热红外辐射计和微波辐射计教材课件

热红外辐射计和微波辐射计热红外辐射计和微波辐射计主要内容主要内容二、基本原理二、基本原理三、热红外辐射计三、热红外辐射计海表面温度的观测海表面温度的观测海洋学的应用海洋学的应用反演温度的算法反演温度的算法四、微波辐射计四、微波辐射计简介简介传输方程传输方程海面发射率模型和算法海面发射率模型和算法五、五、D矩阵法反演海表面温度和风速矩阵法反演海表面温度和风速七、风浪的方向谱七、风浪的方向谱一、辐射计简介一、辐射计简介六、雷达六、雷达1.辐射计简介辐射计简介1.1什么是辐射计什么是辐射计 辐射计（辐射计（radiometer）是一种根据）是一种根据被动被动遥感理论而遥感理论而制作的传感器。制作的传感器。辐射计本身并不发射电磁波，它只接收地球表面辐射计本身并不发射电磁波，它只接收地球表面反反射和散射射和散射的太阳光，或者陆地、海面或大气的的太阳光，或者陆地、海面或大气的自发辐自发辐射射，人们依靠，人们依靠反演算法反演算法可以从辐射计测量数据中提取可以从辐射计测量数据中提取有关地球表面、海洋和大气的物理信息。有关地球表面、海洋和大气的物理信息。1.2 分类分类n可见光和红外辐射计（可见光和红外辐射计（visible and infrared radiometer）n热红外辐射计（热红外辐射计（thermal-infrared radiometer）n微波辐射计微波辐射计（microwave radiometer）辐射计简介辐射计简介总反射率总反射率反射总能量反射总能量 入射总能量入射总能量=总吸收率总吸收率吸收总能量吸收总能量 入射总能量入射总能量=a l(,)T)r l(,T物体接受辐射物体接受辐射单色吸收率单色吸收率单色反射率单色反射率（波长波长l l附近）附近）（波长波长l l附近附近）不透明材料不透明材料a lr l(,)(,)TT+=12.1 吸收率与反射率吸收率与反射率2.基本原理基本原理 固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为而发射电磁波的现象称为热辐射热辐射T800K 可见光可见光2.2热辐射，基尔霍夫定律热辐射，基尔霍夫定律基本原理基本原理基本原理基本原理遥感科学中，一般采用幅亮度参数遥感科学中，一般采用幅亮度参数基尔霍夫定律（黑体辐射定律）基尔霍夫定律（黑体辐射定律）基本原理基本原理热平衡条件下，介质吸收能量的速率与热平衡条件下，介质吸收能量的速率与自发辐射能量的速率相等，即：自发辐射能量的速率相等，即：2.3 普朗克公式和瑞利金斯公式普朗克公式和瑞利金斯公式有瑞利金斯公式有瑞利金斯公式基本原理基本原理将瑞利金斯公式将瑞利金斯公式代入代入得：得：基本原理基本原理基本原理基本原理高频波段高频波段(5GHz)，e对盐度不敏感，可反演对盐度不敏感，可反演温度温度；L波段波段(1.4GHz)，e对盐度非常敏感，可反演对盐度非常敏感，可反演盐度盐度2.4 讨论：讨论：1.天线校正天线校正（热衰减，方向系数）（热衰减，方向系数）2.大气校正大气校正（大气粒子的吸收，大气自发（大气粒子的吸收，大气自发辐射，太阳辐射，宇宙背景辐射等）辐射，太阳辐射，宇宙背景辐射等）3.风速风向风速风向（平静海面和粗糙海面的发（平静海面和粗糙海面的发射率模型）射率模型）基本原理基本原理3.