热红外辐射计和微波辐射计

2.大气校正（大气粒子的吸收，大气自发 辐射，太阳辐射，宇宙背景辐射等）
3.风速风向（平静海面和粗糙海面的发 射率模型）
3.热红外辐射计
3.1 分类与特点 可见光和近红外辐射计（6000K）
红外辐射计 热红外辐射计（300K）
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、 气溶胶的影响
89.0 5km 3,000
1.1K
AMSR-E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
辐射传输方程的微分形式
dL(z) dz

LB
(z)kab

L(z)kab
L（z）是在位置z处的辐亮度； kab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； LB（z）是与吸收气体温度相同的黑体发射的辐亮度
代入 L(T、l) （e T、l）LB (T、l)
得：
TB eTSST TB : 海面亮温（Brightness Temperature) TSST : 海面真实温度（Sea Surface Temperature)
基本原理
TB eTSST 发射率e( , f , ,Ts , Ss ,U10,)
0.9 0.8
30℃ 0.7 0.6 0.5
实线--35‰ 盐水 虚线--纯水
30℃
0℃
ρ
H,V
0.4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 频率f (GHz)
微波辐射计
微波测量海表面盐度： 首选辐射计频率是L波段1.4GHz 首选极化状态是垂直极化 首选观测角是0～10度 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
热红外辐射计和微波辐射计
主要内容
一、辐射计简介
二、基本原理
海表面温度的观测
三、热红外辐射计 反演温度的算法
海洋学的应用
四、微波辐射计
简介 传输方程 海面发射率模型和算法
五、D－矩阵法反演海表面温度和风速
六、雷达
七、风浪的方向谱
1.辐射计简介
1.1什么是辐射计
辐射计（radiometer）是一种根据被动遥感理论 而制作的传感器。
SSTi,j a b Ti c Tj f (d)
注： i、j 代表MODIS通道20、22 和23中的任意两个；
函数f（d）被用来消除因为太阳倾角变化带来的 剩余误差
f (d) m cos[2(day n) / YD] p
a、b 、c 、m 、n 和p是对应于三个纬度海域的系数
辐射计本身并不发射电磁波，它只接收地球表面反 射和散射的太阳光，或者陆地、海面或大气的自发辐 射，人们依靠反演算法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。
辐射计简介
1.2 分类
可见光和红外辐射计（visible and infrared radiometer） 热红外辐射计（thermal-infrared radiometer） 微波辐射计（microwave radiometer）
r cos V () R V () 2
r cos
r



n n
2
sin 2

r


n n
2
sin 2

复折射率 n n in r 复相对电容率 （r Ts,Ss , )
由德拜方程计算
微波辐射计
在观测角θ=0°时，温度为0˚C 和30˚C的淡水表面和盐度 为35的海水表面的菲涅耳反射率ρ随频率变化
( l , T ) ( l , T ) = 1 不透明材料
2.2热辐射，基尔霍夫定律
基本原理
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 而发射电磁波的现象称为热辐射
T<800K 红外光 T>800K 可见光
基本原理
基尔霍夫定律（黑体辐射定律）
全球海表面 温度变化
天气预报
大洋涡旋
上升流
4 微波辐射计
4.1简介
4.1.1微波辐射计的分类和特点 按测量目的区分，微波辐射计可分为探测仪和成像仪。
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， 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， 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 含量等
微波辐射计
卫星观测的圆锥形扫描几何的示意图
观测角θ： 490～550
特点：
微波辐射计
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 微波辐射计探测的影响微小。
微波能够穿透较薄的云层，故被称为全天候 卫星探测器
4.1.2单通道温度反演方法
微波辐射计
理论和实验表明，在6 GHz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 亮温Tb对海表面温度TS非常敏感；
微波辐射计
传输方程的解：
L() Lsesec
h
L
0
B
(z)k
ab
(z)e
(z,h
)
sec

sec
dz
代入瑞利－金斯定律，得微波辐射计观 测到的亮温T
T(, h) etTs Tu (, h) etTs
h 0
T(z)k
ab
(z)e
(
z,h
)sec

M（(TT、、ll）) M B (T、l), M (T、l)单色幅出度
遥感科学中，一般采用幅亮度参数
L(T、l) （T、l）LB (T、l), L(T、l)单色幅亮度
基本原理
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：
发射率e(l,T) (l,T) 1 (l,T )
6.925 10.65 18.7 23.8
50km
25km
350 100 200 400
horizontal and vertical
55 deg.
less than -20 dB
more than 1,450 km
2.7-340K
1K
0.3K 0.6K
12bit 10bit
36.5 15km 1,000
L(T、l) （e T、l）LB (T、l)
基本原理
2.3 普朗克公式和瑞利金斯公式
普朗克公式：L (l) 2hc2l5
1
hc
eklT 1
当 hc 1,即f 600GHz时，
klT
有瑞利金斯公式 L( f ) 2 f 2kb T c2
基本原理
将瑞利金斯公式 L( f ) 2 f 2kb T c2
热红外辐射计
(3)RAL算法
英国实验室RAL（Rutherford Appleton Lab） Linear MCSST Ts a b Ti g(Ti Tj ) NLSST Ts a 0 a1 Ti a 2 (Ti Tj ) Tb a 3 (sec 1) 通用的AVHRR （甚高分辨率辐射计）的SST 反演算法的基础
热红外辐射计
“迈阿密探路者”MPSST算法中的各个系数的估计值
大气条件的两 T32 - T31 ≤ 0.7 种情况
C1
1.228552
C2
0.9576555
C3
0.1182196
C4
1.774631
T32 - T31 ≥ 0.7
1.692521 0.9558419 0.0873754 1.199584
微波辐射计
4.4粗糙海面的发射率——两尺度模型
: 卫星观测角, f ：微波频率, ：辐射计极化状态, Ts：海表面温度, Ss：海表面盐度, ：风向
U10：海面上10m高处风速
高频波段(>5GHz)，e对盐度不敏感，可反演温度； L波段(1.4GHz)，e对盐度非常敏感，可反演盐度
2.4 讨论：
基本原理
1.天线校正（热衰减，方向系数）
热红外辐射计
（2）：3.7~4.1μm(20，22和23通道)
SSTi a b Ti
Ti代表MODIS通道20、22 和23中的任意一个 单通道线性大气校正算法（linear single band atmospheric correction algorithm）
热红外辐射计
多通道SST算法 （MCSST：Multi-Channel SST algorithm）
2）传感器本身噪声 增大积分时间，减小热噪声
热红外辐射计
3）物理海洋学订正
红外信号穿透海水的厚度只有0.1mm（皮层）， 与海洋学中的表层（1m）温度有差异
热红外辐射计
3.3 MODIS红外波段海表面温度算法
美国EOS系列卫星携带的中等分辨率成像光谱仪 MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectro-Radiometer） (1) 11μm，12μm两个通道 （通道序号31，32） “迈阿密探路者”MPSST算法
MODIS _ sst C1 C2 T31 C3 T(31)(32) C4[sec 1] T(31)(32)
热红外辐射计
MODIS _ sst C1 C2 T31 C3 T(31)(32) C4[sec 1] T(31)(32)
注：
θ是卫星天顶角； T31 代表MODIS通道31探测到的亮温； T(31)(32) 代表MODIS通道32 亮温与通道31亮 温之间的温差，通过T (31)(32) 进行大气校正； 亮温Ti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Li计算获得