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海面风场全极化微波辐射测量

作　者: 王振占
导　师: 姜景山
学　校: 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
专　业: 空间物理学
关键词: 被动微波遥感 极化辐射计 风场反演 Stokes 参数
分类号: P714.2
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


本论文包括了极化辐射计海面风场遥感的三个主要内容:海面风场极化辐射测量机理研究、极化辐射计硬件原理和系统设计及其定标方法研究、极化辐射测量技术的应用方法研究。海面风场极化辐射测量机理研究包括两部分内容:极化微波辐射传输方程和海面极化微波辐射和散射模式。大气-海洋系统极化微波辐射传输方程及其模式是极化微波辐射计遥感风场的基础。大气与下表面海洋边界的综合作用构成了卫星遥感器的响应信号。为了从这个信号中定量反演出海面风场,必须建立海洋和大气系统的极化微波辐射传输方程。由于微波在大气中传播要受到大气的衰减,同时大气自身也辐射能量。在无雨的情况下,大气的散射可以忽略,大气的作用主要表现为吸收引起的衰减和辐射。大气吸收系数模式是大气遥感的基础。文中对目前国际上的吸收系数模式进行较为详细的分析,并且对这些模式计算的亮温进行了的比较。最后将比较得出的组合大气模式应用于极化辐射传输方程,对海面的全极化辐射进行了模拟。海面的微波散射主要取决于海面粗糙度。此外还与海面温度、海水介电常数有关。文中重点分析不同发射率模式应用的有效性,以及在不同海况下各个模式应用需要满足的条件,其中包括一些特殊参数的选择,如双尺度模式分界波数的选择。然后在分析海面波谱的特点及其波谱在极化测量应用的差异的基础上,给出粗糙海面微波发射率的数值模拟结果,并且对三种模式的结果特点进行分析和总结。最后把理论计算的海面四个Stokes 参数结果和一些测量结果(利用经验公式模拟的)进行比较。极化辐射计硬件设计是海面风场测量的关键。我们主要论述极化微波辐射计的原理、系统设计、系统测试及误差分析几个部分内容。文中首先介绍了极化辐射计的实现原理、分类及其各种类型极化辐射计的特点,然后对极化辐射计实现的关键技术进行分析,其中包括系统实现及其应用方面的考虑。重点论述目前我们数字相关辐射计的系统实现原理和设计方案。最后给出系统的测试方案,对于系统的主要技术指标的含义及其不确定性进行分析。遥感的定量应用需要准确的测量数据,因此遥感器的定标就成为一个重要的研究内容。传统的定标方法只产生非极化信号。极化辐射计要确定每个通道对于所有Stokes参数的灵敏度,因此必需使用其它的方法对它进行定标。为了能够完全定标,也就是要反演出不同通道之间的串扰项,需要的输入信号要多于了两个,而且信号之间是线性独立的。尽管传统的两点定标方法也可以用于极化辐射计定标,但是它不能知道不同极化之间串扰的大小。文中首先从定标的概念和分类入手,给出了三极化和四极化的定标方程,然后分析了各种定标方法的原理,其中包括被动极化定标标准的设计原理、主动极化定标标准的原理和实现过程、接收机的内定标方法、大气定标、低端替代定标方法等。最后针对数字极化辐射计,分析了其定标的详细实现过程,并且对于极化辐射计的定标精度和误差分配进行了论述。

