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车载多波段微波辐射计试验和数据使用分析方法1车载多波段微波辐射计北京师范大学车载多波段微波辐射计(Truck-mountedMulti-frequencyMicrowaveRadiometerofBeijingNormalUniversity,BNU-TRMM)由德国RPG（RadiometerPhysicsGmbH）公司研制（RPG-8CH-DPRadiometer），为北京师范大学遥感科学国家重点试验室2006年购置。经过近5年试验条件的搭建，目前BNU-TRMM运行良好，可满足多种野外观测条件下的试验要求。1.1辐射计结构BNU-TRMM由四部分组成：4频段8通道微波辐射计、液压升降平台、载运车辆和供电系统。辐射计4套天线并排置于云台顶端的支架上，云台底端固定于液压升降平台顶部，升降平台底座固定在卡车车厢底部。平台升降和天线旋转、俯仰以及数据采集由控制台和计算机控制(图1-1)。图1-1北京师范大学多频率微波辐射计BNU-TMMR最高可升高距地面8m的高度，可以进行多高度角(90°~-90°)、多方位角(0°~360°)观测。辐射计的性能参数如表1-1所示。表1-1微波辐射计系统主要性能和参数指标项目性能指标系统噪声温度500K(所有天线)绝对系统稳定性1.0K绝对定标内置狄克开关和外部液氮内部定标内置狄克开关和标准噪声自动绝对定标天空倾动定标接收机和天线热稳定性0.05K天线旁瓣水瓶-30dB辐射测量范围0~350K工作环境温度-30°~45°天线观测方位角范围0~360°天线观测俯仰角范围-90°~90°天线最大上升高度8.20m系统峰值功率3KW供电系统功率5KW辐射计高度角和方位角的定义高度角的定义：水平方向观测时为0°，向上转动辐射计的角度为正值，向下为负值；方位角的定义：以大车车头方向为0°，俯视图中的顺时针方向转动角度增加(图1-2)。图1-2辐射计高度角和方位角设置示意图方位角示意图（卡车俯视图）0°90°180°270°0°-45°45°高度角示意图（天线侧视图）卡车车头抛物面天线四套天线1.2辐射计的视场辐射计利用天线接收外界的微波辐射。天线能够接收所有方向来的微波辐射，只是不同方向的接收能力不同。接收能力由辐射计的天线方向图决定，图1-3给出了BNU-TMMR各波段的天线辐射方向图，它显示了天线接收到的来自偏离观测方向中心角度处的能量贡献。图1-3辐射计天线辐射方向图从图1-3可以看出，辐射计天线的旁瓣是很小的。一般我们采用辐射计的半功率波束宽度作为辐射计的视场角，也就是天线大于-3db的主瓣部分作为波束，因此也成为3db波束宽度。通过辐射计观测时的几何关系的计算可以得到辐射计的视场大小和位置。图1-4给出了辐射计升高距地面7m时，各波段的视场。图中入射角从25°至65°；不同颜色代表不同的频率，黑色（36.5GHz），蓝色（18.7GHz），绿色（10.65GHz）红色（6.925GHz），*代表视场的中心。图1-4辐射计视场1.3辐射计校准辐射计校准是为了确定仪器输出的电压值与接收机接收到的亮温之间的关系，这种关系称为校准方程。对于线性接收机系统来说校准方程是线性的，因此只需要两个校准点。事实上，所有的仪器都不是理想的线性系统，因此辐射计采用了四点校准法，以提高校准精度。BNU-TMMR具有两种校准类型：绝对校准和相对校准。绝对校准采用了四点定标方法，能够准确地校准系统噪声、增益起伏和系统的非线性可能造成的误差。根据校准用的标准源，绝对校准可以分为两种：液氮校准（LiquidNitrogenCalibration）和扫空校准（SkyTippingCalibration）。每个通道内有一个高温黑体（dT）和一个稳定的噪声源（nT），再加上外界的一个低温校准源（cT），则可以获得4个校准点：dT，ndTT，cT，ncTT。