遙感第七章輻射計(jì)

1、第七章 輻射計(jì)§7.1輻射計(jì)(radiometer)輻射計(jì)是被動(dòng)遙感（passively remote sensing）傳感器。輻射計(jì)只接收海面或大氣的輻射，從中提取物理信息，而不發(fā)射探測(cè)電磁波。輻射計(jì)包括可見光和紅外波段輻射計(jì)以及微波輻射(Microwave Radiometer)?？梢姽夂徒t外波段輻射計(jì)（Visible and Near-infrared Radiometer）在水色衛(wèi)星上用來(lái)遙感海水葉綠素濃度、懸浮泥沙濃度以及海水光學(xué)衰減系數(shù)等。熱紅外波段輻射計(jì)（Thermal Infrared Radiometer)在氣象衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星上用來(lái)遙感海面溫度。微波輻射計(jì)在海洋衛(wèi)

2、星上用來(lái)遙感海面溫度、海面風(fēng)速和風(fēng)向、海面上空水汽濃度、降水率等，在航空遙感飛機(jī)上用來(lái)遙感海面鹽度。目前正在運(yùn)行的可見光和紅外波段寬帶輻射計(jì)包括我國(guó)風(fēng)云1號(hào)裝載的多通道可見光和紅外掃描輻射計(jì)MVISR（Multi-function Visible and Infrared Scanning Radiometer），美國(guó)NOAA衛(wèi)星裝載的改進(jìn)型甚高分辨率輻射計(jì)AVHRR（Advanced Very High resolution Radiometer）。目前正在運(yùn)行的可見光和紅外波段窄帶輻射計(jì)包括我國(guó)海洋1號(hào)裝載的中國(guó)水色和溫度傳感器COCTS（Chinese Ocean Color &

3、 Temperature Scanner）、美國(guó)SeaStar裝載的寬視場(chǎng)海洋觀測(cè)傳感器SeaWiFS（Sea-Viewing Wide Field-of-View Sensor）和美國(guó)衛(wèi)星EOS-AM（Terra）和EOS-PM（Aqua）裝載的中等分辨率成像光譜儀MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectro-Radiometer)。其中，AVHRR、COCTS和MODIS包括熱紅外波段；此外，歐空局衛(wèi)星的ERS裝載的沿軌跡掃描輻射計(jì)ATSR（Along-Track Scanning Radiometer）也屬于熱紅外波段輻射計(jì)。熱紅外波段的傳感器可用

4、于探測(cè)海表面溫度；可見光和近紅外波段窄帶輻射計(jì)可用于探測(cè)海洋水色和大氣氣溶膠光學(xué)厚度；可見光和紅外波段寬帶輻射計(jì)一般用于氣象和陸地遙感。目前正在運(yùn)行的微波輻射計(jì)包括美國(guó)DMSP裝載的專用傳感器微波成像儀SSM/I，日本ADEOS-II衛(wèi)星裝載的高級(jí)微波掃描輻射計(jì)AMSR(Advanced Microwave Scanning Radiometer) ，美國(guó)EOS-PM（Aqua）衛(wèi)星裝載的日本國(guó)家航天發(fā)展局資助的AMSR-E （Advanced Microwave Radiometer for EOS），美國(guó)與法國(guó)合作發(fā)射的高度計(jì)衛(wèi)星Jason-1裝載的Jason-1微波輻射計(jì)JMR (Jas

5、on-1 Microwave Radiometer)。此外，還有許多微波輻射計(jì)，本書沒有全部介紹。微波輻射計(jì)可以全天候探測(cè)海表面溫度、大氣中水汽含量和可降水量。§7.2 熱紅外輻射計(jì)對(duì)海表面溫度的觀測(cè)（Thermal Infrared Radiometer Observation of the Sea Surface Temperature）§7.2.1 海表面溫度的紅外遙感和大氣校正紅外傳感器最初應(yīng)用在軍事方面，如早期的夜間瞄準(zhǔn)具、紅外夜視器等。近30年來(lái)，紅外遙感在海洋、 陸地環(huán)境和資源調(diào)查方面的應(yīng)用日益廣泛。主要用于探測(cè)云層、海水、陸地的表層溫度及水中生物、植被構(gòu)成，

