第七章 热红外辐射计和微波辐射计 （Thermal-Infrared Radiometer & Microwave Radiometer）

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1 第七章 热红外辐射计和微波辐射计 （Thermal-Infrared Radiometer & Microwave Radiometer）
§7.2 热红外辐射计 （Thermal-Infrared Radiometer） §7.3 雷达（Radar） §7.4 微波辐射计（Microwave Radiometer） §7.5 海面物理参数的遥感 (Remote Sensing of Sea Surface Physical Parameters） §7.6 风浪的方向谱 （Directional Spectrum of the Wind Waves）

2 §7.1 辐射计 (Radiometer) 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。
辐射计主要包括 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）

3 可见光和近红外辐射计 中红外辐射计 热红外辐射计 微波辐射计 在水色卫星上用来遥感海水叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度、海水光学衰减系数等。
在气象卫星和陆地卫星上用来遥感雪、冰、气溶胶和薄卷云。 热红外辐射计 在气象卫星和海洋卫星上用来遥感海面上空水汽含量和海表面温度 微波辐射计 在海洋卫星上用来遥感海表面温度、海表面风速和风向、海面上空水汽含量、降水率等，在飞机上用来遥感海表面温度、海表面盐度等。

4 可见光和红外波段的宽带辐射计 可见光和红外波段的窄带辐射计 可见光和红外辐射计分为: 宽带辐射计 窄带辐射计
FY-1: 多通道功能可见光和红外扫描辐射计MVISR NOAA: AVHRR 可见光和红外波段的窄带辐射计 HY-1 水色卫星: COCTS SeaStar: SeaWiFS Terra/Aqua: MODIS ERS-1/2: ATSR-M

5 §7.2 热红外辐射计 （Thermal-Infrared Radiometer）
§7.2.1 热红外辐射计对海表面温度的观测 §7.2.2 热红外遥感的海洋学应用 §7.2.3 试验型MODIS 红外波段海表面温度算法

6 §7.2.1 热红外辐射计对海表面温度的观测 红外辐射计（infrared radiometer）最初应用在军事方面，如早期的夜间瞄准具、红外夜视镜等。近30年来，红外遥感在海洋、 陆地环境和资源调查方面的应用日益广泛。主要用于探测: 云层表层温度 海水表层温度 陆地的表层温度 水中生物、植被构成 检测火山 检测森林火灾等

7 在大气层中的不同大气成分的吸收率

8 3.7-4.1μm和10-12μm: 星载辐射计探测的大气窗口
CO2：在大气中只有CO2的成分及分布是稳定的 O3：臭氧层位于地表10至50 km的高空大气层，且白天的浓度大于晚上； 水蒸气：处于大气的底层大约10km范围，水平分布变化很大，随时间的变化也很大。 大气层的温度比海面温度要低。大气效应减小了到达热红外波段传感器的海面辐射，也改变了在其它波段接收到的辐亮度值。 在红外波段，水蒸汽、 CO2和O3是吸收电磁波的主要气体，而这些气体的散射作用引起的衰减一般是可以忽略的。 气溶胶：在可见光波段对电磁波有显著的散射衰减作用，在近红外波段对电磁波有较小的散射衰减作用，在中红外和热红外波段以及微波波段对电磁波的散射衰减作用一般可以忽略。

9 红外辐射计的种类很多，一般可分作两类： 可见光和近红外辐射计（visible and near-infrared radiometer） 可见光和近红外辐射计的应用最广，6000˚K的太阳在此频率范围的辐亮度最大，很多辐射计都工作在这一区域。 热红外辐射计（thermal infrared radiometer） 热红外波段对应于300˚K的地球表面自发辐射的辐亮度最大的波段。地球表面自发辐射最强的波段被称为热红外波段。 与地球反射的可见光相比，热红外信号一般较弱；但是，由于其波长比可见光波长要长，具有较大的绕射能力和穿透能力，不易受到雾、烟尘和气溶胶的影响；即使穿过大气层，热红外遥感也能够测到比较清晰的图像。

10 §7.2.2 热红外遥感的海洋学应用 海表面温度（SST）是海洋学研究中最重要的参数之一；几乎所有的海洋过程，特别是海洋动力过程都直接或间接与温度有关。

11 使用卫星观测海表面时，大气对海面红外信号有衰减作用；因此大气校正是热红外遥感中的不可缺少的环节。
在热红外波段，大气对海面辐射的影响主要是通过吸收和自发辐射的相互作用进行的。 除大气的影响外，红外传感器的误差源还有红外传感器本身。辐射计热噪音产生的误差都可能造成温度测定的极大误差，因此要求辐射计具有较高的稳定性。

12 海表面温度（SST）的反演依据普朗克黑体辐射定律计算
海水的发射率（又称为“灰度”）在热红外波段由经验确定， 一般设为接近于1的一个常数 对于可见光和近红外光来说，海水接近于黑体，海表面接近 于朗伯表面，其发射率接近1。 通常使用经验方法反演海表面温度，这可以回避海水的红外 波段发射率的未知问题。 大气对不同波长的红外遥感有不同的影响 根据大气对不同波段的红外电磁波谱的不同的影响效应，可 使用不同波段测量的线性组合来消除大气的影响，从而得到 海表面温度（SST）。因此，使用多通道技术对消除大气影 响是非常有效的。