通过4个校准点可以建立4个校准方程，从而获取系统噪声、二极管噪声、系统增益和系统的非线性因子的校准值。辐射计完成绝对校准后，可以认为辐射计内的噪声二极管的噪声温度和辐射计的线性度是不变的，这样只需要两个校准点就可以实现对系统噪声和系统增益波动的校准。这两个校准点一个是Dicke开关上的黑体，另一个是接收机的噪声二极管。在测量时，Dicke开关不断地在天线和黑体之间切换，噪声二极管也进行开关切换从而获得Thot和Thot+TN两个温度，实现相对校准。1.4辐射计数据处理每次试验时，利用辐射计进行天顶方向和多高度角的天空观测，用于后续的二次校准和大气校正。为了进一步提高辐射计测量值得准确度，有必要进行二次校准。方法是利用天顶方向上的天空观测亮温和天顶方向亮温的参考值作为低温校准值，常温下黑体的辐射计观测和铂金电阻测量的黑体值作为高温校准值。两点确定校准方程进行二次校准。当辐射计进行地面观测时，微波辐射计观测的数据得到的值可以用公式1-1表示：,,(1)gphyggskyTbTeeTb公式1-1其中，Tb为辐射计观测亮温，,gphyT为地表物理温度，ge为地表的发射率，,skyTb为入射角为时天空的下行辐射。由公式1-1可得到公式1-2，如此可以求得大气效应去除后的地表发射率。,,,()/()gskygphyskyeTbTbTTb公式1-2大气纠正部分的角度数据对应原理辐射计定义水平方向为0度，向下扫描时，角度为负值；向上扫描时，角度为正值。当观测地表时，设置的角度为-55°，即入射角为35°。假定大气影响通过地表的菲涅尔反射进入辐射计，因此入射角与反射角相等，都为35°。当辐射计扫描天空时，设置的高度角为正值，即偏离水平方向的角度55°。因此当入射角为35°（辐射计观测角为-55°）时，对应的辐射计获取的大气下行辐射的角度为55°（图1-5）。图1-5大气纠正部分的角度对应示意图1.5辐射计精度检验为了验证辐射计定标后的数据精度，在定标后，试验前会进行数据精度的检验。方法是利用微波辐射计观测水体。要求观测的水体需要相对纯净，不含杂质。观测时无风，以避免引起水面的波动，从而给观测亮温增加表明粗糙度的影响。图1-6是2009年9月16日在中国科学院遥感应用研究所的河北怀来试验站进行的水面微波辐射测量试验及结果。模拟水面亮温采用了徳拜方程计算水的介电常数，然后通过菲涅尔定律计算水面的反射率和发射率，并在模拟亮温上加了反射的大气下行辐射的亮温贡献。对实测亮温进行二次校准。试验结果证实，实测值和模型模拟值之间吻合的非常一致，说明辐射计的定标精度很高，完全可以满足试验测量的精度要求。地表观测几何大气观测几何0°-55°35°35°35°55°图1-6水面微波亮温实测与模拟对比结果（图中蓝色线为模拟值，虚线为V极化模拟值，实线为H极化模拟值；红色方形为V极化测量值，红色圆圈为H极化测量值）2车载微波辐射计观测标准以往利用辐射计进行微波辐射特征观测试验时，均采用的是单次观测的方法。卡车和辐射计位置不变获取地表辐射亮温，然后平均得到辐射计的观测亮温数据。但是在这种观测方法存在很大的偶然性，观测得到的数据说服力不够。与测量其它地表参数一样，采用多次测量取平均的方法能够减小这种偶然性，从而更好的表现观测目标的微波辐射特征。基于以上考虑，制定了辐射计的观测方法如下：2.1试验准备针对试验的目进行试验方案的详细设计，与老师们讨论试验的可行性。在试验前需要的准备工作包括：1)试验场地选取和处理：确定可接受的观测亮温标准差范围（ErrorTolerance）。该范围越小，要求测量数据越精确，所需要的视场数越多，试验场地也就越大。试验场地的选取首选根据试验目的，给定观测亮温的标准差限制条件，例如2K，从而确定需要的观测视场数目。因为观测视场数越多，所得数据的标准差就越小。根据经验，同样的观测次数，高频数据的标准差要小于低频。也就是说若要所有通道的观测标准差均小于2K，只要C波段的标准差达到该要求即可。场地选取后，确定场地如何处理，例如裸土的平整，植被的灌溉等。