遥感第七章 辐射计教材.docx
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遥感第七章辐射计教材
第七章辐射计
§7.1辐射计(radiometer)
辐射计是被动遥感(passivelyremotesensing)传感器。
辐射计只接收海面或大气的辐射,从中提取物理信息,而不发射探测电磁波。
辐射计包括可见光和红外波段辐射计以及微波辐射(MicrowaveRadiometer)。
可见光和近红外波段辐射计(VisibleandNear-infraredRadiometer)在水色卫星上用来遥感海水叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度以及海水光学衰减系数等。
热红外波段辐射计(ThermalInfraredRadiometer)在气象卫星和海洋卫星上用来遥感海面温度。
微波辐射计在海洋卫星上用来遥感海面温度、海面风速和风向、海面上空水汽浓度、降水率等,在航空遥感飞机上用来遥感海面盐度。
目前正在运行的可见光和红外波段宽带辐射计包括我国风云1号装载的多通道可见光和红外扫描辐射计MVISR(Multi-functionVisibleandInfraredScanningRadiometer),美国NOAA卫星装载的改进型甚高分辨率辐射计AVHRR(AdvancedVeryHighresolutionRadiometer)。
目前正在运行的可见光和红外波段窄带辐射计包括我国海洋1号装载的中国水色和温度传感器COCTS(ChineseOceanColor&TemperatureScanner)、美国SeaStar装载的宽视场海洋观测传感器SeaWiFS(Sea-ViewingWideField-of-ViewSensor)和美国卫星EOS-AM(Terra)和EOS-PM(Aqua)装载的中等分辨率成像光谱仪MODIS(ModerateResolutionImagingSpectro-Radiometer)。
其中,AVHRR、COCTS和MODIS包括热红外波段;此外,欧空局卫星的ERS装载的沿轨迹扫描辐射计ATSR(Along-TrackScanningRadiometer)也属于热红外波段辐射计。
热红外波段的传感器可用于探测海表面温度;可见光和近红外波段窄带辐射计可用于探测海洋水色和大气气溶胶光学厚度;可见光和红外波段宽带辐射计一般用于气象和陆地遥感。
目前正在运行的微波辐射计包括美国DMSP装载的专用传感器微波成像仪SSM/I,日本ADEOS-II卫星装载的高级微波扫描辐射计AMSR(AdvancedMicrowaveScanningRadiometer),美国EOS-PM(Aqua)卫星装载的日本国家航天发展局资助的AMSR-E(AdvancedMicrowaveRadiometerforEOS),美国与法国合作发射的高度计卫星Jason-1装载的Jason-1微波辐射计JMR(Jason-1MicrowaveRadiometer)。
此外,还有许多微波辐射计,本书没有全部介绍。
微波辐射计可以全天候探测海表面温度、大气中水汽含量和可降水量。
§7.2热红外辐射计对海表面温度的观测(ThermalInfraredRadiometerObservationoftheSeaSurfaceTemperature)
§7.2.1海表面温度的红外遥感和大气校正
红外传感器最初应用在军事方面,如早期的夜间瞄准具、红外夜视器等。
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、海水、陆地的表层温度及水中生物、植被构成,检测火山、森林火灾等。
红外传感器的种类很多,一般可分作两类:
可见光和近红外波段辐射计、以及热红外波段辐射计。
可见光和近红外波段辐射计的应用最广,6000˚K的太阳在此频率范围的辐射度最大,很多辐射计都工作在这一区域。
热红外波段对应于300˚K的地球表面辐射度最大的波段。
根据普朗克黑体辐射定律,在热红外波段辐射计接收到的辐射功率代表着地球表面的“冷”或者“热”,因此,地球表面辐射照度最大的波段被称为热红外波段(见图4-3)。
热红外信号一般较弱,但由于其波长较长,具有很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。
使用卫星观测海表面时,大气对海面红外信号的衰减属于噪音;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辐射和自发辐射的相互作用进行的。
