的影响,分别利用2005 年6月25日青海湖场地定标试验的实际探空数据和对应时刻NCEP美国国家环境预报中心全球再分析大气廓 线资料简称NCEP资料对FY一2C热红外通道进行定标计算,两种方法定标结果一致.利用2003年8月的14次 青海湖实际探空数据和对应时刻的NCEP资料进行FY一2C热红外通道入瞳辐亮度和亮温的对比计算,利用辐射传 输计算软件MODTRAN 3.7进行大气廓线对FY一2C热红外通道入瞳辐亮度和亮温的敏感性试验.计算结果表明 对于青海湖地区,NCEP资料可用于FY一2c热红外通道的辐射定标计算. 关键词全球再分析大气廓线资料;大气廓线;风云2号c星热红外通道;绝对辐射定标 中图分类号TP701 文献标识码A EFFECT oF NCEP DATA oN THE ABSoLUTE RADIoM[ETI C CALIBRATIoN FoR THERMAL INFRARED BANDS oF FY2 C IN QINGHAI LAKE TONG JinJun , ZHANG Yong , HUBo , QIU KangMu , XU Jian-Min , ZHANG Yu.Xiang . RONG Zhi.Guo . BA Xiu.Tian 1.Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites.China Meteorological Administration,National Satellite Meteorology Center,Beijing 10008 l,China; 2.School of Physics,Peking University,Beijing 100871,China; 3.Department of Human Resourees of China Meteorological Administration.Beijing 10008l,China 4.Meteorological Bureau of Dunhuang,Dunhuang 736200,China AbstractTo analyze the effect of atmospheric profile on the absolute radiometrie calibration for TIR bands of FY一2C,at mospherie profiles of real radio sound in Qinghai Lake on 25 .June 20o5 and NCEP reanalyzed data were respectively used to ca/culate the calibration eoefficients.The calibrating results of these two method coincide with each other.At the same time.the entrance pupil radiance and radiance temperature of FY.2C TIR bands were calculated hy using the fourteen at mospheric profiles of real radio sound of August,2003 in Qinghai Lake and NCEP reanalyzed data,respectively.Then sen sitive tests of atmospheric profiles to entrance pupil radiance and radiance temperature of FY一2C TIR bands were made by running MODTRAN3.7 mode1.AIl the results show that the NCEP reanalyzed data can be used to calculate the calibration eoeffieients without affecting the calibration precision. Key wordsNCEP data;atmospheric profileFY一2C TIR bandsabsolute radiometric calibration 引言 收稿日期200710-21,修回日期2008-0218 基金项目国家自然科学基金资助项目40675014 卫星热红外通道有多种定标方法发射前定标、 星上定标、在轨场地定标.当卫星在轨运行后,星上 Received date200710-21.revised date200802-18 作者简介童进军1977一,男,四JII内江人,博士,主要从事卫星传感器定标,水文遥感和气候变化研究 338 红外与毫米波学报 27卷 定标系统可能发生不稳定变化,因此需要用在轨场 地定标进行检验和校正.