第九章-微波辐射计ppt课件.pptx

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1、第九章第九章 微波辐射计微波辐射计（Microwave Radiometer）12第一节第一节 微波辐射计微波辐射计 一、 微波辐射计简介 二、 在微波波段的辐射传输方程第二节第二节 海面的微波发射率海面的微波发射率 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算法第三节第三节 海面物理参数的遥感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第四节 雷达雷达 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第一节 微波

2、辐射计微波辐射计一、微波辐射计简介一、微波辐射计简介被动探测器：接收地球表面发出的辐射被动探测器：接收地球表面发出的辐射 主动微波雷达散射计、高度计和合成孔径主动微波雷达散射计、高度计和合成孔径 雷达雷达全天候探测器：微波能穿透云层全天候探测器：微波能穿透云层可探测物理量：可探测物理量： 海表面温度、盐度、风速、大气垂直温度和海表面温度、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星载微波辐射计及其特征-1-14卫星卫星传感器传感器波段波段(GHz)/通道通道美国美国Seasat-A & Nimbus-7多频率扫描微多频

3、率扫描微波辐射计波辐射计SMMR5波段波段9通道通道6.63/v, h10.69/h18.0/v, h21.0/v, h37.0/v, h美国国防气美国国防气象卫星象卫星DMSP专用传感器微专用传感器微波成像仪波成像仪SSM/I4波段波段7通道通道19.35/v, h22.235/v37.0/v, h85.5/v, h美国美国EOS-PM(Aqua)日本高级微波日本高级微波扫描辐射计扫描辐射计AMSR-E6波段波段12通道通道6.925/v, h10.65/v, h18.7/v, h23.8/v, h36.5/v, h89.0/v, hV：垂直极化：垂直极化H：水平极化：水平极化5星载微波辐射

4、计及其特征星载微波辐射计及其特征-2-2卫星卫星传感器传感器波段波段(GHz)/通道通道日本日本ADEOS-II高级微波扫描高级微波扫描辐射计辐射计AMSR8波段波段14通道通道6.925/v, h10.65/v, h18.7/v, h23.8/v, h36.5/v, h89.0/v, h50.3/v52.8/v日本日本JERS-1热带降雨任务热带降雨任务微波成像仪微波成像仪TRMM/MI5波段波段10通道通道10.7/v, h19.4/v21.3/v, h37.0/v, h89.0/v, h6微波辐射计用途微波辐射计用途测量目的测量目的探测仪探测仪用于气象卫星用于气象卫星大尺度低分辨率大尺度

5、低分辨率横跨轨道扫描横跨轨道扫描测量大气垂直温度和湿度剖面测量大气垂直温度和湿度剖面成像仪成像仪用于海洋卫星用于海洋卫星波段频率较低波段频率较低分辨率较高分辨率较高圆锥形扫描圆锥形扫描测量海表温度、海表盐度、海测量海表温度、海表盐度、海 面风速、大气柱水汽含量面风速、大气柱水汽含量7圆锥扫描几何示意圆锥扫描几何示意图图卫星观测角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保持观测角为常量以增加探测准确性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各卫星微波辐射计观测角卫星卫星/微波辐射计微波辐射计圆锥扫描观测角圆锥扫描观

6、测角()Seasat-A/SMMR49Nimbus-7/SMMR51DMSP/SSM/I53JERS-1/TRMM/MI53EOS-AQUA/AMSR-E55ADEOS-II/AMSR559海表面粗糙度海表面粗糙度水汽分子：吸收微波辐射水汽分子：吸收微波辐射电离层电离层宇宙背景微波辐射宇宙背景微波辐射影响微波辐射计探测的因素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信号微波辐射计接收辐亮度（亮温）微波辐射计接收辐亮度（亮温）辐亮度辐亮度F(海表面温度，盐度，海面粗糙度，海表面温度，盐度，海面粗糙度， 波浪破碎产生的白冠和气泡波浪破碎产生的白冠和气泡)6GHz附近：附近：Sea

7、sat-A SMMR盐度对辐亮度影响很小盐度对辐亮度影响很小辐亮度对海表温度非常敏感辐亮度对海表温度非常敏感6.63GHz和和49 观测角附近，垂直极化通观测角附近，垂直极化通道探测的辐亮度与风速无关道探测的辐亮度与风速无关11DMSP/SSM/I对地球物理参数观测使用的波段对地球物理参数观测使用的波段传感器传感器地球物理参数地球物理参数使用的波段使用的波段 (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