2)试验进度安排：请试验负责人根据试验的工作量以及试验所需的时间条件（晚上或者白天），确定试验的进度安排。3)天气状况查询4)试验用表格设计：根据试验要求进行表格的设计及打印工作（常用表格包括：土壤水分烘干表格、植被参数测量表格、亮温记录表格等）。5)试验所需材料和仪器准备（铝板、液氮等材料；土壤和植被参数测量的一系列仪器）。6)试验人员组织：请试验者按照试验安排，协调各位同学的时间，确定参加试验的人员和分工。2.2观测步骤1)卡车开赴指定位置，打开辐射计顶盖。2)检查供电电源，打开UPS。3)打开辐射计电源开关和电脑，预热辐射计：一般来说，辐射计冬天预热需要2.5小时，夏天需要1.5小时。4)预热完毕后，辐射计转动至高度角0°，方位角90°的位置（辐射计角度的定义见图1-2），将辐射计升高至一定高度（一般升高至卷尺读数3.5m，此时辐射计天线中心距离地面5.77m）。5)设置辐射计的观测参数，包括高度角的变化、方位角的变化、观测时间、文件名称等，发送至辐射计，开始观测。6)观测完毕后，将辐射计转动至高度角0°，方位角90°的位置，并降下辐射计。7)移动卡车位置至下一个视场位置，重复5~6步，直至第N个视场观测完毕。卡车移动方法图2-1卡车移动方法示意图一般来说，辐射计的视场大小（相同方位角，多高度角观测）为：沿卡车方向×垂直卡车方向=8m×20m。当辐射计沿卡车方向移动时，应该保证相邻两个辐射计的视场重叠率小于50%。也就是说卡车的最小移动距离应大于4m。推荐的移动距离为6m以上（相邻视场覆盖比例小于等于25%）。8)根据天气情况每隔一段时间测量天空在各个角度上的下行辐射亮温值，用于高频波段的大气纠正（方法见1.4节）。9)测量工作完成后，降下辐射计，将辐射计转动至高度角-90°，方位角90°的位置。10)关闭辐射计电源开关，拷贝辐射计观测数据。11)关闭电脑和UPS，断开卡车电源。12)试验结束。2.3注意事项1)打开辐射计前，一定先要确认已经将UPS打开。以保证外部电源断开后，能够临时用UPS供电，从而避免仪器因为突然断电而损伤。2)当设置辐射计转动至某一高度角和方位角时，一定注意观察辐射计的转动方向，以防止由于人为设置的错误而使辐射计转动到非常规的角度。当出现转动角度错误时，请立即关闭辐射计的电源开关，重新检查设置的角度。3)升高辐射计时，注意观察辐射计液压平台周围情况，保证一切安全后才可操RADIOMETER20mRADIOMETER……RADIOMETERFootprint1Footprint2FootprintN8m作。降下辐射计时，注意保证液压平台下没有杂物，防止杂物将液压升降系统卡住。4)只有将辐射计转动至高度角0°，方位角90°时才可以升降。5)移动卡车时，一定保证辐射计是降下来的，切忌辐射计没有降下来就移动卡车！！3地表配套参数测量标准3.1土壤参数测量试验中经常测量的土壤参数包括：土壤温度，土壤水分、地表粗糙度以及土壤质地。三者都是影响土壤微波辐射亮温的重要因素。1)土壤温度土壤温度一般是用铂金电阻温度计、点温计以及智能数据采集器进行测量。铂金电阻温度计是接触式温度计，即将探头与地表接触获取地表的物理温度。点温计常用来测量地表的辐射温度，智能数据采集器是将接触式温度探头，插入土壤自动采集某一点的温度，可以满足长时间序列的观测要求。图3-1土壤温度测量2)土壤水分试验中常用的土壤含水量测定方法有两种：烘干法和仪器测定法。烘干法是采集土壤样本，利用烘箱等仪器将土壤中的水分烘干，从而计算土壤的含水量。仪器测定的方法相对比较简单，利用仪器的传感器插入土壤中，测定土壤的含水量。目前常用的土壤含水量测定仪器有：智能数据采集器，TDR等。图3-2土壤水分测量3)地表粗糙度目前测量地表粗糙度的方法主要是用粗糙度板插入地表保持水平并拍照，而后利用计算机处理得到地表粗糙度的两个参数：均方根高度和相关长度。图3-3土壤粗糙度测量4)土壤质地土壤质地包括土壤中沙粒、粉粒和粘粒各占的百分比以及土壤容重。土