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)
微波辐射测量基础知识
微波辐射测量基础知识（为方便查询，以词条的形式展现）一、引论1、微波：频率为300MHz-300GHz的电磁波，即波长在1m(不含1m)到1mm之间的电磁波。
2、微波辐射测量学：又称为被动微波遥感，是关于微波频段内非相干辐射电磁能量的一门科学和技术。
3、遥感应用微波的三个理由：（1）微波具有穿透云层和在某种程度上穿透雨区的能力，不依赖于太阳作为辐射源；（2）比光波能更深入地穿入植被；（3）用微波可得到与用可见光、红外波段可得到的信息不同。
三者结合运用，能更好更全面地分析研究对象。
二、被动微波遥感的电磁学基础1、电导率：是电阻率的导数σ=1/ρ。
其物理意义表示物质导电的性能，电导率越大，导电性能越强。
2、介电常数：又称电容率，符号ε。
介电常数是被动微波遥感的一个重要物理参数。
特此做详尽说明。
介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为相对介电常数(permittivity),又称相对电容率，以εr表示。
则介质介电常数ε=εrε0，其中，ε0是真空绝对介电常数。
对于时变电磁场，物质的介电常数和频率相关，通常称为介电系数。
在一些工具书或学术文献上的解释：指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值，表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。
介电常数愈小绝缘性愈好。
空气和CS2的ε值分别为1.0006和2.6左右，而水的ε值特别大，10℃时为 83.83。
3、波阵面：空间相位相同的点构成的曲面，即等相位面。
4、平面波：等相位面为无限大平面的电磁波。
5、均匀平面波：等相位面上电场和磁场的方向、振幅都保持不变的平面波。
其电场强度和磁场强度都垂直于波的传播方向（TEM 波）。
6、电磁波的三种重要模式：7、时谐电磁场：如果场源以一定的角频率随时间呈时谐（正弦或余弦）变化，则所产生电磁场也以同样的角频率随时间呈时谐变化。
这种以一定角频率作时谐变化的电磁场，称为时谐电磁场或正弦电磁场。
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。
微波辐射仪的工作原理
微波辐射仪的工作原理微波辐射仪是一种用来测量物体表面温度的仪器。
它利用了微波和物体表面温度之间的关系，通过测量微波信号的反射或者发射来确定物体表面的温度。
本文将介绍微波辐射仪的工作原理及其应用。
工作原理微波辐射仪的测量原理基于斯特温-玻尔兹曼定律和物体表面反射和辐射的关系。
当物体处于室温或以上时，物体表面会发出热辐射，辐射的能量与物体表面温度成正比。
斯特温-玻尔兹曼定律表明，辐射的能量密度正比于物体的温度的四次方。
因此，可以通过测量这种辐射来确定物体表面的温度。
微波辐射仪发射的微波能量会被物体表面吸收，导致表面温度升高，表面温度升高导致物体表面反射的能量也会增加，并降低微波辐射仪接收到的微波信号。
根据物体反射和辐射的关系，可以通过测量微波信号的反射或者发射来确定物体表面的温度。
微波辐射仪可以使用两种不同的技术来测量表面温度：被动技术和主动技术。
被动技术使用物体表面发出的自然辐射来测量表面温度，而主动技术则是通过微波能量的发射和反射来测量表面温度。
应用微波辐射仪在许多领域都有广泛的应用，包括医疗、研究和工业。
以下是一些常见的应用：医学在医学领域中，微波辐射仪可以用来测量体温、诊断皮肤病和检测乳腺癌等疾病。
对于乳腺癌，微波辐射被用来通过检测肿瘤产生的微波辐射来识别肿瘤位置。
这种技术比传统的X光检测方法更安全，也更有效。
工业微波辐射仪在工业领域中也有广泛应用。
例如，在食品和木材加工中，微波辐射仪可以用来检测产品的温度，确保产品被充分热处理。
在纺织业中，微波辐射仪可以用来测量聚酯纤维中的水分含量，以确定它们的干燥程度。
此外，在冶金和陶瓷生产中，微波辐射仪可以用来监测炉温和工艺过程。
研究微波辐射仪在大气、宇宙和地球科学的研究中也有应用。
例如，在大气研究中，微波辐射仪可以用来测量大气层内的水汽含量和温度。
在宇宙研究中，微波辐射仪可以用来检测星际尘埃和冷氢气体的辐射。
在地球科学中，微波辐射仪可以用来测量土壤水分含量和植被生长情况。
微波辐射计概念及原理介绍
微波辐射计概念及原理介绍大气探测能够提供气候研究领域的重要信息，随着大气探测技术的不断发展，人们在工作、生活中对大气探测的各种要求也越来越严格。
目前的大气观测主要是通过探空气球、无线电探空仪、气象火箭以及微波辐射计等技术手段来对大气进行测量。
我国在气象探测领域仍主要依靠传统的气象站，一般是通过探空气球，由于探空气球会深入到真实的大气环境中去，所以测量值比较可信，但是这种方式往往受到时间、地点的限制问。
而在各种观测手段中，遥感技术是最便捷、成本最低、可全天候不间断观测的一种方式。
遥感探测是利用遥感设备来探测一定距离外的物理化学过程或目标，这种方式可在不直接接触目标的情况下获取人们所需的观测信息。
微波辐射计就是一种典型的无源遥感探测装置,能够测量亚毫米级至厘米级波长的电磁辐射，并且只是一个接收大气辐射的仪器”。
