第二章被动微波辐射计
微波辐射计的设计原理与应用
微波辐射计的设计原理与应用微波辐射计是一种用于测量微波辐射强度的仪器，其设计原理基于微波辐射的电磁波特性。
微波辐射计广泛应用于气象、通信、雷达、卫星通信等领域，用于测量和监测微波辐射强度，为相关领域的研究和应用提供关键数据。
微波辐射计的设计原理主要基于微波辐射的特性和电磁波的测量原理。
微波辐射是一种电磁波，具有特定的频率范围和波长。
微波辐射计通过接收微波辐射，将其转化为电信号进行测量和分析。
微波辐射计通常由天线、接收机、信号处理器和显示器等组件组成。
天线用于接收微波辐射，并将其转化为电信号。
接收机接收天线传输的电信号，并对信号进行放大和处理。
信号处理器用于进一步处理和分析信号，提取出所需的微波辐射强度数据。
显示器用于显示测量结果。
微波辐射计的应用非常广泛。
在气象领域，微波辐射计用于测量大气中的微波辐射强度，以了解大气中的水汽含量、云层特性等，对天气预报和气候研究具有重要意义。
在通信领域，微波辐射计用于测量和监测无线电通信中的微波辐射强度，以保证通信质量和安全性。
在雷达领域，微波辐射计用于测量和监测雷达系统中的微波辐射强度，提供数据支持和性能评估。
在卫星通信领域，微波辐射计用于测量和监测卫星通信中的微波辐射强度，以保证卫星通信质量和稳定性。
值得注意的是，微波辐射计的设计和应用需要考虑多种因素。
首先，天线的选择和设计对于微波辐射的接收至关重要，不同频率和波长的微波辐射可能需要不同类型的天线。
其次，接收机和信号处理器的性能和精度直接影响测量结果的准确性和可靠性。
此外，环境因素如温度、湿度、干扰等也会对测量结果产生影响，因此需要进行相应的校准和补偿。
微波辐射计是一种用于测量微波辐射强度的仪器，其设计原理基于微波辐射的电磁波特性。
微波辐射计广泛应用于气象、通信、雷达、卫星通信等领域，用于测量和监测微波辐射强度，为相关领域的研究和应用提供关键数据。
微波辐射计的设计和应用需要考虑多种因素，包括天线选择、接收机性能、环境校准等。
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。
遥感原理知识点梳理
遥感原理知识点梳理第一章绪论1.遥感于1960年由美国地理学家pruitt普鲁伊特提出2.广义遥感（梅安新教授提出）：一切无接触远距离探测（实际工作中，只有电磁波探测属于遥感范畴）（电磁波是遥感技术的基础）3.狭义遥感（电磁波遥感）：从不同高度平台，使用各种传感器接收来自地球表层的电磁波信息（数据采集）并进行加工处理（数据处理分析），从而对不同地物进行远距离探测与识别（处理结果应用）的技术。
4.遥感平台：地面，航空，航天5.传感器：接收、记录物体反射或发射的电磁波特征的仪器。
6.遥感技术系统：从地面到空中乃至空间，从信息采集、存储、处理到判读分析与运用的完整技术体系。
可以分为：（1）空间信息采集系统-采集遥感信息（2）地面接收与预处理系统-接收、处理（必要的辐射与几何校正）与分发遥感数据（针对星载传感器建立地面接收系统）（3）地面实况调查系统（遥感技术系统的基础）：获取遥感信息之前：通过测定地物反射光谱确定所需传感器类型与波段获取遥感信息的同时：采集地表，大气等有关参数（遥感信息处理运用的辅助）遥感数据处理结果的检验（4）信息分析与运用系统，主要包括：遥感信息的选择技术、遥感信息的处理技术、专题信息提取技术、参数量算与反演技术、制图技术7.遥感分类：按工作平台：地面，航空，航天、（航宇）按探测电磁波工作波段：紫外，可见光，近红外，热红外，微波，多波段等按应用目的（探测目标）：大气，极地，海洋，陆地，外层空间等按资料的记录方式：成像，非成像按传感器工作方式：主动（主动发射与接收电磁波），被动（被动接收电磁波（可见光，近红外，热红外））8.遥感的特点：（1）宏观性与同步性（2）时效性与动态性（3）多波段性（4）综合性与可比性（5）经济性（6）局限性（误差，用途等）9.传感器：扫描仪，摄影机，摄像仪，雷达，高度计，微波辐射计，扫描仪等10.1957年苏联成功发射第一颗人造卫星（斯普特尼克一号）1970年我国发射东方红一号第二章电磁辐射与地物波谱特征2.1电磁波与电磁波谱1.电磁波（横波）：由变化的电场和变化的磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间中传播。
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。
微波遥感的种类
总结词
微波辐射计是被动微波遥感的主要设备之一，用于测量地球表面或大气层中的微 波辐射能量。
详细描述
微波辐射计通过接收来自地球表面或大气层的微波辐射，经过处理和分析，能够 获取有关地表覆盖、土壤湿度、植被生长状况、云层结构等信息。这些信息对于 气象预报、农业监测、环境评估等领域具有重要意义。
微波散射计
VS
对于某些特定目标，如军事侦察、夜 间交通监测等应用场景，微波遥感具 有独特的优势。
对植被、土壤和水体的敏感度
微波遥感能够敏感地感知植被、土壤和水体的介电常数和含 水量等参数变化。
在农业、环境监测等领域，微波遥感可以用于评估作物长势 、土壤湿度和地表水体变化等情况。
05
微波遥感的未来发展
高频和超高频微波遥感技术
04
微波遥感的特点与优势
对云层和恶劣天气的穿透能力
微波波长较长，能够穿透云层和恶劣 天气，获取到被遮挡的目标信息。
在气象预报、灾害监测等领域具有重 要应用价值，能够实时获取地面目标 的情况。
获取全天候、全天时数据的能力
微波遥感不受光照条件限制，可以在 白天和夜晚进行观测，获取全天候、 全天时的数据。
多频段和多模式微波遥感技术
多频段和多模式微波遥感技术能够提供更全面 的地面信息，包括土壤湿度、地下水分布等， 有助于提高遥感监测的全面性和准确性。
多频段和多模式微波遥感技术能够实现不同频 段和模式的组合，提高遥感监测的灵活性和适 应性，满足不同应用需求。
