第 五 讲 微波辐射计对地物亮度温度的测量
合集下载
地物波谱特征
2 影响样本光谱的因素 我们将对样本光谱产生影响的因素分为了三类，分别是大气因素、周围物体的散
射因素和物体自身反射特性因素。如图：
其中，大气因素和周围物体的散射因素都属于影响样本光谱的环境因素。
2.1 大气因素对观测的影响
大气干扰地物光谱测量的因素主要包括： ➢ 大气中各种气体分子对太阳辐射的吸收； ➢ 云层对太阳辐射的吸收和散射； ➢ 风对被测物体的物理状态的影响。
仪器有1米、3米和5米的光纤连接光谱仪对样本采样，光纤视场均为25度。由于光纤存 在一个25度的视场，在测量观测时，观察的区域是一个面而不是一个点。所以在测量时必 须选择适当的观测距离和角度，保证观察面中的观测对象符合测量要求。
1.1 测量仪器的硬件介绍：
1.1 测量仪器的硬件介绍：
1.1 测量仪器的硬件介绍：
地物光谱测量方法 – 样品的实验室测量 实验室测量常用分光光度计，仪器由微机控制，测量数据也直接传给计算机。 分光光度计的测量条件是一定方向的光照射，半球接收，因此获得的反射率与野 外测定有区别。室内测量时要有严格的样品采集和处理过程。例如，植被样品要 有代表性，采集后迅速冷藏保鲜，并在12h内送实验室测定；土壤和岩矿应按专业 要求并制备成粉或块。 由于实验室的测量条件高，应用不够广泛。
不同叶绿素浓度的海水反射光谱曲线
（4）岩石反射波谱曲线 岩石的反射波谱曲线无统一的特征， 矿物成分、矿物含量、风化程度、 含水状况、颗粒大小、表面光滑程 度、色泽等都会对曲线形态产生影 响。
几种岩石的反射波谱曲线
2. 地物波谱特征的测量
电磁波谱中，可见光和近红外波段（0.3~2.5μm）是地表反射的主要波段，多数传感 器使用这一区间。 地物波谱特征测量的作用
（1）植被反射波谱曲线
第三章-热辐射的基本定律
(,)
n
的主瓣
F n( , )d
M
主瓣
F
n( , )d
4
（3.16）
类似的，式（3.14）中的第二项等于乘积 mT ML ，其中 m 是天线
杂散因子
Fn(,)d
m
4主瓣
Fn(,)d
1M
（3.17）
4Tຫໍສະໝຸດ 定义为旁瓣贡献的有效视在温度，其表示式为：
SL
TAP(,)Fn(,)d
TSL 4主瓣
c df
f
3 kTdf
3.3.1瑞利-金斯公式
公式中，k 2 。在经典统计理论推导中应
用了能量均分定理,即能量E中每个平方项的平均值
等于（1/2）kT，谐振子的平均能量为 析瑞利-金斯公式可得到三点结论：
f
kT
。分
（i）瑞利-金斯公式虽然具有维恩位移律的形
式，但却不存在真正的维恩位移。瑞利-金斯公式给
3.3热辐射的经典统计理论
在建立热辐射统计理论之前，先给予一个
定理：从动力学观点来看，一个连续振动的体系
相当于一组谐振子，从连续振动体系发出的波等
价于一组谐振子作简谐振动发出的简谐波的叠加。
经典统计理论就是建立在这一定理上经过一系列
推导，应用波尔兹曼统计和能量均分定理推导出
了瑞利-金斯公式
8 f 2
Bolt常 zm数 K a1n.： 3 n1 8-2 0 0 J3K 6 1
3.2功率-温度对应关系
考虑一种情况：一个无损微波天线置于 保持在恒定温度T的黑体闭室内的情况。 如图所示：
图1 （a）图中放在温度为T的黑体外壳内的天线给出的功率等于（b）图中装在同样温 度的黑体外壳中的电阻给出的功率（假设每个都与带宽为的匹配接收机相连）
微波辐射计探测滨海新区大气温湿参数垂直分布
液 态 水廓 线 。
【 关冀词 】 微波辐射计
温度
湿度
廓 线
—
—
０
引 言
大气 温 度 和湿 度 廓 线 是 重 要 的 气 象 参 数 ， 者 与 数 值 天 气 二
Ｔ ＝
