一种用于全极化微波辐射计的校准方法

摘要

本发明公开了一种用于全极化微波辐射计的校准方法，通过设定全极化微波辐射计校准装置的初值、确定过程矩阵、确定矩阵、确定矩阵的条件数、确定最小的

说明书

技术领域

本发明涉及一种全极化辐射计校准方法，特别是一种用于全极化微波辐射计的校准方法。

背景技术

全极化辐射计输出的复相关信息对各向异性的亮温辐射非常敏感，已由美国喷气推进实验室、美国佐治亚工学院、丹麦技术大学等机构在上世纪90年代验证，是目前国外海面风场遥感的主要方式。为确保遥感数据的准确性，全极化辐射计在使用前必须进行校准。芬兰赫尔辛基技术大学（HUT）的J.Lahtinen等人于2003年公开报道了其研究的全极化辐射计校准方法，结果发表在IEEE相关期刊及J. Lahtinen的博士论文《Fully polarimetric radiometer system for airborne remote sensing》上面。在2008年，美国国家标准技术研究院（NIST）将全极化微波辐射计及其定标校准所涉及的有关专业名词和装置名称的术语加以规范化，并形成了正式出版物——《NIST Technical Note 1551—微波辐射测量学推荐术语》。

HUT公布的全极化辐射计校准方法的核心内容就是全极化辐射计斯托克斯矢量矩阵的生成方法，该方法可以生成满秩的斯托克斯矢量矩阵用于全极化辐射计的校准。但HUT并没有提出在诸多的斯托克斯矢量矩阵中，选取哪些矩阵可以获得更高的全极化辐射计校准精度。如果矩阵参数小的改变会引起解的大的改变，则称问题是病态的。因此，如果不对全极化辐射计斯托克斯矢量矩阵的病态性进行判定，当选取病态的斯托克斯矢量矩阵进行全极化辐射计校准时，微小的输入条件变化很可能会引起校准结果的较大变化。相当于拓宽了全极化辐射计校准结果的误差限，降低了校准精度。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于全极化微波辐射计的校准方法，解决现有方法不能在诸多可用于全极化辐射计定标校准的矩阵当中，选取能更有效控制定标结果误差限的矩阵进行校准的问题。

一种用于全极化微波辐射计的校准方法的具体步骤如下：

第一步  设定全极化微波辐射计校准装置的初值

全极化微波辐射计校准装置的初值包括：变温定标源A、变温定标源B、极化产生器、相位延迟板。变温定标源A包含的参数为变温定标源的发射率e及其物理温度T，两者相乘得到变温定标源A的输出亮温度T_b（A）=eT。变温定标源B包含的参数为变温定标源B的发射率e及其物理温度T，两者相乘可以得到变温定标源的输出亮温度T_b（B）=eT。极化产生器包括的参数有极化产生器线栅方向与被校辐射计垂直极化方向之间的夹角θ，以及极化产生器自身的物理温度T_G。相位延迟板包括的参数有相位延迟板快慢轴对不同极化方向电磁波产生的相对相移ζ，以及相位延迟板慢轴与被校辐射计垂直极化方向之间的夹角                                               。

第二步  确定过程矩阵

全极化辐射计的输出数据如公式（1）所示。

              （1）

公式（1）中，为全极化辐射计的低频输出响应矢量，为全极化辐射计的增益矩阵，其非对角线元素g_ij表示全极化辐射计“v”、“h”、“3”、“4”这四个通道之间的串扰；中的T_v、T_h、T₃、T₄为四个斯托克斯亮温度分量；o_v、o_h、o₃、o₄为补偿向量；为零均值高斯噪声；下角标“v”、“h”、“3”、“4”分别代表不同的斯托克斯分量。

对全极化辐射计定标校准得到和，即得到和中各个分量的值。

理想情况下，产生的过程矩阵中的任意一个行向量如公式（2）所示。

=                          （2）

其中，

=                      （3）

公式（3）中，如公式（4）和公式（5）所示。

=                                （4）

公式（5）中，α依次为“v”、“h”、“3”、“4”这四个角标。

=                     （5）

公式（5）中，中的非零项的计算公式如公式（6）、公式（7）、公式（8）、公式（9）、公式（10）、公式（11）、公式（12）所示，其中的l‖和l_⊥为相位延迟板相应方向上的损耗。

                       （6）

                （7）

                      （8）

    （9）

               （10）

                       （11）

                            （12）

公式（3）中的如公式（13）所示。

=                             （13）

公式（3）中的如公式（14）所示。

=                                 （14）

矩阵为极化产生器对水平和垂直两个方向上入射电磁波的反射、传输和损耗影响。r‖、t‖、L‖分别代表极化产生器对水平方向入射电磁波的反射、传输和损耗，通过测量得到；r_⊥、t_⊥、L_⊥分别代表极化产生器对垂直方向入射电磁波的反射、传输和损耗，通过测量得到。

公式（3）中的如公式（15）所示。

                                    （15）

第三步  确定矩阵

使用高斯随机数矩阵作为微扰矩阵，并附加到过程矩阵上面，用来模拟全极化辐射计校准时的真实环境，如公式（16）所示。

=+                                  （16）

第四步  确定矩阵的条件数

计算矩阵的条件数，即，其中为矩阵的算子范数，为的逆矩阵的算子范数。当不是方阵时，的求逆可转化为求的广义逆。

设初次得到的条件数为，然后对变温定标源A、变温定标源B、极化产生器、相位延迟板的参数进行循环更新。设总循环次数为n，更新的参数包括T_b（A）、T_b（B）、θ和。e，T_G和ζ由于在全极化辐射计校准试验中很难通过人为方式干预，所以不作为优化参数，只进行初值设置。