热红外辐射计热红外辐射计红外辐射计红外辐射计3.1 分类与特点分类与特点热红外辐射计（热红外辐射计（300K）可见光和近红外辐射计（可见光和近红外辐射计（6000K）可见光与近红外信号强可见光与近红外信号强热红外信号波长大，易衍射，不易受烟尘、雾、热红外信号波长大，易衍射，不易受烟尘、雾、气溶胶的影响气溶胶的影响3.2 热红外辐射计对海表面温度的遥感热红外辐射计对海表面温度的遥感海表面温度反演依据普朗克黑体辐射定海表面温度反演依据普朗克黑体辐射定律计算律计算 e设定为接近设定为接近1的经验常数的经验常数热红外辐射计热红外辐射计影响因素影响因素1）大气的影响）大气的影响在大气层中的不同大气成分的吸收率在大气层中的不同大气成分的吸收率多通道海表面温度（多通道海表面温度（MCSST）算法）算法 热红外辐射计热红外辐射计热红外热红外窗口窗口2）传感器本身噪声）传感器本身噪声增大积分时间，减小热噪声增大积分时间，减小热噪声3）物理海洋学订正）物理海洋学订正红外信号穿透海水的厚度只有红外信号穿透海水的厚度只有0.1mm（皮层），（皮层），与海洋学中的表层（与海洋学中的表层（1m）温度有差异）温度有差异热红外辐射计热红外辐射计3.3 MODIS红外波段海表面温度算法红外波段海表面温度算法美国美国EOS系列卫星携带的中等分辨率成像光谱仪系列卫星携带的中等分辨率成像光谱仪MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectro-Radiometer）(1)11m，12m两个通道两个通道（通道序号（通道序号31，32）“迈阿密探路者迈阿密探路者”MPSST算法算法 热红外辐射计热红外辐射计n是卫星天顶角；是卫星天顶角；nT31 代表代表MODIS通道通道31探测到的亮温；探测到的亮温；n T(31)(32)代表代表MODIS通道通道32 亮温与通道亮温与通道31亮亮温之间的温差，通过温之间的温差，通过T(31)(32)进行大气校正；进行大气校正；n亮温亮温Ti需要依据普朗克定律（黑体辐射定律）从需要依据普朗克定律（黑体辐射定律）从该通道探测的辐亮度该通道探测的辐亮度Li计算获得计算获得 注：注：热红外辐射计热红外辐射计大气条件的两种情况T32-T31 0.7T32-T31 0.7C11.2285521.692521C20.95765550.9558419C30.11821960.0873754C41.7746311.199584“迈阿密探路者迈阿密探路者”MPSST算法中的各个系数的估计值算法中的各个系数的估计值热红外辐射计热红外辐射计（2）：）：3.74.1m(20，22和和23通道通道)单通道线性大气校正算法（单通道线性大气校正算法（linear single band atmospheric correction algorithm）Ti代表代表MODIS通道通道20、22 和和23中的任意一个中的任意一个热红外辐射计热红外辐射计多通道多通道SST算法算法（MCSST：Multi-Channel SST algorithm）注：注：ni、j 代表代表MODIS通道通道20、22 和和23中的任意两个；中的任意两个；n函数函数f（d）被用来消除因为太阳倾角变化带来的）被用来消除因为太阳倾角变化带来的剩余误差剩余误差 na、b、c、m、n 和和p是对应于三个纬度海域的系数是对应于三个纬度海域的系数 热红外辐射计热红外辐射计(3)RAL算法算法 英国实验室英国实验室RAL（Rutherford Appleton Lab）nLinear MCSST nNLSST 通用的通用的AVHRR（甚高分辨率辐射计）的（甚高分辨率辐射计）的SST反演算法的基础反演算法的基础 a 0=1.42，a 1=0.94，a2=0.098，a3=0.88 乘积因子乘积因子Tb需估计需估计热红外辐射计热红外辐射计TERRA 卫星的中等分辨率成像光谱辐射计（卫星的中等分辨率成像光谱辐射计（MODIS）观测数）观测数据据 反演获得的全球海表面温度反演获得的全球海表面温度 