6、檢測(cè)火山、森林火災(zāi)等。紅外傳感器的種類很多，一般可分作兩類：可見光和近紅外波段輻射計(jì)、以及熱紅外波段輻射計(jì)?？梢姽夂徒t外波段輻射計(jì)的應(yīng)用最廣，6000K的太陽(yáng)在此頻率范圍的輻射度最大，很多輻射計(jì)都工作在這一區(qū)域。熱紅外波段對(duì)應(yīng)于300K的地球表面輻射度最大的波段。根據(jù)普朗克黑體輻射定律，在熱紅外波段輻射計(jì)接收到的輻射功率代表著地球表面的“冷”或者“熱”，因此，地球表面輻射照度最大的波段被稱為熱紅外波段（見圖 4-3）。熱紅外信號(hào)一般較弱，但由于其波長(zhǎng)較長(zhǎng)，具有很大的繞射能力和穿透能力，不易受到霧、煙塵和氣溶膠的影響；即使穿過大氣層，熱紅外遙感也能夠測(cè)到比較清晰的圖像。使用衛(wèi)星觀測(cè)海表面時(shí)，大

7、氣對(duì)海面紅外信號(hào)的衰減屬于噪音；因此大氣校正是熱紅外遙感中的不可缺少的環(huán)節(jié)。在熱紅外波段，大氣對(duì)海面輻射的影響主要是通過吸收輻射和自發(fā)輻射的相互作用進(jìn)行的。圖7-1中表示了不同大氣成分在不同波長(zhǎng)的吸收率。在大氣中只有二氧化碳的成分及分布是穩(wěn)定的，而臭氧處于20-30km的高空，且白天的濃度大于晚上；水蒸氣處于大氣的底層（大約10km），水平分布變化很大，隨時(shí)間的變化也很大。大氣層的溫度比海面溫度要低。大氣中各成分吸收了海面輻射后變成大氣的內(nèi)能，以較低的溫度向外輻射，從而使光譜的峰值移向較長(zhǎng)的波長(zhǎng)。所以大氣效應(yīng)減小了到達(dá)傳感器的輻射，也改變了在不同通道（波段）接收到的輻射度值。 圖7-1：紅外波

8、段上不同大氣成分的吸收率除大氣的影響外，紅外傳感器的誤差源還有紅外傳感器本身。根據(jù)普朗克黑體輻射定律，輻射率的熱噪音產(chǎn)生的誤差都可能造成溫度測(cè)定的極大誤差，因此要求輻射計(jì)具有較高的穩(wěn)定性。輻射計(jì)的頻率分辨率取決于傳感器的噪聲和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。傳感器的噪聲是目標(biāo)溫度和轉(zhuǎn)換器電輸出之和的積分時(shí)間的函數(shù)，轉(zhuǎn)換器用于將輻射能量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，積分時(shí)間越長(zhǎng)，消除熱隨機(jī)噪音就越容易。云是海面溫度遙感中必須剔除的因素。由于云的范圍變化很大，所以這種剔除要在逐個(gè)象元上進(jìn)行。消除云的方法一般可采用：1）最大溫度法：海表面溫度與云表面溫度相比要高，海表面溫度變化的時(shí)間梯度（或空間梯度）與云表面溫度變化的時(shí)間梯

9、度（或空間梯度）相比要低。若條件滿足，則可認(rèn)為是海面溫度值，否則可認(rèn)為是云。這種方法對(duì)穩(wěn)定薄云和不清晰云的情況并不適用。2）多波段方法：這種方法依賴于兩種不同的紅外波長(zhǎng)（一般為3.7和10.5微米）上的亮度和溫度之間的非線形關(guān)系。如果在溫暖的海面上覆蓋分散的不清晰的云，則其圖象在兩個(gè)波段上將給出兩種不同的亮溫；若是均勻的云塊或海面，則其圖象上將有相同的亮溫。雨云在可見光下的圖像是明顯的。3）圖像目測(cè)判斷法。海表面溫度（SST）的反演依據(jù)普朗克黑體輻射定律計(jì)算，海水的發(fā)射率（又成為“灰度”）在熱紅外波段由經(jīng)驗(yàn)確定，一般設(shè)為接近于1的一個(gè)常數(shù)。因?yàn)榇髿鈱?duì)不同波長(zhǎng)不同時(shí)間的紅外遙感有不同的影響效應(yīng)，

