第二章被动微波辐射计
微波辐射计工作原理
微波辐射计工作原理介绍微波辐射计微波辐射计是一种测量微波辐射的设备。
它的工作原理是基于微波辐射与物质相互作用的规律。
微波辐射计广泛应用于气象、海洋、环境等领域，以及工业应用中的电磁辐射检测、安防等场合。
本文将从工作原理的分类入手，为您详细解释微波辐射计的工作原理。
根据微波辐射计的测量类型，可以把其工作原理分为：微波辐射亮度温度计、微波辐射探测器和微波辐射 GPM(DPR)。
一、微波辐射亮度温度计的工作原理微波辐射亮度温度计是一种用于测量地表和大气中的微波辐射温度的设备。
其工作原理是通过接收地表或大气中的微波辐射，然后将微波辐射转换成电信号进行测量。
微波辐射亮度温度计通常包括一个天线、一个前置放大器、一个减少剪切带影响的滤波器、一个线性功率放大器和一个检波器。
在工作流程中，微波辐射亮度温度计首先通过一组天线接收微波辐射，并转化为电信号，然后通过一个前置放大器增强信号的强度，进一步将信号经过滤波器进行去除杂音处理。
接下来，经过线性功率放大器处理后，信号将被检测器检测并解析成相应的辐射亮度温度。
最后，温度信息将根据用户需要，被传输到记录设备或显示屏上进行分析或打印。
二、微波辐射探测器的工作原理微波辐射探测器是一种用于检测微波辐射的设备。
它的工作原理是通过微波辐射发射器的发送信号，经过反射后被接收到探测器上，并转换为电信号进行分析，进而计算出与微波辐射相关的信息。
微波辐射探测器的工作流程是通过微波辐射发射器向目标发出一定频率的微波辐射。
发射器发出的微波辐射将被反射回来，然后被接收器接收，转换为电信号，并经过数字信号处理后，将被解码并显示微波辐射的相关信息，如目标的距离、轮廓、速度和角度等。
三、微波辐射 GPM(DPR)的工作原理微波辐射 GPM(DPR)是一种测量降雨的设备，可以通过微波辐射的反射来分析降雨的强度、空间分布和降雨面积等。
其工作原理是通过发送微波辐射信号，利用目标的反射回波信息，观测微波辐射信号的反演过程，并通过计算反演回波的形成参数，进而分析大气中的水含量和降雨的强度。
微波遥感的成像机理
微波遥感的成像机理微波遥感是一种通过接收地面反射或散射的微波辐射来获取地表信息的技术。
它主要应用于土地覆盖、农业、水文气象、森林和海洋等领域。
微波遥感可以提供高分辨率、全天候和全球性的数据，因此受到了广泛关注。
一、微波遥感成像机理微波遥感成像机理是指微波信号与地表物体相互作用后产生的反射、散射和吸收等现象。
在微波遥感中，主要有两种类型的信号：主动式和被动式。
1. 主动式信号主动式信号是由雷达发射器产生的电磁波，它穿过大气层并与地表物体相互作用后返回雷达接收器。
在这个过程中，电磁波会经历多次反射和散射，最终形成一张反映地表物体特征的图像。
主动式信号可以通过调整雷达发射器的频率和极化方式来实现对不同类型地表物体的探测。
例如，在SAR（合成孔径雷达）中，发射器会以高速旋转方式发出一系列微波脉冲，这些脉冲会穿过大气层并与地表物体相互作用后返回雷达接收器。
通过对这些脉冲进行处理，可以得到高分辨率的地表图像。
2. 被动式信号被动式信号是由地球表面的微波辐射产生的，它可以被接收器直接捕捉到。
在这个过程中，微波辐射会受到大气层、云层和其他干扰因素的影响，因此需要进行校正和处理才能得到准确的地表信息。
被动式微波遥感主要应用于土壤湿度、降雨量、海洋表面温度等领域。
例如，在SMOS（Soil Moisture and Ocean Salinity）卫星中，接收器会捕捉地球表面发出的微波辐射，并通过对其频率和极化方式进行分析来获取土壤湿度和海洋盐度等信息。
二、微波遥感成像技术微波遥感成像技术是指利用主动式或被动式信号来获取地表信息的方法。
根据不同的应用领域和需求，可以选择不同类型的雷达或接收器来实现数据采集和处理。
1. SAR（合成孔径雷达）SAR是一种主动式微波遥感技术，它通过调整雷达发射器的频率和极化方式来实现对不同类型地表物体的探测。