微波辐射计的主要优势如下：（1）相比于探空气球等设备，可长时间不间断工作，能够采集到任何时刻的分钟级数据，并且操作便捷、无需人工值守；（2）相比于探空雷达等设备，因为无需发射探测信号，所以保密性较强，不存在辐射污染，对于军事领域的大气参数测量、精确预报和动态监测具有重要的意义，且成本较低；（3）相比于卫星遥感等手段，低空垂直分辨率较高，有效避免了由于云层遮挡和强吸收作用造成的卫星遥感对对流层底部探测性能较差的问题”。
处于工作状态时，微波辐射计能够接收不同高度层的大气在不同频率上微波辐射在测出大气微波的辐射强度后，经过自身的运算处理，即可得到大气在垂直方向上的气象要素分布，即大气温湿廓线(大气中温度、相对湿度、水汽密度等信息与海拔高度的变化关系曲线)，并且还可以得到云状、云高等多种参数"”。
大气温湿廓线提供的信息对人们有重要的使用价值，可满足日常生活、工作中的多种需求，而微波辐射计测得的大气辐射强度用亮度温度（简称亮温，描述了物体的辐射强度）来表示，亮度温度并不能直接反映出天气状况，需要对其进行更进一步的运算。
微波遥感
被动微波遥感、主动微波遥感•被动微波遥感•主动微波遥感雷达（Radar –Radio Detection and Ranging）5.75—10.90X 56.0—100W4.20—5.75C46.0—56.0V 1.550—4.20S36.0—46.0Q 0.390—1.550L10.90—36.0K 0.225—0.390P频率区间（GHz)波段名称频率区间（GHz)波段名称较长的波长可以穿透的更深，在冠层、树干及土壤间发生多次散射。
地物的微波辐射•地物的微波发射热扫描波段8-14µm 300K黑体辐射曲线被动微波2314应用：角反射散射镜面反射•微波散射与表面粗糙程度的关系•微波散射与入射角的关系•微波散射与入射角的关系•微波散射与地物的介电常数的关系介电常数：冠层的背向散射与下列因素有关:土壤的背向散射与下列因素有关:液体水的背向散射:水的介电常数依赖于：冰的背向散射:雪的背向散射:dielectric constant •Geometric factorsfrequency, polarisation and incidence angle微波对物体的透射微波辐射透入物体的深度和介电常数、电阻率及频率有关成像雷达（真实孔径雷达—RAR ；合成孔径雷达—SAR ）发射机转换开关接收机记录显示器脉冲发生器脉冲回波发射脉冲θd: Depression angleθ1: off-nadir angle Rs: slant-range resolution2CR s τ=Rg: ground-range resolutiondg C R θτcos 2=C: speed of light τ: pulse widthR : s l a n t -r a n g e被分开。
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar --合成孔径基于多普勒效应θ波源θcos 'C V f f f f d ⋅=−=方位压缩Seasat, ERS-1/2, JERS-1, RADARSATERSType Sun-Synchronous Altitude782 km Inclination98.5 degPeriod100 min Repeat Cycle35 daysFrequency 5.3 GHz (C band) Polarisation Linear VVBandwidth15.55 MHzPeak power 4.8 kWAntennae size10 m x 1 mIncidence angle23o nominalSwath width100 kmResolution30 m (azimuth), 26.3 m (range)RADARSATfrom 35 kilometres to 500 kilometres from 10 metres to 100 metres from less than 20 degrees to more than 50 degrees。
微波辐射计定标方法研究
noise tempe rature
目录
第一章 绪 论 ................................................................................................................ 1
§ 1.1 研究背景和意义.............................................................................................. 1 § 1.2 国内外研究概况 .............................................................................................. 1 § 1.3 论文研究内容和结构安排 .............................................................................. 4 第二章 微波辐射测量基本原理与辐射计基本工作原理 ............................................ 7 § 2.1 微波辐射测量基本原理 .................................................................................. 