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1、第二章 被动微波遥感原理及微第二章 被动微波遥感原理及微 波辐射计波辐射计1黑体热辐射的黑体热辐射的Planck定律定律RayleighJeans1. 黑体热辐射的黑体热辐射的Planck定律定律RayleighJeans 定律定律 a) Planck定律定律，RayleighJeans定律定律a) Planck定律定律，RayleighJeans定律定律 b) 亮温，视温亮温，视温 2微波辐射计系统微波辐射计系统2. 微波辐射计系统微波辐射计系统 a) 天线系统，天线温度天线系统，天线温度 b) 热噪声热噪声，噪声温度噪声温度，噪声系数噪声系数b) 热噪声热噪声，噪声温度噪声温度，噪声系数噪
2、声系数 c) 理想微波辐射计，迪克型辐射计理想微波辐射计，迪克型辐射计 d) 微波辐射计微波辐射计空空间分辨率间分辨率，微波辐射计成像微波辐射计成像，不确不确) 微波辐射计间分辨率微波辐射计间分辨率微波辐射计成像微波辐射计成像不确不确 定性原理定性原理 3. 微波辐射计的遥感应用微波辐射计的遥感应用 a) 微波辐射测量模型，极化效应，观测角效应，大 气效应，表面粗糙度效应微波辐射测量模型，极化效应，观测角效应，大 气效应，表面粗糙度效应 b) 土壤湿度土壤湿度海温海温海面盐度海面盐度冰雪冰雪b) 土壤湿度土壤湿度，海温海温，海面盐度海面盐度，冰雪冰雪辐射测量基础Planck定律()221hcB
3、T()521, 1hcBThc=exp1hc kT kT前面的是以波长为自变量前面的是以波长为自变量 以频率为自变量二者如何转换？二者如何转换？StefanBoltzmann定律4 400fBB dB dfT= 00Wien位移定律Wien位移定律最大辐射（B）对应的频率最大辐射（Bf）对应的频率 最大辐射（B）对应的波长换算回频率二者不同！Planck定律()2521, 1hcBThc=Rayleigh Jeans近似长波近似kT hcexp1kTRayleigh-Jeans近似，长波近似，kT hc是小量，指数函数进行一阶展开得hcexp1hchc kTkT +整个定律的近似结果为kTkT
4、kT()2ckTBT=整个定律的近似结果为()()42,22BTkTkTBT =()22,BTc=辐射亮度与T呈线性关系Rayleigh-Jeans近似的条件kT hcRayleigh-Jeans近似的条件，kT hc 对温度为300K的地物，究竟频率多低或波长多 长时才能使上述条件满足呢？长时才能使上述条件满足呢？波长为5毫米近似项是百分之一的波长为5毫米，近似项是百分之一的 小量，截断误差是104；-54 810hc 也就是说，波长大于5毫米，或频率 小于61010HZ（60GHZ），都能很 好地满足近似的条件54.810kT=好地满足Rayleigh-Jeans近似的条件波长为1 5毫米
5、（200GHZ）截断误波长为1.5毫米（200GHZ） ，截断误 差是103；辐射计接收的辐射通量为辐射计接收的辐射通量为( )221122( , ,) AvvkTWGddAL v Tdvdv=()212222kTkTB=B是辐射计的频率带宽 G是天线增益G是天线增益 微波辐射计测量的与辐射体的温度线性相关微波辐射计测量的与辐射体的温度线性相关， 亮温亮温TT亮温亮温Tb= T 比辐射率的问题仍然存在 微波辐射的问题般采用辐射传输方程在微微波辐射的问题一般采用辐射传输方程，在微 波波段，太阳辐射贡献与地物自身热辐射相比 太小可以忽略太小，可以忽略。微波辐射计微波辐射计天线温度Tau微波辐射计天
6、线温度 TA=Tau+ asTad+ aTs微波辐射计auasTad大气asadaTsTad地表地表SSM/I Passive Microwave Radiometer Image of SSM/I Passive Microwave Radiometer Image of the Amazon Basin Obtained at a Frequency ofthe Amazon Basin Obtained at a Frequency ofthe Amazon Basin Obtained at a Frequency of the Amazon Basin Obtained at a F
7、requency of 85 GHz with Vertical Polarization85 GHz with Vertical Polarization部分微波辐射计部分微波辐射计：MSR： Microwave Scanning Radiometer，MOS1，2g 波段Dicke辐射计。AMSRAdvanced Microwave Scanning RadiometerAMSR：Advanced Microwave Scanning Radiometer， ADEOSII上，6波段，4极化，5-60KM，NEdT: 0.3K, 精度：1K。, 精度SSMR，Scanning Multi-
8、channel Microwave Radiometer, Nimbus 7Nimbus-7, AIMR, Airborne Imaging Microwave Radiometer, JPLSSM/I, Special Sensor Microwave/Imager, DMSP, 4波段 ， 分辨率1545KM， 分辨率1545KM地物的发射率（或叫比辐射率）实际地物不是黑体，与电磁波作用存在吸收、反射和透射 Kirchhoff定律，在热平衡状态下，不透明物体，吸收率等于 发射率 1. 能量守恒定律，吸收率反射率透过率1 2. 一般不透明物体（半无限），透过率0，结合1，有 发射率吸收率1反
