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基于深度学习和使用S-NPP CRIS FSR数据的云探测

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基于深度学习和使用S-NPP CRIS FSR数据的云探测

作者：张梦凡电子科技大学

学位级别：硕士

云探测是卫星遥感领域一个重要且具有挑战性的问题。准确地探测云,并将被云污染的数据剔除掉,对保证数值天气预报系统的准确性有着重要意义。田等人于2020年利用美国Suomi国家极地轨道伙伴卫星（S-NPP）上的交叉轨道红外探测器（CrIS）... 详细信息

云探测是卫星遥感领域一个重要且具有挑战性的问题。准确地探测云,并将被云污染的数据剔除掉,对保证数值天气预报系统的准确性有着重要意义。田等人于2020年利用美国Suomi国家极地轨道伙伴卫星（S-NPP）上的交叉轨道红外探测器（CrIS）和可见光红外成像辐射计套件（VIIRS）两种仪器数据,设计并推导出全频段云检测指标（FCDI）来进行云探测。该方法被证明可以定量地探测云,但在数据集、通道匹配和训练模型等方面的研究不够完善,导致最终的探测准确率不高。本文在此方法的基础上进一步探讨,重新设计通道匹配方法,建立更大且更精确的数据集,并提出基于深度学习和注意力机制的特征提纯注意力网络（FRAnet）。本文的主要研究内容如下。1.根据CrIS仪器全频段通道的通道特性,设计一套新算法来进行通道间的两两配对。具体而言,放宽云敏感级别匹配条件,同时不再使用通道模拟亮度温度的标准偏差作为筛选条件,而是使用线性拟合结果的均方根误差（RMSE）,以保证通道对在晴空下具有高线性拟合度。更进一步,根据高度设置不同的RMSE阈值,来表示不同波段组合的物理特性。最终所得通道对有潜力探测位于不同高度的云。2.在数据集的构建过程中,充分考虑季节变化带来的影响,使用包含四个季节共37天的数据作为训练集,覆盖不同季节的亮度温度变化。增加线性拟合数据量以获得更精确的拟合系数。同时,改进了田等人制作云标签时基于经验的算法,本文对CrIS数据和VIIRS数据进行时空上的精确匹配以提高云标签的准确性。3.为了充分挖掘红外通道对的云探测潜力,进一步提高云探测准确率,本文提出基于深度学习和注意力机制的特征提纯注意力网络,即FRAnet。提出的网络主要包括通道扩展结构和特征增强结构。通道扩展结构通过卷积网络提取通道对的互相关信息,来对输入信息进行扩展。特征增强结构通过注意力机制赋予重要特征更大的权重,来重视云表征能力更大的相关特征。该网络可以利用大量的样本数据,挖掘红外通道对之间的内部关系,实现高精度的云探测。本文得到226个红外通道对,FRAnet的云探测准确率从田等人的80.10%提高到87.81%。其中,红外通道对组相较单通道对的探测准确率提高了5%,FRAnet的探测准确率相较业内所使用学习模型提高了1%以上。实验结果证明本文所得226个红外通道对具有良好的云表征能力,且FRAnet模型可以有效地进行云探测。

关键词：云探测 CrIS 红外数据深度学习注意力机制

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基于免疫抗体编码机理的卫星图像云探测

北京航空航天大学学报 2007年第4期33卷 440-444页

作者：郑红曹琼韩宇北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100083

针对卫星遥感图像中云与下垫面的复杂性和多样性,提出了一种新的在复杂背景下常用目标图像描述方法.通过类比生物免疫抗体特异性与其构成单元氨基酸性质的相关性,得到目标图像的免疫基元集合形式及其分类方法.借鉴生物免疫抗体编码顺序... 详细信息

针对卫星遥感图像中云与下垫面的复杂性和多样性,提出了一种新的在复杂背景下常用目标图像描述方法.通过类比生物免疫抗体特异性与其构成单元氨基酸性质的相关性,得到目标图像的免疫基元集合形式及其分类方法.借鉴生物免疫抗体编码顺序中氨基酸结合能量最小原则,统计分析出训练样本的免疫基元亲和度计算公式,实现了目标图像描述的有限多特征优化组合.对于云检测问题,最终提出云的免疫抗体编码方法,定义了云的免疫亲和度计算公式,并成功构建了云免疫抗体.经200幅IKONOS卫星图像测试,验证了该方法在识别率和运行时间效率方面的有效性.