常规的在轨场地定标方法 是首先选择一个稳定的、大面积水体目标,当卫星观 测水体时,利用模拟卫星通道热红外辐射计或红外 连续谱光谱仪在湖面测得湖水向上辐亮度,再经过 大气订正,计算出卫星入瞳处辐亮度;然后把这一目 标的辐亮度和卫星计数值作为高点,再利用卫星扫 描冷空间作为一低点,由这两点计算出斜率和截距. Palmer 、Slater 和戎志国 成功地将这一方法应 用于卫星热红外通道的定标.中国遥感卫星辐射校 正场选择青海湖为卫星热红外通道定标场 .已多 次成功地应用于风云一号C星FY.1C、风云二号 B星FY.2B、海洋一号HY一1的热红外通道定 标_5 ,多次定标结果表明这一定标方法结果可信. 但是,这种定标方法需要在场地做同步观测,因此限 制了定标的次数,通常一年只能进行1~2次,目前 国际上还没有找到很好的办法来增加卫星热红外通 道场地定标的次数.通过多次的青海湖场地同步观 测试验所得到的由热红外辐射计法国CIMEL公司 制造,型号CE.312测得的亮温数据与青海湖水文 自动观测浮标系统测得的水表温度相比较如图1, 发现可以用浮标数据代替现场观测的水表亮温数 据.在红外通道定标中,大气廓线变化会影响卫星入 瞳处辐亮度,为了探讨大气廓线对FY-2C热红外通 道定标的影响以及利用NCEP资料的大气廓线代替 实际探空廓线的可行性,以2005年6月25日青海 湖场地试验为基础,分别将利用NCEP资料与实际 探空数据计算的FY-2C热红外通道定标结果进行 比较,发现两者结果一致.并且利用MODTRAN3.7 进行了敏感性试验.通过结果分析表明,可以利用青 海湖水文自动观测浮标系统测得的水表温度 和 NCEP资料的探空数据对卫星热红外通道进行连续 的场地绝对辐射定标. 1定标原理 卫星热红外探测器对湖水表面进行观测时接收 IriCE.3l2.浮标l_ -I__一__- _■ l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 图1 2003年浮标测得水表温度与CE一312测得亮温之差值 Fig.1 The differences between water surface temperatures measured by auto buoy and radiance temperatures measured by CE.312 in 2003 的辐射包括三个部分,第一部分是来自水表面的热 辐射,经过大气的衰减到达卫星,其大小由水体表层 附近的温度和比辐射率以及大气透射率决定;第二 部分为大气的热辐射,与大气中吸收气体的含量和 物理状态有关;第三部分是水表面的反射. 卫星接收的单色辐亮度由方程1表示 L AL ALA 。A , 1 其中到达卫星高度的水表面辐亮度为 L A下。AL 。kA , 2 其中 A为目标到卫星方向整层大气单色透射 率,三 kA为湖水表面在卫星所在方向的辐亮度. 大气的辐亮度为 AL A , 3 式中 。A为卫星所在方向大气的单色大气辐亮 度. 湖水表面反射的辐射经大气削弱后到达卫星探 测器,其表达式为 3APf出A A A , 4 式中P 为湖水表面的反射率,L如 A为能够反 射到卫星观测方向的向下的大气辐亮度.王维和 等的计算表明,大气向下的辐亮度在窗区10~ 13Ixm约为0.20.7 X 10 [w/cm .Str. cm ,而水面反射的最大辐亮度为0.2 X 10~~ 1.1 X 10。W/cm .Str.cm ,窗区水面发射对卫 星总辐射的贡献的平均值约为0.6 X 10 W/cm . Str.cm .如果完全忽略反射影响,则引起的总辐 射值的相对误差不超过1.8%,如果以亮温计算,误 差在1K左右.在上面的论述中没有考虑到太阳的 辐射,因为在大气外界,窗区波段的太阳辐照度小 于3 X 10 W/cm .cm ,而地面接收的向下的 大气热辐射通量密度大于0.610 W/cm . cm ,太阳到达水面的辐照度比大气到达地面的 辐照度还要小12个量级,与水面的射出通量密 度相比就更小了,而太阳影响卫星传感器的总辐 射是通过地面/水面反射实现的,因此忽略太阳辐 射的贡献不会产生影响.因此L,相对于L 和L 的 贡献可以忽略.由以上的分析,卫星接收的单色辐 亮度表示为 At『。A 2 A 蚴A , 5 卫星热红外通道的等效辐亮度L 定义为 JL A5AdA L 一, 6 lsxdA 其中sA为卫星探测器光谱响应函数. 5期 童进军等青海湖地区NCEP资料对风云二号c星热红外通道绝对辐射定标影响研究 339 卫星通道计数值与卫星通道辐亮度成线性 关系 L G DC , , 7 DC 为卫星通道计数值,G 为卫星通道i定标斜率,, 为截距.要得到定标系数G 和 ,必须有两组 和 DC ,卫星观测青海湖和冷空间会得到两组计数值, 通过这两组计数值就能计算出定标系数. 2资料 2.1卫星计数值提取 根据青海湖的场地试验,利用2005年6月25 日1 1时的青海湖图像对FY-2C热红外通道进行定 标计算.FY一2C热红外通道图像如图2. 2.2 NCEP资料 NCEP资料格点1。1。,给出每天世界时间 00、06、12、18时的26层的温度、相对湿度数据. 本文采用了2005年6月25日06世界时, 100。