13 在使用热红外辐射计的MCSST产品进行海洋学研究之前， 还要进一步作物理海洋学方面的订正。
表层水分子的温度表征了辐射性质，控制着遥测的亮度温度。 该表层的实际厚度是随辐射波长而变化的 对于我们感兴趣的3～15μm的红外波长来说, 该表层的厚度 只有0.1mm；一般地，人们称这一表层为皮层。 遥感探测的只是海洋的皮层温度,这与海洋学中所讲的表层 水温（表层1m厚水层的温度）有差异。这种白昼温跃层和 季节温跃层，使皮层温度与表层水温产生较大的差别，因此 必须给予校正。

14 云是海面温度遥感中必须剔除的因素 消除云的方法一般可采用： 1）最大温度法：海表面温度与云表面温度相比要高， 海表面温度变化的时间梯度（或空间梯度）与云表面温度 变化的时间梯度（或空间梯度）相比要低。若条件满足， 则可认为是海面温度值，否则可认为是云。这种方法对稳 定薄云和不清晰云的情况并不适用。 2）多波段方法：这种方法依赖于两种不同的红外波长 （一般为3.7和10.5μm）上的亮度和温度之间的非线性关 系。如果在温暖的海面上覆盖分散的不清晰的云，则其图 像在两个波段上将给出两种不同的亮温；若是均匀的云块 或海面，则其图像上将有相同的亮温。 3）图像目测判断法：雨云在可见光下的图像是明显的。

15 热红外辐射计和微波辐射计观测得到的全球海表面温度可应用与下列研究领域
（1）气候学 （2）全球海表面温度变化 （3）海表面温度异常 （4）天气预报 （5）大洋涡旋 （6）上升流 （7）海洋锋 （8）经济和渔业

16 §7.2.3 试验型MODIS 红外波段海表面温度算法
有36个通道的可见光和红外波段光谱辐射计 波段范围[0.645 μm, μm]

17 MODIS的技术指标 Orbit 705 km altitude, sun-synchronous, 10:30 a.m. descending node Swath 2330 km (cross track) by 10 km (along track at nadir) Spatial Resolution 250 m (bands 1-2), 500 m (bands 3-7), 1000 m (bands 8-36)

18 MPSST算法: 利用MODIS第31号和第32号热红外通道探测数据:
该算法模拟了NOAA气象卫星AVHRR的MCSST算法 θ：卫星天顶角； T31 ：通道31探测到的亮温，它等价于AVHRR的通道4亮温 ； T(31)(32：通道32 亮温与通道31亮温之间的温差，它等价于AVHRR的通道4亮温与通道5亮温之间的温差。 该算法通过运用通道32 亮温与通道31亮温之间的温差T(31)(32) 进行大气校正，来剔除大气衰减的影响。 因为瑞利-金斯定律在热红外波段不成立，所以MODIS热红外通道的亮温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。 因为亮温Ti是依据黑体辐射定律从该通道探测的辐亮度Li计算获得，故Ti又称为对应通道的黑体温度。

19 表7-2 显示了根据高空探测现场观测（in situ observations）获得的公式（7-1）中的各个系数的估计值。
“迈阿密探路者”MPSST算法中的各个系数的估计值 大气条件的两种情况 T32 - T31 ≤ 0.7 T32 - T31 ≥ 0.7 C1 C2 C3 C4

20 单波段线性大气校正算法 Brown和Minnett于1999提出热红外波段海表面温度算法适用于3.7μm～4.1μm 大气窗口的星载辐射计的反演海表面温度（SST）的算法。 这个大气窗口比10～12μm热红外窗口更透明，因而可能提供更准确的温度探测。 20通道（3.660μm～3.840 µm） 22通道（3.929μm～3.989 µm） 23通道（4.020μm～4.080 µm） 式中i代表MODIS通道20、22 和23中的任意一个

21 MCSST算法 为了消除因为太阳倾角变化带来的剩余误差，迈阿密大学进一步发展了一个多通道SST算法（MCSST：Multi-Channel SST algorithm），即 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，它的计算公式是 a、b 、c 、m 、n 和p：对应于三个纬度海域的系数。 NASA的技术报告（Brown 和Minnett 1999）提供了对系数a、b 、c 、m 、n 和p的估计值。

22 线性MCSST MCSST模型是基于一个英国实验室RAL发展的MODIS 红外波段关于大气吸收和发射过程的模型。
在RAL的MODIS红外波段模型中，一个多通道海表面温度的线性算法Linear MCSST（Linear Multi-Channel SST algorithm）曾被提出，它有一个形式： Ts ：海表面温度 Ti ：第i个通道探测的亮温

23 非线性SST算法（NLSST） θ：卫星天顶角
一个非线性海表面温度算法NLSST（Non-Linear SST algorithm）曾被提出，它的形式是 Tb：两个通道之间亮温差（Ti-Tj）的乘积因子 θ：卫星天顶角 该公式是目前通用的AVHRR 的SST反演算法的基础 使用AVHRR的通道4和通道5的亮温与现场浮标数据的比较，获得的NLSST系数的估计： a0 = a1 = 0.94 a2 = a3 = 0.88

24 图7-2：由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（SST）