基于車載微波輻射計(jì)的地面觀測試驗(yàn)方法

李尚楠,趙天杰,施建成,肖 青,胡 路,王平凱,趙 瑞,陳德清, 崔 倩,薛淑琴,胡建峰

(1. 吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130026； 2. 中國科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101； 3. 水利部信息中心， 北京 100053；4. 錫林郭勒盟氣象局，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026000； 5. 錫林郭勒盟水文勘測局多倫水文局，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 027300)

0 引言

自遙感技術(shù)發(fā)展以來，微波遙感技術(shù)得到迅速發(fā)展。微波輻射計(jì)因受天氣條件限制少，可全天時(shí)全天候工作，對地表具有一定的穿透能力，可多頻道、多極化、多角度觀測目標(biāo)等[1]，在大氣微波遙感、海洋微波遙感、植被微波遙感和土壤微波遙感等方面有廣泛的應(yīng)用[1-4]。微波輻射計(jì)根據(jù)搭載平臺(tái)的不同，可分為星載微波輻射計(jì)、空基微波輻射計(jì)和地基微波輻射計(jì)。其中地基微波輻射計(jì)具有成本低和靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，可用于開展長時(shí)間序列和高空間分辨率的地面觀測試驗(yàn)[5]，為微波遙感理論、反演算法開發(fā)等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為星載載荷的論證提供數(shù)據(jù)支撐。

為獲取研究所需地表參數(shù)，國際上利用不同型號的微波輻射計(jì)開展了諸多野外地表觀測實(shí)驗(yàn)，其中具有代表性的研究包括：文獻(xiàn)[6]中在美國亨茨維爾開展土壤水分觀測實(shí)驗(yàn)，利用雙波段單極化微波輻射計(jì)(SLMR)、六波段微波輻射計(jì)和單波段微波輻射計(jì)聯(lián)合觀測數(shù)據(jù),改進(jìn)反演算法，提高了反演精度；文獻(xiàn)[7]中在奧克拉荷馬，同樣使用SLMR觀測實(shí)驗(yàn)區(qū)，通過對比觀測數(shù)據(jù)與星載L波段亮溫?cái)?shù)據(jù)，分析了像元異質(zhì)性和空間尺度對土壤水分反演的影響。21世紀(jì)針對地基微波輻射計(jì)的地面觀測的研究與日俱增，其中較大型的觀測實(shí)驗(yàn)有：文獻(xiàn)[8]中利用L波段雙極化地基微波輻射計(jì)(ELBARA)，研究了土壤水分變化時(shí)土壤的水力性質(zhì)；為改進(jìn)SMOS模型和反演算法，文獻(xiàn)[9]中用L波段雙極化多角度微波輻射計(jì)(LEWIS)獲取地表亮溫?cái)?shù)據(jù)；文獻(xiàn)[10-11]中利用L波段全極化微波輻射計(jì)(LAURA)，研究了葡萄對土壤發(fā)射率和土壤水分的影響；考慮陰影可能對地表輻射有一定影響，文獻(xiàn)[12]中利用多通道地基微波輻射計(jì)(GBMR)開展地面觀測實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，陰影與土壤濕度呈正相關(guān)，可作為模型輸入?yún)?shù)；為驗(yàn)證新添加到ω-τ模型中的散射項(xiàng)是否能很好地解釋植被冠層與亮溫間的關(guān)系，文獻(xiàn)[13]中利用車載微波輻射計(jì)系統(tǒng)(ComRad)的觀測數(shù)據(jù)對其驗(yàn)證，結(jié)果模型預(yù)測與數(shù)據(jù)吻合得較好；文獻(xiàn)[14]中利用多頻率、多角度、雙極化的地基微波輻射計(jì)(L-W波段)觀測致密的麥田，用以評估亮溫對土壤水分和植被含水量的敏感度；文獻(xiàn)[15]中利用L波段雙極化地基微波輻射計(jì)(CREST-SMART),收集不同時(shí)間和不同位置的土壤數(shù)據(jù)，ω-τ模型的評估結(jié)果顯示，下午觀測的土壤溫度作為模型輸入值最理想，12 cm深度的土壤水分實(shí)測值可有效替代L波段觀測值。