关键词：卫星图像云探测人工免疫

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基于层次分析法的云探测作战效能评估

飞机设计 2019年第5期39卷 46-51页

作者：杨东岳周博强沈阳飞机设计研所辽宁沈阳110035

信息化空战中,传统的单机作战模式已不再适用,取而代之的是多机种编队协同作战。云协同已成为未来空战的关键词。云探测能力作为云协同作战中的重要指标而备受关注,但针对云探测的作战效能评估方法却寥寥无几。文中针对上述问题,阐述了... 详细信息

信息化空战中,传统的单机作战模式已不再适用,取而代之的是多机种编队协同作战。云协同已成为未来空战的关键词。云探测能力作为云协同作战中的重要指标而备受关注,但针对云探测的作战效能评估方法却寥寥无几。文中针对上述问题,阐述了云探测的重要性,使用德尔菲咨询法构建了云探测的能力指标,首次引用层次分析法对云探测的作战效能进行了相对客观的系统评估,并进行试验分析,实现云探测的作战效能评估方法,为云探测的作战效能评估提供科学依据。

关键词：云探测效能评估指标体系构建层次分析法

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2008年北京一次春季层状云探测分析

干旱气象 2008年第4期26卷 35-40页

作者：金华马新成黄梦宇何晖李睿劼周嵬北京市人工影响天气办公室北京100089

利用云和降水探测设备(DMT-PMS)对一次层状云降水过程进行了探测。分析发现CAS(云及气溶胶粒子探头)在该弱降水云中测得的云粒子平均浓度大于FSSP在其他地区层状云中所测平均值,CIP(二维云粒子图像探头)与2D-C及2D-GA2所测冰晶粒子平均... 详细信息

利用云和降水探测设备(DMT-PMS)对一次层状云降水过程进行了探测。分析发现CAS(云及气溶胶粒子探头)在该弱降水云中测得的云粒子平均浓度大于FSSP在其他地区层状云中所测平均值,CIP(二维云粒子图像探头)与2D-C及2D-GA2所测冰晶粒子平均浓度接近,PIP(二维降水粒子探头)与2D-P所测降水粒子平均浓度相当。观测发现云区雪晶浓度与冰晶浓度呈正相关关系,在冰晶浓度104个/m3的时刻,雪晶、冰晶浓度之比不因冰晶浓度变化而变化。温度为-10～-12℃的云区云水条件丰富,有较多的冰晶在该层孕育;降水粒子在温度-7～-10℃的云区生长。温度为-5～-7℃的云区云水不丰富,降水粒子蒸发变小;温度为-4～-5℃的云区仅有少量的降水粒子。

关键词： DMT—PMS 云探测云粒子降水粒子

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一次北京春季层状云探测分析

一次北京春季层状云探测分析

中国气象学会2008年年会大气物理学分会场

作者：金华马新成黄梦宇何晖李睿劼周嵬北京市人工影响天气办公室

利用云和降水探测设备（DMT-PMS）对一次层状云降水过程进行了探测,分析发现:CAS所测云粒子平均浓度较以往PMS所测值大,CIP与2D-C及2D-GA2所测冰晶粒子平均浓度接近,PIP与2D-P所测降水粒子平均平均浓度相当。观测还发现云区雪晶浓度与... 详细信息