SAR可以提供高分辨率、全天候和全球性的数据，因此在土地覆盖、农业、水文气象、森林和海洋等领域得到广泛应用。
微波辐射计原理及硬件架构设计
微波辐射计原理及硬件架构设计发表时间：2019-05-27T10:21:00.000Z 来源：《电力设备》2018年第35期作者：蒋村溪[导读](南京大桥机器有限公司江苏南京 211000)1基本工作原理1.1 总述温度、湿度、风向和风速的大气廓线通常由国家气象服务部门利用无线电探空仪来测得。
这些设备价格昂贵、运行成本高、空间分辨率（几百公里范围）和时间分辨率（每天约两次）低。
虽然卫星测得的温度和湿度廓线有更好的空间覆盖能力，尤其是在海洋和人口稀少的地区，但是所获得的水平分辨率和时间分辨率都很低。
由于观测的方位，其垂直分辨率在对流层上部的上部比较高，但是越靠近地球表层其分辨率也越低。
由于云在红外光谱部分有很强的吸收能力，有些卫星（如先进的微波探测装置AMSU和特殊的微波/温度传感器仪SSM/T）的运行设计在微波部分，而云对于微波来说是半透明的。
廓线的获得是通过测量沿大气压力增宽的谱线的大气吸收作用。
温度廓线是通过测量60GHz处氧气的吸收作用，而湿度廓线是通过测量183GHz处的水汽线来获得的。
由于大气在两个波段处的吸光度很高（不透明度），未知表面的吸收作用可以忽略不计。
地基微波辐射计在反演大气温度和湿度廓线方面的作用在很久前已经被证实[e.g.Westwater et al, 1965; Askne etal, 1986]。
由于微波辐射计运行成本低，可获取连续的大气温湿度廓线，并且廓线在靠近行星边界层表面具有最高的垂直分辨率。
这种特性对于评价高分辨率的天气预报数值模型特别重要。
由于技术的发展，加上寻求探空仪替代品需求的加强，用于反演大气温度和湿度的多通道微波辐射计在过去几年内已经发展起来[Del Frate et al, 1998; Solheim et al, 1998]。
地基多通道的另外一个优点是其对云液态水的高敏感性。
被动式微波辐射计是迄今为止除个别昂贵的飞行器原位观测之外，观测垂直液态水含量（液态水路径，LWP）最准确的方法。
AMSR被动微波数据介绍及主要应用研究领域分析
A M S R被动微波数据介绍及主要应用研究领域分析毛克彪①，②，③，覃志豪①，③，李满春③，徐斌①（①农业部资源遥感与数字农业重点实验室，北京100081；②中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室，北京100101；③南京大学国际地球系统科学研究所，江苏南京210093）摘要：由于微波具有全天候、穿透性以及不受云的影响，使其在遥感研究全球变化中具有越来越大的优势。
本文主要是对当前星上主要的被动微波数据S MM R、S S M、A M S R做了介绍并做了对比。
其中主要是介绍对地观测卫星上的A M S R-E 数据，然后分析了被动微波主要的应用研究领域。
关键词：S MM R；S S M；A M S R中图分类号：T P72.文献标识码：A文章编号：1000-3177（2005）79-0063-03地表能量交换信息的获取是监测区域资源环境变化的一个重要环节。
地表温度是地表能量平衡的决定因素之一。
由于土壤水分含量对土壤比辐射率的变化影响很大，因此土壤水分含量变化是影响地表温度变化的一个最主要的因素之一。
获取区域地表温度空间差异，并进而分析其对区域资源环境变化的影响，是区域资源环境动态监测的重要内容。
传统的做法是通过地面有限观测点的观测数据来推论分析区域地表温度的空间差异。
这种地面观测方法不仅艰难而且非常昂贵。
近20年来，遥感技术的飞速发展为快速地获取区域地表温度空间差异信息提供了新的途径。
地表温度在区域资源环境研究中的重要性已经使热红外和被动微波遥感成为遥感研究的一个重要领域，目前已经开发了很多针对热红外数据的实用地表温度遥感反演方法，如热辐射传输方程法、劈窗算法、单窗算法和多通道算法。