10、根據(jù)大氣對(duì)不同波段的電磁波譜的影響不同,可是用不同波段測(cè)量的線性組合來(lái)消除大氣的影響,從而得到海表面溫度（SST）。因此使用多通道技術(shù)對(duì)消除大氣影響是非常有效的。例如，在NOAA氣象衛(wèi)星的AVHRR資料處理中，人們經(jīng)常使用多通道大氣校正的經(jīng)驗(yàn)算法。紅外輻射計(jì)資料經(jīng)過大氣校正后，還要進(jìn)一步作物理海洋學(xué)方面的訂正。因?yàn)橹挥薪咏Ｃ娣浅１〉乃畬拥乃肿影l(fā)射的紅外輻射能夠溢出水面，所以表層水分子的溫度表征了輻射性質(zhì)，控制著遙測(cè)的亮度溫度。該表層的實(shí)際厚度是隨輻射波長(zhǎng)而變化的，對(duì)于我們感興趣的3-15m的紅外波長(zhǎng)來(lái)說(shuō), 該表層的厚度只有0.1mm；一般地，人們稱這一表層為皮層。因此遙感探測(cè)的只是海洋的皮

11、層溫度,這與海洋學(xué)中所講的表層水溫(表層1m厚水層的溫度)有本質(zhì)的差異。平均來(lái)說(shuō),除極地海域外,大洋的垂直溫度結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)之一就是存在著主溫躍層。在溫躍層之上有50-200m的混合層。在低緯海區(qū)，混合層一直可以擴(kuò)展到表層。在中緯度海區(qū)也有類似結(jié)構(gòu)。在一天中，由于日照的關(guān)系常常造成具有較高溫度的皮層，特別是在強(qiáng)烈日照且風(fēng)力較弱的夏季，會(huì)形成晝?nèi)毡韺拥臏囟溶S層。經(jīng)過一段平靜高溫的照射，逐漸形成季節(jié)性溫躍層。這種晝?nèi)諟剀S層和季節(jié)溫躍層，使皮層溫度與表層水溫產(chǎn)生較大的差別，因此必須給予校正。白晝溫躍層在夜晚由于風(fēng)的擾動(dòng)和熱量的陸續(xù)輸入，使其很快消失。因此晚間取得的紅外圖像完全不存在晝?nèi)諟剀S層問題。皮

12、溫的偏差涉及到海面粗糙度、風(fēng)力、霧、水汽、潮汐、海流、水質(zhì)，乃至海面油膜等因素，是一個(gè)非常復(fù)雜的海洋學(xué)問題，需要進(jìn)行專門的研究。在此主要介紹多通道大氣校正的經(jīng)驗(yàn)算法。美國(guó)衛(wèi)星EOS-AM（Terra）和EOS-PM（Aqua）裝載的中等分辨率成像光譜儀MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectro-Radiometer)包括熱紅外波段；關(guān)于MODIS探測(cè)數(shù)據(jù)的大氣校正的算法，威斯康辛大學(xué)Menzel等(2002)的研究 (MODIS Atmospheric Profile Retrieval Algorithm Theoretical Basis Docu

13、ment, Version 6, 本書第一章介紹的美國(guó)宇航局MODIS主頁(yè)提供了該文獻(xiàn)的電子版) 給出了詳細(xì)的論述。關(guān)于MODIS探測(cè)數(shù)據(jù)的海表面溫度（SST）的反演算法，邁阿密大學(xué)Brown 等(1999)的研究（MODIS Infrared Sea Surface Temperature Algorithm Algorithm Theoretical Basis Document, Version 2.0, 本書第一章介紹的美國(guó)宇航局MODIS主頁(yè)提供了該文獻(xiàn)的電子版）做出了重要貢獻(xiàn)。圖7-2顯示了由熱紅外波段輻射計(jì)觀測(cè)得到的全球海表面溫度。 圖7-2：由TERRA 衛(wèi)星的中等分辨率成像光

14、譜輻射計(jì)（MODIS）觀測(cè)數(shù)據(jù) 反演得到的全球海表面溫度（SST）(引自/) §7.2.2 紅外遙感的應(yīng)用研究溫度是海洋學(xué)研究中最重要的參數(shù)之一，幾乎所有的海洋過程，特別是海洋動(dòng)力過程都直接或間接的與溫度有關(guān)。例如，水溫是劃分水團(tuán)的主要依據(jù)之一，是概括海洋鋒面、流系的特征之一，也是全球氣候變化模式的主要輸入量之一；熱帶氣旋、海-氣交換、埃爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象等都與海水溫度密切相關(guān)；生物種群分布、洄游、繁殖等生命過程都受水溫的制約和影響。輻射計(jì)觀測(cè)得到的全球海表面溫度可應(yīng)用與下列研究領(lǐng)域： 氣候?qū)W：眾所周知，海洋的面積占地球表面積的71%