E 37。N点上的数据作为青海湖的相对湿 度、温度廓线数据.图3给出了这次的相对湿度、 温度廓线. 3定标系数确定 要根据式7确定定标系数就必须知道卫星观 测青海湖和冷空间时的卫星人瞳处辐亮度以及相应 IR1 图2 FY-2C热红外1,2通道青海湖地区图像 Fig.2 Images of Qinghai Lake of FY-2C/IR1 and FY一2C/IR2 350 300 250 l0O 5O O 100 80 20 0 图3 NCEP资料青海湖上空相对湿度、温度廓线.2005年6 月25日06GMT Fig.3 The profiles of relative humidity and temperature from NCEP data in Qinghai Lake 2005-6-2516GMT 的计数值.要确定卫星观测青海湖时的卫星入瞳处 辐亮度需要分别计算 A、 A和 。A.本 文分别利用青海湖2005年6月25日11时北京 时实际探空数据和NCEP再分析资料06时世界 时的高空数据作为模式输入参数,利用MODTRAN 3.7进行大气透过率丁 A和大气程辐射辐亮度 A的计算.湖水表面的“高温”采用CE一312的实际 测量值,红外l通道为13.10533℃,红外2通道为 13.31863%.表1给出了根据式5、6计算的 2005-6.25北京时间1 1点FY一2C卫星观测青海湖时 的卫星人瞳辐亮度和亮温. 从表1看出对于2005年6月25日,根据不 同大气廓线计算的卫星通道入瞳辐亮度和亮温分 别相差1.5 mW/m .sr.cm。。和1 K左右.在知道 了卫星的入瞳辐亮度和卫星的计数值之后,利用 式7可计算出卫星通道的定标系数.结果在表2 中给出. 表1 FY-2C红外1,2通道入瞳辐亮度及亮温辐亮度单 位mW/m .sr.cm ,亮温单位K Table 1 The entrance pupil radiance and radiance temper- ature of FY-2C TIR bandsunit of radiance m、V/m .sr.cm ,unit of radiance tempera. tureK 表2 FY-2C红外1,2通道定标系数斜率单位mw/m . sr.cm /DC,截距单位mW/m .sr.cm Table 2 The calibration coefficients 0f FY_2C TIR bands unit of slopemw/m .sr.cm~/DC,unit of offsetmW/m .sr.cm 红外与毫米波学报 27卷 比较根据2005年青海湖同步试验的实际资料 和NCEP资料计算的FY-2C红外1、2通道定标系数 发现,这两种资料计算的定标系数斜率相差约 0.0020.004,相对差约1%. 4大气廓线对定标结果影响 4.1数据对比试验 在定标计算中,需要计算大气透过率和大气程 辐射,本文在与实际探空的对比计算中采用了 NCEP再分析资料的大气廓线,它的准确度也直接 影响定标精度.为了比较NCEP资料对定标精度的 影响,比较了2003年8月青海湖实际观测时的探空 数据与对应NCEP资料对FY-2C红外通道入瞳辐亮 度的影响.水表亮温选择15.13℃.根据前面介绍的 方法分别计算每次FY-2C热红外通道入瞳辐亮度 和亮温,以及根据两种数据计算结果的差.结果如 图4. 从比较的结果可以看出在14次比较中,由于 NCEP资料和实际探空数据不同带来的结果差异 中,第1通道人瞳辐亮度最大差为2.002,最小差 为0.0659,均方根误差为0.982;对应的亮温最大差 为1.325,最小差为0.0438,均方根误差为0.646.第 ■入瞳亮温 jI.1 I f1I . .f1I.『1l 『I. . I. . LJI lJl l 2 3 4 5 6 7 8 9 lo l1 12 13 14 b 图4根据实际探空资料和NCEP资料计算的FY一2C热红 外通道入瞳辐亮度以及亮温之差a为红外1通道、b为红外 2通道辐亮度单位mW/m .sr.cm ,亮温单位K Fig.4 The difference between entrance pupil radiances and the difierence between entrance pupil radiance temperatures calcu. 1ated by real sound data and NCEP data.aFY-2C TIR band l ;bFY-2C band 2 unit of radiancemW/m .sr. amI1,unit of radiance temperatureK 2通道人瞳辐亮度最大差为2.8227,最小差为 0.0494,均方根误差为1.368;对应的亮温最大差为 1.8135,最小差为0.0319,均方根误差为0.978. 4.2 MODTRAN3.7敏感性试验 因为青海湖没有探空站,其探空资料是辐射校 正试验期间测量的,所以,很难比较NCEP资料和实 际探空数据的差别.