第九章-微波辐射计

第九章微波辐射计（MicrowaveRadiometer）12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-14卫星传感器波段(GHz)/通道美国Seasat-A&Nimbus-7多频率扫描微波辐射计SMMR5波段9通道6.63/v,h10.69/h18.0/v,h21.0/v,h37.0/v,h美国国防气象卫星DMSP专用传感器微波成像仪SSM/I4波段7通道19.35/v,h22.235/v37.0/v,h85.5/v,h美国EOS-PM(Aqua)日本高级微波扫描辐射计AMSR-E6波段12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H：水平极化5星载微波辐射计及其特征-2卫星传感器波段(GHz)/通道日本ADEOS-II高级微波扫描辐射计AMSR8波段14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JERS-1热带降雨任务微波成像仪TRMM/MI5波段10通道10.7/v,h19.4/v21.3/v,h37.0/v,h89.0/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星/微波辐射计圆锥扫描观测角(°)Seasat-A/SMMR49Nimbus-7/SMMR51DMSP/SSM/I53JERS-1/TRMM/MI53EOS-AQUA/AMSR-E55ADEOS-II/AMSR559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-ASMMR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11DMSP/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)12AQUA/AMSR-E技术特征频率(GHz)6.92510.6518.723.836.589.0地面分辨率50km25km15km5km带宽(MHz)3501002004001,0003,000极化V/H倾角55°刈幅≥1450km动态范围2.7-340K精度1KNEΔT(K)0.3K0.6K1.1K量化精度12bits10bits13AQUA/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()()()abBabdLzLzkLzkdz()Lzabk()BLz15根据方程(6-44)：光源表面辐亮度：吸收引起的光学厚度habBSdzhzkzLhLL0)],(exp[)()],0(exp[sL(0,)h0(0,)()habhkzdz光学厚度？16微波辐射传输方程的解sec(,)sec0()()()sechzhsBabLLeLzkzedz代入瑞利-金斯定律22()(2/)bLffkcT17(,)sec0(,)(,)()()sechzhsusabThetTThetTTzkzedz：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(,)Th(,)uThhesTseT()Tzabkt(0,)exp[(0,)sec]thh18考虑更多辐射源192cos(,)(,)()sudgalsunThetTThtTtTTT：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dtTgalTcosTsunT200()exp[(,)sec]sechuabTTzkzhdz0()exp[(0,)sec]sechdabTTzkzdz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aabsckkk22(,)(,)suThetTTh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，()1()HHe()1()VVe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：0～10°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、海表温度关系式bsTeT海面亮温海表温度粗糙海面发射率10(,,,,,,)sseefTSU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10(,,,,,,)bsssTefTSUT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/20()1(,)sinSSSeds(,,)r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000()bsssssTeTeTeeTeTeT0ee,hvsTeT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,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△e2,00(,,)(,,,,,)hvreWkgfkdkd,(,)hvhvggg：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),k：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)(,,)Wk：极坐标下风浪方向谱33e(,,)Wkr10,U,hvgg德拜方程,ssTS34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hT1.4,0,0fGHz36随海表温度、盐度变化曲线vT1.4,0,0fGHz372、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°不确定性),,(0)(180)hvhvTT38海面亮温变化随观测方位角变化曲线(小天顶角)010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10()()()()()hvshvTeeTTTU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000()bsssssTeTeTeeTeTeT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0123451(19.4)(19.4)_SSM/I[](22.2)(37)(37)BBBBBTVTHSSTDDDDDDTVTVTH系数由测量数据与浮标现场数据拟合4344二、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45SSM/I-GSW算法012341(19.4)_SSM/I[](22.2)(37)(37)BBBBTVSSWDDDDDTVTVTH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46SSM/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174.14.638ln[300(19.4)]61.76ln[300(22.2)]19.58ln[300(37)]BBBWVTVTVTV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到浮标风与SSM/I-GSW风的剩余误差22COR2.130.21980.400810()WWVWVGSWPGSWCORSSM/I-GSWP风速：4748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1()(0)2II2sin(sin)2()(0)sin2kDIIkD第四章公式2sin[sin()]122sin()2kDkD51数值解1.391sin()()22kD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52二、天线的方向参数1.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(增益)(,),)IG