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。

8、本征阻抗：电场与磁场的复振幅之比，记为η，单位为Ω。

在理想介质中，
本征阻抗为实数，电场和磁场同相位。

在非理想介质中，本征阻抗为复数，电场
和磁场有相位差。

9、电磁波的几个传播参数：
角频率ω ：表示单位时间内的相位变化，单位为rad /s ；
周期T ：时间相位变化 2π的时间间隔，即T=2π/ω；
频率f:周期的倒数f=1/T ；
波长λ ：空间相位差为2π 的两个波阵面的间距；
相位常数 k ：表示波传播单位距离的相位变化，k=2π/λ,k 的大小等于空间距
离2π内所包含的波长数目，因此又称为波数。

‘
相速（波速）：电磁波的等相位面在空间中的移动速度。

10、波的极化：在电磁波传播空间给定点处，电场强度矢量的端点随时间变化的
轨迹。

波的极化表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性, 是
电磁理论中的一个重要概念。

极化分类如下：
TE 波，电矢量与波的传播方向垂直
TM 波，磁矢量与波的传播方向垂直
TEM 波，电矢量和磁矢量都波的与传播方向垂直
线极化，电场强度矢量的端点轨迹为一直线段
圆极化，电场强度矢量的端点轨迹为一个圆
椭圆极化，电场强度矢量的端点轨迹为一个椭圆
在线极化中，电磁波的电场矢量与地面平行的极化方式称为水平极化（H 极化），
电磁波的电场矢量与地面垂直的极化方式称为垂直极化（V 极化）。

依据菲涅尔
公式，两种极化方式下的反射率表达式不同。

矩形天线的短边为电场方向，短边与地垂直，为垂直极化，长边与地垂直为水平
极化。

10度入射角之内，垂直与水平极化无分别。

11、导电媒质的等效介电常数：ε c = ε －j σ/ω.
12、趋肤效应; 电磁波的频率越高，衰减系数越大，高频电磁波只能存在于良导
体的表面层内，称为趋肤效应。

13、趋肤深度：电磁波进入良导体后，其振幅下降到表面处振幅的 1/e 时所传播的距离。

其随波长的增大而增大，即频率越高，波长越短，穿透能
力越弱
三、微波遥感的天线系统
1、天线：在自由空间传播的电磁波与在传输线中传播的导波之间过渡的区域。

微波辐射计天线的功能是接收被观察的场景所辐射的电磁能量。

2、天线辐射方向图：描述能量相对分布的方向函数F （θ,ϕ）。

将其归一化，以最
大值归一，这样的方向图成为归一化辐射方向图即
它可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。

3、前后比：定向天线的前后比是指主瓣的最大辐射方向（规定为0°）的功率通
量密度与相反方向附近（规定为180°±20°范围内）的最大功率通量密度之比值。

4、波束宽度：在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，
其余的瓣称为副瓣。

主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。

称
为半功率（角）瓣宽。

主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。

5、立体角Ω：定义立体角为曲面上面积微元ds 与其矢量半径的二次方的比值，
记作dΩ=ds/r^2；由此可得，闭合球面的立体角都是4π。

球面度sr 是立体角的国
际单位。

6、增益：增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空
间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。

增益一般与天线方向图有关，
方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。

max n ),(F ),(F ),(F φθφθφθ=
7、输入阻抗：天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。

输入阻抗有电阻分量和电抗分量。

输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。

因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。

四、辐射测量学
1、亮度：B，代表单位立体角，单位面积的辐射功率，其单位是W·sr-1·m-2。

2、谱亮度：B f，单位带宽的亮度，其单位是W·sr-1·m-2·Hz-1。

3、谱功率：P f，在1Hz带宽内天线所接收的功率称为谱功率，单位是W·Hz-1。

4、普朗克黑体辐射定律：关键是根据该定律能够推导出黑体辐射的一系列定律，有斯忒潘—玻尔兹曼定律，维恩位移定律，维恩辐射定律和瑞利—琼斯定律。

其中，斯忒潘—玻尔兹曼定律表明随着温度T的增加黑体的总亮度B按照温度T 的4次方规律增加。

而瑞利—琼斯定律则表明在微波范围谱亮度与温度呈正比。

5、亮度温度：物体在同一波长下的光谱辐射强度与黑体光谱辐射强度相等时的黑体温度。

6、发射率：又称比辐射率，即物体通过表面向外辐射的电磁能与同温度的黑体在相同条件下所辐射的电磁能的比值。

是在0与1之间变化的衡量物体辐射能力强弱的数值。

实际物体的发射率与物体的表面状态(包括物体表面温度、表面粗糙度以及表面氧化层、表面杂质或涂层的存在)有关。

金属的发射率随表面温度的上升而增大，而非金属的发射率一般是随表面温度的上升而减小。

金属的发射率比非金属的小得多。

7、线性相关系数：指在定标方程中，T A=A+B×V OUT，输出电压与亮温值之间的相关程度。

8、噪声系数：输入信噪比/输出信噪比。

它是衡量设备本身噪声品质的重要参数。

它反映的是信号经过系统后信噪比恶化的程度，它是一个大于1的数，也就是说信号经过系统后信噪比是恶化了。

应该是越小越好。

9、视在温度：微波辐射计的天线接受来自不同辐射源的功率，其中包括地物自身的热辐射，大气的向上辐射，以及大气的向下辐射被地物散射到天线方向的散射辐射。

这些辐射在地物上空形成一定的亮度分布。

利用亮度与辐射温度的对应关系，可以将此亮度分布用黑体等效辐射温度T AP(θ，φ)去描述。

并称T AP(θ，φ)为在(θ，φ)方向的视在温度。

亮温仅与物质表面或体内发射的自身热辐射能有关，而视在温度则与入射到天线的辐射能有关。