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1、第九章 微波辐射计 （Microwave Radiometer） 1 2 第一节 微波辐射计 一、 微波辐射计简介 二、 在微波波段的辐射传输方程 第二节 海面的微波发射率 一、 平静海面的微波发射率 二、 粗糙海面的微波发射率 三、 基于小斜率近似的海面发射率模型 四、 海面发射率的SSM/I算法 第三节 海面物理参数的遥感 一、 微波辐射计的海表面温度反演算法 二、 微波辐射计的海面风速反演算法 第四节 雷达 一、 雷达的波束宽度 二、 天线的方向参数 三、 辐亮度与温度的关系 四、 天线的传输函数 第一节 微波辐射计 一、微波辐射计简介 被动探测器：接收地球表面发出的辐射 主动微波雷达散
2、射计、高度计和合成孔径 雷达 全天候探测器：微波能穿透云层 可探测物理量： 海表面温度、盐度、风速、大气垂直温度和 湿度剖面、大气中水汽含量和可降水量 3 星载微波辐射计及其特征-1 4 卫卫星传传感器波段(GHz)/通道 美国Seasat-A & Nimbus-7 多频频率扫扫描微 波辐辐射计计 SMMR 5波段 9通道 6.63/v, h 10.69/h 18.0/v, h 21.0/v, h 37.0/v, h 美国国防气 象卫卫星 DMSP 专专用传传感器微 波成像仪仪SSM/I 4波段 7通道 19.35/v, h 22.235/v 37.0/v, h 85.5/v, h 美国EOS
3、- PM(Aqua) 日本高级级微波 扫扫描辐辐射计计 AMSR-E 6波段 12通道 6.925/v, h 10.65/v, h 18.7/v, h 23.8/v, h 36.5/v, h 89.0/v, h V：垂直极化 H：水平极化 5 星载微波辐射计及其特征-2 卫卫星传传感器波段(GHz)/通道 日本ADEOS- II 高级级微波扫扫描 辐辐射计计AMSR 8波段 14通道 6.925/v, h 10.65/v, h 18.7/v, h 23.8/v, h 36.5/v, h 89.0/v, h 50.3/v 52.8/v 日本JERS-1热带热带 降雨任务务 微波成像仪仪 TRMM
4、/MI 5波段 10通道 10.7/v, h 19.4/v 21.3/v, h 37.0/v, h 89.0/v, h 6 微波辐射计用途 测量目的 探测仪 用于气象卫星 大尺度低分辨率 横跨轨道扫描 测量大气垂直温度和湿度剖面 成像仪 用于海洋卫星 波段频率较低 分辨率较高 圆锥形扫描 测量海表温度、海表盐度、海 面风速、大气柱水汽含量 7 圆锥扫描几何示意图 卫星观测角 微波辐射计接收到的海面辐亮度大小受观测角影响很大 保持观测角为常量以增加探测准确性 8 各卫星微波辐射计观测角 卫卫星/微波辐辐射计计圆锥扫圆锥扫 描观测观测 角() Seasat-A/SMMR49 Nimbus-7/SM
5、MR51 DMSP/SSM/I53 JERS-1/TRMM/MI53 EOS-AQUA/AMSR-E55 ADEOS-II/AMSR55 9 海表面粗糙度 水汽分子：吸收微波辐射 电离层 宇宙背景微波辐射 影响微波辐射计探测的因素 10 微波辐射计接收信号 微波辐射计接收辐亮度（亮温） 辐亮度F(海表面温度，盐度，海面粗糙度 ， 波浪破碎产生的白冠和气泡) 6GHz附近：Seasat-A SMMR 盐度对辐亮度影响很小 辐亮度对海表温度非常敏感 6.63GHz和49 观测角附近，垂直极化通道 探测的辐亮度与风速无关 11 DMSP/SSM/I对地球物理参数观测使用的波段 传感器地球物理参数使用
6、的波段 (GHz) SSM/I (DMSP) 海表面温度 19.35(v, h), 22.235v, 37.0(v, h) D-矩阵方法反演SST 海面风速 19.35v, 22.235v, 37.0(v, h) D-矩阵方法反演海面 风速 水汽19.35v, 22.235v, 37.0v 冰云、冰、雪85.5v, 85.5h 植被监测19.35(v, h) 12 AQUA/AMSR-E技术特征 频率(GHz)6.92510.6518.723.836.589.0 地面分辨率50 km25 km15 km5 km 带宽 (MHz) 3501002004001,0003,000 极化V / H 倾
7、角55 刈幅 1450 km 动态范围2.7-340K 精度1K NET(K)0.3K0.6K1.1K 量化精度12 bits10 bits 13 AQUA/AMSR-E全球海表温度 14 二、在微波波段的辐射传输方程 微波频率300GHz 满足瑞利-金斯定律 可使用亮温代替辐亮度。 辐射传输方程： ：位置z处的辐亮度 ：传输路径上介质的吸收系数 ：与吸收气体温度相同的黑体发射的辐亮度 15 根据方程(6-44) ：光源表面辐亮度 ：吸收引起的光学厚度 光学厚度？ 16 微波辐射传输方程的解 代入瑞利-金斯定律 17 ：微波辐射计观测到的亮温 ：大气向上辐射的亮温 ：微波辐射计所在高度 ：卫星