全文目录


1. 海面微波极化辐射测量的研究背景和有关概念  12-19
  1.1 研究背景  12-13
    1.1.1 研究目的和问题的提出  12-13
    1.1.2 极化辐射计的发展  13
  1.2 极化辐射测量的原理和有关概念  13-17
    1.2.1 亮度温度定义  13-15
    1.2.2 极化方式  15-16
    1.2.3 电磁场Stokes 参数  16-17
  1.3 本论文的研究内容  17-19
2. 大气-海洋系统全极化微波辐射传输方程及其模式  19-40
  2.1 大气微波辐射传输方程  19
  2.2 无雨情况下大气微波辐射传输模式  19-21
  2.3 海面边界条件  21-24
    2.3.1 Muller 散射矩阵  21-23
    2.3.2 海面边界条件  23-24
  2.4 无雨情况下微波大气吸收模式  24-27
    2.4.1 大气的吸收和散射系数  24-25
    2.4.2 氧气吸收系数模式  25-26
    2.4.3 水汽吸收系数模式  26
    2.4.4 氮气吸收系数模式  26
    2.4.5 云/雾的粒子的贡献  26-27
    2.4.6 氧气谱线的Zeeman 影响  27
  2.5 大气微波辐射传输计算  27-32
    2.5.1 大气辐射传输近似计算原理  27-30
    2.5.2 模式比较分析  30-32
  2.6 全极化海面辐射的模拟  32-38
    2.6.1 海洋全极化微波亮温的模拟方法  32-33
    2.6.3 大气模拟结果分析  33-35
    2.6.4 海面和大气微波极化辐射模拟结果  35-38
  2.7 本章总结  38-40
3. 海面极化微波辐射和散射模式的比较和分析  40-77
  3.1 海面极化微波辐射和散射机理及其模式概述  40-41
    3.1.1 风与海面作用的微波遥感原理  40
    3.1.2 海面微波发射率模式概述  40-41
  3.2 平静海面亮温  41-44
    3.2.1 Fresnel 反射系数  41
    3.2.2 海水介电常数  41-42
    3.2.3 平静海面亮温的模拟和分析  42-44
  3.3 不考虑泡沫情况下的粗糙海面微波辐射/散射模式  44-51
    3.3.1 物理光学模式  44-45
    3.3.2 基于微扰方法的双尺度模式  45-49
    3.3.3 直接海面发射率模式—小坡度近似  49-51
  3.4 不同模式的有效性分析  51-56
    3.4.1 海面粗糙度的几个参数的定义  51-52
    3.4.2 几种光学类型模式的区别  52
    3.4.3 模式的有效性理论  52-54
    3.4.4 海面条件下不同模式的应用范围分析  54-56
  3.5 海面波谱及其比较  56-59
    3.5.1 海洋和大气的耦合  56-57
    3.5.2 海面波谱在极化辐射测量中应用的比较  57-59
  3.6 粗糙海面发射率数值模拟结果  59-66
    3.6.1 双尺度模式模拟结果  59-60
    3.6.2 物理光学模式模拟结果  60-62
    3.6.3 小坡度近似模拟结果  62-63
    3.6.4 模拟结果分析  63-66
  3.7 泡沫的影响分析及其模式  66-67
    3.7.1 泡沫的影响分析  66-67
    3.7.2 泡沫模式  67
  3.8 海面极化辐射数值计算结果与测量结果的比较  67-73
    3.8.1 可供比较的经验公式  67-68
    3.8.2 海面极化微波辐射的理论模拟及其与经验模式的比较  68-73
  3.9 本章总结  73-77
4. 极化微波辐射计的原理和系统设计  77-104
  4.1 相关辐射测量的原理  77-79
  4.2 极化微波辐射计的分类及其特点  79-84
    4.2.1 直接相关辐射计  79-81
    4.2.2 极化组合辐射计  81-83
    4.2.3 Windsat 分立馈源的多路平行接收极化辐射计  83
    4.2.4 极化辐射计灵敏度比较  83-84
  4.3 极化辐射计的关键技术分析  84-86
    4.3.1 极化辐射计类型选择及其相关考虑  84-85
    4.3.2 接收机的关键技术  85-86
    4.3.3 天线的关键技术  86
  4.4 数字相关辐射计原理和误差分析  86-91
    4.4.1 两路正交数字信号相关分析  86-89
    4.6.2 数字相关辐射计灵敏度  89-90
    4.6.3 系统误差  90-91
  4.5 数字相关极化辐射计系统设计方案  91-95
    4.5.1 数字相关极化辐射计系统设计  91-93
    4.5.2 复相关器设计  93-95
  4.6 极化辐射计系统测试方案  95-98
    4.6.1 接收机测试  95-96
    4.6.2 天线测试  96-97
    4.6.3 整机测试  97-98
  4.7 极化辐射计主要技术指标原理及其误差分析方法  98-101
    4.7.1 系统噪声温度及其不确定性分析  98-99
