月球表面微波主被动遥感的建模模拟与反演

探测月球和其它外星球是我国空间遥感与深空探测的又一轮新课题。研究地球遥感中星载被动遥感辐射计、主动遥感高分辨率合成孔径雷达等如何应用于月球和其它外星球的探测是一项十分有意义的工作。了解月球表层的月壤与月岩的物质状态及其分布,对于月球资源的科学认识、以及未来月球探测、登月与月球开发,以及其它外星球探测均具有十分重要的意义。先讨论微波被动遥感月球表面辐射的模拟和由微波辐射反演月壤厚度。由月球表面数字高程和月壤厚度实测点数据建立月球表面高度与月壤厚度的一种对应关系,构造整个月球表面月壤厚度的试验性分布。根据克莱门汀的紫外可见光光学数据,计算整个月球表面月壤中FeO+TiO2含量分布,给出整个月球表面月壤介电常数分布。由月球表层温度的观测结果以及月壤的导热特性,给出月尘层与月壤层温度随纬度分布的经验公式。在这些条件基础上,建立月尘、月壤、月岩3层微波热辐射模型。由起伏逸散定理,模拟计算月壤低耗散介质层多通道辐射亮度温度。以此辐射亮度温度模拟加随机噪声为理论观测值,按3层模型提出月壤层厚度反演方法。由于高频通道穿透深度小,由高频通道的辐射亮度温度按照两层尘-月壤微波热辐射模型反演月尘层与月壤层的物理温度。并以此为已知参数,由穿透深度较大的低频通道的辐射亮度温度反演月壤层厚度,对于反演的相对误差也进行了讨论。在研究微波主动遥感方面,提出低空飞行全极化L波段雷达窄脉冲探测月壤层厚与层结构的建议。此时采用一层具有上下随机粗糙界面的有耗 介质层月壤层模型,在下垫月岩粗糙界面上有一层随机分布的碎石散射体。推导了包含面散射、体散射,以及面体相互作用7种散射机制的全极化脉冲波Mueller矩阵解。以月壤特征参数(月壤层厚、FeO+TiO2金属含量、介电常数,界面粗糙度、碎石分布等)为函数,用时域Mueller矩阵解数值模拟来验证方法可行性。L波段窄脉冲极化回波波形能用于反演或估算月壤厚度与分层结构。     

分层媒质Green函数的SDP-FLAM方法

通过将谱域Green函数在复平面上进行局部小宗量Taylor级数展开,提出了一种将谱域Green函数全部模式快速、精确定位的方法(FLAM),并将其应用到基于全模提取的最陡下降路径方法中,简称SDP-FLAM,实现了分层媒质Green函数的精确计算.基于复变函数理论,严格分析了谱域Green函数极点和支点奇异性与黎曼面之间的关系.在将谱域Green函数反演到空域时,对非近场区采用SDP-FLAM计算,而对近场区则采用离散复镜像方法来获得,最终得到与精确解相吻合的空域Green函数.SDP-FLAM方法的优势在于它能快速计算厚层媒质和损耗媒质的分层Green函数.文中的数值算例验证了SDP-FLAM方法的正确性与有效性。     

MATLAB在微波探测仪数据处理中的应用

星载微波探测仪是嫦娥一号卫星有效载荷之一.主要用于测量不同深度的月壤微波辐射亮温,进而反演月壤厚度的信息并对月球的氦-3资源量和分布进行评估.为了监测某段时间微波辐射计工作是否正常,我们需要对辐射计下传的大量数据按工程要求进行处理.MATLAB应用软件以其强大的科学计算和可视化功能成为了微波探测仪数据处理工具之一.本文结合微波探测仪工程实例,编写了MATLAB数据处理程序,并比较分析了两种MATLAB数据读取的方法,从而总结得出一种提高MATLAB大批量数据处理效率的方法.     