7 § 2.1.1 电磁辐射 ................................................................................................... 7 § 2.1.2 亮温度 ....................................................................................................... 8 § 2.1.3 天线温度 ................................................................................................... 9 § 2.2 微波辐射计工作原理 .................................................................................. 9 § 2.2.1 全功率微波辐射计 ................................................................................... 9 § 2.2.2 狄克辐射计 ............................................................................................. 11 § 2.2.3 双参考温度自动增益控制辐射计 ......................................................... 13 § 2.2.4 周期定标微波辐射计 ............................................................................. 14 § 2.3 微波辐射计主要技术参数 ............................................................................ 15 § 2.3.1 天线主波效率 ......................................................................................... 15 § 2.3.2 主波束宽度 ............................................................................................. 16 § 2.3.3 天线馈源系统的传输系数 ..................................................................... 16 § 2.3.4 通频带宽 ................................................................................................. 16 § 2.3.5 积分时间的选取 ..................................................................................... 17 § 2.3.6 接收机等效噪声温度 ............................................................................. 17 § 2.3.7 接收机灵敏度 ......................................................................................... 18 § 2.3.8 辐射计绝对精确度 ................................................................................. 18 § 2.3.9 辐射计的扫描特性 ................................................................................. 18 § 2.4 本章小结 ........................................................................................................ 18 第三章 微波辐射计校准的基本原理和定标方法 .................................................... 19
武汉大学微波遥感复习要点
微波遥感复习要点武汉大学测绘学院X X第一章微波遥感基础1、微波遥感：指利用波长1mm-1m电磁波（微波波段）进行遥感的统称。
利用微波传感器接受地面各种地物发射和反射的微波信号，藉以识别、分析地物、提取所需的信息。
对云层、地表植被、松散沙层和干燥冰雪具有一定的穿透能力，又能夜以继日地全天候工作。
2、微波遥感传感器：主动式：侧视雷达（成像）、微波高度计（不成像）、微波散射计（不成像）被动式：微波辐射计（成像）。