15、，因此地球氣候?qū)W在很大程度上決定于海洋氣候?qū)W；海水的熱容量相當(dāng)于大氣熱容量的1000倍，海水溫度的微小變化都會(huì)對(duì)大氣溫度、大氣環(huán)流、天氣形勢(shì)、氣候帶來(lái)非常大的影響；海水的深度非常大，海面溫度的任何微小變化都可能標(biāo)志著海洋內(nèi)部熱能儲(chǔ)蓄的重大變化。因此，地球氣候不獨(dú)于大氣有關(guān)，還需要了解海洋與大氣之間的復(fù)雜的相互作用，海-氣相互作用的基礎(chǔ)是海面溫度，海-氣之間能量的交換正是通過海-氣界面進(jìn)行的。氣候?qū)W所用的海面溫度的數(shù)據(jù)的空間分辨率在1o×1o 至5o×5o之間，平均周期在天至30天之間。在衛(wèi)星遙感之前，氣候?qū)W研究所依靠的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)是商船和岸邊臺(tái)站提供的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)誤差的

16、均方根誤差為0.5oC，空間覆蓋率僅限于主要的商業(yè)航線和人類居住的沿海海域，而在其他海域，觀測(cè)資料少得可憐。因此傳統(tǒng)的氣候?qū)W在空間可信度上有很大差異，或者說(shuō)給出了一些模糊不清甚至錯(cuò)誤的概念，還有許多未被人認(rèn)識(shí)的問題。衛(wèi)星紅外遙感恰好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)資料的不足和缺陷，為氣候?qū)W研究打下了充分的資料基礎(chǔ)，為古老的氣候?qū)W增添了新的活力。（2）全球海表面溫度變化:人類工業(yè)革命帶來(lái)的二氧化碳驟然增加對(duì)全球增溫，以及海表面溫度增加，已引起人們的關(guān)注。然而二氧化碳的增加對(duì)全球溫度的增加、海表面的增加的佐證，就是長(zhǎng)期、大面積、具有較高精度的海表面溫度的測(cè)量及統(tǒng)計(jì)。據(jù)估計(jì)人們?cè)?0-100年間消耗礦物燃料會(huì)使大氣中二氧

17、化碳的含量增加一倍，會(huì)使海表面溫度增加2oC。如果觀測(cè)到這種變化趨勢(shì)，就要在未來(lái)10年里在海表面溫度的測(cè)量中觀測(cè)到0.2oC- 0.4oC的溫度變化。這種長(zhǎng)期的、大面積的、高精度的溫度測(cè)量非海洋紅外遙感莫屬。（3）海表面溫度異常: 海表面溫度異常是某一特定地區(qū)在某一特定時(shí)間內(nèi)的海表面溫度的觀測(cè)值與長(zhǎng)期海表面溫度平均值的偏差。年異常即為某一特定年份海表面溫度的平均值與多年海表面溫度平均值的偏差，月異常即為某一特定月份的海表面溫度平均值與多年該特定月份的海表面溫度平均值的的偏差。觀測(cè)與數(shù)值模擬表明，大尺度（20o×20o）的海表面溫度異常能引起大氣環(huán)流的顯著變化，如厄爾尼諾、拉尼娜現(xiàn)象。

18、在厄爾尼諾期間，熱帶東太平洋信風(fēng)減弱，該海域海面水溫大面積的上升（比正常年份高3o-5o），從而使得大氣環(huán)流和大洋環(huán)流發(fā)生重大改變，造成世界范圍內(nèi)的大氣和海洋生態(tài)環(huán)境以及氣候的異常。由于海域的浩瀚，常規(guī)航測(cè)方法很難獲得海表面溫度異常及其變化。正是衛(wèi)星遙感才使得海表面溫度異常及其變化的研究、預(yù)報(bào)成為可能和現(xiàn)實(shí)。要監(jiān)測(cè)這些異常，海表面溫度的空間分辨率要達(dá)到500×500km，其精度要達(dá)到0.5oC；在赤道上空，由于大氣對(duì)海表面溫度異常的靈敏性，則要達(dá)到更高的空間分辨率200×200km。（4）天氣預(yù)報(bào)：海表面溫度極大的影響到海水蒸發(fā)率，對(duì)局部地區(qū)的天氣系統(tǒng)的發(fā)展有很大影響，尤其

