本文關鍵詞：靜止軌道干涉式毫米波大氣探測儀動態(tài)目標觀測仿真分析　出處：《中國科學院國家空間科學中心》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：由于靜止軌道高度約為36000公里,利用傳統(tǒng)技術手段實現(xiàn)微波大氣探測需要研制高精度大口徑反射面天線,技術難度大,目前被動微波技術應用于靜止軌道氣象衛(wèi)星尚屬國際空白。靜止軌道干涉式毫米波大氣探測儀利用干涉式測量技術,通過稀疏天線陣列代替?zhèn)鹘y(tǒng)輻射計的大口徑真實孔徑天線,克服了傳統(tǒng)輻射計不適應星載應用的缺陷,并且在空間分辨率上具有更好的拓展空間,具備多頻探測能力,因而在靜止軌道微波探測中具有良好的應用前景。靜止軌道干涉式毫米波大氣探測儀主要面向大氣溫度和濕度探測,由于微波能夠穿透大部分云層和降水,提供云內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)信息,靜止軌道干涉式毫米波大氣探測儀與同軌道目前已配備的光學和紅外遙感器結(jié)合,能夠?qū)崿F(xiàn)云內(nèi)部溫度和濕度垂直分布以及降水的探測。靜止軌道衛(wèi)星與地球相對靜止,能實現(xiàn)地球固定區(qū)域的長時間凝視觀測,因而能在地球大范圍的的觀測上獲取極高的時間分辨率,靜止軌道干涉式毫米波大氣探測儀因此能有效監(jiān)測天氣情況的變化,對熱帶氣旋和強降水等突發(fā)性強、持續(xù)時間較短的災害性天氣系統(tǒng)的實時連續(xù)觀測具有突出的能力,并以此實現(xiàn)災害性天氣情況的預報和及時預警。目前靜止軌道尚未配備工作于微波頻段的被動遙感探測器,無法獲取靜止軌道微波頻段的實際觀測數(shù)據(jù),因而靜止軌道干涉式毫米波大氣探測儀缺乏針對其觀測目標亮溫變化特征的系統(tǒng)需求分析,而探測儀的系統(tǒng)仿真及數(shù)據(jù)處理流程也有待建立以實現(xiàn)探測儀針對特定觀測目標的成像性能仿真評估。因此,本文針對靜止軌道干涉式毫米波大氣探測儀及其觀測目標進行仿真分析,通過仿真手段評估探測儀系統(tǒng)對貼近真實的觀測目標的成像性能,并針對探測儀系統(tǒng)的成像誤差提出對測量數(shù)據(jù)的改進處理方法,具體進行了以下研究:(1)利用美國國家環(huán)境預報中心的全球再分析資料、數(shù)值天氣預報模式WRF和快速輻射傳輸模型RTTOV實現(xiàn)觀測目標的亮溫建模仿真,將仿真亮溫與目前在軌的極軌微波衛(wèi)星實測亮溫數(shù)據(jù)進行比對驗證目標建模仿真方法。通過該仿真建模手段模擬生成靜止軌道觀測視場內(nèi)50~56GHz頻段內(nèi)七個探測頻率通道對應的動態(tài)變化的亮溫分布,并選取靜止軌道干涉式毫米波大氣探測儀預計的主要觀測目標熱帶氣旋作為研究對象,從熱帶氣旋個例和全年所有熱帶氣旋的統(tǒng)計這兩個角度論述不同探測頻率時熱帶氣旋亮溫的時間變化特性和空間分布特征,以分析探測儀各頻率通道的時間/空間分辨率需求。(2)基于干涉式輻射測量的基本理論,并結(jié)合靜止軌道干涉式毫米波大氣探測儀利用稀疏圓環(huán)天線陣列自旋完成分時采樣的機制,模擬探測儀獲取可見度函數(shù)測量數(shù)據(jù)的觀測過程,并結(jié)合測量數(shù)據(jù)的處理和亮溫反演過程,實現(xiàn)靜止軌道干涉式毫米波大氣探測儀亮溫級端到端的模塊化系統(tǒng)仿真,通過單幀亮溫圖像驗證仿真系統(tǒng)的正確性,對探測儀在不同探測頻率時的成像性能進行評估,并利用平坦目標和多次迭代的重建亮溫進行亮溫差分反演改善探測儀的成像效果。(3)結(jié)合目標建模仿真獲取的亮溫動態(tài)變化的目標以及靜止軌道干涉式毫米波大氣探測儀的仿真系統(tǒng),通過調(diào)整探測儀的成像周期參數(shù),評估探測儀在不同的成像周期配置時,對動態(tài)變化目標的成像效果。針對目標亮溫動態(tài)變化為重建亮溫引入的誤差,提出結(jié)合卡爾曼濾波和三次樣條插值的算法以降低該誤差,并且在使用該算法前后,分別評估綜合孔徑觀測體制和傳統(tǒng)真實孔徑觀測體制觀測動態(tài)變化目標時的重建亮溫誤差,從而對比分析兩種技術體制在動目標觀測中的適用性。
【學位授予單位】：中國科學院國家空間科學中心
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP73

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本文編號：1321676