图7-1中表示了不同大气成分在不同波长的吸收率。
在大气中只有二氧化碳的成分及分布是稳定的,而臭氧处于20-30km的高空,且白天的浓度大于晚上;水蒸气处于大气的底层(大约10km),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。
大气中各成分吸收了海面辐射后变成大气的内能,以较低的温度向外辐射,从而使光谱的峰值移向较长的波长。
所以大气效应减小了到达传感器的辐射,也改变了在不同通道(波段)接收到的辐射度值。
图7-1:
红外波段上不同大气成分的吸收率
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。
根据普朗克黑体辐射定律,辐射率的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。
辐射计的频率分辨率取决于传感器的噪声和模—数转换器的转换精度。
传感器的噪声是目标温度和转换器电输出之和的积分时间的函数,转换器用于将辐射能量转化为电信号,积分时间越长,消除热随机噪音就越容易。
云是海面温度遥感中必须剔除的因素。
由于云的范围变化很大,所以这种剔除要在逐个象元上进行。
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10.5微米)上的亮度和温度之间的非线形关系。
如果在温暖的海面上覆盖分散的不清晰的云,则其图象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,则其图象上将有相同的亮温。
雨云在可见光下的图像是明显的。
3)图像目测判断法。
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(又成为“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。
因为大气对不同波长不同时间的红外遥感有不同的影响效应,根据大气对不同波段的电磁波谱的影响不同,可是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。
例如,在NOAA气象卫星的AVHRR资料处理中,人们经常使用多通道大气校正的经验算法。
红外辐射计资料经过大气校正后,还要进一步作物理海洋学方面的订正。
因为只有接近海面非常薄的水层的水分子发射的红外辐射能够溢出水面,所以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。
因此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)有本质的差异。
平均来说,除极地海域外,大洋的垂直温度结构的主要特点之一就是存在着主温跃层。
在温跃层之上有50-200m的混合层。
在低纬海区,混合层一直可以扩展到表层。
在中纬度海区也有类似结构。
在一天中,由于日照的关系常常造成具有较高温度的皮层,特别是在强烈日照且风力较弱的夏季,会形成昼日表层的温度跃层。
经过一段平静高温的照射,逐渐形成季节性温跃层。
这种昼日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。
白昼温跃层在夜晚由于风的扰动和热量的陆续输入,使其很快消失。
因此晚间取得的红外图像完全不存在昼日温跃层问题。
皮温的偏差涉及到海面粗糙度、风力、雾、水汽、潮汐、海流、水质,乃至海面油膜等因素,是一个非常复杂的海洋学问题,需要进行专门的研究。
在此主要介绍多通道大气校正的经验算法。
美国卫星EOS-AM(Terra)和EOS-PM(Aqua)装载的中等分辨率成像光谱仪MODIS(ModerateResolutionImagingSpectro-Radiometer)包括热红外波段;关于MODIS探测数据的大气校正的算法,威斯康辛大学Menzel等(2002)的研究(MODISAtmosphericProfileRetrievalAlgorithmTheoreticalBasisDocument,Version6,本书第一章介绍的美国宇航局MODIS主页提供了该文献的电子版)给出了详细的论述。
关于MODIS探测数据的海表面温度(SST)的反演算法,迈阿密大学Brown等(1999)的研究(MODISInfraredSeaSurfaceTemperatureAlgorithm–AlgorithmTheoreticalBasisDocument,Version2.0,本书第一章介绍的美国宇航局MODIS主页提供了该文献的电子版)做出了重要贡献。
