海面风场全极化微波辐射测量——原理、系统设计与模拟研究

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。　　　　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，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。　　 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。　　　　 本论文目标是为海面风场极化辐射测量技术进行系统设计。主要针对极化辐射测量的机理和风场反演方法进行深入的探讨。极化辐射计的硬件正在研制和测试中，限于博士论文的篇幅，只作原理上的论述和分析。

目录

文摘

英文文摘

1.海面微波极化辐射测量的研究背景和有关概念

1.1研究背景

1.1.1研究目的和问题的提出

1.1.2极化辐射计的发展

1.2极化辐射测量的原理和有关概念

1.2.1亮度温度定义

1.2.2极化方式

1.2.3电磁场Stokes参数

1.3本论文的研究内容

2.大气-海洋系统全极化微波辐射传输方程及其模式

2.1大气微波辐射传输方程

2.2无雨情况下大气微波辐射传输模式

2.3海面边界条件

2.3.1 Muller散射矩阵

2.3.2海面边界条件

2.4无雨情况下微波大气吸收模式

2.4.1大气的吸收和散射系数

2.4.2氧气吸收系数模式

2.4.3水汽吸收系数模式

2.4.4氮气吸收系数模式

2.4.5云/雾的粒子的贡献

2.4.6氧气谱线的Zeeman影响

2.5大气微波辐射传输计算

2.5.1大气辐射传输近似计算原理

2.5.2模式比较分析

2.6全极化海面辐射的模拟

2.6.1海洋全极化微波亮温的模拟方法

2.6.3大气模拟结果分析

2.6.4海面和大气微波极化辐射模拟结果

2.7本章总结

3.海面极化微波辐射和散射模式的比较和分析

3.1海面极化微波辐射和散射机理及其模式概述

3.1.1风与海面作用的微波遥感原理

3.1.2海面微波发射率模式概述

3.2平静海面亮温

3.2.1 Fresnel反射系数

3.2.2海水介电常数

3.2.3平静海面亮温的模拟和分析

3.3不考虑泡沫情况下的粗糙海面微波辐射/散射模式

3.3.1物理光学模式

3.3.2基于微扰方法的双尺度模式

3.3.3直接海面发射率模式—小坡度近似

3.4不同模式的有效性分析

3.4.1海面粗糙度的几个参数的定义

3.4.2几种光学类型模式的区别

3.4.3模式的有效性理论

3.4.4海面条件下不同模式的应用范围分析

3.5海面波谱及其比较

3.5.1海洋和大气的耦合

3.5.2海面波谱在极化辐射测量中应用的比较

3.6粗糙海面发射率数值模拟结果

3.6.1双尺度模式模拟结果

3.6.2物理光学模式模拟结果

3.6.3小坡度近似模拟结果

3.6.4模拟结果分析

3.7泡沫的影响分析及其模式

3.7.1泡沫的影响分析

3.7.2泡沫模式

3.8海面极化辐射数值计算结果与测量结果的比较

3.8.1可供比较的经验公式

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

3.9本章总结

4.极化微波辐射计的原理和系统设计

4.1相关辐射测量的原理

4.2极化微波辐射计的分类及其特点

4.2.1直接相关辐射计

4.2.2极化组合辐射计

4.2.3 Windsat分立馈源的多路平行接收极化辐射计

4.2.4极化辐射计灵敏度比较

4.3极化辐射计的关键技术分析

4.3.1极化辐射计类型选择及其相关考虑

4.3.2接收机的关键技术

4.3.3天线的关键技术

4.4数字相关辐射计原理和误差分析

4.4.1两路正交数字信号相关分析

4.6.2数字相关辐射计灵敏度

4.6.3系统误差

4.5数字相关极化辐射计系统设计方案

4.5.1数字相关极化辐射计系统设计

4.5.2复相关器设计

4.6极化辐射计系统测试方案

4.6.1接收机测试

4.6.2天线测试

4.6.3整机测试

4.7极化辐射计主要技术指标原理及其误差分析方法

4.7.1系统噪声温度及其不确定性分析

4.7.2灵敏度及其不确定性分析

4.7.3线性度及其不确定性分析

4.7.4稳定性及其分析

4.7.5定标准确度及其分析

4.8本章总结

5.极化辐射计定标技术原理和方法

5.1概述

5.1.1定标概念及其分类

5.1.2极化辐射计定标的发展及其特点

5.2全极化微波辐射计的定标方程

5.2.1前三个Stokes参数的极化辐射计定标方程

5.2.2四个Stokes参数的极化辐射计定标方程

5.3外部定标源及其辐射传递

5.3.1被动全极化定标标准原理及其定标过程分析

5.3.2极化辐射计的主动极化负载定标方法

5.4极化辐射计的内定标方法

5.4.1相关噪声定标标准(CNCS)

5.4.2内外结合的定标方法

5.4.3定标方法的比较和分析

5.5微波辐射计的大气定标方法

5.6星载微波辐射计的低端替代定标方法

5.7数字相关极化辐射计的定标原理和方法

5.7.1全功率辐射计通道定标

5.7.2数字相关器定标

5.8极化辐射计定标精度及误差分析

5.8.1定标精度定义

5.8.2风向反演与定标误差的关系

5.9本章总结

6.极化辐射计数据预处理算法及其模拟研究

6.1概述

6.2两点定标

6.3全极化天线温度方程

6.3.1单色天线温度方程

6.3.2带宽的影响

6.4空间溢出的校正

6.5交叉极化校正

6.5.1过程描述

6.5.2旋转校正矩阵

6.5.3 Faraday旋转角

6.5.4极化旋转角

6.5.5天线温度和目标亮温之间关系矩阵

6.5.6“神舟四号”飞船微波辐射计交叉极化校正

6.5.7交叉极化矩阵产生方法的比较

6.6空间分辨率匹配理论及其模拟

6.6.1空间分辨率匹配理论

6.6.2空间分辨率匹配算法模拟

6.7本章总结

7.海面风场反演算法及其模拟反演结果分析

7.1风场反演算法的形式

7.2海面算法

7.2.1平静海面反射率算法

7.2.3风成海面发射率算法

7.2.4向算法

7.3大气算法

7.3.1不同路径大气辐射亮温之间的关系

7.3.2大气上行和下行辐射亮温之间的关系

7.3.3垂直路径大气透过率算法

7.3.4下行大气辐射亮温算法

7.4反演算法的准确性分析

7.5星载极化微波辐射计风场反演方法

7.5.1物理统计算法

7.5.2物理反演

7.6风场反演的最大似然估值(MLE)方法

7.6.1最大似然估值方法原理

7.6.2风场反演的叠代求解过程

7.6.3反演结果及其分析

7.6.4只有前三个Stokes参数时的MLE结果及其分析

7.7本章总结

8.论文总结

8.1全文总结

8.1.1海面风场极化辐射测量机理研究

8.1.2极化辐射计硬件原理和系统设计及其定标技术

8.1.3极化辐射测量技术的应用方法研究

8.2本论文的贡献汇总

8.3建议今后进一步深入研究的内容

参考文献

攻读博士学位期间发表的文章目录

致谢