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微波辐射计测量海表面温度的原理分析

2020年04月06日 14:32 次阅读

微波辐射计是用微波进行遥感,从而对地物进行探测的微波接收机,在探测大气、海洋、植被和土壤等方面有广泛应用,而数据处理与控制单元作为微波辐射计的重要组成部分,承担了所有的驱动及控制功能,对时序及精度要求十分严格。由于系统对可靠性要求较高,故采用单片机作为220 GHz微波辐射计数控单元的核心,通过精确的时序控制,实现了数据采集、天线控制、状态提取、串口通信等功能。同时,该数控单元具有功耗低,采样精度高,接口简便等特点。

微波辐射计,是利用被动的接收,各个高度传来的温度辐射的微波信号来判断温度、温度曲线,是一款被动式地基微波遥感设备,微波遥感起步晚于可见光和红外遥感。但相对于可见光和红外遥感而言,微波辐射计能全天候、全天时工作。可见光遥感只能在白天工作,红外遥感虽可在夜晚工作,但不能穿透云雾。

微波辐射计是一种用于测量物体微波热辐射的高灵敏度接收机。通过测量天线接收到的辐射功率反演被观测目标的亮度温度;测量的物理量为亮度温度(K)。工作原理:辐射计天线接收的辐射能量来自地面物体的发射辐射和反射辐射,根据瑞利-金斯公式,物体发射的功率与温度成正比。物体的发射特性用辐射测量亮度温度表征。表征微波辐射计性能的主要参数是温度分辨率(灵敏度)和空间分辨率(角分辨率)。

微波辐射计主要用于中小尺度天气现象,如暴风雨、闪电、强降雨、雾、冰冻及边界层紊流。对于短时间内生成或消散的中小尺度天气灾害,虽然只是地区性的,但部分事件危害性较大。在目前中尺度天气现象监测过程中,探空气球和天气雷达是常用的手段。探空气球会受到使用时间和空间的限制;天气雷达资料基本局限于降雨过程无降水时的欠缺;在离地面5公里范围内卫星遥感数据存在较大的误差。被动式地基微波辐射计的出现,填补上述研究方法监测方面的空白,是其有效的补充手段。

微波辐射具有独立工作能力,能在几乎各种环境条件工作,非常适合于自动天气站。用于反演完整的大气廓线,反演数据和原始数据全部保存。提供完备的顾客定制或全球标准算法。主要应用如下:对流层剖面的温度、湿度和液态水,天气和气候模型研究,卫星追踪(GPS,伽利略)湿/干延迟和湿度廓线,临近预报大气稳定性(灾害性天气检测),温度反演检测、雾、空气污染,绝对校准云雷达,湿/干延迟改正VLBI。下面以微波辐射计反演海表面温度为例做一介绍:

微波辐射计测量海表面温度的原理:

微波的波长为0.1~100 cm,微波又可细分为毫米波、厘米波和分米波等。微波的特点是能穿透云雾,具有全天候工作特点。微波遥感分为主动微波遥感和被动微波遥感。

在不考虑大气中各种粒子的贡献时,微波辐射计探测到的海面亮温Tb(f)与海表面温度TS有简单关系。将瑞利-金斯定律代入公式,获得

T(f,θ,φ,TSST)=e (f,θ,φ) TSST    (1)

式中:T(f,θ,φ,TSST)代表微波辐射计探测到的海面亮温;TSST是海表面一个薄层海水的温度,它代表海表面的热力学温度,当然它与常规水桶采水法在一定深度取水测得的海表面温度略有差别。如果传感器位于海表面之上某一个足够高度的平台例如飞机或卫星上,还要考虑大气校正,即在公式(1)中还要补充大气层空气自发辐射项和大气透射率因子等。

根据基尔霍夫定律,平静海面的发射率e与菲涅尔反射率ρ之间的关系是

e HV(f,θ,φ)=1-ρHV(f,θ,φ)   (2)

式中:下标H和V分别表示电磁波的水平极化状态和垂直极化状态;f为微波频率;θ为观测的天顶角,它代表卫星的观测方向与海面法线之间的夹角,简称为观测角或入射角;φ为方位角,它代表辐射计观测方向与风向的夹角。平静海面的菲涅尔反射率ρ的表达式是

式中:Rhh(θ)和Rvv(θ)分别代表水平和垂直极化状态下的菲涅尔反射系数,它的绝对值平方等于菲涅尔反射率ρ。εr为海水的复相对电容率。海水的复相对电容率εr可由德拜方程(Debye Equation)计算,即

式中:εr为复相对电容率;ω=2πf为电磁波的角频率;TS为海表面温度;SS为θ海表面盐度;ε∞为无限高频相对电容率;εS为静态相对电容率;

τ为张弛时间;σ为离子电导率;ε0为真空中的电容率。利用海水复相对电容率在微波各波段的某些特殊性质,可以使用特定的波段测量海表面盐度、海表面温度、海面风速等。在小于10 GHz的微波频率范围,Klein和Swift(1977)采用各种浓度的NaCl水溶液代替海水作为样本,并通过对水溶液样本的实验测量获得了对德拜方程中各参数的估计公式。在3~20 GHz频率范围,Ellison等(1998)通过对温度为-2℃~30℃、盐度为20~40的大洋海水样本的实验测量提出了类似的估计公式。根据德拜方程(6)和参数估计公式可以获得海水的相对电容率。在6~7 GHz之间的频率范围,菲涅尔反射率ρ随盐度变化很小,随温度变化也很小。这样,可以近似地认为海面发射率e在6~7 GHz不是海表面温度和盐度的函数,而是一个常数。这时,利用微波辐射计接收到的海面亮温Tb  (λ)=e ?t ?TS,如果知道大气透射率t,就可以计算海表面温度TS。实际反演应用时需要考虑海面粗糙度效应,将前述平静海面发射率表达式略作修正。

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