19、是對(duì)熱帶氣旋早期發(fā)展的位置和運(yùn)動(dòng)路徑有很大影響。海洋表面作為大氣運(yùn)動(dòng)的下墊面，其海表面溫度的大小與變化在天氣預(yù)報(bào)中有重要的意義和決定性。（5）大洋渦旋：中尺度渦是大洋環(huán)流在其蛇行過程中由于相鄰水體的流速不同而形成的，大至百公里級(jí)，小至幾十公里級(jí)的中尺度現(xiàn)象。中尺度渦是大洋環(huán)流與周圍海域的水體進(jìn)行能量、物質(zhì)、熱量交換的動(dòng)力過程，對(duì)其周邊海域及其國(guó)家的天氣和漁業(yè)生產(chǎn)等產(chǎn)生一定影響。由于中尺度渦脫離于母體大洋環(huán)流，具有母體的一些水文特征，特別是溫度特征，與其周圍海域的海水有明顯的差異，因此，使用紅外遙感可對(duì)其發(fā)生、發(fā)展、運(yùn)動(dòng)、變化、消亡等進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。（6）上升流：上升流是海洋底層水向海面涌升的現(xiàn)

20、象。底層海水比表層海水的溫度低，且含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，由于下層海水無(wú)太陽(yáng)光線到達(dá)，無(wú)法進(jìn)行光合作用，不適于植物的生長(zhǎng)；但當(dāng)其上升到海面時(shí)，在陽(yáng)光的照耀下，會(huì)迅速生長(zhǎng)、繁殖大量浮游植物而變得非常肥沃，成為魚群覓食、繁殖、生長(zhǎng)的好場(chǎng)所，因此成為有商業(yè)價(jià)值的漁場(chǎng)。由于上升流海域與周圍海域的海水溫度有明顯的差異，所以使用紅外遙感可勾畫出上升流區(qū)的位置和范圍。（7）海洋鋒：海洋鋒表示兩個(gè)類型截然不同的水團(tuán)或流系的邊界，在此邊界上溫度或鹽度以及密度場(chǎng)呈明顯的、較大的水平溫度梯度。海洋鋒有大尺度、中尺度、小尺度之分。大尺度海洋鋒橫向尺度為幾十公里，縱向尺度為上百公里，如黑潮、灣流的邊界；中尺度海洋鋒的橫向尺

21、度為幾公里，縱向尺度為幾十公里。在淺海中還發(fā)現(xiàn)有小尺度海洋鋒，如夏季溫躍層海水與岸邊充分混合的均勻海水之間的海洋鋒。大部分海洋鋒具有明顯的熱特征，可根據(jù)紅外遙感判定其位置、運(yùn)動(dòng)及其變化。（8）經(jīng)濟(jì)和漁業(yè)：魚類對(duì)溫度十分敏感，不同種類的魚有不同的生存環(huán)境，有不同的適應(yīng)溫度，所以不同的海表面溫度就預(yù)示著可能的海域漁場(chǎng)。美國(guó)宇航局（NASA）定期向加利福尼亞海區(qū)漁業(yè)部門發(fā)布漁業(yè)圖，作為海上尋找經(jīng)濟(jì)魚群的真正幫手。我國(guó)的魚群預(yù)報(bào)開展較早，且較業(yè)務(wù)化。國(guó)家863項(xiàng)目又專門立題，由遙感、數(shù)模、通訊等分課題組成的“魚群預(yù)報(bào)”項(xiàng)目，標(biāo)志著衛(wèi)星遙感與數(shù)模的結(jié)合，開展為海洋漁業(yè)服務(wù)的新階段的開始。§7.

22、3 微波輻射計(jì)(Microwave Radiometer)地球表面輻射的微波的能量水平比熱紅外波段還低，這就要求微波輻射計(jì)的設(shè)計(jì)水平和工藝水平更高，以達(dá)到足夠的靈敏度。微波能夠穿透較薄的云層，故被稱為全天候衛(wèi)星探測(cè)器。不同波段的微波輻射計(jì)有不同的專長(zhǎng)和用途?；\統(tǒng)地說(shuō)，微波輻射計(jì)可以測(cè)量的物理量包括海表面溫度、海表面鹽度、海面風(fēng)速、和大氣柱的水汽含量等。由于微波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于可見光和紅外的波長(zhǎng)，大氣分子和汽溶膠的散射對(duì)于微波輻射計(jì)探測(cè)的影響不那么重要，海表面的粗糙度、水汽分子對(duì)22GHz 附近波段的微波的吸收、電離層對(duì)微波的影響、以及宇宙背景微波輻射等因素變得不可忽視。幸運(yùn)的是，在微波波段里海水的