但热红外遥感受大气和云的影响特别严重，因此被动微波在地表温度反演中具有独特的优势。
由于地球表面的复杂性，使得陆地表面温度的反演精度受到限制，特别是在土壤水分含量变化比较大的地区。
因此，为了更准确地分析区域热量空间差异，很有必要在用热红外反演地表温度的过程中考虑土壤水分含量的变化。
微波辐射计应用场合与任务
目录1微波辐射计应用场合与任务 (2)2微波辐射计组成与关键技术 (3)3微波辐射计研究热点与趋势（星载微波辐射计） (7)4关于微波辐射计发展的思考建议 (9)参考文献 (10)微波辐射计（英语：microwave radiometer，缩写为“MWR”）也称为“微波辐射仪”，是一种用于测量亚毫米级到厘米级波长（频率约为1-1000GHz）的电磁波（微波）的辐射计。
微波辐射仪能接收大气中的某些成分在一定频率上强烈辐射的微波，经过一定的转换方法，得到大气在垂直和水平方向上的气象要素分布，并且还可以探测到云状、云高以及目力无法观测到的晴空湍流。
此仪器携带方便，可增加探空网在时间和空间上的密度，能观测到大气的连续变化，不致漏掉范围较小但变化剧烈的天气系统。
微波辐射计是一款被动式微波遥感设备，微波遥感起步晚于可见光和红外遥感。
但相对于可见光和红外遥感器而言，微波辐射计能全天候、全天时工作。
可见光遥感只能在白天工作，红外遥感虽可在夜晚工作，但不能穿透云雾。
微波辐射计主要用于中小尺度天气现象，如暴风雨、闪电、强降雨、雾、冰冻及边界层紊流。
对于短时间内生成或消散的中小尺度天气灾害，虽然只是地区性的，但部分事件危害性较大。
在目前中尺度天气现象监测过程中，探空气球和天气雷达是常用的手段。
探空气球会受到使用时间和空间的限制；天气雷达资料基本局限于降雨过程无降水时的欠缺；在离地面5公里范围内卫星遥感数据存在较大的误差。
被动式地基微波辐射计的出现，填补上述研究方法监测方面的空白，是其有效的补充手段。
微波辐射具有独立工作能力，能在几乎各种环境条件工作，非常适合于自动天气站。
用于反演完整的大气廓线，反演数据和原始数据全部保存。
提供完备的顾客定制或全球标准算法。
主要应用如下：对流层剖面的温度、湿度和液态水，天气和气候模型研究，卫星追踪（GPS，伽利略）湿/干延迟和湿度廓线，临近预报大气稳定性（灾害性天气检测），温度反演检测、雾、空气污染，绝对校准云雷达，湿/干延迟改正VLBI技术。
微波遥感-2
Rr
c
2 cos
方位分辨率：
Ls Ra
D
R
采用合成孔径技术合成后的天线孔径为真实孔径雷达的 波瓣宽度（方位分辨率）即
Rs
Ls
RD
由于电磁波双程位移，最终的方位分辨率还可提高一倍。
D Rs 2
合成孔径雷达得到的原 始数据还不能叫做图像, 只是一组包含强度、位 相、极化、时间延迟和 频移等信息的大矩阵,叫 做(原始)信号数据(Raw Signal Data)。从信号数 据到图像产品,要经过复 杂的步骤。
d sin dd
二、雷达方程
雷达波束是以天线为中心的球面波。包括： 发射-发射增益-传输吸收-到达-回波吸收-接收 增益-接收总功率。
第二节 成像微波传感器
一、微波辐射计
中文名称：
微波辐射计
英文名称：
microwave radiometer
用以收集和测量地物发射来的微波辐射通量的被动式微波遥感探测仪。 测绘学（一级学科）；摄影测量与遥感学（二级学科） 能定量探测目标物的低电平微波辐射的高灵敏度的接收装置。 地理学（一级学科）；遥感应用（二级学科） 主要用于测量海面辐射强度的微波遥感器。 海洋科技（一级学科）；海洋技术（二级学科）；海洋遥感（三级学科）
第三节 天线、雷达方程和灰度方程
一、雷达天线 天线是将发射机产生的电磁波发射出去，或者 接收地物反射回来的电磁波，并传送给接收机 的重要中间环节。 各向同性的天线（各方向辐射能量相同）是不 存在的。天线立体方向图表示天线能量的分布 空间。