利用云和降水探测设备（DMT-PMS）对一次层状云降水过程进行了探测,分析发现:CAS所测云粒子平均浓度较以往PMS所测值大,CIP与2D-C及2D-GA2所测冰晶粒子平均浓度接近,PIP与2D-P所测降水粒子平均平均浓度相当。观测还发现云区雪晶浓度与冰晶浓度呈正相关关系,在冰晶浓度小于104时,雪晶、冰晶浓度之比与冰晶浓度间为负相关关系;在冰晶浓度大于104的时刻,雪晶、冰晶浓度之比不因冰晶浓度变化而变化。云上部温度范围为-10～-12℃,有较多的冰晶在该层丰富的云水条件下孕育;云中上部温度-7～-10℃,为降水粒子生长层。云中下部,温度-5～-7℃,云水不丰富,降水粒子蒸发变小;云下部,有少量降水粒子。

关键词： DMT-PMS 云探测云粒子降水粒子

来源： cnki会议评论

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SPEC机载云探测系统及其云物理研究进展

暴雨灾害 2021年第3期40卷 280-286页

作者：刘思瑶赵传峰周毓荃北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院北京100875 中国气象局云雾物理环境重点开放实验室北京100081

在综合介绍我国机载云探测系统的发展历程、应用情况和优缺点的基础上,对新一代机载云探测系统SPEC的系统组成、探测原理、探测方法和探测范围等进行了详细说明,并探讨了近年来国内外相关研究进展。随着科学研究人员对云探测精细程度、... 详细信息

在综合介绍我国机载云探测系统的发展历程、应用情况和优缺点的基础上,对新一代机载云探测系统SPEC的系统组成、探测原理、探测方法和探测范围等进行了详细说明,并探讨了近年来国内外相关研究进展。随着科学研究人员对云探测精细程度、准确度要求的日益提高,以往使用的粒子观测系统(PMS)等云探测系统已无法满足一些科学试验的需求;SPEC与很多其他云探测系统相比,在精密程度、探测粒子的信息量、分辨率等方面具有很大的探测优势,这对于云物理更深入的研究是非常重要的。国外研发并应用SPEC系统已有几十年的时间,而我国近年开始引进并越来越多地使用这套探测系统来探究云的宏微观物理特性,这必将使得对云物理的理解更加深入。

关键词：机载云探测系统机载探头云探测云物理粒子观测系统

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机载雷达探测数据仿真平台设计与实现

热带气象学报 2012年第4期28卷 557-563页

作者：纪雷王振会黄兴友滕煦赵凤环吴彬张培昌南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室江苏南京210044 南京信息工程大学大气物理学院江苏南京210044

为了便于研究诸多因素对云降水雷达探测回波强度的影响,设计开发了雷达探测回波强度定量计算软件,即雷达探测数据仿真平台"SimRAD"(Simulating airborne Radar detection and Data processing),通过输入雷达发射频率,大气状态参数(高度... 详细信息

为了便于研究诸多因素对云降水雷达探测回波强度的影响,设计开发了雷达探测回波强度定量计算软件,即雷达探测数据仿真平台"SimRAD"(Simulating airborne Radar detection and Data processing),通过输入雷达发射频率,大气状态参数(高度、气压、气温、相对湿度)以及水成物相态、滴谱分布、含量等信息,使用云降水雷达观测和衰减订正理论进行计算,可以模拟出水成物的雷达回波强度以及水成物和大气衰减的垂直廓线,并且可以对雷达回波进行衰减订正。

关键词： SimRAD 机载毫米波雷达衰减订正云探测模拟仿真

机载W波段雷达衰减订正方法的不同云型模拟对比研究

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热带气象学报 2018年第2期34卷 260-267页

作者：纪雷王振会黄兴友张培昌安徽省人工影响天气办公室安徽合肥230031 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局气溶胶-云-降水重点实验室江苏南京210044 南京信息工程大学大气物理学院江苏南京210044

为了探讨适用于机载W波段(94 GHz,3.2 mm)测云雷达的衰减订正算法,根据大气和云的毫米波衰减理论,模拟在5种典型参数情况下的非降水云雷达回波强度,基于回波强度Z与云衰减系数kc之间的关系,使用解析法等5种衰减订正算法进行回波订正试验... 详细信息