面對國際上地基微波輻射計(jì)的快速發(fā)展，我國也積極開展地表土壤水分野外觀測研究，如：文獻(xiàn)[16]中利用自行研制的雙頻段微波輻射計(jì)開展地基遙感土壤濕度試驗(yàn)，回歸分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到L、C波段反演土壤水分濕度經(jīng)驗(yàn)回歸模型；文獻(xiàn)[17]中利用S波段、雙頻段和多頻段地基微波輻射計(jì)對試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行長時(shí)序列觀測，為遙感反演模型和算法的發(fā)展、改進(jìn)及驗(yàn)證提供了數(shù)據(jù)支持。

從地基微波輻射計(jì)的發(fā)展和研究可見，地基微波輻射計(jì)因其本身固有的性能和結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，為開展地表土壤水分反演、反演算法改進(jìn)、反演模型構(gòu)建等研究工作提供了海量的數(shù)據(jù)支持，為構(gòu)建區(qū)域尺度的土壤水分觀測網(wǎng)絡(luò)和為衛(wèi)星提供了可靠的參數(shù)數(shù)據(jù)。本文以揭示被動(dòng)微波測量的物理機(jī)制、發(fā)展和優(yōu)化衛(wèi)星土壤濕度反演算法、驗(yàn)證衛(wèi)星土壤水分產(chǎn)品精度為目的，介紹了RPG-6CH-DP車載微波輻射計(jì)系統(tǒng)、野外地面試驗(yàn)方法，并簡要分析了內(nèi)蒙古多倫縣的野外觀測數(shù)據(jù)結(jié)果。

1 車載微波輻射計(jì)系統(tǒng)

為滿足實(shí)際觀測的需要，將RPG-6CH-DP改裝至移動(dòng)車載平臺(tái)上，改裝后的微波輻射計(jì)不僅方便保養(yǎng)和維護(hù)，也為野外實(shí)驗(yàn)的選址和觀測提供了便利。本節(jié)詳細(xì)介紹改裝后的微波輻射計(jì)系統(tǒng)。

1.1 車載微波輻射計(jì)結(jié)構(gòu)組成

車載微波輻射計(jì)整體結(jié)構(gòu)主要分為6部分(見圖1)，分別為微波輻射計(jì)組件、升降平臺(tái)、載運(yùn)移動(dòng)平臺(tái)、車載電腦、連接線路和供電系統(tǒng)。為不影響野外惡劣環(huán)境下微波輻射計(jì)的正常觀測，并能起到維護(hù)和保養(yǎng)輻射計(jì)的效果，采用福建奔馳凌特作為載運(yùn)移動(dòng)平臺(tái)。經(jīng)改裝，車體的后部能承載固定式升降平臺(tái)以及相應(yīng)裝置，并將微波輻射計(jì)組件固定到升降平臺(tái)上方。實(shí)際觀測時(shí)，可根據(jù)需要升降平臺(tái)、調(diào)整高度；控制微波輻射計(jì)的計(jì)算機(jī)位于車體中部的操作室，輻射計(jì)的觀測參數(shù)和觀測數(shù)據(jù)均可存儲(chǔ)其中；輻射計(jì)的額定工作電壓為220 V，實(shí)際工作中存在諸多不確定因素，導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定，為避免電路問題給輻射計(jì)帶來不必要的麻煩，在改裝車內(nèi)裝有一個(gè)既能起到穩(wěn)壓，又可實(shí)現(xiàn)斷電保護(hù)的供電系統(tǒng)UPS。即便如此，因微波輻射計(jì)是精密儀器，需在車廂中增添可短時(shí)供電的發(fā)電機(jī)，為微波輻射計(jì)在野外觀測提供保障。

微波輻射計(jì)組件作為試驗(yàn)觀測的核心部分，主要包括接收器和天線兩部分。接收器按功能可分為：光學(xué)接收器、正交模式轉(zhuǎn)化器(OMT)、定標(biāo)系統(tǒng)(雙迪克開關(guān)和噪音入射剖面)、信號處理組件(隔離器、低噪聲放大器、帶通濾波器和探測器)、儀器電線部分和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。不同于C波段(6.925 GHz)和X波段(10.65 GHz)，L波段(1.4 GHz)天線是一個(gè)固定在平板上的合成陣列天線，具有效率高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。而C波段和X波段天線為滿足反射損耗小和結(jié)構(gòu)緊湊的需要，選定拋物面天線，該天線與陣列天線相比，頻帶較寬且軸對稱，可用于接收對稱輻射波束[18]。