23、發(fā)射率（又稱為“灰度”）可以根據(jù)德拜方程定量地和準(zhǔn)確地計(jì)算。首先，我們給出微波輻射計(jì)探測(cè)海表面溫度的一個(gè)例子。圖7-3顯示了美國(guó)EOS-PM（Aqua）衛(wèi)星裝載的日本國(guó)家航天發(fā)展局資助的AMSR-E （Advanced Microwave Radiometer for EOS）觀測(cè)數(shù)據(jù)反演得到的全球海表面溫度（SST）。 圖7-3：AQUA衛(wèi)星裝載的AMSR-E觀測(cè)的全球海表面溫度 (引自/)表7-1列出了美國(guó)微波輻射計(jì)：多頻率掃描微波輻射計(jì)SMMR和專用傳感器微波成像儀SSM/I和日本微波掃描傳感器MSR的儀器特征。表中英文縮寫解釋如下。MSR是微波掃描

24、傳感器(Microwave Scanning Radiometer)，SMMR是多頻率掃描微波輻射計(jì)(Scanning Multi-frequency Microwave Radiometer)，SSM/I是專用傳感器微波成像儀(Special Sensor Microwave/Imager)，JMR是Jason-1微波輻射計(jì)（Jason-1 Microwave Radiometer）。Nimbus-7 是 美國(guó)雨云7號(hào)衛(wèi)星，SeaSat-A 是美國(guó)海洋衛(wèi)星A （Sea Satellite A），DMSP 是美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃(Defense Meteorological Satellite

25、 Program)衛(wèi)星，MOS 日本海洋觀測(cè)衛(wèi)星(Marine Observation Satellite)，AMSR是日本 高級(jí)微波掃描輻射計(jì)(Advanced Microwave Scanning Radiometer)，ADEOS II是日本 高級(jí)地球觀測(cè)衛(wèi)星2號(hào)（Advanced Earth Observing Satellite-II）。 表7-1: 微波輻射計(jì)的儀器特征衛(wèi)星傳感器分辨率 (km)頻率(GHz)帶寬(MHz)Nimbus-7 & SeaSat-ASMMR121744438216.6310.6918.0021.0037.00250250250250250DMSP

26、SSM/I4136221019.3522.2437.0085.5050050020002000MOSMSR403023.831.4400500TOPEX/PoseidonMicrowaveRadiometerJason-1JMR18.723.834.0ADEOS-2AMSREOS-PM (Aqua)AMSR-E75 x 4351 x 2927 x 1632 x 1814 x 86 x 46.92510.6518.723.836.589.03501002004001,0003,000 圖7-4：衛(wèi)星觀測(cè)的圓錐形掃描幾何的示意圖（引自http:/www.eoc.nasda.go.jp/guide/

27、satellite/sendata/amsr_e.html） 衛(wèi)星觀測(cè)方向與垂線的夾角被稱為觀測(cè)的天頂角，微波輻射計(jì)接收到的海面輻射度的大小受觀測(cè)的天頂角影響很大。為了增加觀察的準(zhǔn)確性，要保持觀測(cè)的天頂角為常數(shù)，因此圓錐形掃描幾何學(xué)得到普遍應(yīng)用。在圓錐形掃描幾何中，觀測(cè)的天頂角是一個(gè)常數(shù)。例如，美國(guó)DMSP裝載的專用傳感器微波成像儀SSM/I采用49度觀測(cè)角。該觀測(cè)角正式稱為觀測(cè)的天頂角，一般用表示；對(duì)主動(dòng)微波雷達(dá)（高度計(jì)和散射計(jì)），該觀測(cè)角被稱為入射角。為了方便，有的作者也統(tǒng)稱之為入射角。§7.4 雷達(dá)波的波束寬度（Beam-width of radar） 側(cè)瓣 x D/2 r P

28、 R EP -D/2 主瓣 天線 圖7-5：雷達(dá)波的波束寬度考慮一個(gè)孔徑為D，權(quán)函數(shù)f(x)=1的均勻發(fā)射的天線，天線上的區(qū)間在P點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)是： (7-1)對(duì)所有的x積分，并考慮rR + x sin和k=2/,得到 (7-2)由 (7-3)有 (7-4)式中I是輻射強(qiáng)度(radiant intensity)。天線的波束寬度是通過兩點(diǎn)間的角寬度定義的，且 (7-5)在這個(gè)例子中, 對(duì)應(yīng)于輻射強(qiáng)度半功率的條件是 (7-6)假定sin, 得到 (7-7)這稱為半功率波束寬度（half-power beam-width）。波束寬度的概念對(duì)于理解電磁波的方向分布很有用，無(wú)論是天線輻射出去的還是接收的電