大气 平 均 辐 射 温 度 。
Ｉ （ ｄ（ ） ｏ ｆ ）
１ 一ｆ（ ∞ ） ０．
预测 、 业 、 信 、 通 、 空 等 密 切 相 关 。 统 的探 测 方 法 为 无 农 通 交 航 传 线 电探 空 和星 载 温 湿 度 探 测 仪 。 但 前 者 体 积 庞 大 ， 本 较 高 且 成 安装 和 运 行 条 件 复 杂 ， 间分 辨 率 和 时 间 分 辨 率 较 低 ， 者 在 空 后 高空 具 有 理 想 的空 间分 辨 率 ， 由于 云 的遮 挡 和 强 吸 收 以及 大 但 气 对 毫米 波 波 段 电磁 波 的不 透 明 性 ， 其 在 低 对 流 层 只 有 较 低 使 的空 间分 辨 率 。 用 地 面 微 波 辐射 计 对 大气 进 行 遥 感 测 量 ， 采 不 仅 可 连续 测 量 大 气 含 水 量 和 云 中液 态 水 含 量 ， 监 视 其 演 变 并 过 程 ， 可 以测 量 实 时 的 降雨 强 度 和 总 降雨 量 ， 且 可 节 省 大 还 而 量 的人 力 、 力 和投 资 。 国 际上 已有 较 多 的 气 象研 究 者从 事 地 物 基 微 波 遥 感 的 研 究 和 应 用 工 作 ， 如 ｗ ｅ 微 波 辐 射 计 等 对 资 料 和探 空 资 料 进 行 了 对 比 ， 果 指 出 在 数 值 预 报 中 ， 波 辐 结 微 射 计 资 料 与 探 空 资 料 具 有 同等 的 准 确 性 ； ｎ ｐ ｍ 对 比微 波 Ｋ ｕｐ 等 辐 射 计 资 料 和探 空 资 料 ， 果 表 明温 度 误 差 小 于 ２℃ ， 汽 密 结 水 度 小 于 １ ｍ ， 一 步指 出微 波 辐 射 计 对 中 一 尺 度 天 气 系 ． ｇ 进 ５／ 统 的热 力 结 构 有 较 好 的 监 测作 用 。
【 关冀词 】 微波辐射计
温度
湿度
廓 线
—
—
０
引 言
大气 温 度 和湿 度 廓 线 是 重 要 的 气 象 参 数 ， 者 与 数 值 天 气 二
Ｔ ＝
大气 平 均 辐 射 温 度 。
Ｉ （ ｄ（ ） ｏ ｆ ）
１ 一ｆ（ ∞ ） ０．
预测 、 业 、 信 、 通 、 空 等 密 切 相 关 。 统 的探 测 方 法 为 无 农 通 交 航 传 线 电探 空 和星 载 温 湿 度 探 测 仪 。 但 前 者 体 积 庞 大 ， 本 较 高 且 成 安装 和 运 行 条 件 复 杂 ， 间分 辨 率 和 时 间 分 辨 率 较 低 ， 者 在 空 后 高空 具 有 理 想 的空 间分 辨 率 ， 由于 云 的遮 挡 和 强 吸 收 以及 大 但 气 对 毫米 波 波 段 电磁 波 的不 透 明 性 ， 其 在 低 对 流 层 只 有 较 低 使 的空 间分 辨 率 。 用 地 面 微 波 辐射 计 对 大气 进 行 遥 感 测 量 ， 采 不 仅 可 连续 测 量 大 气 含 水 量 和 云 中液 态 水 含 量 ， 监 视 其 演 变 并 过 程 ， 可 以测 量 实 时 的 降雨 强 度 和 总 降雨 量 ， 且 可 节 省 大 还 而 量 的人 力 、 力 和投 资 。 国 际上 已有 较 多 的 气 象研 究 者从 事 地 物 基 微 波 遥 感 的 研 究 和 应 用 工 作 ， 如 ｗ ｅ 微 波 辐 射 计 等 对 资 料 和探 空 资 料 进 行 了 对 比 ， 果 指 出 在 数 值 预 报 中 ， 波 辐 结 微 射 计 资 料 与 探 空 资 料 具 有 同等 的 准 确 性 ； ｎ ｐ ｍ 对 比微 波 Ｋ ｕｐ 等 辐 射 计 资 料 和探 空 资 料 ， 果 表 明温 度 误 差 小 于 ２℃ ， 汽 密 结 水 度 小 于 １ ｍ ， 一 步指 出微 波 辐 射 计 对 中 一 尺 度 天 气 系 ． ｇ 进 ５／ 统 的热 力 结 构 有 较 好 的 监 测作 用 。