    4.7.2 灵敏度及其不确定性分析  99
    4.7.3 线性度及其不确定性分析  99-100
    4.7.4 稳定性及其分析  100-101
    4.7.5 定标准确度及其分析  101
  4.8 本章总结  101-104
    4.8.1 本章总结  101-104
5. 极化辐射计定标技术原理和方法  104-127
  5.1 概述  104-106
    5.1.1 定标概念及其分类  104
    5.1.2 极化辐射计定标的发展及其特点  104-106
  5.2 全极化微波辐射计的定标方程  106-109
    5.2.1 前三个Stokes 参数的极化辐射计定标方程  106-108
    5.2.2 四个Stokes 参数的极化辐射计定标方程  108-109
  5.3 外部定标源及其辐射传递  109-116
    5.3.1 被动全极化定标标准原理及其定标过程分析  109-114
    5.3.2 极化辐射计的主动极化负载定标方法  114-116
  5.4 极化辐射计的内定标方法  116-118
    5.4.1 相关噪声定标标准(CNCS)  116-117
    5.4.2 内外结合的定标方法  117
    5.4.3 定标方法的比较和分析  117-118
  5.5 微波辐射计的大气定标方法  118-120
  5.6 星载微波辐射计的低端替代定标方法  120-121
  5.7 数字相关极化辐射计的定标原理和方法  121-124
    5.7.1 全功率辐射计通道定标  121-122
    5.7.2 数字相关器定标  122-124
  5.8 极化辐射计定标精度及误差分析  124-125
    5.8.1 定标精度定义  124
    5.8.2 风向反演与定标误差的关系  124-125
  5.9 本章总结  125-127
6. 极化辐射计数据预处理算法及其模拟研究  127-153
  6.1 概述  127-128
  6.2 两点定标  128-129
  6.3 全极化天线温度方程  129-134
    6.3.1 单色天线温度方程  129-133
    6.3.2 带宽的影响  133-134
  6.4 空间溢出的校正  134-136
  6.5 交叉极化校正  136-144
    6.5.1 过程描述  136-137
    6.5.2 旋转校正矩阵  137-138
    6.5.3 Faraday 旋转角  138-139
    6.5.4 极化旋转角  139
    6.5.5 天线温度和目标亮温之间关系矩阵  139-141
    6.5.6 “神舟四号”飞船微波辐射计交叉极化校正  141-144
    6.5.7 交叉极化矩阵产生方法的比较  144
  6.6 空间分辨率匹配理论及其模拟  144-151
    6.6.1 空间分辨率匹配理论  144-146
    6.6.2 空间分辨率匹配算法模拟  146-151
  6.7 本章总结  151-153
7. 海面风场反演算法及其模拟反演结果分析  153-179
  7.1 风场反演算法的形式  153-154
  7.2 海面算法  154-157
    7.2.1 平静海面反射率算法  154-155
    7.2.3 风成海面发射率算法  155-156
    7.2.4 风向算法  156-157
  7.3 大气算法  157-160
    7.3.1 不同路径大气辐射亮温之间的关系  157-158
    7.3.2 大气上行和下行辐射亮温之间的关系  158-159
    7.3.3 垂直路径大气透过率算法  159-160
    7.3.4 下行大气辐射亮温算法  160
  7.4 反演算法的准确性分析  160-161
  7.5 星载极化微波辐射计风场反演方法  161-168
    7.5.1 物理统计算法  161-163
    7.5.2 物理反演  163-168
  7.6 风场反演的最大似然估值(MLE)方法  168-176
    7.6.1 最大似然估值方法原理  168-170
    7.6.2 风场反演的叠代求解过程  170
    7.6.3 反演结果及其分析  170-173
    7.6.4 只有前三个Stokes 参数时的MLE 结果及其分析  173-176
  7.7 本章总结  176-179
8. 论文总结  179-184
  8.1 全文总结  179-181
    8.1.1 海面风场极化辐射测量机理研究  179-180
    8.1.2 极化辐射计硬件原理和系统设计及其定标技术  180-181
    8.1.3 极化辐射测量技术的应用方法研究  181
  8.2 本论文的贡献汇总  181-182
  8.3 建议今后进一步深入研究的内容  182-184
参考文献  184-190
攻读博士学位期间发表的文章目录  190-191
致谢  191

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 海洋学 > 海洋调查与观测 > 调查及观测方法 > 海洋气象
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