29、磁波。天線可用于主動(dòng)或被動(dòng)微波雷達(dá)，因此波束寬度的概念對(duì)主動(dòng)和被動(dòng)微波雷達(dá)均適用。§7.5 天線的方向參數(shù)（Directional parameters of antenna）我們用來(lái)表示天線輻射功率的歸一化方向分布（normalized directional distribution），其中定義為 (7-8)式中I( , ) 是輻射強(qiáng)度（radiant intensity）。對(duì)于一個(gè)輻射計(jì)來(lái)說(shuō)，F(xiàn)n( , ) 表示不同方向上調(diào)制信號(hào)的能力。我們用增益（gain）G()來(lái)表示帶有天線熱衰減（thermal attenuation）的功率的方向分布，其中G()定義為 (7-9)式中輻

30、射效率（radiant efficiency）定義為 (7-10)式中Pt是總的功率，P0是有效功率，Pt-P0是天線熱消耗的部分。方向系數(shù)（directional coefficient）表示為 (7-11)與有關(guān)的有效面積（effective area）是 (7-12)§7.6 輻射度與溫度的關(guān)系(Relation between radiance and temperature)在微波波段，瑞利-金斯定律（Rayleigh-Jeans Law）給出 (7-13)式中L(f)是輻射度，Tb是黑體的溫度（temperature of the blackbody），kb是波爾茲曼常數(shù)

31、（Boltzmann constant），是波長(zhǎng)。對(duì)于非黑體（non-blackbody），我們有 (7-14)式中Tap是視在溫度(apparent temperature)，表示有相同輻射度的黑體的溫度（或等效黑體溫度），而不是物體的熱動(dòng)力學(xué)溫度(thermodynamic temperature)。微波輻射計(jì)接收的功率是 (7-15)式中因子1/2出現(xiàn)是由于天線的極化。天線的亮溫(brightness temperature)TA定義為 (7-16)上式表示天線亮溫TA和目標(biāo)的視在溫度的關(guān)系。(7-15)對(duì)于微波輻射計(jì)是一個(gè)重要的公式，它表示天線接收功率和天線的亮溫的線性關(guān)系。§

32、;7.7 天線的傳輸函數(shù)(antenna transfer function)考慮天線的熱衰減（thermal attenuation），我們得到 (7-17)式中Ta是天線的輸出溫度（output temperature of antenna），TA是天線的亮溫（brightness temperature of antenna），T0是天線的物理溫度（physical temperature of antenna）。從天線傳輸?shù)浇邮掌鞯妮敵龉β适?(7-18)由(7-16)，天線的亮溫可表示為 (7-19)式中天線的主瓣效率(efficiency of main petal of ante

33、nna) am是： (7-20)式中m是主瓣的立體角（solid angle of main petal），是天線主瓣對(duì)應(yīng)目標(biāo)區(qū)域的加權(quán)平均視在溫度，n是側(cè)瓣的立體角（solid angle of side petal），是天線旁瓣對(duì)應(yīng)區(qū)域的加權(quán)平均視在溫度（mean apparent temperature of the area corresponding the side petal of antenna）。(7-17)和(7-18)稱為天線傳輸函數(shù)(antenna transfer function)。因此，計(jì)算的流程是 1) 2) 3) 4) 5) 輻射計(jì)產(chǎn)生的噪音覆蓋了天線接收的信

34、號(hào)。減少噪音的途徑是，通過對(duì)接收器輸出的海表面觀測(cè)資料求取平均，再與一種已知的原始觀測(cè)資料的輸出平均相比較。接收器的帶寬(bandwidth)f 對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)間區(qū)間t： (7-21)在一段時(shí)間間隔（an interval of time）t內(nèi)，N可以由下式得到 (7-22)通常，t=0.1秒, 故。由于噪音隨著減少，所以接收器的噪音可以減少到。海洋學(xué)家經(jīng)常將雷達(dá)學(xué)家定義的海面的視在溫度(亦即等效黑體溫度)稱為海表面亮溫。海表面亮溫除以海面發(fā)射率（emissiviti）等于海面熱動(dòng)力學(xué)溫度。§7.8 輻射傳輸方程（Radiative Transfer Equation）輻射傳輸方程的微分