图7-2显示了由热红外波段辐射计观测得到的全球海表面温度。
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
反演得到的全球海表面温度(SST)(引自http:
//podaac.jpl.nasa.gov/)
§7.2.2红外遥感的应用研究
温度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的与温度有关。
例如,水温是划分水团的主要依据之一,是概括海洋锋面、流系的特征之一,也是全球气候变化模式的主要输入量之一;热带气旋、海-气交换、埃尔尼诺和拉尼娜现象等都与海水温度密切相关;生物种群分布、洄游、繁殖等生命过程都受水温的制约和影响。
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:
⑴气候学:
众所周知,海洋的面积占地球表面积的71%,因此地球气候学在很大程度上决定于海洋气候学;海水的热容量相当于大气热容量的1000倍,海水温度的微小变化都会对大气温度、大气环流、天气形势、气候带来非常大的影响;海水的深度非常大,海面温度的任何微小变化都可能标志着海洋内部热能储蓄的重大变化。
因此,地球气候不独于大气有关,还需要了解海洋与大气之间的复杂的相互作用,海-气相互作用的基础是海面温度,海-气之间能量的交换正是通过海-气界面进行的。
气候学所用的海面温度的数据的空间分辨率在1o×1o至5o×5o之间,平均周期在5天至30天之间。
在卫星遥感之前,气候学研究所依靠的传统数据是商船和岸边台站提供的海洋观测数据,其数据误差的均方根误差为0.5oC,空间覆盖率仅限于主要的商业航线和人类居住的沿海海域,而在其他海域,观测资料少得可怜。
因此传统的气候学在空间可信度上有很大差异,或者说给出了一些模糊不清甚至错误的概念,还有许多未被人认识的问题。
卫星红外遥感恰好弥补了传统资料的不足和缺陷,为气候学研究打下了充分的资料基础,为古老的气候学增添了新的活力。
(2)全球海表面温度变化:
人类工业革命带来的二氧化碳骤然增加对全球增温,以及海表面温度增加,已引起人们的关注。
然而二氧化碳的增加对全球温度的增加、海表面的增加的佐证,就是长期、大面积、具有较高精度的海表面温度的测量及统计。
据估计人们在50-100年间消耗矿物燃料会使大气中二氧化碳的含量增加一倍,会使海表面温度增加2oC。
如果观测到这种变化趋势,就要在未来10年里在海表面温度的测量中观测到0.2oC-0.4oC的温度变化。
这种长期的、大面积的、高精度的温度测量非海洋红外遥感莫属。
(3)海表面温度异常:
海表面温度异常是某一特定地区在某一特定时间内的海表面温度的观测值与长期海表面温度平均值的偏差。
年异常即为某一特定年份海表面温度的平均值与多年海表面温度平均值的偏差,月异常即为某一特定月份的海表面温度平均值与多年该特定月份的海表面温度平均值的的偏差。
观测与数值模拟表明,大尺度(20o×20o)的海表面温度异常能引起大气环流的显著变化,如厄尔尼诺、拉尼娜现象。
在厄尔尼诺期间,热带东太平洋信风减弱,该海域海面水温大面积的上升(比正常年份高3o-5o),从而使得大气环流和大洋环流发生重大改变,造成世界范围内的大气和海洋生态环境以及气候的异常。
由于海域的浩瀚,常规航测方法很难获得海表面温度异常及其变化。
正是卫星遥感才使得海表面温度异常及其变化的研究、预报成为可能和现实。
要监测这些异常,海表面温度的空间分辨率要达到500×500km,其精度要达到0.5oC;在赤道上空,由于大气对海表面温度异常的灵敏性,则要达到更高的空间分辨率200×200km。
(4)天气预报:
海表面温度极大的影响到海水蒸发率,对局部地区的天气系统的发展有很大影响,尤其是对热带气旋早期发展的位置和运动路径有很大影响。
海洋表面作为大气运动的下垫面,其海表面温度的大小与变化在天气预报中有重要的意义和决定性。
(5)大洋涡旋:
中尺度涡是大洋环流在其蛇行过程中由于相邻水体的流速不同而形成的,大至百公里级,小至几十公里级的中尺度现象。
中尺度涡是大洋环流与周围海域的水体进行能量、物质、热量交换的动力过程,对其周边海域及其国家的天气和渔业生产等产生一定影响。
由于中尺度涡脱离于母体―大洋环流,具有母体的一些水文特征,特别是温度特征,与其周围海域的海水有明显的差异,因此,使用红外遥感可对其发生、发展、运动、变化、消亡等进行有效的监测。
(6)上升流:
上升流是海洋底层水向海面涌升的现象。