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2
第二章 微波遥感系统
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。
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。
地物的反射辐射
2.3.3 典型地物波谱反射特性： 植被
精品课件
2.3.3 典型地物波谱反射特性： 植被
二、影响植被反射波谱特性的主要因素
植物类型 植被生长季节 植被生长状态
精品课件
2.3.3 典型地物波谱反射特性： 植被
二、影响植被反射波谱特性的主要因素
植物类型 植被生长季节 植被生长状态
精品课件
2.3.3 典型地物波谱反射特性： 植被
第二章 遥感物理基础
主要内容
电磁波谱与电磁辐射 物体的发射辐射 地物的反射辐射
大气对电磁波传输的影响
2.3 地物的反射辐射
精品课件
2.3.1 电磁波传输的过程
电磁波
太阳辐射 地物辐射
精品课件
As the electromagnetic waves travel through space, their energy interacts with matter:
2.3.2 地物反射波谱
❖ 绝大部分地物的波谱值具有一定的变幅，它们的波谱 特征不是一条曲线，而是具有一定宽度的曲带。
❖ 除随不同地物（反射率）不同外，同种地物在不同内 部结构和外部条件下形态表现（反射率）也不同。一 般说。
❖ 地物存在“同物异谱”和“异物同谱”现象。 “同 物异谱”是指两个类型的个体地物，在某个波段上波 谱特征不同；“异物同谱”是指不同类型的地物具有 相同的波谱特征。精品课件
精品课件
物体表面性质对反射的影响
（3）实际物体反射(方向反射)：介于镜面和朗伯面（漫 反射）之间的一种反射。自然界种绝大多数地物的反射都 属于这种类型的反射，又叫非朗伯面反射。 对太阳短波辐射的反射具有各向异性，即实际物体面在有 入射波时各个方向都有反射能量，但大小不同。
第 5 章 有效载荷
用户需求往往是针对应用卫星或针对整个卫星应用系统 提出的，而不是直接对有效载荷提出的，有效载荷设计者 就需要与卫星应用系统和卫星总体设计者一道，根据用户 需求，进行综合分析，确定有效载荷的总体指标。
例：通信卫星的用户要求： 传多少话路、多少路电视 涉及：有效载荷、地面应用系统。 光学遥感卫星的用户要求： 地面分辨率、观测带宽度、 重复观测周期。 涉及：有效载荷、轨道、指向控制能力。
伽利略导航卫星系统计划图
空间飞行器总体设计
§5.6 导航卫星有效载荷
俄罗斯新研制的GLONASS－M导航卫星
空间飞行器总体设计
§5.6 导航卫星有效载荷
3 地球同步卫星无线电测定系统卫星有效载荷
1.光学遥感器
1）海洋水色扫描仪
中国HY－1卫星的海洋 水色扫描仪具有10个探测 波段，星下点地面分辨率 均为1100m，覆盖约1100km。
HY－1A卫星第一轨水色仪图像
空间飞行器总体设计
§5.5 海洋卫星有效载荷
1.光学遥感器
2）CCD成像仪
HY－1卫星装载的 另一台有效载荷是 4波段CCD成像仪。 其星下点地面分辨 率为250m，覆盖约 510km。
空间飞行器总体设计
§5.1 概述
3. 卫星有效载荷设计的一般技术要求
2）质量、体积、功耗及可靠性要求
一般来说，有效载荷质量减小1kg，运载火箭的起飞质量可 减小1～2t，显然减小质量对提高性能价格比是十分重要的。 由于卫星设备的不可在轨维修性，对高可靠和长寿命提出了 更高的要求。