35、形式是 (7-23)式中L是輻射度，ka是衰減系數(shù)，LBka是吸收氣體的灰體輻射度, LB是同一溫度下黑體的輻射度。方程(7-23)的解是見(5-35) (7-24)將瑞利-金斯定律代入(7-24)，我們得到 (7-25)式中e是海表面的發(fā)射率（emissivity），Ts是海表面的溫度（temperature），t=exp-(0,h) sec 是大氣透射率（transmittance of the atmosphere），T(Z)是在高度Z觀測(cè)到的亮溫（brightness temperature），是垂直方向和觀測(cè)方向的夾角（叫做觀測(cè)天頂角，zenith angle of observat

36、ion），ka是大氣的衰減系數(shù)（attenuation coefficient），是光學(xué)厚度（optical thickness）?？紤]更多的輻射源（見圖7-6），微波輻射計(jì)的輻射傳輸方程（radiative transfer equation）可表示為 (7-26)式中T()是當(dāng)天頂角(zenith angle)為時(shí)在大氣層頂處(AOT: top of the atmosphere)觀測(cè)的亮溫，是海面的菲涅耳反射率（Fresnel reflectance），Tgal 和Tcos分別是銀河系噪音（galactic noise）等效溫度（對(duì)于f>3GHz，Tgal<1K）和宇宙黑體輻

37、射（blackbody radiation）等效溫度（Tcos3K），Tsun是太陽(yáng)表面溫度。t2Tsun代表反射的太陽(yáng)輻射，輻射計(jì)應(yīng)避免接受到它。對(duì)于頻率大于3GHz的電磁波，電離層噪音（Ionosphere noise）等效溫度很小可以忽略。 大氣層頂 銀河系噪音 宇宙黑體輻射 大氣向上輻射 太陽(yáng)輻射 大氣向下輻射 海面向上輻射 海平面 圖7-6：輻射傳輸方程 大氣向上輻射的亮溫（brightness temperature due to the upwelling radiations of atmosphere）Tu是 (7-27)是大氣向下輻射產(chǎn)生的亮溫（brightness tem

38、perature due to the downwelling radiations of atmosphere），其中Td 是 (7-28)式中T(z)是在海表面上高度Z處的大氣熱動(dòng)力學(xué)溫度。方程(7-26)的最后一項(xiàng)表示反射的太陽(yáng)輻射，對(duì)于頻率大于30GHz的太陽(yáng)溫度Tsun 大約是6000K?？梢韵胂螅诟偷念l率，溫度更高。因此輻射計(jì)必須避免太陽(yáng)輻射的影響。對(duì)于衰減系數(shù)（attenuation coefficient）ka ，吸收系數(shù)（absorption coefficient）kab 起了主要作用，所以 ka (7-29)吸收系數(shù)定義如下 (7-30)式中kliq 是降雨的吸收系數(shù)

39、，koxy 是氧氣的吸收系數(shù)，vvap 是水汽的吸收系數(shù)。海表面溫度定義為 (7-31)式中Tt 是表面的熱動(dòng)力學(xué)溫度，Tw=（e 1）Tt 是風(fēng)所引起的附加亮溫。海表面風(fēng)生成浪和泡沫，海面傾斜改變了局地海表面光的入射角和極化分布，從而影響亮溫。海表面的發(fā)射率e與相對(duì)電容率（或復(fù)介電常數(shù)）有關(guān)，后者與海水的溫度和鹽度有關(guān)。以上理論適合于微波遙感。對(duì)于熱紅外輻射，海表面溫度可通過普朗克方程求得，而不是瑞利-金斯定律。§7.9微波輻射計(jì)對(duì)海面物理參數(shù)的觀測(cè)§7.9.1 海表面溫度和鹽度（Sea Surface Temperature & Salinity）的影響衛(wèi)星接收

40、到的海表面自發(fā)輻射亮溫是etTS，其中海表面發(fā)射率e與菲涅爾反射率關(guān)系如下 (7-32) (7-33)式中右下角的“H”和“V”表示極化（polarization）的方向, 菲涅爾反射率由（4-50）和（4-51）給出。相對(duì)電容率（relative permittivity）可由德拜方程（Debye equation）表示 (7-34)作為菲涅爾反射率公式的一個(gè)變量，相對(duì)電容率r（,f,，TS,SS）可由德拜方程(7-34)計(jì)算獲得,式中是極化參數(shù)，TS和SS分別是海表面溫度和鹽度，f是頻率。在德拜方程基礎(chǔ)上，Klein和Swift(1977)改善了相對(duì)電容率的計(jì)算公式，現(xiàn)有文獻(xiàn)通常采用他們的公式。Klein和Swift(1977)的公式是在小于10GHz頻率范圍的實(shí)驗(yàn)獲得的