热红外辐射计热红外辐射计3.4热红外遥感的海洋学应用热红外遥感的海洋学应用 热红外温热红外温度遥感度遥感气候学气候学 全球海表面全球海表面温度变化温度变化 天气预报天气预报大洋涡旋大洋涡旋 上升流上升流 海洋锋海洋锋 经济和渔业经济和渔业 海表面温海表面温度异常度异常 热红外辐射计热红外辐射计4 微波辐射计微波辐射计4.1简介简介4.1.1微波辐射计的分类和特点微波辐射计的分类和特点按测量目的区分，微波辐射计可分为按测量目的区分，微波辐射计可分为探测仪探测仪和和成像仪成像仪。探测仪主要应用在气象卫星上，波段多选择在氧气探测仪主要应用在气象卫星上，波段多选择在氧气和水汽吸收带和附近频率，要求大尺度低分辨率，和水汽吸收带和附近频率，要求大尺度低分辨率，通常采用横跨轨道扫描方式通常采用横跨轨道扫描方式 成像仪主要应用在海洋卫星上，波段频率通常较低，成像仪主要应用在海洋卫星上，波段频率通常较低，分辨率要求较高，采用圆锥形扫描方式。可测量海分辨率要求较高，采用圆锥形扫描方式。可测量海表面温度、海表面盐度、海面风速和大气柱的水汽表面温度、海表面盐度、海面风速和大气柱的水汽含量等含量等 卫星观测的圆锥形扫描几何的示意图卫星观测的圆锥形扫描几何的示意图 观测角观测角：490550微波辐射计微波辐射计特点：特点：n大气层空气分子和气溶胶的粒径远小于微波大气层空气分子和气溶胶的粒径远小于微波的波长，因此，大气中各种粒子的散射对于的波长，因此，大气中各种粒子的散射对于微波辐射计探测的影响微小。微波辐射计探测的影响微小。n微波能够穿透较薄的云层，故被称为微波能够穿透较薄的云层，故被称为全天候全天候卫星探测器卫星探测器 微波辐射计微波辐射计4.1.2单通道温度反演方法单通道温度反演方法理论和实验表明，在理论和实验表明，在6 GHz附近，盐度对卫星传感附近，盐度对卫星传感器探测到的亮温的影响很小，卫星传感器探测到的器探测到的亮温的影响很小，卫星传感器探测到的亮温亮温Tb对海表面温度对海表面温度TS非常敏感；非常敏感；在在6.63GHz 波段和波段和49度度观测角附近，在垂直极化观测角附近，在垂直极化状态通道探测的亮温几乎与风速无关状态通道探测的亮温几乎与风速无关 美国海洋卫星（美国海洋卫星（Seasat）的多频率扫描微波辐的多频率扫描微波辐射计射计（SMMR），温度反演精度），温度反演精度1.5k微波辐射计微波辐射计4.1.3多通道温度反演方法多通道温度反演方法卫星传感器探测到的亮温取决于海表面卫星传感器探测到的亮温取决于海表面温度温度、盐度盐度、与、与风速风速相关的海面粗糙度以及在高风速相关的海面粗糙度以及在高风速状态下波浪破碎产生的状态下波浪破碎产生的白冠和气泡白冠和气泡 使用使用多通道探测技术多通道探测技术和和D-矩阵方法矩阵方法，反演地球物，反演地球物理参数理参数SST和海表面风速能够获得更高的精度和海表面风速能够获得更高的精度 微波辐射计微波辐射计日本高级微波扫描辐射计日本高级微波扫描辐射计AMSR-E（Advanced Microwave Radiometer for EOS）Frequency(GHz)6.92510.6518.723.836.589.0Ground Resolution 50km25km15km5kmBandwidth(MHz)3501002004001,0003,000Polarization horizontal and verticalInclination 55 deg.Cross polarization less than-20 dBSwath more than 1,450 km Dynamic Range2.7-340K Precision 