第二章海洋遥感原理与基础-海洋遥感选编课件.ppt

1、第二章第二章 海洋遥感原理与基础海洋遥感原理与基础u 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念 u 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制 u 海洋水体波谱特征海洋水体波谱特征2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念 海面状况海面状况：海面粗糙度状况，与最大的海面波动高度有关；海面粗糙度状况，与最大的海面波动高度有关；深水波深水波：水深大于波长的：水深大于波长的1/2的波动（水底对波的影响忽略）；的波动（水底对波的影响忽略）；浅水波浅水波：水深小于波长的：水深小于波长的1/20的波动（长波）；的波动（长波）；波高波高（H）：从波峰到波谷之间的铅直距离；从波峰到

2、波谷之间的铅直距离；有效波高有效波高（H1/3)：波阵列中全部波段的波阵列中全部波段的1/3最高波的波峰到波谷之间最高波的波峰到波谷之间高度的平均值；高度的平均值；均方根波高均方根波高（hk）：波在平均海平面上的均方根高度（粗糙度）；）：波在平均海平面上的均方根高度（粗糙度）；1.海洋学上的专用名词2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念1.海洋学上的专用名词 长度长度（L）：）：海洋波从一个波峰到另一个波峰的距离；海洋波从一个波峰到另一个波峰的距离；空间波数空间波数（N）：N=2/L；周期周期（T）：两个连续波峰通过一固定点的时间（两个连续波峰通过一固定点的时间（m）；）；时

3、间波数时间波数（）：=2/T；风区长度风区长度：稳定的风吹过的水平距离；：稳定的风吹过的水平距离；持续时间持续时间：稳定的风所维持的时间间隔；：稳定的风所维持的时间间隔；2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念 充分成长的波浪充分成长的波浪：在一定的风速、足够的持续时间和风区在一定的风速、足够的持续时间和风区长度条件下，海面达到平衡状况（即振幅不变）；长度条件下，海面达到平衡状况（即振幅不变）；风波风波：洋面上由局地风激起的海洋波系统；洋面上由局地风激起的海洋波系统；重力波重力波：作用在扰动水团上的主要恢复力是重力的波动：作用在扰动水团上的主要恢复力是重力的波动（L1.73cm

4、）；）；表面张力波表面张力波：作用在扰动水团上的主要恢复力是表面张力的：作用在扰动水团上的主要恢复力是表面张力的波动（波动（L n，因此有：，因此有：211212sin/sin/nnnn2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（1 1）复折射率）复折射率海水折射率随温度和盐度的变化(波长=0.5893m)一般的，复折射率随温度升高而下降；而随盐度增加有所上升。2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（2 2）菲涅耳反射率）菲涅耳反射率 菲涅耳反射系数菲涅耳反射系数：描述光滑介质表面的反射与入：描述光滑介质表

5、面的反射与入射之间的关系，即反射电场与入射电场之比。射之间的关系，即反射电场与入射电场之比。22222222222222sincossincossincossincossincossincossincossincosrrvivrhrrrrvivrvnnEERnnnnEER Fresnel反射公式2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（2 2）菲涅耳反射率）菲涅耳反射率 菲涅耳反射率（反射率）菲涅耳反射率（反射率）：描述辐射度的：描述辐射度的界面界面反射比。反射比。22,hhvvRR若入射角为若入射角为0 0（即垂直入射），则：（即垂直入射），则：2

6、11nnhv可用于高度计、散射计可用于高度计、散射计镜面反射的计算镜面反射的计算 注意菲涅耳反射率与漫反射率的区别：前者定义了界注意菲涅耳反射率与漫反射率的区别：前者定义了界面的反射比；而后者为辐照度的内部多个粒子的漫反射。面的反射比；而后者为辐照度的内部多个粒子的漫反射。2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（2 2）菲涅耳反射率）菲涅耳反射率 适用情况适用情况 -两均匀的各向同性介质之间有一个实际无限大的平滑边界；两均匀的各向同性介质之间有一个实际无限大的平滑边界；-入射到边界上的波为平面波（非球面波）；入射到边界上的波为平面波（非球面波）；-