3）必须满足与卫星平台之间的特定关系
空间飞行器总体设计
§5.4 气象卫星有效载荷
气象卫星分极地轨道和静止轨道两种。有效载荷指星上用 于气象信息获取、处理、存储及发送的设备。主要包括：遥 感器、实时信息处理器、大容量数据记录器及发射机等。
例：通信卫星的用户要求： 传多少话路、多少路电视 涉及：有效载荷、地面应用系统。 光学遥感卫星的用户要求： 地面分辨率、观测带宽度、 重复观测周期。 涉及：有效载荷、轨道、指向控制能力。
伽利略导航卫星系统计划图
空间飞行器总体设计
§5.6 导航卫星有效载荷
俄罗斯新研制的GLONASS－M导航卫星
空间飞行器总体设计
§5.6 导航卫星有效载荷
3 地球同步卫星无线电测定系统卫星有效载荷
1.光学遥感器
1）海洋水色扫描仪
中国HY－1卫星的海洋 水色扫描仪具有10个探测 波段，星下点地面分辨率 均为1100m，覆盖约1100km。
HY－1A卫星第一轨水色仪图像
空间飞行器总体设计
§5.5 海洋卫星有效载荷
1.光学遥感器
2）CCD成像仪
HY－1卫星装载的 另一台有效载荷是 4波段CCD成像仪。 其星下点地面分辨 率为250m，覆盖约 510km。
空间飞行器总体设计
§5.1 概述
3. 卫星有效载荷设计的一般技术要求
2）质量、体积、功耗及可靠性要求
一般来说，有效载荷质量减小1kg，运载火箭的起飞质量可 减小1～2t，显然减小质量对提高性能价格比是十分重要的。 由于卫星设备的不可在轨维修性，对高可靠和长寿命提出了 更高的要求。
3）必须满足与卫星平台之间的特定关系
空间飞行器总体设计
§5.4 气象卫星有效载荷
气象卫星分极地轨道和静止轨道两种。有效载荷指星上用 于气象信息获取、处理、存储及发送的设备。主要包括：遥 感器、实时信息处理器、大容量数据记录器及发射机等。
第三章微波遥感
雷达波束与竖直方 向所夹的入射角 发射雷达脉冲投影 到海表面的长度
从卫星到观测 区域的距离
合成孔径雷达的方位分辨率：
卫星在整个采样时间 内移动的距离
2
合成孔径雷达平台的要求： 平台的姿态及速度要非常稳定。
重点：1、分析微波和热红外辐射的异同。 2、微波遥感的优点和不足。 3、微波与大气的作用有什么规律？这些规律 对微波波段遥感有哪些重要意义？ 4、名词解释：天线增益、有效孔径、辐射方 向图。
重点： 1、写出雷达方程并说明雷达方程提供了哪些信
息？
2、说明合成孔径雷达的工作过程。
3、名词解释：多普勒频率、雷达的距离分辨率、 方位分辨率
应用：广泛用于微波辐射计、高度计、散射计等。
相控阵天线
由多个单元天线组合构成，分为线性阵列、平面 阵列、曲面阵列。
相控阵天线主要应用：合成孔径雷达。
相控阵天线的优点： （1）适用于多目标、多方向监测 ； （2）功能多，机动性强； （3）反应时间短、数据率高； （4）抗干扰能力强；可靠性高
不存在！！
各向同性天线： 在各方向上辐射的能量相同的天线。
天线增益：
天线增益表示为某一天线与标准天线都得到同样功 率时在同一方向上的功率密度之比。是描述一副天线将 能量聚集于一个窄的角度范围(方向性波束)的能力的一 个量。
方向性增益： 也常称做方向性系数，指最大辐射强度(每立体 弧度内的瓦数)与平均辐射强度之比。就是指实际的 最大辐射功率密度比辐射功率为各向同性分布时的 功率密度强的倍数。
波的干涉
1.波的干涉现象
频率相同、振动方向相同、有恒定的相位差的两列 波（或多列波）相遇时，在介质中某些位置的点振 幅始终最大，另一些位置振幅始终最小，而其它位 置，振动的强弱介乎二者之间，保持不变。称这种 稳定的叠加图样为干涉现象。