1KSensitivity NET(K)0.3K0.6K1.1KQuantization 12bit10bit微波辐射计微波辐射计AMSR-E观测的全球海表面温度观测的全球海表面温度 微波辐射计微波辐射计4.2微波波段辐射传输方程微波波段辐射传输方程辐射传输方程的微分形式辐射传输方程的微分形式 L（z）是在位置）是在位置z处的辐亮度；处的辐亮度；kab是在传输路径上介质的吸收系数；是在传输路径上介质的吸收系数；L（z）kab是因大气中吸收气体的吸收而衰减的辐亮度；是因大气中吸收气体的吸收而衰减的辐亮度；LB（z）是与吸收气体温度相同的黑体发射的辐亮度）是与吸收气体温度相同的黑体发射的辐亮度 微波辐射计微波辐射计传输方程的解：传输方程的解：代入瑞利金斯定律，得微波辐射计观代入瑞利金斯定律，得微波辐射计观测到的亮温测到的亮温T微波辐射计微波辐射计考虑更多辐射源考虑更多辐射源微波辐射计微波辐射计微波辐射计观测的亮温：微波辐射计观测的亮温：Tu是大气向上辐射的亮温是大气向上辐射的亮温 Tgal 银河系噪音等效温度银河系噪音等效温度Tcos宇宙黑体辐射等效温度宇宙黑体辐射等效温度Tsun是太阳表面温度是太阳表面温度 Td 大气向下辐射等效温度大气向下辐射等效温度微波辐射计微波辐射计4.3平静海面发射率平静海面发射率海面发射率海面发射率e与菲涅耳反射率与菲涅耳反射率关系是关系是海气表面，有：海气表面，有：微波辐射计微波辐射计复折射率复折射率复相对电容率复相对电容率由德拜方程计算由德拜方程计算微波辐射计微波辐射计在观测角在观测角=0时，温度为时，温度为0C 和和30C的淡水表面和盐的淡水表面和盐度为度为35的海水表面的菲涅耳反射率的海水表面的菲涅耳反射率随频率变化随频率变化微波辐射计微波辐射计微波测量海表面盐度：微波测量海表面盐度：首选首选辐射计频率是辐射计频率是L波段波段1.4GHz首选首选极化状态是垂直极化极化状态是垂直极化首选首选观测角是观测角是010度度在此条件下，天线探测的亮温几乎不受海面风速在此条件下，天线探测的亮温几乎不受海面风速和海浪的影响和海浪的影响 微波辐射计微波辐射计4.4粗糙海面的发射率粗糙海面的发射率两尺度模型两尺度模型 海面粗糙度效应指海面风浪引起斜率变海面粗糙度效应指海面风浪引起斜率变化，进而使观测的天顶角和极化状态发生改化，进而使观测的天顶角和极化状态发生改变，导致海面反射率和发射率改变，最后导变，导致海面反射率和发射率改变，最后导致辐射计收到的亮温改变。致辐射计收到的亮温改变。微波辐射计微波辐射计微波微波高频波段高频波段，e对盐度不敏感，可反演海表面对盐度不敏感，可反演海表面温度温度；L波段波段（1.4GHz)，e对盐度非常敏感，可反演对盐度非常敏感，可反演盐度盐度微波辐射计微波辐射计海面发射率（海面发射率（emissivity）的两尺度理论模型包含）的两尺度理论模型包含了粗糙海面的布喇格散射（了粗糙海面的布喇格散射（Bragg scattering）机）机制和镜面反射（制和镜面反射（specular reflection）机制）机制（Wu和Fung 1972）是卫星天顶角，是卫星天顶角，S 是被散射的入射电磁波的天顶角。是被散射的入射电磁波的天顶角。是两尺度天顶角散射系数是两尺度天顶角散射系数，受海面粗糙程度（由方，受海面粗糙程度（由方向谱和斜率概率分布函数表示）的很大影响向谱和斜率概率分布函数表示）的很大影响 微波辐射计微波辐射计最新发展斯托克斯向量模型也是一个两尺度模最新发展斯托克斯向量模型也是一个两尺度模型（型（two-scale model）。）。