多频段和多模式微波遥感技术需要解决不同频 段和模式之间的干扰问题，提高信号的稳定性 和可靠性。
气象参数反演
微波遥感能够通过测量大气中的水汽 、云雨等气象参数，反演得到温度、 湿度、风速等气象信息，为气象预报 提供重要数据。
华北理工微波遥感课件第2章 微波遥感系统
工作原理
天线
转换 开关பைடு நூலகம்
发射 机
定时系 统
接收 机
距离 测量 系统
数据
简化的高度计的方框图
太空船利用一种激光高度测量器(Mars Orbiter Laser Altimeter) 绘制的火星立体图片
时间延迟
海面高度
卫星高度计 海面有效波高
大地水准面 海洋动力地形
海面回波波 形强度
海面风速
海洋地球物理应用
海海 地 海 洋洋 球 洋 测岩 引 潮 深石 力 汐 无圈 场 图结 模 区构 型 测特 改 绘性 善
海洋动力学应用
海洋环境监测
大中 大 全
厄
海
海
尺等 洋 球
尔
浪
冰
度尺 边 海
尼
与
及
海度 界 平
诺
风
极
洋涡 流 面
与
速
区
环流 研 变
南
场
冰
流旋 究 化
方
盖
研研
涛
究究
动
用于“神舟”四号飞船 的多模态微波遥感器由 微波辐射计、雷达高度 计、雷达散射计三种模 态仪器构成。
二、侧视雷达 1、一般结构
发射器 显示器
转换开关 接收机
天线
S 航迹向
S 90o
成像带 距 离 向
雷达波束
二、侧视雷达
雷达：radio detection and ranging，RADAR 侧视雷达：side-looking radar，SLR
S 航高 斜距
图像胶片
X YZ
阴极射线管
第二章 微波遥感系统
一、非成像微波传感器 二、成像微波传感器 三、天线、雷达方程和灰度方程 四、空间微波遥感系统 五、辐射测量原理
微波辐射计使用手册
地基多频段微波辐射计使用手册（HSMR）目录1．产品简介 (1)2.接收机的原理与设计 (4)3. 操作步骤和软件使用 (6)3.1 软件功能 (6)3.2 单极化微波辐射计控制软件 (7)3.2 S波段双极化微波辐射计控制程序 (9)3.3 L波段双极化微波辐射计控制程序 (10)4．微波辐射计的定标 (12)5. 微波辐射计电缆连接标识 (13)6.微波辐射计安装与使用注意事项 (14)6.1 接收机安装与电缆连接 (14)6.2 数据采集器与电源的安装 (14)6.3 系统接地要求 (14)7. 探测环境条件要求 (15)7.1探测环境条件的要求 (15)7.2探测场地的要求 (15)7.3工作室要求及设备安置 (16)8. 常见故障分析 (16)1．产品简介微波辐射计是宽频带、高增益、高灵敏度的被动微波遥感仪器，能够在很强的背景噪声中提取微弱的信号变化量。
通过接收被测目标自身的微波辐射获取相应的物理特性，经过有效的数据反演进行定量分析。
本套产品的微波辐射计主要包括7个频率的仪器，在微波频率划分上分别是L、S、C、X、Ku、K和Ka，具体设计对应频率为1.4GHz，2.65GHz，6.6GHz，10.65GHz，13.9GHz，18.7GHz，37GHz。
其中1.4GHz和2.65GHz为双极化天线，6.6GHz，10.65GHz，13.9GHz，18.7GHz，37GHz为喇叭天线，可以旋转机身转换极化测量，以求对岩石加载过程中微波多个频率点有深入细致的了解。
单极化接收各波段微波辐射计的原理框图如图1所示。
图1 微波辐射计接收通道原理框图双极化微波辐射计利用双极化接收天线同时接收目标的微波辐射信息，由线性极化分离器分别获取水平极化和垂直极化信息，经两路接收通道进行处理。
数字控制单元完成射频开关的控制，并将测量得到的原始数据通过串行通讯送到主计算机。
L、S波段属于微波遥感应用频率的低端，极易受到其它电磁辐射源的影响，因此需要在通道中增加高精度滤波器。
微波遥感2
主要内容 • • • • 简介 天线 被动微波传感器 主动微波传感器
2.1 简介
In the microwave region the wavelength is often similar to that of major scatterers in the medium, and we can make physical models for their interactions. This helps in the understanding of the interactions and means that we are not primarily dependent on statistical aspects, which is often the case in the optical regime. This is the reason why models for electromagnetic waves and medium interactions are so important for microwave remote sensing.
350 100 200 400 1,000 3,000
75 x 43 51 x 29 27 x 16 32 x 18 14 x 8 6x4
JERS-1 日本
TMI (TRMM Microwave Imager) 热带降雨测量任务（Tropical Rainfall Measuring Mission）微波成像仪 WindSat
• 微波辐射计在海洋卫星上用来遥感海表面温度、海表面风速和风向
（sea surface wind vector）、海面上空水汽含量、降水率（total
column precipitable water vapor）等，在飞机上用来遥感海表面温度、 海表面盐度（sea surface salinity）等。
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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。