7、单色或光谱的入射波适用（宽波段要进行平均或积分计算）；单色或光谱的入射波适用（宽波段要进行平均或积分计算）；-在介质中不会发生多次反射。在介质中不会发生多次反射。2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（3 3）复介电常数）复介电常数 又称为又称为相对介电常数相对介电常数或或相对电容率相对电容率，是描述海面发射率的，是描述海面发射率的一个关键参数，它是频率一个关键参数，它是频率，水温，水温T 和海水盐度和海水盐度S 的函数。的函数。ir复数定义01)(1),(iiSTS德拜公式表示常用的介电常数模型较多，如常用的介电常数模型较多，如KleinKlei

8、n模型（模型（P37P37）。）。0,s与物质特性有关虚部表示能量消虚部表示能量消耗与衰减程度耗与衰减程度2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（3 3）复介电常数）复介电常数 复介电常数反映水体的电学性质，影响物体对电磁复介电常数反映水体的电学性质，影响物体对电磁能量的反射（如雷达图像上能量的反射（如雷达图像上越大，则色调越浅）。越大，则色调越浅）。宏观上可反映电磁波的辐射、散射、吸收、传输等宏观上可反映电磁波的辐射、散射、吸收、传输等特性；微观上表明介质的化学组成、物理结构。特性；微观上表明介质的化学组成、物理结构。2.1 与海洋遥感相关的基本

9、概念与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（3 3）复介电常数）复介电常数 小于小于20Ghz时，海水的虚时，海水的虚部大于纯水，说明海水中部大于纯水，说明海水中的能量消耗较快；的能量消耗较快；大于大于20Ghz时，虚部值超时，虚部值超过了实部。过了实部。2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（3 3）复介电常数）复介电常数 小于小于20Ghz时，海水的虚部大于纯水，时，海水的虚部大于纯水，说明海水中的能量消耗较快；说明海水中的能量消耗较快；大于大于20Ghz时，虚部值超过了实部。时，虚部值超过了实部。不同温度下，纯水和海水介电常数的

10、实部与虚部随频率的变化2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（4 4）海面粗糙度）海面粗糙度 判据与判据与波长和入射角波长和入射角有关有关 判据判据 修改的瑞利准则修改的瑞利准则（Peake&Oliver，1971）-光滑表面满足：光滑表面满足：-中等粗糙表面满足：中等粗糙表面满足：-粗糙表面满足：粗糙表面满足：cos25/khcos4.4/cos25/khcos4.4/kh2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（4 4）海面粗糙度）海面粗糙度 对海面后向散射系数的影响对海面后向散射系数的影响 随粗糙度

11、的增加，雷达回波强度受入射角的影响程度减弱。在接近垂直入射时，雷达回波强度非常强，随入射角变大，信号变弱。2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（4 4）海面粗糙度）海面粗糙度 示例示例粗糙度与波长和入射角的关系不同波长与入射角情况下，粗糙类型的判断依据不同2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（4 4）海面粗糙度）海面粗糙度 示例示例同一粗糙度在不同波段上的粗糙类型2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（5 5）散射截面与散射系数）散射截面与散射系数a.散

12、射截面：散射截面：指散射波的全功率与入射功率密度之比，指散射波的全功率与入射功率密度之比，表示目标截获并散射入射能量的能力。表示目标截获并散射入射能量的能力。.后向散射截面后向散射截面：指入射方向上的散射截面，其值：指入射方向上的散射截面，其值大小为散射截面的大小为散射截面的1/4倍。倍。2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（5 5）散射截面与散射系数）散射截面与散射系数b.散射系数：散射系数：单位截面积上雷达的反射率或单位照射面单位截面积上雷达的反射率或单位照射面积上的雷达散射截面。积上的雷达散射截面。-后向散射系数后向散射系数0：入射方向上的