底层海水比表层海水的温度低,且含有丰富的营养物质,由于下层海水无太阳光线到达,无法进行光合作用,不适于植物的生长;但当其上升到海面时,在阳光的照耀下,会迅速生长、繁殖大量浮游植物而变得非常肥沃,成为鱼群觅食、繁殖、生长的好场所,因此成为有商业价值的渔场。
由于上升流海域与周围海域的海水温度有明显的差异,所以使用红外遥感可勾画出上升流区的位置和范围。
(7)海洋锋:
海洋锋表示两个类型截然不同的水团或流系的边界,在此边界上温度或盐度以及密度场呈明显的、较大的水平温度梯度。
海洋锋有大尺度、中尺度、小尺度之分。
大尺度海洋锋横向尺度为几十公里,纵向尺度为上百公里,如黑潮、湾流的边界;中尺度海洋锋的横向尺度为几公里,纵向尺度为几十公里。
在浅海中还发现有小尺度海洋锋,如夏季温跃层海水与岸边充分混合的均匀海水之间的海洋锋。
大部分海洋锋具有明显的热特征,可根据红外遥感判定其位置、运动及其变化。
(8)经济和渔业:
鱼类对温度十分敏感,不同种类的鱼有不同的生存环境,有不同的适应温度,所以不同的海表面温度就预示着可能的海域渔场。
美国宇航局(NASA)定期向加利福尼亚海区渔业部门发布渔业图,作为海上寻找经济鱼群的真正帮手。
我国的鱼群预报开展较早,且较业务化。
国家863项目又专门立题,由遥感、数模、通讯等分课题组成的“鱼群预报”项目,标志着卫星遥感与数模的结合,开展为海洋渔业服务的新阶段的开始。
§7.3微波辐射计(MicrowaveRadiometer)
地球表面辐射的微波的能量水平比热红外波段还低,这就要求微波辐射计的设计水平和工艺水平更高,以达到足够的灵敏度。
微波能够穿透较薄的云层,故被称为全天候卫星探测器。
不同波段的微波辐射计有不同的专长和用途。
笼统地说,微波辐射计可以测量的物理量包括海表面温度、海表面盐度、海面风速、和大气柱的水汽含量等。
由于微波的波长远大于可见光和红外的波长,大气分子和汽溶胶的散射对于微波辐射计探测的影响不那么重要,海表面的粗糙度、水汽分子对22GHz附近波段的微波的吸收、电离层对微波的影响、以及宇宙背景微波辐射等因素变得不可忽视。
幸运的是,在微波波段里海水的发射率(又称为“灰度”)可以根据德拜方程定量地和准确地计算。
首先,我们给出微波辐射计探测海表面温度的一个例子。
图7-3显示了美国EOS-PM(Aqua)卫星装载的日本国家航天发展局资助的AMSR-E(AdvancedMicrowaveRadiometerforEOS)观测数据反演得到的全球海表面温度(SST)。
图7-3:
AQUA卫星装载的AMSR-E观测的全球海表面温度(引自http:
//aqua.nasa.gov/)
表7-1列出了美国微波辐射计:
多频率扫描微波辐射计SMMR和专用传感器微波成像仪SSM/I和日本微波扫描传感器MSR的仪器特征。
表中英文缩写解释如下。
MSR是微波扫描传感器(MicrowaveScanningRadiometer),SMMR是多频率扫描微波辐射计(ScanningMulti-frequencyMicrowaveRadiometer),SSM/I是专用传感器微波成像仪(SpecialSensorMicrowave/Imager),JMR是Jason-1微波辐射计(Jason-1MicrowaveRadiometer)。
Nimbus-7是[美国]雨云7号卫星,SeaSat-A是[美国]海洋卫星A(SeaSatelliteA),DMSP是[美国]国防气象卫星计划(DefenseMeteorologicalSatelliteProgram)[卫星],MOS——[日本]海洋观测卫星(MarineObservationSatellite),AMSR是[日本]高级微波扫描辐射计(AdvancedMicrowaveScanningRadiometer),ADEOSII是[日本]高级地球观测卫星2号(AdvancedEarthObservingSatellite-II)。
表7-1:
微波辐射计的仪器特征
卫星
传感器
分辨率(km)
频率(GHz)
带宽
(MHz)
Nimbus-7
&
SeaSat-A
SMMR
121
74
44
38
21
6.63
10.69
18.00
21.00
37.00
250
250
250
250
250
DMSP
SSM/I
41
36
22
10
19.35
22.24
37.00
85.50
500
500
2000
2000
MOS
MSR
40
30
23.8
31.4
400
500
TOPEX/Poseidon
Microwave
Radiometer
Jason-1
JMR
18.7
23.8
34.0
ADEOS-2
AMSR
EOS-PM(Aqua)
