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

400

f B B d B df T λλ

σ∞

∞===∫

∫

Wien位移定律

）对应的频率

最大辐射（B

f

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, JPL

SSM/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＝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。

5.反射率还与复介电常数有关。复介电常数的定义：

ε＝ε’－jε”

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。

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，只有一般地物的40％～90％

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

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

线

描述天线特征的物理量

•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图是一样的

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

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F n (θ)=cos 2θ，0°<= θ

<=90°，求HPBW 。

解：cos 2θ=0.5，cos θ=0.707，θ=45°，

HPBW=2θ=90°

波束立体角ΩA

天线波束立体角是指天线的所有辐射功率按波瓣图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。

()()4200

,,sin A n n F d d F d π

φπθπ

φθθφφθφθθ====Ω=Ω

=∫∫∫∫对于各向同性天线

辐射功率等于()A A

4,r S F π

θφΩ==Ω