支持向量机在雪地环境中的参数反演

针对传统雪地环境参数反演方法中模型复杂、未知参量多、网络拓扑结构难确定等问题,提出了一种基于最小二乘支持向量回归技术的雪地环境土壤湿度和雪层厚度的反演方法。首先根据雪地环境建立了分层粗糙介质微波散射模型,利用微扰法得出其后向散射系数;然后进行数据敏感性分析,选取雷达频率为1.27GHz(L波段)、双入射角(42°和53°),设计了两种反演方案,分别为单极化和双极化的方式作为微波信号样本信息,经过适当的训练,利用最小二乘支持向量机反演土壤湿度和雪层厚度。结果表明:用多入射角、双极化时,反演结果具有较高的精度;在加噪的情况下,用多入射角、双极化时,该方法的反演结果保持了较好的抗噪能力,为雪地环境中土壤湿度和雪层厚度的反演研究提供了一种可行的方法。     

基于HJ-1卫星数据反演长江三角洲地区气溶胶光学厚度

探索利用我国HJ-1卫星CCD数据,运用深蓝算法开展长江三角洲地区气溶胶光学厚度反演的可行性,并将结果与其他气溶胶光学厚度产品进行比较。针对HJ-1A和HJ-1B数据,反演结果分别与MODIS气溶胶光学厚度产品以及AERONET地基观测数据进行对比验证。结果表明:深蓝算法得到A星、B星的反演结果与MODIS气溶胶产品呈显著相关,但在数值上普遍高于MODIS产品;反演结果与AERONET站点数据之间的误差介于0.008~0.364之间,研究时段内站点数据缺乏,未对误差进行严格的统计分析。基于深蓝算法的HJ-1卫星数据反演结果虽然在数值上与MODIS气溶胶光学厚度产品存在系统性偏差,但在空间上能够较好地反映长江三角洲地区大气气溶胶分布状况,且具有空间分辨率高的优势。     

模拟月壤-模拟月岩交界面钻进特征提取与辨识

为提高月壤-月岩交界面处的钻进工况辨识速度,分析了钻刃接触及侵入岩块过程中的钻进状态监测信号特征,提出一种基于连续小波变换的钻进对象交界面识别方法.该方法能够确定识别月壤-月岩交界面的小波变换阈值,其辨识结果不受钻进动力参数和噪声信号的影响.模拟月壤和模拟月岩分层钻进试验结果表明所提出的方法能够及时感知钻进对象的变化并调整钻进动力参数,实现具有环境适应性的无人自主钻取采样.     

基于随机森林的高分辨率 PM2.5 遥感反演 ——以广东省为例

细颗粒物(PM2.5)监测是大气污染治理的重要手段,受限于地面观测点的数量,从遥感反演 PM2.5 是常规地面观测的有效补充,是当前的研究热点。通常遥感反演 PM2.5 的思路是先反演大气气溶胶光学厚度,然后基于统计关系由大气气溶胶光学厚度反演 PM2.5。该方法容易造成误差传递,从而 导致反演模型的不稳定。该文提出了一种基于随机森林算法(一种机器学习算法)的 PM2.5 遥感反演方法,直接建立中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)影像与地 面实测 PM2.5 的关系,可以避免传统反演 PM2.5 时先反演大气气溶胶光学厚度带来的误差,最终得到精度更高的 PM2.5 反演结果。该方法先用随机森林算法对 MODIS 影像和经过克里金插值后的地面监测站PM2.5 数据进行训练和测试;然后,根据测试的均方根误差从多个模型中选取最优(均方根误差最小)的模型;最后,将此模型用于整幅 MODIS 影像,得到整个区域的 PM2.5 反演结果。实验选取了广东省 四个季节多幅 MODIS 影像数据进行验证,并通过决定系数和均方根误差两个表现指标进行对比和分析,验证了所提算法的优越性。     

分层地层中的电磁波传播数值模拟

为提高电磁波在地层媒质中传播特性的分析准确度,针对突变型分层地层媒质的地质统计特征,利用Kriging插值算法建立地层媒质模型,采用时域有限差分方法实现分层地层媒质中的电磁场数值计算。仿真结果表明,该方法能有效解释透地通信中的电磁场传播 现象。     

利用MODIS资料反演杭州市500米分辨率气溶胶光学厚度

反演城市/区域范围内高空间分辨率的气溶胶光学厚度时,如果气溶胶类型选取的不合理造成的反演误差会很大,甚至超过地表反射率确定误差导致的反演误差。针对这一问题,本文提出了一种结合MODIS L1B资料和AERONET(Aerosol Robotic Network)的气溶胶光学厚度产品,基于6S大气辐射传输模型的计算,确定杭州市在2008年12月16日的气溶胶类型的方法。利用得到的气溶胶类型,结合改进的暗像元法,反演了杭州市500m空间分辨率的气溶胶光学厚度。将气溶胶光学厚度反演结果与采用标准气溶胶类型时的反演结果进行比较,结果表明,本文确定的气溶胶类型更符合杭州市当天的情况,应用到气溶胶光学厚度反演中,精度也最好,相对误差的绝对值在20%以内。     

