[发明专利]一种基于地基高光谱微波辐射计的大气廓线反演方法

摘要

本发明提供了一种基于地基高光谱微波辐射计的大气廓线反演方法，属于微波遥感技术领域。本方法包括以下步骤：设置地基微波辐射计的系统参数；获取背景参数以及背景场误差；建立辐射传输模型，确定大气辐射传输亮温；利用变分方法的迭代过程反演大气廓线。利用本发明可以通过地基高光谱微波辐射计得到精确反演的大气廓线，特别适用于多通道辐射计和先验数据不足的探测情况，能够完整地利用高光谱辐射计提供的大量频段信息，具有较强的适用性和较小的探测误差。

主权项

1.一种基于地基高光谱微波辐射计的大气廓线反演方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：设置地基微波辐射计的系统参数；所述系统参数包括探测频段，通道数量以及各通道频率和辐射计的探测误差；步骤2：获取背景参数以及背景场误差；所述背景参数表示为大气状态的平均值x_b，通过统计被反演地区探测日前具有共同特点的历史大气廓线探测结果得到，是大气廓线反演的先验数据；所述背景场误差反映了被反演地区大气廓线的准确性，表示为通过先验数据得到的背景场协方差矩阵B；步骤3：建立辐射传输模型，确定大气辐射传输亮温；所采用的辐射传输模型如下：TB=μ∫0ddzκa(z)T(z)exp(-μ∫0zdz′κa(z′))]]>其中，T_B为大气辐射传输亮温；参数μ＝secθ，θ为探测角度；d表示地面到大气顶层的高度；κ_a(z)为高度z处的吸收率；T(z)为高度z处的大气温度；步骤4：利用变分方法的迭代过程反演大气廓线，包括如下子步骤：步骤4.1：建立辐射计测量的大气辐射传输亮温与待反演的大气状态的关系；记x＝(x₁,x₂,…x_m)为描述大气状态的向量，为待反演的未知量，m为被反演地区研究范围内的高度层，x_m为m高度层的大气状态值；记y＝(y₁,y₂,…y_n)为辐射计测量的大气辐射传输亮温的向量，n为辐射计的通道数目，y_n为第n个通道的大气辐射传输亮温；采用前向模型F(x)表示y与x的关系：y＝F(x)+ε，ε为测量误差，是一个随机变量；步骤4.2：确定计算待反演未知量的目标函数；所述的目标函数J(x)如下：J(x)＝[x-x_b]^TB^-1[x-x_b]+[y-F(x)]^TR^-1[y-F(x)]通过下面方程寻找使得目标函数J(x)取得最小值时的x：H^TR^-1[y-F(x)]+B^-1[x-x_b]＝0其中，H为雅克比矩阵H(x)的简写，包括辐射计通道的大气辐射传输亮温对每个大气状态的偏微分；R为测量误差ε的协方差矩阵；上角标T和-1分别表示矩阵转置和矩阵求逆；步骤4.3：通过迭代求取目标函数的值，迭代公式为：x(i)=x(i-1)-[B-1+H(i-1)TR-1H(i-1)+γI]-1[H(i-1)TR-1(y-F(x(i-1)))-B-1(x(i-1)-xb)]]]>其中，i取正整数；x_(i)为大气状态向量第i次迭代的结果，x₍₀₎为初始迭代值；H_(i-1)为第i-1次迭代的雅克比矩阵，H₍₀₎根据初始迭代值x₍₀₎获得；I为单位对角阵，γ为levenberg-Marquardt参数并设定了初始值；判断迭代结果是否能接受：设当前迭代得到的大气状态向量的目标函数值为J(x_(i))，当满足条件J(x_(i-1))≥J(x_(i))时，接受本次迭代结果，否则不接受本次迭代结果；当接受本次迭代结果时，恢复γ的值为初始值，继续步骤4.4；否则，将参数γ的值翻倍并重新计算大气状态向量x_(i)，继续判断迭代结果是否能接受；步骤4.4：判断当前迭代是否达到如下收敛标准：[(F(x(i))-F(x(i-1)))]TSδy-1[(F(x(i))-F(x(i-1)))]<<n]]>其中，S_δy为测量值y与F(x_(i-1))的协方差矩阵；当满足收敛标准时，结束迭代，输出最终迭代得到的大气状态向量的值；否则继续转步骤4.3进行迭代。