平面天线方向图
微波遥感
3. 微波遥感3.1 引言微波遥感包括主动式遥感和被动式遥感。
正如第2章所描述的，光谱的微波部分波长范围大约是1厘米至1米。
因为与可见光和红外线相比，微波的波长较长，这种特殊性对于遥感来说是非常重要的。
由于波长较长的光受大气散射的影响比波长较短的光要小，因此长波段的微波辐射可以穿透云层，薄雾，尘埃等（除了在暴雨情况下）。
这种特性使得几乎在所有的气候和环境条件下，都能进行微波能量的探测，从而可以在任何时间收集数据。
被动微波遥感在概念上与热红外遥感相似。
所有物体都能发射一部分数量的微波能量，但一般都不多。
被动微波传感器能探测在其视野范围内的自然辐射的微波能量。
这些辐射的能量与辐射体或辐射体表面的温度和湿度有关。
被动式微波传感器是典型的辐射计或扫描仪，除了它用天线来探测和记录微波能量外，其他大部分的工作方式与之前所讲的系统相同。
由被动传感器记录的微波能量的产生，可以来自于大气辐射（1），地面反射（2），地表辐射（3），或地下发射（4）。
因为微波波长很长，所以相比于光的波长它可获得的能量就相当少。
因此所需要的视野域必须大到能探测足够的能量以记录一个信号。
因此大部分的被动微波传感器的空间分辨率都比较低。
被动微波遥感可以应用于气象，水文和海洋学的研究。
通过观察大气本身，或"透过"大气观测（这依赖于波长），气象学家可以利用被动式微波测量大气剖面，并确定大气中水和臭氧的含量。
微波的发射受水分含量的影响，因此水文学家可使用被动式微波测量土壤湿度。
海洋学的应用包括绘制海冰图，海流图，海面风场图以及污染物的探测，如浮油。
主动微波传感器自己能提供微波辐射源来照射目标。
主动微波传感器通常分为两个截然不同的类型：成像和非成像传感器。
最常见的一种成像主动式微波传感器是雷达。
雷达（RADAR）是无线电探测和测距（RAdioDetection And Ranging）的简称，它的全名实际上也概括了雷达传感器的功能和操作方式。
PartII微波辐射计基本原理
传输线：物理温度通常也是 Tp ，信号损耗
Pin 因子L Pout
1。理想传输线L=1;
接收机： 现实接收机＝无噪声接收机＋等效热噪声源
bo.qian@, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)
全功率辐射计与Dicke辐射计
2)Dicke辐射计:
脉冲式的接收外来辐射。
Dicke开关交替地接通1、2两端， 在已知参考负载温度TR的情况下， （2）解决接收机内部噪声Tr和增益不稳定性 的影响。 VOA=kGs (TA+Tr) 利用两个输出VOA和VOB来 VOB=kGs (TR+Tr) （1）解决增益不稳定性的影响。 假设在一个开关周期内稳定，则 两信号之差 VOA=kGsTA， VOB=kGsTR， 与增益是否稳定有关! D= k(TA-TR) 假设在一个开关周期内稳定，则 与噪声 Tr无关，可以从中获得被测TA。若能 调整TR的值，使得两信号之差D=0，则得 TA = TR* VOA /VOB， TA =TR ，则与增益是否稳定无关！ 则与增益是否稳定无关！ 称此为平衡式Dicke辐射计。
bo.qian@, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)
• 天线方向性函数
1 F ( , ) 0 , 当在很小的主瓣立体角 M内
不在 M内
主瓣内，TB ( , ) 与方向无关，可用 TB ( 0 ,0 ) 表示。
Ar r R
2
或
r
Ar
R
2
bo.qian@, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)
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第二章被动微波遥感原理及微
波辐射计
1黑体热辐射的－1.