为了探讨适用于机载W波段(94 GHz,3.2 mm)测云雷达的衰减订正算法,根据大气和云的毫米波衰减理论,模拟在5种典型参数情况下的非降水云雷达回波强度,基于回波强度Z与云衰减系数kc之间的关系,使用解析法等5种衰减订正算法进行回波订正试验,寻求最优kc-Z关系系数,同时研究改变云液态水含量和云滴数密度(使典型云变成为非典型云)对订正效果的影响。结果表明,W波段kc-Z关系系数a=5.096 5和b=0.491 9适用的云型接近于典型层积云,而逐库类法订正效果优于解析法和迭代法。在使用最佳kc-Z关系系数情况下,5种订正算法对典型云的订正效果都较好,即使云厚增加到典型云厚度的2倍,订正误差仍小于5%。对于改变云液态水含量、云滴数密度、云厚度而表示的非典型云,虽然逐库法订正结果略优于逐库近似2法和逐库近似1法,但效果相近,在云不太厚时订正误差均小于10%。如果用"φ≤10%或20%"来评价其适用范围更广些,优于解析法和迭代法。但逐库类法对云液态水含量较敏感,导致"可订正厚度"减小、误差增大。因此,要尽量做好云型和云液态水含量的估算。

关键词：机载测云雷达 W波段衰减订正云探测模拟仿真

机载雷达探测资料处理仿真平台的设计与模拟实验

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机载雷达探测资料处理仿真平台的设计与模拟实验

作者：纪雷南京信息工程大学

学位级别：硕士

云在大气系统中有着重要的作用,毫米波测云雷达是获取云宏观和微观结构的重要手段。为了研究云中水成物粒子宏观和微观结构等多种因素对机载雷达探测回波强度的影响,本文首先按照云的毫米波雷达观测和衰减订正理论,设计开发一种机载雷... 详细信息

云在大气系统中有着重要的作用,毫米波测云雷达是获取云宏观和微观结构的重要手段。为了研究云中水成物粒子宏观和微观结构等多种因素对机载雷达探测回波强度的影响,本文首先按照云的毫米波雷达观测和衰减订正理论,设计开发一种机载雷达探测数据处理仿真软件平台SimRAD,然后利用SimRAD模拟计算研究不同云参数情况下的雷达回波以及衰减订正问题。SimRAD使用Fortran90语言编写,编译环境为Compaq Visual Fortran6.6.C,可在windows平台下运行。SimRAD源程序由15个Fortran文件和4个参数文件组成,主要分为基本参数输入、中间计算和结果输出等三部分。通过输入雷达发射频率,大气状态参数以及水成物相态、滴谱分布、含量等信息,可以模拟计算出水成物的雷达回波强度以及水成物和大气衰减的垂直廓线。使用SimRAD数值模拟了6种典型非降水云的雷达回波强度,并基于雷达回波强度Z与云衰减系数k之间的关系,使用解析法、迭代法、逐库近似1法、逐库近似2法以及逐库法,进行雷达回波衰减订正实验,同时研究在改变6种典型云的液态水含量和云滴数密度之后(成为非典型云),5种订正算法的订正效果。结果表明,利用毫米波段的典型k-Z关系系数a、b,5种订正算法对6种典型云的订正效果中,典型高层云相对误差较小(云相对误差约在15%,其余4种典型云相对误差均较大;在分别得到5种订正算法对6种典型云的最佳订正k-Z关系系数a、b后,全部订正效果都小于2%,即使云厚增加到典型云厚度的2倍,相对误差仍小于5%;在非典型云情况下,解析法容易产生订正计算不稳定;迭代法在云参数偏离典型云不大的情况下,在典型云厚度内,订正效果的相对误差可小于10%;两种逐库近似法和逐库法的订正效果比较接近,对液态水含量不变的非典型云订正效果较好,即使云厚增加到典型云厚度的2倍,相对误差一般小于10%。

关键词：机载毫米波雷达云探测 SimRAD 衰减订正模拟仿真