8、观测天顶角 ：海面发射率 ：海表面温度 ：海面亮温 ：高度z处大气温度 ：大气吸收系数 ：海面0到高空h间大气层的透射率 18 考虑更多辐射源 19 ：海面菲涅耳反射率 ：大气向下辐射的亮温 ：银河系噪声等效温度 ：宇宙黑体辐射等效温度 ：太阳表面温度 20 大气向上、向下辐射的亮温 对于波段选择在氧气或水汽的吸收带和附近频率、 用于测量大气参数的微波辐射计： 大气层的光学厚度非常大 大气层的透射率非常低 21 衰减系数吸收系数+散射系数 可见光波段： 衰减主要因素为气溶胶散射 热红外、微波波段： 衰减主要因素为大气粒子吸收 热红外波段：水汽、二氧化碳、臭氧 微波波段：水汽、氧气、云中液态水
9、22 23 第二节 海面的微波发射率 一、平静海面的微波发射率 根据两介质界面处的基尔霍夫定律， 24 观测角为0度时，菲涅耳反射率随电磁波频率变化曲线 观测角为0度时，菲涅耳反射率与极化状态无关 25 微波辐射计测量海表面盐度的参数选择 微波频率：L波段1.4GHz 极化状态：垂直极化 观测角 ：010 L波段、垂直观测条件下： 亮温不受海面风速和海浪影响 26 风浪条件下：菲涅耳反射率受风影响 海面风 风浪 粗糙度效应浪花效应 海面斜率变化 天顶角、极化状态变化 海面发射率、反射率变化 探测亮温变化 白冠、泡沫薄层 微波反射率增大 探测亮温变化 27 二、粗糙海面的微波发射率 亮温、发射率
10、、海表温度关系式 海面亮温 海表温度 粗糙海面 发射率 28 针对单个通道和某个极化状态的算法 已知量：海面亮温、微波频率、极化状态 未知量：海表温度、盐度、风速 29 两类发射率模型： 两尺度模型 粗糙海面的布拉格散射机制、镜面反射机制 粗糙海面:海面发射率与海面散射系数关系 ：卫星天顶角， ：电磁波天顶角 ：两尺度天顶角散射系数 镜面反射：菲涅耳反射率 30 直接发射率模型 真实海洋微波辐射平静海面辐射+海浪辐射 ：平静海面发射率 ：风引起的海面发射率变化 ：风引起的海面亮温变化 31 直接发射率模型基于小斜率近似 Irisov (1998): 小扰动近似小斜率近似 海面发射率(小扰动近似
11、, Wu&Fung, 1972) 海面发射率(小斜率近似, Irisov, 2000) 32 风引起的海面发射率变化e ：小斜率近似导出的水平和垂直极化 状态的权重因子 ：观测方位角(观测方向在海面投影与 风向夹角) ：积分方向上波浪波数和方向(积分方 向上波浪与主波浪方向夹角) ：极坐标下风浪方向谱 33 德拜方程 34 小斜率近似海面发射率模型应用举例 殷晓斌等：平静海面和粗糙海面盐度遥感研究 1、风的影响 35 随海表温度、盐度变化曲线 36 随海表温度、盐度变化曲线 37 2、风浪的影响 风浪能量分布在顺风方向和逆风方向上完全不同 卫星传感器不能分辨波浪的传播方向(风向的180 不确定
12、性) 38 海面亮温变化随观测方位角变化曲线(小天顶角) 亮温变化 亮温变化 39 亮温变化 双极化L波段微 波辐射计在较小 天顶角条件下探 测的海面亮温变 化与风向无关 40 四、海面发射率的SSM/I算法 已知： 海面亮温数据 浮标观测数据 使用： 统计分析方法 得到： 微波辐射计各波段海面发射率与风速、海表温 度、观测角关系 反演风速、海表温度 41 第三节 海面物理参数的遥感 一、微波辐射计的海表面温度反演算法 在多频率扫描微波辐射计SMMR的反演海表面温 度的众多算法中，最成功的算法之一属于统计的反 演方法，通常被称为D-矩阵方法。 这个方法假定SST与各个通道探测的亮温之间有 简单
13、的线性关系。 42 美国国防部DMSP系列卫星装载的专用传感器微波 成像仪SSM/I使用D-矩阵方法反演SST的SSM/I算 法 系数由测量数据与浮标现场数据拟合 43 44 二、微波辐射计的海面风速反演算法 基于D-矩阵方法的ETR反演算法(SSM/I) SSM/I-GSW算法 SSM/I-GSWP算法 45 SSM/I-GSW算法 系数由测量数据与浮标现场数据利用线性回归方法 拟合，并考虑了降雨影响 46 SSM/I-GSWP算法 1. 利用高空探测仪观测的现场水汽与SSM/I测量数 据，拟合SM/I观测水汽 2. 利用浮标风数据、观测的现场水汽与SSM/I测量 数据，二次多项式曲线拟合得
14、到浮标风与SSM/I- GSW风的剩余误差 SSM/I-GSWP风速 ： 47 48 第四节 雷达 一、雷达的波束宽度 孔径D、发射权函数f(x)=1(均匀发射)的雷达天线： 波束宽度=两个半功率点间的夹角 半功率点：辐射强度最大辐射强度一半 49 波束宽度推导 50 方向上的辐射强度 第四章公式 51 数值解 若角度很小 天线的半功率波束宽度或主瓣宽度 52 二、天线的方向参数 1. 天线辐射功率归一化方向分布 2. 带有热衰减的天线功率方向分布(增益) ：辐射效率 53 3. 方向系数 54 思考题 1. 影响微波辐射计接收海面辐亮度的因素有哪些 ？ 2. 微波辐射传输方程 及其解 。 请解释上述方程中各项的意义，在何条件下可以得 到下面的解？ 3. 课后习题2、4、7