Planck 定律Rayleigh Jeans 定律
a)－Planck 定律，Rayleigh Jeans 定律b)亮温，视温
22.
微波辐射计系统a)
天线系统，天线温度b)
热噪声，噪声温度，噪声系数c)
理想微波辐射计，迪克型辐射计d)微波辐射计空间分辨率，微波辐射计成像，不确)微波辐射计间分辨率微波辐射计成像不确定性原理
3.微波辐射计的遥感应用
a)微波辐射测量模型，极化效应，观测角效应，大气效应，表面粗糙度效应
土壤湿度海温海面盐度冰雪
b)土壤湿度，海温，海面盐度，冰雪
辐射测量基础
Planck 定律
2
1()52,hc B T λλ=exp 1hc ⎛⎞−⎜⎟kT λ⎝⎠
前面的是以波长为自变量以频率为自变量
二者如何转换？
Stefan －Boltzmann 定律
∞
∞4f B B d B df T λλ
σ===∫∫00
Wien位移定律
）对应的频率
最大辐射（B
f
）对应的波长
最大辐射（B
λ
换算回频率
二者不同！
微波辐射计
微波辐射计天线温度T T A =T au + τa ρs T ad + τa T s
微波辐射计
au
τT 大气
a ρs ad
τa T s T ad
地表
SSM/I Passive Microwave Radiometer Image of the Amazon Basin Obtained at a Frequency of the Amazon Basin Obtained at a Frequency of
85 GHz with Vertical Polarization
部分微波辐射计
部分微波辐射计：
g
MSR：Microwave Scanning Radiometer，MOS－1，2波段Dicke辐射计。
AMSR Advanced Microwave Scanning Radiometer ：Advanced Microwave Scanning Radiometer，
ADEOS－II上，6波段，4极化，5-60KM，NE d T: ,精度
0.3K, 精度：1K。
SSMR，Scanning Multi-channel Microwave Radiometer, Nimbus-7,
Nimbus7
AIMR, Airborne Imaging Microwave Radiometer, JPL SSM/I, Special Sensor Microwave/Imager, DMSP, 4波段，分辨率1545KM
－
地物的发射率（或叫比辐射率）
实际地物不是黑体，与电磁波作用存在吸收、反射和透射Kirchhoff定律，在热平衡状态下，不透明物体，吸收率等于发射率
1.能量守恒定律，吸收率＋反射率＋透过率＝1
2.一般不透明物体（半无限），透过率＝0，结合1，有
发射率＝吸收率＝1－反射率
4.反射率与地表粗糙度有关。
粗糙度大，入射辐射在地物中
反射次数增加，吸收大大增加，所以发射率增加。
反射次数增加吸收大大增加所以发射率增加
5.反射率还与复介电常数有关。
复介电常数的定义：
εεjε
＝’－”
ε’是实部，反映地物感应入射辐射的能力。
”ε是虚部，反映地物对辐射的吸收衰减能力，虚部越大，对辐射的吸收衰减越多。
土壤和水体的近似电磁特性
实部虚部介质波长电导率
(西门子/米)
海水3m~20cm 4.380774 20~25°C10cm 6.56939 28°C 3.2cm166530.7
32307蒸馏水23 °C 3.2cm126723
