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海面风场全极化微波辐射测量

王振占  
【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。


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