13、目标每单位面积上的入射方向上的目标每单位面积上的平均雷达截面，与目标的复介电常数、表面粗糙度、雷达平均雷达截面，与目标的复介电常数、表面粗糙度、雷达系统参数等有关。系统参数等有关。A02.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（5 5）散射截面与散射系数）散射截面与散射系数 影响因素影响因素垂直入射时，回波强度（左）和后向散射截面（右）最大2.1 与海洋遥感相关的基本概念与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（5 5）散射截面与散射系数）散射截面与散射系数 影响因素影响因素斜坡较平或陡坡入射角较小，回波强度较大2.2 电磁波与海水相互作用

14、机制电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（1 1）水气辐射传输模型）水气辐射传输模型uLuwiwLntL)/(2winrt,pathLtLpathawastLtLtrLLsLsdattt,a.简化模型简化模型ardsswtLLtrLtLLb.a模型细化模型细化rLaLardsswtLLtrLtLLc.考虑多次散射和白浪引起的散射考虑多次散射和白浪引起的散射ruswcLtL水中物质太阳传感器大气海表srsLrL wcL2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（）海洋遥感反射波段非常重要的参量：）海洋遥

15、感反射波段非常重要的参量：离水辐射率离水辐射率：即表层海水散射的太阳辐射，由朗伯即表层海水散射的太阳辐射，由朗伯余弦定律可知其与卫星天顶角无关余弦定律可知其与卫星天顶角无关。离水反射率离水反射率：海水的光谱反射率发生在：海水的光谱反射率发生在水次表面上水次表面上。0)0,()(ELELWNdw平均日地距离处的大气层外的太阳辐照度2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（2 2）海洋辐照度模型）海洋辐照度模型太阳大气海表 直射辐照度直射辐照度：太阳光经大：太阳光经大气衰减后，直接到达水面气衰减后，直接到达水面的辐射；的辐射；漫射辐照度

16、漫射辐照度：直射光经散：直射光经散射后到达水面的辐射；射后到达水面的辐射；v 不同因素对直射和漫射反射的影响不同。不同因素对直射和漫射反射的影响不同。2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（2 2）海洋辐照度模型）海洋辐照度模型太阳大气海表a.海面上到达海面的下行辐照度模型海面上到达海面的下行辐照度模型)0,()0,()0,(dsdddEEE)(cos)()0,(0dsddtEE)()()()0,(gardsLLLEdt2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（2 2）

17、海洋辐照度模型）海洋辐照度模型 a.海面上到达海面的下行辐照度模型海面上到达海面的下行辐照度模型 到达海面的瑞利散射：到达海面的瑞利散射：5.0)1)()()()(cos)()(95.00raaowozsrtttttEL 到达海面的气溶胶散射：到达海面的气溶胶散射：aasraaowozsrFttttttEL)1()()()()(cos)()(5.10各种透过率的计算可参考课本72-73.2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（2 2）海洋辐照度模型）海洋辐照度模型太阳大气海表b.穿过海面的总下行辐照度模型穿过海面的总下行辐照度模型

18、)0,()0,()0,(dsdddEEE)1)(0,()0,(dddddEE)1)(0,()0,(sdsdsEEsd,fdspdfssps2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制)(21hvdsp 直射光谱反射率直射光谱反射率 对于平滑海面对于平滑海面对于零度角入射：22)1()1(nnhvdsp入射角与折射角之和为90度（入射角53.1度时出现）：22)1()1(21nndsp与折射率和入射角有关（2 2）海洋辐照度模型）海洋辐照度模型 b.穿过海面的总下行辐照度模型穿过海面的总下行辐照度模型2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波

19、与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制)(tan)(tan)(sin)(sin(212222rsrsrsrsdsp 直射光谱反射率直射光谱反射率 与风速和太阳天顶角有关（与风速和太阳天顶角有关（Gregg）)40)(0618.0000714.0exp(0253.0sdspu太阳天顶角小于40度或风速小于2m/s：太阳天顶角大于40度且风速大于2m/s：（2 2）海洋辐照度模型）海洋辐照度模型 b.穿过海面的总下行辐照度模型穿过海面的总下行辐照度模型2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制 漫射光谱反射率漫射