（Yueh 1997；Tsang和和Kong 2001）考虑了粗糙海面的考虑了粗糙海面的大尺度波面斜率分布函数大尺度波面斜率分布函数和和局局地小尺度表面元的发射率地小尺度表面元的发射率微波辐射计微波辐射计4.5粗糙海面的发射率粗糙海面的发射率小斜率近似小斜率近似真实海洋的微波辐射由平静海面辐射和海浪真实海洋的微波辐射由平静海面辐射和海浪的辐射共同构成。的辐射共同构成。粗糙海面的亮温：粗糙海面的亮温：微波辐射计微波辐射计根据小斜率近似的发射率模型根据小斜率近似的发射率模型gh，v表示根据小斜率近似理论导出的在水平和表示根据小斜率近似理论导出的在水平和垂直极化条件下的权重因子，垂直极化条件下的权重因子，是在极坐标系下风浪的波面高度方向谱是在极坐标系下风浪的波面高度方向谱 微波辐射计微波辐射计代表观测方向在海面的投影与风向之间的夹代表观测方向在海面的投影与风向之间的夹角，故既是观测的方位角，又代表风向角，故既是观测的方位角，又代表风向 风所引起的风所引起的L波段海面亮温变化波段海面亮温变化Th不同风速条件下随不同风速条件下随海表面温度海表面温度TS和海表面盐度和海表面盐度SS变化的曲面变化的曲面 风速风速U10对对海面亮温变海面亮温变化化Th和和Tv的影响与的影响与海表面温盐海表面温盐的影响可以的影响可以分开考虑。分开考虑。微波辐射计微波辐射计风向的影响风向的影响天顶角天顶角00天顶角天顶角100微波辐射计微波辐射计Th+Tv随方位角随方位角的变化曲线的变化曲线 微波辐射计微波辐射计使用双极化辐射计反演盐度，可消除风向影响使用双极化辐射计反演盐度，可消除风向影响4.6 粗糙海面发射率的粗糙海面发射率的SSM/I算法算法 使用统计分析方法获得在微波辐射计各个波段使用统计分析方法获得在微波辐射计各个波段的海面发射率与风速、海表面温度以及观测角的的海面发射率与风速、海表面温度以及观测角的函数关系，以此反演海上风速和海表面温度。函数关系，以此反演海上风速和海表面温度。辐射计频率大于辐射计频率大于5GHz时，时，e与海表面盐度无关与海表面盐度无关观测角因子观测角因子q=-51适用范围是适用范围是48 55 微波辐射计微波辐射计风所引起的海面发射率变化风所引起的海面发射率变化e的计算公式是的计算公式是 中间变量中间变量M1和和M2的计算公式是的计算公式是微波辐射计微波辐射计参数单位19V19H22V22H37V37H0 K162.53E+083.88E+0166.99E+086.98E+0186.31E+0101.42E+01-25.70E-2-52.22E-2-34.08E-2-59.52E-2-56.37E-2-85.88E-22 K-117.29E-318.76E-317.35E-319.38E-314.81E-320.76E-33 K-2-11.77E-5-9.25E-5-10.36E-5-8.99E-5-2.96E-5-7.07E-54 K deg-121.62E-1-14.72E-121.64E-1-15.15E-121.23E-1-17.01E-15 deg-10.70E-20.21E-20.75E-20.30E-21.17E-20.55E-26 K deg-20.45E-1-0.16E-10.45E-1-0.16E-10.41E-1-0.19E-17 K-1 deg-10.14E-4-1.10E-40.02E-4-1.17E-4-0.71E-4-1.27E-4 s m-1 deg-1-0.81E-40.81E-4-0.87E-40.87E-4-1.19E-41.05E-4 s m-1 K-10.41E-5-0.13E-50.54E-5-0.16E-51.25E-5-0.29E-55.1海表面温度反演方法海表面温度反演方法D矩阵法矩阵法D-矩阵方法（矩阵方法（D-Matrix