1103102006淡水湖1m-3-10-2800.06
0.60非常干燥的砂质土9cm0.032 1.62
9003162非常潮湿的砂质土9cm0.62432.4非常干燥的地面1m10-440.006
10-206潮湿地面1m300.6
典型地物在不同微波波长时的发射率
地物波长3cm8mm 目标
草地～1.0~1.0
098098沥青0.980.98
混凝土0.860.92
干沙0.900.86
038063水面0.380.63
金属面00
1.介电常数小的地物（如沙）反射率大
2.介电常数大的地物（如水）反射率小，水的
介电常数的实部远比其它地物大，反射率小，介电常数的实部远比其它地物大反射率小
只有般地物的40％90％
只有一般地物的％～
3.含水量高的土壤反射率比干燥土壤低
4.含水量是（主、被动）微波遥感的关键因素
•比辐射率与观测角度有关
•实际地物表面是粗糙表面，微波辐射的反射率般采用面散射理论计算
射率一般采用面散射理论计算
•反射的方向存在复杂的分布，分布情况由粗糙度决定
•粗略划分粗糙度，依据微波波长和角度
与微波辐射有什么关系？
天线（Antenna）
天线是自由空间传播的电磁波与传输线中传播的导波之间过渡的区域。
作用类似光学遥感器中的透镜，在两种媒质间起转换器和换能器的作用，是两种空间的界面。
从电路的观点看
各种形状的天线
Film Antenna Film Antenna
描述天线特征的物理量
描述天线特征的物量
•天线方向图（Pattern，有的建议叫波瓣图，认为）：
天线接收或辐射的电磁波能量在空间各方向上分
布的函数或图表
大多数天线是互易的，即对于接收和发射的方向大多数天线是互易的即对于接收和发射的方向
图是一样的
天线方向图各不相同，与天线形状直接相关
天线方向图各不相同与天线形状直接相关
只在理论上存在各向同性的天线，在理论分析中
作为参考基准
刻画电磁波传播能量的物理量是Poynting矢量，方向沿着电磁波传播方向，正交于电场、磁场
向沿着电磁波传播方向正交于电场磁场
在球坐标系中，取传播方向为矢径方向，电场、磁场可沿两在球坐标系中取传播方向为矢径方向电场磁场可沿两个角矢量方向分解
设
得
方向图
归一化方向图
天线辐射波瓣图的三维
表示
天线辐射波瓣图的三维表示
关于天线波束宽度
1.半功率波束宽度（HPBW ，half-power
beamwidth ），3dB 波束宽度
2.第一零点波束宽度（FNBW ，beamwidth
between first nulls ）
FNBW>HPBW ，一般HPBW ≈1／2FNBW dB=-10log 10I/I 0，取对数里面应该是无量纲量3dB 对应1／2，0.5，50％
例子假设°<=°求
例子：假设F n (θ)=cos 2θ，0<= θ<=90，求HPBW 。
解=05=0707=45°解：cos 2θ=0.5，cos θ=0.707，θ=45 ，
HPBW=2θ=90 °.
)()2求对于F n (θ)=cos(θ)cos2 θ，求HPBW 和FNBW 。
波束立体角Ω波束体角A
天线波束立体角是指天线的所有辐射功率按波瓣F 加权积分后的立体角所以Ω最大值为4图Fn 加权积分后的立体角。
所以ΩA 最大值为4π，越大，说明辐射越分散，越小说明辐射能分布越集中方向性越好集中，方向性越好。
=()42,A n F d π
φπθπ
θφ==ΩΩ
∫∫()00
,sin n d F d φθφθφθθ===∫∫对于各向同性天线
A 4π
Ω=辐射功率等于()A
,r S F θφ=Ω。