8mm波段含水量对砂土辐射特性影响研究

毫米波技术应用的基础是物体在毫米波波段的辐射特性的差异,但现阶段物体在毫米波波段的辐射特性的研究缺乏相关理论和试验验证支撑,因此进行了8mm波段砂土辐射特性和含水量相关关系的建模和仿真研究,通过菲涅尔折射定律及理想介质面波的连续性推导出了理想介质面的反射率计算公式,然后利用该公式进行了8mm波段水面辐射特性和含水量对砂土辐射特性影响的仿真,最后通过测量和计算增加砂土含水量对砂土辐射特性影响的定性试验进行仿真结果的定性验证。试验结果和仿真结果一致,砂土随着含水量的增加发射率在下降,砂土的亮温在下降,通过这一结论可以通过砂土亮温的变化定性反演出砂土含水量的变化,从而为毫米波技术在监测含水量等方面的应用提供一定的理论研究和试验验证支撑。     

典型地物的毫米波双极化辐射特性测量技术研究

针对典型地物目标的毫米波双极化辐射特性数据库不完善的问题,对天空、水面和植被土地3种典型地物目标进行8mm波段双极化辐射特性研究,并对比水平和垂直方向的辐射温度,分析它们的极化现象;根据毫米波辐射测量的基本原理,设计了8mm波段双极化辐射计和定标源;以典型地物背景的毫米波辐射特性为基础,利用8mm双通道辐射计对3种地物背景的辐射特性数据进行采集,并进行处理与分析;实验探究了不同地物背景的极化效应,丰富了辐射特性数据库,为典型地物目标成像和目标识别提供了有效的数据支持。     

城市地表端元丰度与地表亮温关系

由于城市人口急剧增长,城市化进程成为全球变暖的主要贡献来源:城市裸露、半裸露土地和不透水面温度较高。针对城市地表物质丰度与温度的关系,以武汉市2013年夏季Landsat-8遥感数据为数据源,使用多端元光谱混合分析法动态提取每个像元中的植被-不透水面-土壤(V-I-S)端元组分,并采用大气顶层辐射值反演地表亮温,通过聚类分析典型地表物质类型的地表亮温区位表现,结合三角图分析每个像元内的端元丰度与相应地表亮温之间的关系,拟合多元回归方程探究端元丰度对地表温度的影响能力,以及地表亮温对端元丰度数值变化的表现。实验结果表明,V-I-S端元丰度情况可解释夏季地表亮温98.563%的变化,其中不透水面丰度对夏季亮温的影响最大,而植被丰度的大小与植被温度调节能力成正比。     

被动微波遥感反演雪水当量不确定性因素分析

雪水当量定义为积雪融化后液态水的高度，是描述季节性积雪储量的关键参数。星载被动微波遥感适用于长时间序列、全球尺度的雪水当量监测。但目前的微波辐射传输模型大多忽略或简化了自然界垂直分层结构中的土壤、植被和大气等要素对积雪辐射亮温的影响，特别是植被参数（例如透过率、覆盖度、单次散射反照率）引起的微波亮温变化仍然不清晰。本研究通过构建土壤—积雪—森林—大气微波辐射模型，重点开展被动微波遥感反演雪水当量的不确定性机理研究。通过模型敏感性分析发现：(1)冠层透过率是森林参数中影响微波亮温最敏感的因子，其次是森林覆盖度，而单次散射反照率影响最小；(2)微波亮温随着森林覆盖度的增加而升高，但随着冠层透过率和雪粒径参数的增加而降低，即三者之间存在“抵偿效应”。通过构建的模型模拟数据库和卫星观测对风云三号B星（FY-3B）和The Advanced Microwave Scanning Radiometer 2(AMSR2)雪水当量反演算法进行亮温噪声测试发现：(1)亮温噪声对AMSR2雪水当量反演算法影响较大，特别是在森林像元尤为严重，与算法中表征积雪参数演化的极化因子和森林下雪深校正方法不确定性有关...     

毫米波/亚毫米波冰云探测辐射计模型仿真

冰云对全球气候的显著影响,使得利用毫米波/亚毫米波辐射计探测冰云分布持续受到关注。为从辐射计亮温测量值中反演出冰云粒子参数,完善的辐射传输正演模型起到非常关键的作用。针对即将发射的冰云成像仪毫米波/亚毫米波星载辐射计,建立起了包含粒子散射在内的完整的辐射传输模型。传输模型读取大气廓线及云层粒子微观参数,仿真计算得到辐射计各通道的辐射亮温。给出了辐射传输模型的详细配置,并分析了不同通道对云层粒子的敏感性。结果表明：冰云成像仪各通道对冰云粒子、雪粒子均有很强的敏感性,但只有低频率通道能探测到水云粒子、雨粒子的变化。辐射计通道中,不同的中心频率对冰晶粒子敏感度不同,从而可使辐射计探测不同高度、不同特性的粒子。对于同一中心频率,不同频偏对应不同的大气透明度,使得辐射计可进一步探测到不同高度的云层信息。仿真工作将会为后续的毫米波/亚毫米波辐射计设计、反演算法研究等打下良好的基础。     