method）假定）假定SST与各与各个通道探测的亮温之间有简单的线性关系个通道探测的亮温之间有简单的线性关系 5.D矩阵法反演海表面温度和风速矩阵法反演海表面温度和风速日本的微波辐射计日本的微波辐射计AMSR-E 和和AMSRD矩阵法矩阵法D0=-2.178E+02，D1(6.9V)=1.639E+00，D2(6.9H)=-7.777E-03，D3(10.6V)=1.657E-01，D4(10.6H)=-9.669E-02，D5(18.7V)=1.590E-02，D6(18.7H)=-4.331E-02，D7(23.8V)=1.720E-01 D8(23.8H)=9.6450E-02，D9(37.0V)=-1.734E-01，D10(37.0H)=-3.419E-01。D矩阵法矩阵法日本日本JERS-1卫星微波成像仪卫星微波成像仪TMI D矩阵法矩阵法美国国防部美国国防部DMSP系列卫星专用传感器微波系列卫星专用传感器微波成像仪成像仪D矩阵法矩阵法5.2海表面风反演算法海表面风反演算法 D矩阵法矩阵法 马萨诸塞大学（马萨诸塞大学（Goodberlet 等等1989）提出）提出了反演海表面风了反演海表面风SSW（Sea Surface Wind）的）的SSM/I算法算法D矩阵法矩阵法6.1雷达的波束宽度雷达的波束宽度6.雷达雷达强度分布强度分布如果在如果在方向上的辐射强度等于最大辐射强方向上的辐射强度等于最大辐射强度度I(0)的一半的一半，有，有2称为天线的半功率波束宽度（称为天线的半功率波束宽度（half-power beam width）雷达雷达6.2天线的方向参数（天线的方向参数（Directional Parameters of Antenna）天线辐射功率的归一化方向分布（天线辐射功率的归一化方向分布（normalized directional distribution）Fn（,）的定）的定义是义是雷达雷达对于有热衰减的天线，有辐射效率对于有热衰减的天线，有辐射效率P0有效功率，有效功率，Pt总功率总功率定义增益定义增益雷达雷达方向系数（方向系数（directional coefficient）D（,）雷达雷达6.3 天线的亮温天线的亮温由瑞利由瑞利-金斯定律金斯定律 对于非黑体对于非黑体 L（f）对应于目标自发辐射的辐亮度）对应于目标自发辐射的辐亮度Tap是目标的视在温度或亮温是目标的视在温度或亮温雷达雷达微波辐射计接收的功率是微波辐射计接收的功率是雷达雷达天线亮温天线亮温m是主瓣的立体角是主瓣的立体角 是天线主瓣对应目标的加权平均视在温度是天线主瓣对应目标的加权平均视在温度 雷达雷达6.4天线传输函数天线传输函数考虑天线的热衰减考虑天线的热衰减，天线的输出温度，天线的输出温度 TaTa是天线的输出温度是天线的输出温度TA是天线的亮温是天线的亮温T0是天线的物理温度是天线的物理温度 天线输出亮温与目标亮温的关系天线输出亮温与目标亮温的关系雷达雷达7.风浪的方向谱风浪的方向谱 风通过风浪改变了海面粗糙度，进而改变了风通过风浪改变了海面粗糙度，进而改变了海面发射率和海面亮温。风浪方向谱和斜率概率海面发射率和海面亮温。风浪方向谱和斜率概率分布函数是海面粗糙度的量度分布函数是海面粗糙度的量度（Liu 和和 Yan 1995；Liu 等等1998，2000），），Liu等（等（2003）提出了一种描述所有波浪能量分）提出了一种描述所有波浪能量分布的风浪谱模型，它包括深水风浪谱模型和毛细布的风浪谱模型，它包括深水风浪谱模型和毛细重力波模型重力波模型，常用于，常用于海面风速海面风速的微波辐射计、的微波辐射计、散射计和高度计遥感。散射计和高度计遥感。