8、.235v, 37.0v 冰云、冰、雪85.5v, 85.5h 植被监测19.35(v, h)12AQUA/AMSR-E技术特征技术特征频率频率(GHz)6.92510.6518.723.836.589.0地面分辨率地面分辨率50 km25 km15 km5 km带宽带宽 (MHz) 3501002004001,0003,000极化极化V / H倾角倾角55 刈幅刈幅 1450 km动态范围动态范围2.7-340K 精度精度1KNET(K)0.3K0.6K1.1K量化精度量化精度12 bits10 bits13AQUA/AMSR-E全球海表温度全球海表温度14二、在微波波段的辐射传输方程二、在

9、微波波段的辐射传输方程微波频微波频率率300GHz 满足瑞利满足瑞利-金斯定律金斯定律可使用亮温代替辐亮度。可使用亮温代替辐亮度。辐射传输方程：辐射传输方程： ：位置：位置z z处的辐亮度处的辐亮度 ：传输路径上介质的吸收系数：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：与吸收气体温度相同的黑体发射的辐亮度( )( )( )abBabdL zL z kLz kdz( )L zabk( )BLz15根据方程根据方程(6-44)(6-44) ：光源表面辐亮度：光源表面辐亮度 ：吸收引起的光学厚度：吸收引起的光学厚度habBSdzhzkzLhLL0),(exp)(), 0(ex

10、psL(0, )h0(0, )( )habhkz dz光学厚度？光学厚度？16微波辐射传输方程的解微波辐射传输方程的解sec( , )sec0( )( )( )sechz hsBabLL eLz kz edz代代入瑞利入瑞利- -金斯定律金斯定律22( )(2/)bL ff kc T17( , )sec0( , )( , )( )( )sechz hsusabThetTThetTT z kz edz ：微波辐射计观测到的微波辐射计观测到的亮温亮温 ：大气向上辐射的亮温：大气向上辐射的亮温 ：微波辐射计所在高度：微波辐射计所在高度 ：卫星观测天顶角：卫星观测天顶角 ：海面发射率：海面发射率 ：海

11、表面温度：海表面温度 ：海面亮温：海面亮温 ：高度：高度z处大气温度处大气温度 ：大气吸收系数：大气吸收系数 ：海面：海面0 0到高空到高空h间大气层的透射率间大气层的透射率( , )Th( , )uThhesTseT( )T zabkt(0, )exp(0, )sec thh18考虑更多辐射源考虑更多辐射源192cos( , )( , )()sudgalsunThetTThtTt TTT ：海面菲涅耳反射率：海面菲涅耳反射率 ：大气向下辐射的亮温：大气向下辐射的亮温 ：银河系噪声等效温度：银河系噪声等效温度 ：宇宙黑体辐射等效温度：宇宙黑体辐射等效温度 ：太阳表面温度：太阳表面温度dtTga

12、lTcosTsunT200( )exp( , )sec sechuabTT z kz hdz0( )exp(0, )sec sechdabTT z kzdz大气向上、向下辐射的亮温大气向上、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、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：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光学厚度非常大大气层的透射率非常低大气层的透射率非常低21衰减系数吸收系数衰减系数吸收系数+ +散射系数散射系数可见光波段：可见光波段： 衰减主要因素为气溶胶散射衰减主要因素为气溶胶散射热红外、微波波段：热红外、微波

13、波段： 衰减主要因素为大气粒子吸收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、云中液态水微波波段：水汽、氧气、云中液态水aabsckkk22( , )( , )suThetTTh23第二节第二节 海面的微波发射率海面的微波发射率一、平静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，根据两介质界面处的基尔霍夫定律，( )1( )HHe ( )1( )VVe 24观测角为观测角为0 0度时，菲涅耳反射率随电磁波频率变化曲线度时，菲涅耳反射率随电磁波频率变化曲线观测角为观测角为0 0度时，度时，菲涅耳反