模拟配准误差对结构函数法气溶胶反演的影响

为了确定清晰图像和待反演图像间的配准误差对结构函数法气溶胶光学厚度反演结果的影响程度,该文基于辐射传输模型反演了不同配准误差条件下的气溶胶光学厚度。在已知地表反射率的基础上,利用辐射传输模型得到一定气溶胶光学厚度下的表观反射率,线性插值得到不同配准误差下的表观反射率,利用这些表观反射率和地表反射率反演气溶胶光学厚度;通过不同配准误差下的反演结果分析配准误差的影响,并通过统计反演误差小且不随配准误差改变的稳定像元地表反射率结构函数值和均值等特征得到稳定像元的地表特征。结果表明,配准误差结构函数法的反演结果显著影响,当配准误差小于0.2个像元时,反演误差小于0.2的像元占总像元的比例达63%。此外,研究发现,地表反射率结构函数值与相应计算窗口地表反射率的标准差相关性强,当标准差大于0.02时,反演结果受配准误差的影响相对较小,相对误差最大不超过40%;反之,受配准误差的影响较大。     

微波月亮-人类对月球的全新视角——中国“嫦娥一号”卫星微波探测仪若干探测结果

中国“嫦娥一号”探月卫星自2007年10月24日成功发射并于同年11月7日进入其工作轨道。在轨工作一年多,完成了全部使命,期间获取了大量的科学数据。其中“嫦娥一号”月球微波探测仪(Chang’e-1 Lunar Microwave Sounder-CELMS)已多次覆盖全月表面,首次获取了全月微波亮温分布数据,创建了“微波月亮”(Microwave Moon-MicM)。“微波月亮”的建立为月球科学研究、宇宙科学研究、月球资源研究及应用、未来月球基地的建立等带来了全新的信息,与“可见月亮”、“红外月亮”及其它相关探测结果(如X、γ谱仪,中子谱仪)、地基探测及未来月球轨道上观测和就位探测等多方信息的融合、分析,将大大提升人类对太空、月球及宇宙起源、生命起源等问题的认识和研究水平,在人类探月活动中具有里程碑意义。
在“嫦娥一号”卫星微波探测仪绕月探测之前,从来没有从月球轨道对全月球进行微波探测的活动。很多涉及月球微波特征研究,如月表微波亮温分布、月壤厚度及氦-3资源量分布信息、涉及月球历史等的研究多数是靠Apollo、Luna的落月点实测数据为依据,加上其它探测(如光学等)结果融合分析并逻辑延伸而得来的,因此其结果存在相当的多解或不确定性,这就使我们对月球微波辐射特性的真实情况了解很少,甚至可能有偏差。着重讨论“微波月亮”的含义,其相关信息内涵,几种特征区、点的分析等。根据微波探测仪的数据,获得了全月月壤厚度分布、氦-3资源量评估、全月亮温及其变化规律等研究结果,得出了一些与现今其它研究结果不同的结论。     

数字增益自动补偿微波辐射计计算机仿真分析

数字增益自动补偿微波辐射计是一种新型的微波辐射计,有效地补偿了微波辐射计系统增益 的波动,提高了系统的稳定性。按照目标微波辐射能量在系统中传递的物理过程,利用物理与数学 相结合的方法建立了数字增益自动补偿微波辐射计的计算机仿真模型。应用已测得的系统参数(噪 声系数、增益),对系统性能进行了仿真分析,取得了与实际系统特性较好的一致性。同时,解释了工 程设计中涉及的主要问题。     

基于铂电阻传感器的高精度温度检测系统设计

介绍了一种基于铂电阻传感器的高精度温度检测系统,用于星载微波辐射计定标源的精密测温,测温精度为±0.1℃。针对铂电阻引线带来的测量误差这一缺点,设计了四线制恒流源温度测量电路,同时对铂电阻传感器温度检测电路的测量误差进行了分析。系统具有精度高、可靠性高,使用方便的特点,当温度范围在-200℃~650℃之间,误差小于±0.1℃时,也可用于其它工业测温以及航空航天精密温度检测领域。     