因此,需要对MODTRAN3.7作 敏感性试验来估计探空廓线变化对卫星人瞳辐亮度 和亮温的影响.水表亮温取15C,改变探空廓线的 水汽、温度,计算FY-2C热红外通道人瞳辐亮度和 亮温.改变的方法是取一个实际的探空廓线分别改 变各层的水汽相对湿度和温度.将2003年8月l5 日10时青海湖实际探空获得的大气温度、相对湿度 廓线作为基本廓线,如图5. 实测探空共测得青海湖上空11个高度的温 度、相对湿度值.为了检验探空廓线变化对FY-2C 热红外通道入瞳辐亮度的影响,设计了以下几组 试验. 1相对湿度敏感性试验 探空廓线温度不变,对相对湿度廓线的11个值 同时乘以一个相同系数,从而改变相对湿度.这个系 数从0200%,间隔20%.构造出了11组温度相 同,而相对湿度不同的探空廓线.根据这11组探空 廓线计算出FY一2c热红外通道入瞳辐亮度和亮温, 结果如表3.从模拟结果看人瞳辐亮度和亮温随水 汽含量的增加而减小,这主要是因为水汽的吸收作 用造成的.但是,同时还发现水汽含量变化从0到基 表3根据相对湿度不同的探空廓线计算的FY-2C热红外 通道入瞳辐亮度和亮温辐亮度单位mW/m .sr. cm ,亮温单位K Table 3 The entrance pupil radiance and radiance temper amre of FY-2C TIR bands with the change of rel- ative humidity of atmospheric profilesunit of ra- dianceroW/m .sr.cm ,unit of radiance temperatureK 5 2 5 1 5 O 5 1 2 l O O . 8 器一凸 5 3 5 2 5l 5 O 51 5 3 2 l O O.1 0。uaJm磬一0 5期 童进军等青海湖地区NCEP资料对风云二号c星热红外通道绝对辐射定标影响研究 准的200%时,FY.2C热红外1,2通道入瞳辐亮 度和亮温的变化分别为2.3489、1.5496和 4.2586、2.7022.这说明水汽含量变化对FY-2C 热红外1通道人瞳辐亮度和亮温影响小,对FY- 2C热红外2通道比1通道大.这是因为FY一2C 热红外1通道光谱响应避开了水汽吸收带,而 FY-2C热红外2通道的光谱响应有一小部分处 于水汽吸收带中. 2温度敏感性试验 探空廓线相对湿度不变,对温度廓线的1 1个值 同时加一个相同温度值,从而改变温度分布.这个值 从一5~5,间隔1.构造出了11组相对湿度相同, 而温度不同的探空廓线.根据这1 1组探空廓线计算 出FY.2C热红外通道人瞳辐亮度和亮温,结果如 表4. 从模拟结果看人瞳辐亮度和亮温随温度的 改变不是单一趋势,而是随温度的改变先减小后 增加.但是,同时还发现温度变化从基准温度一5 到基准温度5共l0度的变化中,FY-2C热红外 1,2通道人瞳辐亮度和亮温的变化分别为0.0744、 0.0489和0.0161、0.0102.这说明探空廓线温度 变化对FY-2C热红外通道入瞳辐亮度和亮温的影 响很,J、. 萋5 4 图5 2003年8月15日10时青海湖实际探空获得的大气 温度、相对湿度廓线 Fig.5 The temperature and relative humidity of atmospheric profiles in Qinghai Lake On 15 ,August 2003 表4根据温度不同的探空廓线计算的FY-2c热红外通道 入瞳辐亮度和亮温辐亮度单位mW/m .sr. cm ,亮温单位K Table 4 The entrance pupil radiance and radiance temper- ature of FY-2C TIR bands with the change of temperature of atmospheric profilesunit of radi- IMlcemW/m .sr.cm .unit of radiance tem- peratureK 3相对湿度和温度敏感性试验 综合试验方案1、2,同时改变探空廓线的 相对湿度和温度,对相对湿度廓线的11个值同时乘 以一个相同系数,从而改变相对湿度.这个系数从0 ~200%,间隔20%;同时对温度廓线的11个值同 时加一个相同值,从而改变温度.这个值从一55, 间隔1.构造出11组完全不同的探空廓线.根据这 1 1组探空廓线计算出FY-2C热红外通道人瞳辐亮 度和亮温,结果如表5. 从模拟结果看入瞳辐亮度和亮温随水汽含量 和温度的增加而减小.这主要是因为水汽的吸收作 用造成的.但是,同时还发现水汽含量变化从0到基 准的200%,温度变化从基准温度一5到基准温度 5共10度中,FY-2C热红外1,2通道人瞳辐亮度和 亮温的变化分别为2.2943、1.15437和4.0273、 2.5546.这说明水汽含量和温度变化对FY.2C热红 外通道人瞳辐亮度和亮温有影响,但影响效果很小. 这是因为FY-2C热红外通道光谱响应尽量避开了 水汽吸收带. 