20、光谱反射率 它与太阳天顶角无关。假定海面比较平滑，且它与太阳天顶角无关。假定海面比较平滑，且大气状况均匀，通常取值大气状况均匀，通常取值6.6%6.6%，对于风速大于，对于风速大于4m/s4m/s的粗糙表面，则降为的粗糙表面，则降为5.7%5.7%。（2 2）海洋辐照度模型）海洋辐照度模型 b.穿过海面的总下行辐照度模型穿过海面的总下行辐照度模型2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制 泡沫引起的反射率泡沫引起的反射率 （Gregg）fu4m/s：0f4m/s u7m/s：0004.0000022.02uCDaf与风速之间具有如下关

21、系：与风速之间具有如下关系：u7m/s：2)0004.0000045.0(uCDaf100156.000062.0uCDuCD000656.000049.0a为空气密度，CD为拖曳系数（2 2）海洋辐照度模型）海洋辐照度模型 b.穿过海面的总下行辐照度模型穿过海面的总下行辐照度模型2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（2 2）海洋辐照度模型）海洋辐照度模型 b.穿过海面的总下行辐照度模型穿过海面的总下行辐照度模型 总反射率总反射率 mmfdspfssp)()1)(m为漫射辐射与总辐射的比值2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与

22、海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（3 3）大气校正）大气校正 目的目的 从传感器接收到的辐射率（度）中，将从传感器接收到的辐射率（度）中，将离水辐射率离水辐射率 分离出来。分离出来。ruswcardsswtLtLLLtrLtLLwL 重要性重要性离水辐射率包含了海洋的许多信息，通过离水辐射率包含了海洋的许多信息，通过它几乎可以得到所有的海洋水色产品。它几乎可以得到所有的海洋水色产品。srsLrL 2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（3 3）大气校正）大气校正 -过程过程ruswcardsswtLt

23、LLLtrLtLLsrsLrL 对水色遥感影响的辐射量分级2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制a.和和 的计算的计算（p74）rLaLvxxxxpELcos40 要达到要达到5%5%的离水辐射率的反演精度，的离水辐射率的反演精度，要求瑞利散射计算精度达到要求瑞利散射计算精度达到1%1%。（3 3）大气校正）大气校正 -过程过程 与到达海面的散射不同2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制a.和和 的计算的计算 瑞利散射的计算瑞利散射的计算rLaL（3 3）大气校正）大

24、气校正 -过程过程 国际上对瑞利散射的精确计算目前均采用查找表方式，但是这些查找表是针对特定遥感器生成的，不能直接用于一个新的水色遥感器。何贤强提出了加倍法和通用的查找表。何贤强等，海洋水色及水温扫描仪精确瑞利散射计算，光学学报，何贤强等，海洋水色及水温扫描仪精确瑞利散射计算，光学学报，2005.22005.2何贤强等，通用型海洋水色遥感精确瑞利散射查找表，海洋学报，何贤强等，通用型海洋水色遥感精确瑞利散射查找表，海洋学报，2006.12006.12.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（3 3）大气校正）大气校正 -过程过程b.的

25、计算的计算srL)()()()cos(0vuvwusdssrtttEL太阳大气海表2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（3 3）大气校正）大气校正 -过程过程c.大气透过率的计算（大气透过率的计算（p70-73）-总透过率等于直接透过率和漫射透过率之和。总透过率等于直接透过率和漫射透过率之和。)1(5.0)1()()()()()(95.05.1raasraaowozstFttttttt)()()()()()(mgwvozardtttttt)()()(sdttt2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(

26、VIS-VNIR)的相互作用机制（3 3）大气校正）大气校正 -实际应用中的校正实际应用中的校正 实际应用中的大气校正过程常采用近似法（实际应用中的大气校正过程常采用近似法（如对模如对模型进行合理的简化型进行合理的简化）和数值法（）和数值法（如采用一些同步的大气如采用一些同步的大气数据进行计算数据进行计算）。）。即使如此，有些参量还是无法精确测量或计算，即使如此，有些参量还是无法精确测量或计算，还需采用别的方法。如：由于气溶胶的组分和光学特性还需采用别的方法。如：由于气溶胶的组分和光学特性的易变性，无法精确测量其散射的影响。的易变性，无法精确测量其散射的影响。2.2 电磁波与海水相互作用机制电