9、射率 4. 反射率与地表粗糙度有关。粗糙度大，入射辐射在地物中 反射次数增加，吸收大大增加，所以发射率增加。反射次数增加吸收大大增加所以发射率增加 5. 反射率还与复介电常数有关。复介电常数的定义： j”j 是实部，反映地物感应入射辐射的能力。 ”是虚部，反映地物对辐射的吸收衰减能力，虚部越大，对 是虚部，反映地物对辐射的吸收衰减能力，虚部越大，对 辐射的吸收衰减越多。土壤和水体的近似电磁特性介质波长电导率 (西门子/米)实部虚部海水3m20cm4.3807742025C10cm6.5693928C3 2166530 728C3.2cm166530.7蒸馏水23 C3.2cm126723淡水湖
10、1103102800 06淡水湖1m10-3-10-2800.060.60非常干燥的砂质土90 0321 62非常干燥的砂质土9cm0.0321.62非常潮湿的砂质土9cm0.62432.4非常干燥的地面1m10-440.006潮湿地面1m10-2300 6潮湿地面1m10300.6典型地物在不同微波波长时的发射率典型地物在不同微波波长时的发射率地物波长 目标3cm8mm目标 草地1.01.0 沥青0 980 98沥青0.980.98 混凝土0.860.92 干沙0.900.86 水面0 380 63水面0.380.63 金属面00电磁波在平面的反射电磁波在平面的反射Fresnel 定律定律电
11、磁波在平面的反射电磁波在平面的反射Fresnel 定律定律根据Maxwell定律，在平面应用边界条件，可根据Maxwell定律，在平面应用边界条件，可 分别得两个极化的强度反射率222sincosvr= 222sincosv+22sincossincoshr= +sincos+是入射角， 是复介电常数是入射角， 是复介电常数1. 介电常数小的地物（如沙）反射率大2. 介电常数大的地物（如水）反射率小，水的介电常数的实部远比其它地物大反射率小介电常数的实部远比其它地物大，反射率小，只有一般地物的4090只有般地物的40903. 含水量高的土壤反射率比干燥土壤低4. 含水量是（主、被动）微波遥感的
12、关键因素 比辐射率与观测角度有关 实际地物表面是粗糙表面，微波辐射的反 射率一般采用面散射理论计算射率般采用面散射理论计算 反射的方向存在复杂的分布，分布情况由 粗糙度决定 粗略划分粗糙度，依据微波波长和角度粗略划分粗糙度，依据微波波长和角度与微波辐射有 什么关系？什么关系？天线（Antenna）天线（Antenna）天线是自由空间传播的电磁波与传输线中传播的导波之间过天线是自由空间传播的电磁波与传输线中传播的导波之间过 渡的区域。作用类似光学遥感器中的透镜，在两种媒质间 起转换器和换能器的作用，是两种空间的界面。天线的基本辐射方程天线的基本辐射方程dIdvLQdd= QdtdtI电流电流的时
13、间变化是辐射的基础决定了辐射的强度I，电流，电流的时间变化是辐射的基础，决定了辐射的强度 L，电流元的长度 Q，电荷数 v，电荷的速度，辐射是电荷速度变化的结果， 辐射的方向主要分布在垂直于加速度的方向，辐射功率正比 于上式任何边的平方于上式任何一边的平方。从电路的观点看从电路的观点看各 种 形形 状状 的 天天 线线Film AntennaFilm Antenna描述天线特征的物理量描述天线特征的物量 天线方向图（Pattern，有的建议叫波瓣图， 认为）：天线接收或辐射的电磁波能量在空间各方向上分天线接收或辐射的电磁波能量在空间各方向上分 布的函数或图表 大多数天线是互易的即对于接收和发射
14、的方向大多数天线是互易的，即对于接收和发射的方向 图是一样的 天线方向图各不相同与天线形状直接相关天线方向图各不相同，与天线形状直接相关 只在理论上存在各向同性的天线，在理论分析中 作为参考基准刻画电磁波传播能量的物理量是Poynting矢量，方 向沿着电磁波传播方向正交于电场磁场向沿着电磁波传播方向，正交于电场、磁场在球坐标系中取传播方向为矢径方向电场磁场可沿两在球坐标系中，取传播方向为矢径方向，电场、磁场可沿两 个角矢量方向分解设设得得方向图方向图归一化方向图天线辐射波天线辐射波 瓣图的三维 表示表示天线辐射波瓣图的三维表示天线辐射波瓣图的三维表示关于天线波束宽度1.半功率波束宽度（HPB
15、W，half-power beamwidth），3dB波束宽度beamwidth），3dB波束宽度 2.第一零点波束宽度（FNBW，beamwidth between first nulls）between first nulls） FNBWHPBW，一般HPBW12FNBW dB=-10log10I/I0，取对数里面应该是无量纲量dB=-10log10I/I0，取对数里面应该是无量纲量 3dB对应12，0.5，50 例子假设F ()=cos20温度叠加全功率微波辐射计系统框图天线温度TA热噪声功率：一个负载（对应天线的辐射电阻）在 温度Tr的环境下的单位频带热噪声功率为温度Tr的环境下的单位频带热噪声功率为rpkT=k是B lt常数k是Boltzmann常数。 这样当接收机接收到的辐射功率与具有温度Tr的负载热噪声 功率一样测量的温度就是天线温度T总的噪声（接收）功率一样，测量的温度就是天线温度TA。总的噪声（接收） 功率 ApkT B=B是接收机带宽 对于点目标（与距离有关，目标立体角为S），高温目标S 也可能检测为低温，目标温度TS。ATT=sA STT=天线传输线接收机天线、传输线、接收机总的天线温度()()21TTFd = 总的天线温度实际系统中天线有效率问题