用离散的植被模型分析地物的微波辐射

在研究被动微波辐射过程中，覆盖的植被层通常看作是一层均匀的连续介质，用简单的半经验模型来表征植被层的传输和辐射特性。本使用一种离散的基于辐射传输理论的植被模型，这种模型基于物理散射机制，能更加真实地描述组成植被的散射个体如叶、茎、枝等对辐射的影响。模拟结果跟实际的PBMR数据相比，可以得到比较好的一致性。     

东北地区森林积雪的微波辐射亮温模拟分析

微波辐射亮温正向模拟是辐射传输模型反演积雪参数的关键步骤之一。以HUT模型为基础,针对森林冠层微波透过率这一关键的模型输入参数,在东北大小兴安岭典型森林积雪区进行了14个子区域(10km!10km)的地基遥感观测和森林参数取样观测实验,分别利用地基微波辐射计实测和森林材积量回归两种不同参数获取方法,得到实验观测区冬季森林透过率,并模拟了星载微波辐射计探测亮温(TsimuB)。通过对两种参数获取方法模拟亮温的相关性分析,说明在K波段水平极化条件下森林存在体散射效应(相关系数R2≤0.37),而Ka波段双极化和K波段垂直极化条件下,森林存在很弱或无体散射效应(相关系数R2≥0.53)。在此基础上,将TsimuB与FY3C MWRI观测的微波辐射亮温进行了差值比较,以MWRI的定标精度约以2 K为基准,提出了以偏差|Δ|≤3·"=6K为一致性判据准则。在K波段水平极化(H)与垂直极化(V)辐射计模拟的一致性为79%、82%,Ka波段的H和V为43%、50%;材积量模拟亮温的一致性是K波段H和V为57%、86%,Ka波段的H和V均为64%。结果表明:在HUT模型模拟森林积雪系统微波辐射亮度温度时,Ka波段积雪层散射引起的不确定性大于K波段森林散射引起的不确定性。通过数据分析,提出了HUT模型的适用性及东北地区森林—积雪真实性检验场的选址依据。     

无源毫米波海岸线图像的边缘提取方法研究

分析了无源毫米波辐射图像轮廓特征,讨论了基于二阶微分算子与形态学的图像边缘检测的方法,根据海岸线的无源毫米波辐射特性和成像特点对图像区域标识,然后利用自适应阈值操作实现多目标区域的细分,最后采用形态学边缘检测海岸线特征方法。实验结果表明：对比传统的微分算子处理结果,形态学算法具有较高的检测精度,适用于提取无源毫米波辐射图像边缘。     

林下枯枝落叶层双频段微波辐射衰减特性研究与分析

林下枯枝落叶层会衰减来自土壤的微波辐射信号,降低微波辐射亮温对地表参数变化的敏感性,从而影响林下地表参数的反演精度。为了定量研究枯枝落叶层的衰减特性,基于τ-ω模型,通过严格的理论推导证明了利用不同厚度下的枯枝落叶层亮温计算衰减系数的可行性,并基于该理论方法设计可控实验,获取了双频段(18.7GHz和36.5GHz)上不同厚度、不同重量含水量的枯枝落叶层亮温值,然后定量分析了枯枝落叶层的衰减系数随重量含水量的变化过程,同时根据计算的消光系数,分析了不同厚度、不同重量含水量下的枯枝落叶层透过率。结果表明:较干燥的枯枝落叶层的衰减系数较小,透过率较高,但是随着含水量增大,衰减系数会出现急剧的增加,从而造成透过率骤减;高频波段的衰减系数变化更加迅速,由枯枝落叶层引起的衰减作用更加明显;单次散射反照率ω随重量含水量的变化趋势为先升高后降低。该研究有利于理解森林系统中微波辐射传输过程,纠正森林区微波辐射亮温,提高森林下地表参数遥感反演精度。     