14、射率与极化状态无关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辐射计测量海表面盐度的参数选择微波频率：微波频率：L波段波段1.4GHz极化状态：垂直极化极化状态：垂直极化观测角观测角 ：010L波段、垂直观测条件下：波段、垂直观测条件下：亮温不受海面风速和海浪影响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风浪条件下：菲涅耳反射率受风影响海面风海面风风浪风浪粗糙度效应粗糙度效应浪花效应浪花效应海面斜率变化海面斜率变化天顶角、极化状态变化天顶角、极化状态变化海面发射率、反射率变化海面发射率、反射率变化探测亮温变化探测亮温变化白冠、泡沫薄层白冠、泡沫薄层微

15、波反射率增大微波反射率增大探测亮温变化探测亮温变化27二、粗糙海面的微波发射率二、粗糙海面的微波发射率亮温、发射率、海表温度关系式亮温、发射率、海表温度关系式bsTeT海面亮温海面亮温海表温度海表温度粗糙海面粗糙海面发射率发射率10( , , )sseefT S U28针对针对单个通道单个通道和和某个极化状态某个极化状态的算法的算法已知量：海面亮温、微波频率、极化状态已知量：海面亮温、微波频率、极化状态未知量：海表温度、盐度、风速未知量：海表温度、盐度、风速10( , , )bsssTefT S UT29两类发射率模型：两类发射率模型：两尺度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

16、粗糙海面的布拉格散射机制、镜面反射机制粗糙海面粗糙海面: :海面发射率与海面散射系数关系海面发射率与海面散射系数关系 ：卫星天顶角，：卫星天顶角， ：电磁波天顶角：电磁波天顶角 ：两尺度天顶角散射系数：两尺度天顶角散射系数镜面反射：菲涅耳反射率镜面反射：菲涅耳反射率/20( )1(, )sinSSSed s( , ,)r 30直接发射率模型直接发射率模型真实海洋微波辐射平静海面辐射真实海洋微波辐射平静海面辐射+ +海浪辐射海浪辐射 ：平静海面发射率：平静海面发射率 ：风引起的海面发射率变化：风引起的海面发射率变化 ：风引起的海面亮温变化：风引起的海面亮温变化000()bsssssTeTe Te

17、e Te TeT0ee,h vsTeT31直接发射率模型基于小斜率近似直接发射率模型基于小斜率近似Irisov (1998): 小扰动近似小扰动近似小斜率近似小斜率近似海面发射率海面发射率(小扰动近似小扰动近似, Wu&Fung, 1972)海面发射率海面发射率(小斜率近似小斜率近似, Irisov, 2000)32风引起的海面发射率变化风引起的海面发射率变化e2,0 0( , ,)( , , , ,)h vreW kgfkdkd ,(,)h vhvggg：小斜率近似导出的水平和垂直极化：小斜率近似导出的水平和垂直极化 状态的权重因子状态的权重因子：观测方位角：观测方位角(观测方向在海面投影与

18、观测方向在海面投影与 风向夹角风向夹角), k：积分方向上波浪波数和方向：积分方向上波浪波数和方向(积分方积分方 向上波浪与主波浪方向夹角向上波浪与主波浪方向夹角)( , ,)W k ：极坐标下风浪方向谱：极坐标下风浪方向谱33e( , ,)W k r10,U,hvgg德拜方程德拜方程,ssTS34小斜率近似海面发射率模型应用举例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殷晓斌等：平静海面和粗糙海面盐度遥感研究1、风的影响、风的影响35 随海表温度、盐度变化曲线hT1.4,0 ,0fGHz36 随海表温度、盐度变化曲线vT1.4,0 ,0fGHz372、风浪的影响

19、、风浪的影响风浪风浪能量分布能量分布在在顺风方向顺风方向和和逆风方向逆风方向上完全不同上完全不同卫星传感器卫星传感器不能分辨波浪的传播方向不能分辨波浪的传播方向(风向的风向的180不确定性不确定性),(0 )(180 )h vh vTT 38海面亮温变化随观测方位角变化曲线海面亮温变化随观测方位角变化曲线(小天顶角小天顶角)010亮温变化亮温变化亮温变化亮温变化39亮温变化亮温变化双极化双极化L波段微波段微波辐射计在较小波辐射计在较小天顶角条件下探天顶角条件下探测的海面亮温变测的海面亮温变化与风向无关化与风向无关10( )()( )( )( )hvshvTeeTTTU 40四、海面发射率的四、