第五步  确定最小的。

重复确定过程矩阵、确定矩阵和确定矩阵的条件数，在所有的中，找到最小值。

                         （17）

将具有最小条件数的，即最终的定标反演矩阵带入公式（18）中，上角标-1代表求逆，得到待校准的和，如公式（1）所示。

                            （18）

公式（18）中，下角标a代表“v”、“h”、“3”、“4”这四个斯托克斯分量中的一个。o_a和中的其他元素，以及r_a（i）的含义与公式（1）相同。r后面括号中的数字i表示第i个观测值。

至此，完成全极化微波辐射计的校准。

本方法给出了在诸多可以用于全极化辐射计定标的向量中，选取哪些向量可以获得更高定标精度的一个判断依据。采用最小条件数优化后，得到的全极化辐射计校准矩阵具有更小的条件数，使得矩阵求逆的结果更加稳定，误差限会更小，可以提高全极化辐射计的定标精度。本发明方法的特征在于对全极化微波辐射计定标反演矩阵施加误差微扰矩阵，将定标源温度作为优化参数，以及用最小条件数作为全极化微波辐射计定标反演矩阵病态性判别的依据。

具体实施方式

一种用于全极化微波辐射计的校准方法的具体步骤如下：

第一步  设定全极化微波辐射计校准装置的初值

全极化微波辐射计校准装置的初值包括：变温定标源A、变温定标源B、极化产生器、相位延迟板。变温定标源A包含的参数为变温定标源的发射率e及其物理温度T，两者相乘得到变温定标源A的输出亮温度T_b（A）=eT。变温定标源B包含的参数为变温定标源B的发射率e及其物理温度T，两者相乘可以得到变温定标源的输出亮温度T_b（B）=eT。极化产生器包括的参数有极化产生器线栅方向与被校辐射计垂直极化方向之间的夹角θ，以及极化产生器自身的物理温度T_G。相位延迟板包括的参数有相位延迟板快慢轴对不同极化方向电磁波产生的相对相移ζ，以及相位延迟板慢轴与被校辐射计垂直极化方向之间的夹角。

第二步  确定过程矩阵

全极化辐射计的输出数据如公式（1）所示。

              （1）

公式（1）中，为全极化辐射计的低频输出响应矢量，为全极化辐射计的增益矩阵，其非对角线元素g_ij表示全极化辐射计“v”、“h”、“3”、“4”这四个通道之间的串扰；中的T_v、T_h、T₃、T₄为四个斯托克斯亮温度分量；o_v、o_h、o₃、o₄为补偿向量；为零均值高斯噪声；下角标“v”、“h”、“3”、“4”分别代表不同的斯托克斯分量。

对全极化辐射计定标校准得到和，即得到和中各个分量的值。

理想情况下，产生的过程矩阵中的任意一个行向量如公式（2）所示。

=                          （2）

其中，

=                      （3）

公式（3）中，如公式（4）和公式（5）所示。

=                                （4）

公式（5）中，α依次为“v”、“h”、“3”、“4”这四个角标。

=                     （5）

公式（5）中，中的非零项的计算公式如公式（6）、公式（7）、公式（8）、公式（9）、公式（10）、公式（11）、公式（12）所示，其中的l‖和l_⊥为相位延迟板相应方向上的损耗。

                       （6）

                （7）

                      （8）

    （9）

               （10）

                       （11）

                            （12）

公式（3）中的如公式（13）所示。

=                             （13）

公式（3）中的如公式（14）所示。

=                                 （14）

矩阵为极化产生器对水平和垂直两个方向上入射电磁波的反射、传输和损耗影响。r‖、t‖、L‖分别代表极化产生器对水平方向入射电磁波的反射、传输和损耗，通过测量得到；r_⊥、t_⊥、L_⊥分别代表极化产生器对垂直方向入射电磁波的反射、传输和损耗，通过测量得到。

公式（3）中的如公式（15）所示。

                                    （15）

第三步  确定矩阵

使用高斯随机数矩阵作为微扰矩阵，并附加到过程矩阵上面，用来模拟全极化辐射计校准时的真实环境，如公式（16）所示。

=+                                  （16）

第四步  确定矩阵的条件数

计算矩阵的条件数，即，其中为矩阵的算子范数，为的逆矩阵的算子范数。当不是方阵时，的求逆可转化为求的广义逆。

设初次得到的条件数为，然后对变温定标源A、变温定标源B、极化产生器、相位延迟板的参数进行循环更新。设总循环次数为n，更新的参数包括T_b（A）、T_b（B）、θ和。e，T_G和ζ由于在全极化辐射计校准试验中很难通过人为方式干预，所以不作为优化参数，只进行初值设置。

第五步  确定最小的。

重复确定过程矩阵、确定矩阵和确定矩阵的条件数，在所有的中，找到最小值。

                         （17）

将具有最小条件数的，即最终的定标反演矩阵带入公式（18）中，上角标-1代表求逆，得到待校准的和，如公式（1）所示。

                            （18）

公式（18）中，下角标a代表“v”、“h”、“3”、“4”这四个斯托克斯分量中的一个。o_a和中的其他元素，以及r_a（i）的含义与公式（1）相同。r后面括号中的数字i表示第i个观测值。

至此，完成全极化微波辐射计的校准。