华北积雪冻融循环微波辐射特征研究

积雪冻融循环监测是陆表水文过程和冰雪自然灾害研究的重要方面。被动微波遥感由于具有对水分敏感、高时间分辨率的特点,尤其适合大尺度的积雪冻融监测及相关参数的反演。该研究于2012年11月6日~27日在河北怀来遥感综合实验站使用车载多频率微波辐射计TMMR观测了积雪冻融循环微波辐射特征。研究发现,36.5GHz的观测亮温对积雪的冻融循环最敏感,18.7GHz次之,融化和冻结的时亮温差别可分别约达80K和60K;HUT单层和多层积雪微波辐射模型对18.7GHz和36.5GHz的模拟亮温能够基本反映冻融循环过程中的亮温变化;多层模型更适合模拟冻融循环的过程,18.7GHz和36.5GHz在V极化的相关系数均为0.97;冻融循环研究中,冰壳、冰层粒径的观测、雪湿度的观测和湿雪介电常数模型仍有待进一步改善。     

虚拟冠层光辐射传输仿真系统设计

研究光在虚拟植被冠层中的辐射传输特性,是虚拟植物研究的一个难点和关键点.为了利用计算机仿真虚拟冠层中的光辐射传输过程,面向对象技术设计了一个虚拟冠层光辐射传输仿真系统(VPCRTS),采用基于混合式八叉树空间剖分技术的蒙特卡罗光线跟踪算法对光在植被冠层内的辐射传输过程进行了仿真.VPCWTS以一种可视化的直观方式展现了整个辐射传输过程,可以针对冠层的不同散射模型进行仿真和对比.VPCRTS系统仿真的结果具有一定的物理可靠性,为研究光在植被冠层中的辐射传输特性提供了一有效的工具.     

L波段微波辐射计冷空定标源亮温分析

欧空局SMOS任务的塔克拉玛干沙漠地面定标实验,采用L波段微波辐射计测量塔克拉玛干沙漠的土壤亮温。此辐射计的定标采用冷空作为低温定标源。由于冷空的情况比较复杂,在L波段,其亮温受到诸多因素的影响。根据日地关系、太阳与天线的位置关系,建立太阳辐射模型,得出了任意时刻太阳进入天线视场范围内的影响亮温值,并简要分析了月球、其它星球、中性氢原子分立谱发射和热源连续谱发射对辐射亮温的影响,为选取冷空作为低温定标源提供了理论及数据参考。     

一种基于雪粒径演化过程的积雪亮温模拟新方法

本研究采用HUT模型、DMRT模型和MEMLS模型模拟积雪雪粒子与不同波段（18.7 GHz和36.5 GHz）微波相互作用（吸收和消光）,并用于辐射传输模型。而雪粒径的获取一直是一个难点,本研究由Jordan91雪粒径演化模型演化得到雪粒径,并将其作为辐射传输模型的输入参数,基于像元内实测数据进行混合像元18.7和36.5 GHz水平极化亮温模拟。结果表明：采用HUT模型、DMRT模型和MEMLS模型的消光系数在18.7 GHz时模拟亮温的偏差分别为-3.6、-1.8和-0.7 K,在36.5 GHz时分别为4.0、10.4和14.4 K。对于18.7 GHz水平极化和36.5 GHz水平极化,基于有效雪粒径的亮温模拟与基于雪粒径演化过程的亮温模拟精度呈现出很好的线性关系。因此,基于雪粒径演化过程的方法是一种合适的获取辐射传输模型中雪粒径参数的方法。     

积雪微波辐射亮温对积雪参数的敏感性分析——以多层积雪微波辐射模型为例

积雪的被动微波辐射亮温信号十分复杂,深度、温度、粒径、密度、液态水含量,以及下垫面的状况都会不同程度的影响积雪层的亮度温度。本文利用多层积雪微波辐射模型（MEMLS）分别针对各个输入参数对模拟亮温的影响进行了分析,发现粒径是敏感性最高的模型参数,湿度、深度、密度、积雪温度次之。模型模拟结果表明,当雪深小于50cm时,雪深可以近似地表示为19和37GHz的亮温差的线性函数 |当雪深大于50cm后,随着雪深的增加,亮温差增加幅度变小,趋向于饱和。在建立积雪深度反演公式时,粒径和密度会影响公式的拟合系数。把一定区域内积雪粒径和密度看作是相同的值,这可能是造成被动微波遥感反演雪深和雪水当量误差的原因之一。被动微波无法反演湿雪的雪深和雪水当量,但可以有效识别干雪和湿雪,为水文模拟以及农业灌溉提供科学的依据和信息。积雪温度对积雪辐射亮温影响较小,而且在对积雪深度进行反演时,两个频率亮温值相减,温度的影响也被降到了最低。     