27、磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（3 3）大气校正）大气校正 -实际应用中的校正举例实际应用中的校正举例 以以SeaWIFS（SeaStar）对一类水体探测为例，）对一类水体探测为例，设置了设置了大气校正通道大气校正通道7（765nm）和和8（865nm）。这二个波段的离水）。这二个波段的离水辐射度近似为辐射度近似为0。第8波段气溶胶散射计算n值其它波段气溶胶散射)()()()(8888wcrtatLLLL)(/)(/)(/)(),(8070788787FFLLSnaa)(/)(/)()(80088FFLLiniaia2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与

28、海水相互作用机制2.热红外波段(TIR)的相互作用机制（1 1）水汽辐射传输模型）水汽辐射传输模型,eLtasunasLttLtLeteLL)1(传感器探测到的辐射为：传感器探测到的辐射为：太阳传感器大气海表sunLaLaL)(ssTBL2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制2.热红外波段(TIR)的相互作用机制（2 2）辐射传输过程的理解与具体计算）辐射传输过程的理解与具体计算a.热红外波段的大气校正热红外波段的大气校正 -传感器的通道亮温与海表温度的差在传感器的通道亮温与海表温度的差在15K。-校正过程是估算大气上行辐射、下行辐射（路径校正过程是估算大气上行辐射、下行辐射

29、（路径辐射）和大气透过率。辐射）和大气透过率。-实际校正方法：实际校正方法：利用实测大气数据；创建查找表；利用利用实测大气数据；创建查找表；利用影像自身估计参数（如影像自身估计参数（如分裂窗方法分裂窗方法和和Gu提出的经验关系）。提出的经验关系）。asunasLttLtLeteLL)1(.Gu提出的热红外波段大气校正方法提出的热红外波段大气校正方法y=0.9693x+16.965R2=0.99370758085909550607080通道4接收的辐射(mW/m2/sr/cm-1)通道5接收的辐射(mW/m2/sr/cm-1)2点成像的NOAA-16（05-02-01）线性关系的斜率和截距可由成

30、像时刻的大气参数计算得出；反之，根据斜率和截距可以反算出每个通道上的大气上行辐射和透过率。313111),(),(ijjiijatmbkatmCpatmsurfsurfatmsensorsurfsurfsensorLLLLLLLL445455445455bLkLsensorsensor45atmjjsurfjsensorjLLLatmjjBBjjsurfjLLL)1(45454545nnBBBBsurfsurfTaaLLLL2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制2.热红外波段(TIR)的相互作用机制（2 2）辐射传输过程的理解与具体计算）辐射传输过程的理解与具体计算sLeb.

31、海表热红外辐射海表热红外辐射 -海表热红外辐射与海表比辐射率和海表温度有海表热红外辐射与海表比辐射率和海表温度有关；海表热辐射发生在海表以下关；海表热辐射发生在海表以下0.02mm0.02mm厚的表层内厚的表层内（红外辐射计测量的并不是较深水层的温度，但它与红外辐射计测量的并不是较深水层的温度，但它与表层温度具有一定的关系表层温度具有一定的关系）。）。2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制2.热红外波段(TIR)的相互作用机制（2 2）辐射传输过程的理解与具体计算）辐射传输过程的理解与具体计算.海表温度随深度的变化海表温度随深度的变化长江口海水水温随深度的变化2.2 电磁波与

32、海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制2.热红外波段(TIR)的相互作用机制（2 2）辐射传输过程的理解与具体计算）辐射传输过程的理解与具体计算.海表温度的影响因素海表温度的影响因素-是海水、太阳和大气相互作用的结果是海水、太阳和大气相互作用的结果 太阳照射 水汽和云的辐射 暖空气的加热 冷空气的冷却冷空气的冷却 海表蒸发冷却海表蒸发冷却 海表本身的热辐射海表本身的热辐射 风对水平温度的影响2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制2.热红外波段(TIR)的相互作用机制（2 2）辐射传输过程的理解与具体计算）辐射传输过程的理解与具体计算tae.水面的光谱发射率水面的光谱发射率e