20、海面发射率的SSM/I算法算法已知：已知： 海面亮温数据海面亮温数据 浮标观测数据浮标观测数据使用：使用： 统计分析方法统计分析方法得到：得到： 微波辐射计各波段海面发射率与风速、海表温度、微波辐射计各波段海面发射率与风速、海表温度、观测角关系观测角关系000()bsssssTeTe Tee Te TeT反演风速、海表温度反演风速、海表温度41第三节第三节 海面物理参数的遥感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在多频率扫描微波辐射计SMMR的反演海表面温的反演海表面温度的众多算法中，最成功的算法之一属于度的众多算法中，最成

21、功的算法之一属于统计统计的的反演反演方法，通常被称为方法，通常被称为D-矩阵方法。矩阵方法。这个方法假定这个方法假定SST与各个通道探测的亮温之间有与各个通道探测的亮温之间有简单的线性关系。简单的线性关系。42美国国防部美国国防部DMSP系列卫星装载的专用传感器微波系列卫星装载的专用传感器微波成像仪成像仪SSM/I使用使用D-矩阵方法反演矩阵方法反演SST的的SSM/I算算法法0123451(19.4 )(19.4)_SSM/I(22.2 )(37 )(37)BBBBBTVTHSSTD D D D D DTVTVTH系数由测量数据与浮标现场数据拟合系数由测量数据与浮标现场数据拟合4344二、微

22、波辐射计的海面风速反演算法二、微波辐射计的海面风速反演算法基于基于D-矩阵方法的矩阵方法的ETR反演算法反演算法(SSM/I)SSM/I-GSW算法算法SSM/I-GSWP算法算法45SSM/I-GSW算法算法012341(19.4 )_SSM/I(22.2 )(37 )(37)BBBBTVSSWD D D D DTVTVTH系数由测量数据与浮标现场数据利用线性回归方系数由测量数据与浮标现场数据利用线性回归方法拟合，并考虑了降雨影响法拟合，并考虑了降雨影响46SSM/I-GSWP算法算法1. 利用高空探测仪观测的现场水汽与利用高空探测仪观测的现场水汽与SSM/I测量数测量数据，拟合据，拟合SM

23、/I观测水汽观测水汽174.14.638ln300(19.4 )61.76ln300(22.2 )19.58ln300(37 )BBBWVTVTVTV2. 利用浮标风数据、观测的现场水汽与利用浮标风数据、观测的现场水汽与SSM/I测量测量数据，二次多项式曲线拟合得到浮标风与数据，二次多项式曲线拟合得到浮标风与SSM/I-GSW风的剩余误差风的剩余误差22COR2.130.21980.4008 10 ()WWVWV GSWPGSWCORWWWSSM/I-GSWP风速：风速：4748第四节第四节 雷达雷达一、雷达的波束宽度一、雷达的波束宽度孔径孔径D、发射权函数、发射权函数f(x)=1(均匀发射均

24、匀发射)的雷达天线：的雷达天线：波束宽度波束宽度=两个两个半功率点半功率点间的夹角间的夹角半功率点：辐射强度最大辐射强度一半半功率点：辐射强度最大辐射强度一半49波束宽度推导波束宽度推导50方向上的辐射强度方向上的辐射强度1()(0)2II2sin(sin)2()(0)sin2kDIIkD第四章公式第四章公式2sinsin()122sin()2kDkD51数值解数值解1.391sin()()22kD 若角度很小若角度很小sin()2.7822.78222sin()0.4432kDDD天线的半功率波束宽度或主瓣宽度天线的半功率波束宽度或主瓣宽度52二、天线的方向参数二、天线的方向参数1. 天线辐

25、射功率归一化方向分布天线辐射功率归一化方向分布max( , )( , )( , )|nIFI 2. 带有热衰减的天线功率方向分布带有热衰减的天线功率方向分布(增益增益)( , ),)IG 4（）1I( , d40tPP：辐射效率：辐射效率533. 方向系数方向系数4( , )( , )1( , )4nnFDFd ( , )( , )GD 54思考题思考题1. 影响微波辐射计接收海面辐亮度的因素有哪些？影响微波辐射计接收海面辐亮度的因素有哪些？2. 微波辐射传输方程微波辐射传输方程及其解及其解 。请解释上述方程中各项的意义，在何条件下可以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？得到下面的解？3. 课后习题课后习题2、4、7( )( )( )abBabdL zL z kLz kdz( , )( , )suThetTTh