AMSR-E
75x43
51x29
27x16
32x18
14x8
6x4
6.925
10.65
18.7
23.8
36.5
89.0
350
100
200
400
1,000
3,000
图7-4:
卫星观测的圆锥形扫描几何的示意图
(引自http:
//www.eoc.nasda.go.jp/guide/satellite/sendata/amsr_e.html)
卫星观测方向与垂线的夹角被称为观测的天顶角θ,微波辐射计接收到的海面辐射度的大小受观测的天顶角θ影响很大。
为了增加观察的准确性,要保持观测的天顶角θ为常数,因此圆锥形扫描几何学得到普遍应用。
在圆锥形扫描几何中,观测的天顶角θ是一个常数。
例如,美国DMSP装载的专用传感器微波成像仪SSM/I采用49度观测角。
该观测角正式称为观测的天顶角,一般用θ表示;对主动微波雷达(高度计和散射计),该观测角被称为入射角。
为了方便,有的作者也统称之为入射角。
§7.4雷达波的波束宽度(Beam-widthofradar)
侧瓣
x
D/2
rP
αR
ΔθEP
-D/2主瓣
天线
图7-5:
雷达波的波束宽度
考虑一个孔径为D,权函数f(x)=1的均匀发射的天线,天线上的
区间在P点产生的电场是:
(7-1)
对所有的x积分,并考虑r≈R+xsinα和k=2π/λ,得到
(7-2)
由
(7-3)
有
(7-4)
式中I是辐射强度(radiantintensity)。
天线的波束宽度是通过两点间的角宽度Δα定义的,且
(7-5)
在这个例子中,对应于辐射强度半功率的条件是
(7-6)
假定sinα≈α,得到
(7-7)
这称为半功率波束宽度(half-powerbeam-width)。
波束宽度的概念对于理解电磁波的方向分布很有用,无论是天线辐射出去的还是接收的电磁波。
天线可用于主动或被动微波雷达,因此波束宽度的概念对主动和被动微波雷达均适用。
§7.5天线的方向参数(Directionalparametersofantenna)
我们用
来表示天线辐射功率的归一化方向分布(normalizeddirectionaldistribution),其中
定义为
(7-8)
式中I(θ,φ)是辐射强度(radiantintensity)。
对于一个辐射计来说,Fn(θ,φ)表示不同方向上调制信号的能力。
我们用增益(gain)G(θ)来表示带有天线热衰减(thermalattenuation)的功率的方向分布,其中G(θ)定义为
(7-9)
式中辐射效率(radiantefficiency)η定义为
(7-10)
式中Pt是总的功率,P0是有效功率,Pt-P0是天线热消耗的部分。
方向系数(directionalcoefficient)
表示为
(7-11)
与
有关的有效面积(effectivearea)
是
(7-12)
§7.6辐射度与温度的关系(Relationbetweenradianceandtemperature)
在微波波段,瑞利-金斯定律(Rayleigh-JeansLaw)给出
(7-13)
式中L(f)是辐射度,Tb是黑体的温度(temperatureoftheblackbody),kb是波尔兹曼常数(Boltzmannconstant),λ是波长。
对于非黑体(non-blackbody),我们有
(7-14)
式中Tap是视在温度(apparenttemperature),表示有相同辐射度的黑体的温度(或等效黑体温度),而不是物体的热动力学温度(thermodynamictemperature)。
微波辐射计接收的功率是
(7-15)
式中因子1/2出现是由于天线的极化。
天线的亮温(brightnesstemperature)TA定义为
(7-16)
上式表示天线亮温TA和目标的视在温度的关系。
(7-15)对于微波辐射计是一个重要的公式,它表示天线接收功率和天线的亮温的线性关系。
§7.7天线的传输函数(antennatransferfunction)
考虑天线的热衰减(thermalattenuation),我们得到
(7-17)
式中Ta是天线的输出温度(outputtemperatureofantenna),TA是天线的亮温(brightnesstemperatureofantenna),T0是天线的物理温度(physicaltemperatureofantenna)。
从天线传输到接收器的输出功率是
(7-18)
由(7-16),天线的亮温可表示为
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