33、、透过率、透过率t、反射率、反射率与吸收率与吸收率a -根据基尔霍夫定律，在局部热平滑的条件下，透根据基尔霍夫定律，在局部热平滑的条件下，透射进入海面的辐射全部被吸收，被吸收的能量又全部射进入海面的辐射全部被吸收，被吸收的能量又全部被发射出去，所以在海气界面，有如下关系：被发射出去，所以在海气界面，有如下关系：1t 雪、冰与海水在次表面的反射与散射差别较大，前者表现的比较强烈。2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制2.热红外波段(TIR)的相互作用机制（2 2）辐射传输过程的理解与具体计算）辐射传输过程的理解与具体计算c.大气对热红外辐射传输的影响大气对热红外辐射传输的影响

34、-热红外辐射在大气中的传输，是一种漫射辐射，热红外辐射在大气中的传输，是一种漫射辐射，是在无散射但有吸收又有发射的介质（大气）中传是在无散射但有吸收又有发射的介质（大气）中传输。输。-大气对传输过程的影响主要发生在低对流层大气对传输过程的影响主要发生在低对流层（9km以下），其中以下），其中大气的温度大气的温度和和水汽含量水汽含量是最重是最重要的影响因子。要的影响因子。14017020023026029032016111621263136大气层数温度(K)大气温度垂直廓线 02040608010005101520高度(Km)相对湿度(%)水汽垂直廓线 大气垂直廓线示例大气垂直廓线示例 2.2

35、电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制2.热红外波段(TIR)的相互作用机制（2 2）辐射传输过程的理解与具体计算）辐射传输过程的理解与具体计算d.长波辐射传输方程长波辐射传输方程 可通过可通过分层计算分层计算和和Pade近似法近似法计算得到大气的计算得到大气的上行、下行辐射。（上行、下行辐射。（可参考可参考7880）2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制（1 1）几个重要概念回顾）几个重要概念回顾a.极化：极化：即电磁波的电场振动方向的变化趋势。即电磁波的电场振动方向的变化趋势。-水平极化：水平极化：电场矢量与入射面垂直；电场矢量与入射面

36、垂直；-垂直极化：垂直极化：电场矢量与入射面平行；电场矢量与入射面平行；常用的常用的4种极化方式：种极化方式：VV、HH、VH、HV。同向极化或参考极化异向极化或正交极化2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制（1 1）几个重要概念回顾）几个重要概念回顾b.散射截面：散射截面：指散射波的全功率与入射功率密度之比，指散射波的全功率与入射功率密度之比，表示目标截获并散射入射能量的能力。表示目标截获并散射入射能量的能力。c.散射系数：散射系数：单位截面积上雷达的反射率或单位照射面单位截面积上雷达的反射率或单位照射面积上的雷达散射截面。积上的雷达散射截面。-后

37、向散射系数后向散射系数0：目标在入射方向上单位面积的平均雷达截目标在入射方向上单位面积的平均雷达截面，与目标复介电常数、表面粗糙度、雷达系统参数等有关。面，与目标复介电常数、表面粗糙度、雷达系统参数等有关。A02.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制（2 2）微波的特性）微波的特性a.在大气中的衰减在大气中的衰减 由于大气分子的吸收（由于大气分子的吸收（水分子和氧水分子和氧分子分子）和散射（）和散射（主要为水滴，波长较长主要为水滴，波长较长时可忽略时可忽略）的影响，微波强度与传输距）的影响，微波强度与传输距离成指数关系衰减。离成指数关系衰减。衰减程度与

38、大气成分及其物理性质、衰减程度与大气成分及其物理性质、电磁波波长有关。一般地，波长越短，电磁波波长有关。一般地，波长越短，大气衰减作用越显著。大气衰减作用越显著。2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制.吸收系数的计算吸收系数的计算 CloudOHOa22FTfpfO2)(434.1)(2F为普带型函数，吸收系数与频率、气压、温度有关。为普带型函数，吸收系数与频率、气压、温度有关。)()22,()(2fkfkfrOH前者为共振吸收（前者为共振吸收（在波段在波段22.235GHz处的吸处的吸收收），后者为剩余吸收。对水汽吸收的影响），后者为剩余吸收。对水