A combined passive/active microwave remote sensing approach for surface variable retrieval using Tropical Rainfall Measuring Mission observations

The backscattering and emission measured simultaneously by radar and radiometer show promise for the estimation of surface variables such as near-surface soil moisture and vegetation characteristics. In this paper, the 10.7 GHz Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) microwave imager (TMI) channel and 13.8 GHz precipitation radar (PR) observations are simultaneously used for the estimation of the near-surface soil moisture and vegetation properties. The Fresnel model for soil and a simple model for vegetation are used to simulate the passive microwave emission at 10.7 GHz. To determine the PR backscatter signal from a land surface, a theoretical approach is used based on the Geometric Optics Model for simulating bare soil and a semi-empirical water-cloud model for vegetation. The model parameters required in specifying the nature of the soil and vegetation are calibrated on the basis of in situ soil moisture data combined with remotely sensed observations. The calibrated model is subsequently used to retrieve near-surface soil moisture and leaf area index for assumed values of surface roughness and temperature. Algorithm assessment using synthetic passive and active microwave data shows a nonlinearity effect in the system inversion, which results in a varying degree of error statistics in soil wetness and vegetation characteristics retrieval. The technique was applied on TRMM radar/radiometer observations from three consecutive years and evaluated against in situ near-surface (5 cm) soil moisture measurements from the Oklahoma Mesonet showing a consistent performance.     

神舟4号飞船多频段微波辐射计及其应用

介绍了我国首次研制的空间对地观测被动微波遥感器--神舟4 号飞船多频段微波辐射计的设备性能参数及指标, 并对海洋、沙漠等地物目标的测量结果进行了分析, 与国外其它星载微波辐射计的测量结果进行了比较。     

小波离散点插值处理在综合孔径微波辐射计中的应用

土壤湿度和海水盐度是影响全球气候和水体循环的重要因素,但是对土壤湿度和海水盐度的测量都需要较低的微波测量频率,这时天线孔径和空间分辨率的矛盾就更加突出,而应用综合孔径微波辐射计就是在减小天线孔径和重量的前提下提高空间分辨率的一项新兴的被动微波遥感技术。综合孔径微波辐射计测量的是视场范围内亮温分布对于天线阵中不同基线的干涉天线单元之间的可见度函数分量,根据测得的可见度函数可以反演得到亮温图像。在综合孔径微波辐射计设计中,天线阵列设计和成像反演算法是两项关键技术。提出一种基于小波变换的离散点插值方法,它对二维综合孔径微波辐射计的Fourier成像反演算法进行了修正处理。     

星载微波辐射计数控单元系统设计与实现

星载微波辐射计是一种测量大气的液态水和水汽含量的被动式星载遥感器,在海洋和大气环境探测中有重要的应用,在神舟飞船（神舟四号）、嫦娥卫星（嫦娥一号）等航天项目中均有成功的应用经历。数控单元作为星载微波辐射计的核心单元,承担着系统控制、数据处理及与卫星的数据通讯等重要功能。着重介绍了星载微波辐射计的数控单元的系统设计以及一些关键技术。     

提高微波辐射计测量精度研究

从测量误差的理论角度,分析了影响微波辐射计系统测量精度的各种因素,提出了研制和应用微波辐射计系统所要依据的4个温度概念,并从应用条件角度讨论了提高陆基、机载、星载微波辐射计系统测量精度的一些具体技术方案。     

Quantification Error Analysis of Digital Correlator on Fully Polarization Microwave Radiometer

Fullypolarization microwave radiometer is a passive remote sensing device that measures the target’s microwave radiation characteristics.It is a complete extractiontechnology of polarization information such as amplitude,frequency and phase based on the traditional microwave radiometer.Digital correlator utilizes high-speed analog-to-digital converter and programmable logic device FPGA to realize quantification processing and related operations of horizontal and vertical channel signal.Compared to analog correlators,digital correlators have the advantage of high bandwidth and immunity from DC interference,but quantification errors are also introduced in the quantification process.This paperanalyzes the influence of 8 bit quantification on the correlation coefficient before and after quantification on digital correlation fully polarization radiometer whichdeveloped by NSSC.By determining the appropriate A/D quantification threshold,it is ensured that the error of the digital correlator has the least influence on the radiometer system.The reliability of the analysis conclusion is verified by modeling and simulation.The results show that the quantification error of 8 bit digital correlator developed by the project can be neglected to the system error.