综上所叙,对于FY-2C热红外通道,由于其光 谱响应函数分布避开了水汽吸收带,因此,探空廓线 的差值在一定范围内对FY-2C热红外通道人瞳辐 亮度和亮温影响很小,对于红外通道的辐射定标精 度影响较小. 5 结论 下转388页 5 7 5 6 5 5 5 4 5 3- 7 6 5 4 3 g 越 388 红外与毫米波学报 27卷 [4]YANG Lei,YANG Jie.Detecing infrared small target based on adaptive local energy threshold under seasky complex backgrounds[J]. Infrared Millim.Waves杨磊,杨杰. 海空复杂背景中基于自适应局部能量阈值的红外弱小 目标检测.红外与毫米波学报,2006,255377381. [5]wu Bin,JI Hong-Bing,LI Peng.New method for moving dim target detection based on third--order cumulant in infra-- red image[J].J.Infrared Millim.Waves武斌,姬红兵, 李鹏.基于三阶累积量的红外弱小运动目标检测新方 法.红外与毫米波学报,2006,255364367. [6]Leonov S.Nonparametric methods for clutter removal[J]. IEEE Tram.on Aerospace and Electronic , ,2001,37 3832 7. [7]wu Xi.Zhi,WANG ZhaoJun.Nonparametric statistical method[M].BeijingHigher education press吴喜之,王 兆军.非参数统计方法.高等教育出版社,1996,105-- 108. [8]ZHU Hong,ZHAO Yi-Gong.Detection of weak and small moving infrared targets by adaptive prediction of background [J]..,.InfraredMillim.Waves朱红,赵亦工.基于背景 自适应预测的红外弱小运动目标检测.红外与毫米波学 报,1999,184305 lO. [9]wu Hong-Gang,LI XiaoFeng,CHEN Yue-Bin.Spatial- temporal adaptive clutter classification suppression and dim small moving targets detection[J].J.Infrared MiUim. Waves吴宏刚,李晓峰,陈跃斌.空时自适应杂波分类抑 制与弱小运动目标检测.红外与毫米波学报,2006,25 4301.305. 上接341页 表5根据相对湿度、温度不同的探空廓线计算的FY-2C热 红外通道入瞳辐亮度和亮温辐亮度单位mw/m2. sr.cm一1,亮温单位K Table 5 The entrance pupil radiance and radiance temper-. ature of FY-2C TIR bands with the change of rel- alive humidity and temperature of atmospheric profilesunit of radiantemw/m .sr.cln , unit of radiance temperatureK 利用NCEP资料和青海湖场地试验数据对FY. 2C热红外通道进行绝对辐射定标,两种结果一致. 利用实际探空数据和NCEP资料进行的FY-2C热红 外通道人瞳辐亮度和亮温的对比计算表明,对于青 海湖地区,NCEP资料可用于FY-2C热红外通道的 定标.通过分析可以看出这种一致不是偶然的,而 是具有普遍性的,主要原因在于青海湖海拔高,水汽 含量小,遥感辐射测量中水汽削弱量不大,因此NCEP 资料水汽含量偏差的影响相对较小.利用象青海湖这 样高海拔、较干燥地区的NCEP资料可以为有关遥感 卫星热红外通道开展日常的辐射定标工作. REFERENCES I 1 1 Palmer J M.Calibration of satellite sensors in the thermal infrared『C].Proc.SPIE.1993,17621081l7. i 2 lSlater P N,Biggar S F,Thome K J,et a1.Vicarious radio metric calibrations of EOS sensorsI J 1.Journal ofAtmos pheric and Oceanic Technology,1996,132349--359. [3]RONG Zhi.Guo,ZHANG Yu.Xiang,JIA.Feng-Min,et a1. 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