39、汽吸收的影响除频率外，主要取决于水汽含量除频率外，主要取决于水汽含量。1)291(01224.0210435.0TCloudW非降水云（直径小于非降水云（直径小于100um）可忽略散）可忽略散射射氧气水汽云滴2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制（2 2）微波的特性）微波的特性b.微波的辐射微波的辐射-遵循瑞利遵循瑞利-金斯定律金斯定律 海水微波发射率是观测天顶角、辐射海水微波发射率是观测天顶角、辐射计频率计频率v（成正比成正比），辐射计极化方式、海），辐射计极化方式、海面真实温度、海面盐度（面真实温度、海面盐度（波长小于波长小于8cm时与时与其成正

40、比其成正比）、海面风速和风向的函数。）、海面风速和风向的函数。vkTBb22sssdesin),(1)(200发射率与散射系数之间的关系：发射率与散射系数之间的关系：Tb=e*Ts2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制（2 2）微波的特性）微波的特性c.微波的表面散射微波的表面散射-发生在海发生在海-气分界面上的散射，强度与气分界面上的散射，强度与介质表面复介电常数成正比，散射角特性由粗糙度决定。介质表面复介电常数成正比，散射角特性由粗糙度决定。d.微波的体散射微波的体散射-发生在介质内部的散射。发生在介质内部的散射。2.2 电磁波与海水相互作用机制

41、电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制（3 3）微波（被动）水汽辐射传输方程微波（被动）水汽辐射传输方程uextdsTTtetTeetTT2)1()1(eTt天线大气海表extTdTuTsTextT为大气顶部的微波辐射，由太阳辐射、银河噪声、宇宙背景辐射组成。2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制1.传输方程的计算与校正传输方程的计算与校正uextdsTTtetTeetTT2)1()1()(2secexp()secexp()(1201jjijaazaZZdzitjjisssdesin),(1)(200dzzzzTTausec)sec),(

42、exp()()(0dzzzzTTadsec)sec),0(exp()()(0dsseijiii),(),(411)(2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制2.微分散射系数微分散射系数的计算的计算 单一表面模型单一表面模型：把海面看作由一些小面组成，小面：把海面看作由一些小面组成，小面会产生镜面反射，而且海面的斜率近似高斯分布。会产生镜面反射，而且海面的斜率近似高斯分布。)(21exp()cos2(),(2222212010yxijyxijggBPggBnnStogryn：参数的具体计算方法可参考教材参数的具体计算方法可参考教材52-5352-53。2

43、.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制2.微分散射系数微分散射系数的计算的计算 组合（粗糙）表面模型组合（粗糙）表面模型：即把海表看成一种双尺度：即把海表看成一种双尺度的随机粗糙面。海面的微分散射系数可分解为有泡的随机粗糙面。海面的微分散射系数可分解为有泡沫和无泡沫覆盖两个部分。沫和无泡沫覆盖两个部分。TSwCOMwssOBSijijijCC)1(),;,(00参数的具体计算方法可参考教材参数的具体计算方法可参考教材p53-56p53-56。2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制（4 4）雷达波的海面散射模型

44、）雷达波的海面散射模型 对于雷达波与海面的相互作用机制，可采用组对于雷达波与海面的相互作用机制，可采用组合模型（二尺度模型）来近似描述。合模型（二尺度模型）来近似描述。即入射角较小时，镜面散射占主导，即雷达接收即入射角较小时，镜面散射占主导，即雷达接收的能量来自于海面上成一直线的镜面状小面散射的雷的能量来自于海面上成一直线的镜面状小面散射的雷达波；入射角较大时，达波；入射角较大时，Bragg散射占主导，产生共振散射占主导，产生共振散射。散射。2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制（4 4）雷达波的海面散射模型）雷达波的海面散射模型a.镜面散射模型镜面