基于地基微波辐射计数据评估不同土壤介电模型反演土壤湿度的适用性

以青藏高原开展的L波段地基微波辐射（ELBARA-III型）综合观测试验为依据,基于 \tau - \omega 辐射传输模型评估了Wang-Schmugge、Mironov、Dobson和 Four-Phase 4种土壤介电模型对L波段微波亮温模拟及土壤湿度反演的影响。结果表明：相同植被和粗糙度参数化方案条件下,4种土壤介电模型对微波亮温模拟存在明显差异,当土壤湿度小于0.23 m3·m^-3时,Wang-Schmugge模型与其他3种土壤介电模型微波亮温模拟结果差异最为显著,水平和垂直极化微波亮温模拟最大差值可达8.0 K和4.4 K;当模拟土壤湿度大于0.23 m3·m^-3时,Four-phase模型模拟的微波亮温显著高于其他3种土壤介电模型模拟结果;当土壤湿度饱和时,4种土壤介电模型间水平和垂直极化微波亮温模拟最大差值约为6.1 K和4.8 K,且4种土壤介电模型对水平极化微波亮温模拟的差异比垂直极化模拟的差异更为显著。而基于4种介电模型的土壤湿度反演对比试验表明,水平极化条件下基于Wang-Schmugge模型反演土壤湿度,较其他参数化方案,能有效减轻反演土壤湿度对观测土壤湿度的低估,Mironov模型减轻了垂直极化条件下反演土壤湿度对观测值的高估程度。在现有 \tau - \omega 模型参数化方案的基础上,总结了4种土壤介电模型在青藏高原典型草地下垫面的适用性,将为星载L波段辐射计青藏高原土壤湿度反演应用提供客观的土壤介电模型方案选取依据。     

典型金属立体目标的毫米波辐射特性研究

针对规则金属立体目标的毫米波辐射特性数据库不完善的问题，对金属球、金属柱和金属立方体三种典型目标分别进行3mm和8mm两个波段辐射特性研究，并对比分析不同结构对目标毫米波辐射特性的影响。通过理论计算金属平面目标天线温度对比度，利用面元法推导出天线主波束范围内的金属立体目标表面的视在温度。在此基础上使用辐射计对不同金属立体目标进行实际的测量，分析了造成视在温度差异的原因。实验丰富了金属立体目标的毫米波辐射特性数据库，为典型金属立体目标成像和目标识别提供准确有效的数据支持。     

一种安全检查的无源毫米波图像特征提取方法

毫米波穿透力强且具有全天时、全天候工作能力,在反恐安检方面具有广阔的应用前景。针对藏匿物品的安全检查获取的毫米波辐射图像,与小波软硬阈值预处理滤除噪声算法相比,提出一种复合结构形态学自适应滤波算法对毫米波辐射图像进行了滤波处理,然后对处理后图像进行边缘检测与特征分析。实验结果表明,复合结构形态学自适应滤波算法能有效地去除毫米波辐射图像中的噪声,提取的图像边缘特征符合藏匿物品的几何特征。     

利用神舟4号飞船多频段微波辐射计对塔克拉玛干沙漠的研究

利用神舟4 号飞船多频段微波辐射计结合其它星载数据和地面数据, 研究了塔克拉玛干沙漠的微波辐射特点和温度反演问题。结果表明, 微波辐射计在塔克拉玛干沙漠的性能是相对稳定的。其在塔克拉玛干沙漠的观测亮温呈现出低频高于高频的特点。通过分析, 认为这种现象与微波辐射的穿透能力密不可分。通过对各通道观测亮温与沙漠周围5 个常规气象观测站的温度资料的相关分析, 表明观测亮温与地表要素间有很好的相关性。     

不同介电常数模型的平静海表面亮温仿真差异性分析

利用介电常数模型仿真平静海表面亮温是海洋盐度遥感反演的基础工作之一。利用Matlab软件对K-S模型、M-W模型和Bl模型3种介电常数模型进行了仿真。首先分析了3种介电常数的实部和虚部值随电磁波入射角变化的差异性,然后通过介电常数模型获得的3种平静海表面亮温,分析了在盐度为30～40psu以及不同入射角的情况下,3种介电常数模型得到的平静海表面亮温和盐度变化率的关系。研究结果表明,在L频段(1.4～1.427GHz),3种模型的差异主要体现在实部,K-S模型介电常数实部值相对于其他2个模型更高,电磁波衰减程度基本一致;在入射角为55°时,亮温与盐度的变化率差异最明显,3种模型的垂直极化亮温的变化率比水平极化亮温高30%左右。     

太湖水环境的毫米波辐射监测方法研究

针对日益严重的水环境污染和毫米波辐射计系统在测量水环境下目标辐射特性的困难性,提出了一种利用毫米波无线数据采集系统的实时监测方案.方案通过Modbus网络通信协议进行无线通信,将毫米波辐射计采集到的数据在上位机端实时地显示与保存下来.实验证明:此方法能对水环境进行有效可靠地实时监测.