3、微波遥感的优势：全天时：主动被动微波遥感都不依赖；全天候；一定的穿透能力：波长越长、、湿度越小湿度越小，，穿透越深穿透；提供特殊信息：海面形状, 海面风速, 土壤；提供相位信息：高程信息, 地形形变信息（雷达遥感不仅可以记录电磁波振幅信息，还可以记录电磁波相位信息，用于获取高精度的DEM）4、缺点：空间分辨率；影像几何变形大, 处理困难；不易解译；与可见光红外影像在几何上很难一致。
5、成像模式：宽扫描模式：天线（雷达波束）在成像时沿距离向扫描，使观察范围加宽，同时会降低方位向分辨率。
聚束模式:对传统的SAR成像模式而言，其发射波束一般正交于卫飞行方向。
而对聚束模式而言，雷达波束可以前后“斜视”，偏离正方向。
采用这种方式，雷达波束对目标的照射时间将比传统成像模要长，从而提高分辨率。
通过聚束模式，将卫星分辨率提高到lm。
条带模式。
6、微波：1mm-1m(0.3GHz-300GHz),L波段（1-2GHz：15cm-30cm）7、电磁波的基本物理量：频率、传播方向、振幅、极化。
传播过程遵循：反射、折射、衍射、干涉、吸收、散射等规律。
8、干涉的定义：由两个（或两个以上）频率、振动方向相同，相位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅矢量和。
因此，会出现交叠区某些地方振动加强，某些地方振动减弱或完全抵消的现象。
这种现象称为干涉。
产生干涉现象的电磁波称为相干波。
波的相干性导致微波雷达图像的像片上会出现颗粒状或斑点状的特征。
第二章 被动微波辐射计
第二章被动微波遥感原理及微波辐射计1.黑体热辐射的Planck定律Rayleigh－Jeans定律a)Planck定律，Rayleigh－Jeans定律b)亮温，视温2.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b)土壤湿度，海温，海面盐度，冰雪辐射测量基础()521,exp 1hc B T hc kT λλλ=⎛⎞−⎜⎟⎝⎠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400f B B d B df T λλσ∞∞===∫∫Wien位移定律）对应的频率最大辐射（Bf最大辐射（B）对应的波长λ换算回频率二者不同！微波辐射计部分微波辐射计：MSR：Microwave Scanning Radiometer，MOS－1，2波段Dicke辐射计。
AMSR：Advanced Microwave Scanning Radiometer，ADEOS－II上，6波段，4极化，5-60KM，NE d T:0.3K, 精度：1K。
SSMR，Scanning Multi-channel Microwave Radiometer, Nimbus-7,AIMR, Airborne Imaging Microwave Radiometer, JPLSSM/I, Special Sensor Microwave/Imager, DMSP, 4波段，分辨率15－45KM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＝12.一般不透明物体（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。
NASA 建造先进的对地观测微波辐射计
NASA 建造先进的对地观测微波辐射计NASA 建造先进的对地观测微波辐射计摘要红外线卫星和其他空间探测器向我们展示了地球及其环境的独特视角。
在当今的日益复杂的气候上，我们需要新的工具来加深我们对地球大气的了解。
本文描述了 NASA 正在建造的先进对地观测微波辐射计（Advanced Microwave Scanning Radiometer - 2，AMSR-2）的主要特性和功能。
AMSR-2 微波辐射计将提供对地球表面的高分辨率图像和数据，包括海洋和大气环境。
该仪器采用多通道设计，能够量化包括降水、海洋温度、海冰、土壤湿度等在内的多个气象参数，这些参数对于气候研究非常重要。
本文还将讨论 AMSR-2 的应用以及未来研究领域。
关键词：NASA、AMSR-2、微波辐射计、观测、地球、气候、降水、海洋温度、海冰、土壤湿度介绍地球是一个复杂的系统，包括大气、海洋、陆地、极地和大气系统，各个领域都呈现出复杂的相互作用。
气象学家和气候科学家常常需要深入了解每个领域，以更好地处理和预测复杂的气象事件和气候现象。
NASA 的对地观测计划是探索地球大气以及我们周围环境的工具之一，AMSR-2 微波辐射计将提供更好的对地观测服务，使我们能够更好地了解每个领域的变化和影响。
AMSR-2 微波辐射计的主要特点AMSR-2 微波辐射计是一台多频通道、被动、远程感应器，用于测量地球表面不同气象参数，包括降水、土壤湿度、海洋温度、海冰等。
它能够在12个频率下，提供不同分辨率的图像和数据。
AMSR-2 微波辐射计是 AMSR-E（Advanced Microwave Scanning Radiometer - E），的升级版，它的分辨率和灵敏度比原来的 AMSR-E 更高。
AMSR-2 微波辐射计的工作原理基于地球上不同物质对微波能量的吸收、反射和散射。
例如，降雨能够吸收微波能量，而海洋内的热量则会反射和散射微波能量。
通过分析不同的微波信号，可以测量不同的气象参数。
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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。