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
2.基本原理
2.1 吸收率与反射率
物体接受辐射— W入射 W反 W吸 W透


总吸收率 = 吸收总能量 (T )
入射总能量
t
总反射率 = 反射总能量 (T ) 入射总能量
单色吸收率 单色反射率
( l , T ) （ 波长l附近） ( l , T ) （ 波长l附近）
热红外辐射计
3.2 热红外辐射计对海表面温度的遥感
海表面温度反演依据普朗克黑体辐射定 律计算
L (l) 2hc2l5
1
hc
eklTB 1
TB eTSST
e设定为接近1的经验常数
影响因素 1）大气的影响
多通道海表面温度（MCSST）算法
热红外辐射计
在大气层中的不同大气成分的吸收率
热红外 窗口
a 0 = 1.42，a 1 = 0.94，a2 = 0.098，a3 = 0.88
乘积因子Tb需估计
热红外辐射计
TERRA 卫星的中等分辨率成像光谱辐射计（MODIS）观 测数据 反演获得的全球海表面温度
热红外辐射计
3.4热红外遥感的海洋学应用
海洋锋
气候学
经济和渔业
海表面温 度异常
热红外温 度遥感
在6 .63GHz 波段和49度观测角附近，在垂直极化 状态通道探测的亮温几乎与风速无关
美国海洋卫星（Seasat） 的多频率扫描微波辐 射计 （SMMR），温度反演精度1.5k
微波辐射计
4.1.3多通道温度反演方法
卫星传感器探测到的亮温取决于海表面温度、 盐度、与风速相关的海面粗糙度以及在高风速 状态下波浪破碎产生的白冠和气泡
微波辐射计
4.3平静海面发射率
海面发射率e与菲涅耳反射率ρ关系是
eH,V () 1 H,V ()
海－气表面，有：
cos H () R H () 2
cos
r


n n
2
sin 2

r


n n
2

sin 2

微波辐射计
sec
dz
考虑更多辐射源
微波辐射计
微波辐射计观测的亮温：
微波辐射计
T(, h) etTs Tu (, h) tTd t 2 (Tgal Tcos Tsun )
Tu是大气向上辐射的亮温 Tgal 银河系噪音等效温度 Tcos宇宙黑体辐射等效温度 Tsun是太阳表面温度 Td 大气向下辐射等效温度
使用多通道探测技术和D-矩阵方法，反演地球物 理参数SST和海表面风速能够获得更高的精度
微波辐射计
日本高级微波扫描辐射计AMSR-E （Advanced Microwave Radiometer for EOS）
Frequency(GHz) Ground Resolution Bandwidth (MHz) Polarization Inclination Cross polarization Swath Dynamic Range Precision Sensitivity [NEΔT(K)] Quantization