45、散射模型-适用于雷达波近似于垂直入射或海浪斜面适用于雷达波近似于垂直入射或海浪斜面垂直方向附近的小入射角范围的情况；垂直方向附近的小入射角范围的情况；b.Bragg共振模型共振模型-用于描述入射角较大时，海面的小扰动用于描述入射角较大时，海面的小扰动模型；模型；c.组合表面模型（二尺度模型）组合表面模型（二尺度模型）-前两者模型的叠加，根前两者模型的叠加，根据入射角的大小，决定哪种模型起主导作用。据入射角的大小，决定哪种模型起主导作用。2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制（4 4）雷达波的海面散射模型）雷达波的海面散射模型-a.镜面散射模型镜面散射

46、模型 稍粗糙的海表可看作一系列的小平面元2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制（4 4）雷达波的海面散射模型）雷达波的海面散射模型-a.镜面散射模型镜面散射模型 可采用正切平面近似法来计算可采用正切平面近似法来计算0（具体可采用物理光（具体可采用物理光学和几何光学法）学和几何光学法）。)0,(tan)0(sec40p)0,(tanp是是x x方向斜率和方向斜率和y y方向斜率的联合概率密度函数，方向斜率的联合概率密度函数，与风向、波浪在逆风和测风方向的均方根斜率有与风向、波浪在逆风和测风方向的均方根斜率有关，具体计算方法可参考关，具体计算方法可参考p

47、60-61p60-61。2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制（4 4）雷达波的海面散射模型）雷达波的海面散射模型-b.Bragg共振模型共振模型 首先将随机表面分解成一系列傅立叶分量谱分量，然首先将随机表面分解成一系列傅立叶分量谱分量，然后假设后向散射回波主要由这些分量表面造成，它们构成后假设后向散射回波主要由这些分量表面造成，它们构成了入射波的了入射波的Bragg谐振谐振。满足条件：满足条件：即两个连续波峰回波信号的相位差为即两个连续波峰回波信号的相位差为360度，产生度，产生Bragg共振。共振。sin2radar为海上波浪的波长。2.2 电磁

48、波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制（4 4）雷达波的海面散射模型）雷达波的海面散射模型-b.Bragg共振模型共振模型一阶近似条件下的后向散射系数具体计算过程一阶近似条件下的后向散射系数具体计算过程（Wright）p62：0)()(hvvhggKeKe为雷达波数为雷达波数2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制（4 4）雷达波的海面散射模型）雷达波的海面散射模型-c.二尺度模型二尺度模型 二尺度粗糙表面：二尺度粗糙表面：小的不规则的短波长波纹叠加小的不规则的短波长波纹叠加在较长、较大的波浪上（即大起伏波浪）在较长、较

49、大的波浪上（即大起伏波浪）。2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制（4 4）雷达波的海面散射模型）雷达波的海面散射模型-c.二尺度模型二尺度模型 计算方法计算方法1：小区域的小区域的Bragg散射利用局部的小波散射利用局部的小波浪场和表面的局部定向进行计算；再根据表面斜率的浪场和表面的局部定向进行计算；再根据表面斜率的概率密度分布函数概率密度分布函数，计算散射在整个区域上的积分。，计算散射在整个区域上的积分。)sinarctan(,sin2)()sin()()cos(16)(22240akgagaakiRihhiivviRivv)(tan)(tan)

50、tan,(tan)()(00ddpi 2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制3.微波波段的相互作用机制（4 4）雷达波的海面散射模型）雷达波的海面散射模型-c.二尺度模型二尺度模型 计算方法计算方法2：对二尺度模型进行分解，即总的雷对二尺度模型进行分解，即总的雷达散射截面由达散射截面由倾斜的倾斜的Bragg散射散射贡献和贡献和镜面散射镜面散射贡献贡献组成。此时，根据入射角度的大小，即可判断哪种模组成。此时，根据入射角度的大小，即可判断哪种模型起主导作用。型起主导作用。具体见教材具体见教材p64。2.2 电磁波与海水相互作用机制电磁波与海水相互作用机制.总结u 可见光与近红外（