1.2 車載微波輻射計(jì)的工作原理

L波段與C波段和X波段的天線結(jié)構(gòu)上雖然有區(qū)別，但在接收機(jī)工作原理上的設(shè)計(jì)是一致的。觀測視場的微波輻射能量被光學(xué)接收器(陣列天線和拋物面天線)接收[18]，經(jīng)過正交模式轉(zhuǎn)換器，將信號分成垂直和水平兩個(gè)極化通道，兩通道信號同時(shí)進(jìn)入到接收機(jī)內(nèi)部；信號傳送到內(nèi)部的第1個(gè)元件迪克開關(guān)，它可階段性地探測接收機(jī)內(nèi)部黑體的亮溫，連續(xù)測定輻射計(jì)的系統(tǒng)噪聲溫度；通過迪克開關(guān)將信號傳送到定向耦合器，迪克開關(guān)通過調(diào)節(jié)開關(guān)校準(zhǔn)噪聲源，為輻射能量增加穩(wěn)定噪聲，增加該噪聲信號的目的是確定系統(tǒng)的非線性和系統(tǒng)在測量過程中的增益偏移；輸入信號從定向耦合器出來被過濾之前，經(jīng)40 dB的低噪聲放大器放大，再通過帶通濾波器濾波，不同波段的帶通濾波器中心頻率有一些區(qū)別，L波段的帶通濾波器中心頻率為20 MHz，而C波段和X波段的帶通濾波器的中心頻率為400 MHz；信號出來再由另一個(gè)20 dB的低噪聲放大器增強(qiáng)信號，將輸入信號傳送到平方律檢波器，對信號進(jìn)行檢測和集成處理；整流的直流信號進(jìn)入具有內(nèi)部模擬積分器的超穩(wěn)定運(yùn)算放大器電路，為避免連接電纜線的卡扣上有噪聲，信號復(fù)用到16位模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換器處理后，由數(shù)字信號控制器處理信號，將輻射能量轉(zhuǎn)換為電壓信號，并轉(zhuǎn)換為亮溫?cái)?shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)(見圖2)，獲得觀測亮溫?cái)?shù)據(jù)。

2 車載微波輻射計(jì)的定標(biāo)及準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

2.1 車載微波輻射計(jì)的定標(biāo)

測量誤差是輻射計(jì)不精確的主要來源，為消除誤差，輻射計(jì)定標(biāo)是行之有效的方式。根據(jù)定標(biāo)方式的不同，可將定標(biāo)分為絕對定標(biāo)和天空掃描定標(biāo)兩種方式。

2.1.1 絕對定標(biāo)

理想狀態(tài)下，對于絕對定標(biāo)而言，一個(gè)簡單的兩點(diǎn)定標(biāo)足以確定系統(tǒng)噪聲的等效溫度(接收機(jī)內(nèi)部的迪克開關(guān)吸收內(nèi)部黑體的物理溫度作為熱點(diǎn)，外部的沸點(diǎn)溫度的液氮作為冷點(diǎn))，而實(shí)際精確的噪聲注入測量顯示，本文假設(shè)的線性關(guān)系一般情況難以實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)校準(zhǔn)目標(biāo)溫度間的亮溫誤差約為1～2 K。該系統(tǒng)的非線性關(guān)系主要由總功率檢測的探測二極管引起，即使是在很好的運(yùn)行工作狀態(tài)下(輸入功率小于-30 dBm)，探測二極管也不是非常完美的線性元件。故噪聲注入定標(biāo)算法是在非線性影響被矯正的情況下實(shí)現(xiàn)的。對于系統(tǒng)的非線性模型可表示為

U=GPα

(1)

式中：U為探測電壓；G為接收機(jī)的增益系數(shù)；α為非線性因子,0.9≤α<1；P為總輻射功率。由普朗克輻射定律公式可知，總輻射功率與輻射亮溫TR有關(guān)，比例因子融入到G中，有

(2)

式中：h為普朗克常量；ν為頻率；kB為玻爾茲曼常量；TR為系統(tǒng)噪聲溫度Tsys和視場溫度Tsc的總和。

通過溫度Tn的附加噪聲注入生成4個(gè)溫度點(diǎn)，從而可推導(dǎo)出含有4個(gè)未知量(G，α，Tsys和Tn)的獨(dú)立方程，即

(3)

式中：Tn為注入噪聲溫度；Tc為總的噪聲溫度；Th為額外的環(huán)境溫度載荷相對應(yīng)的噪聲溫度。

2.1.2 天空掃描定標(biāo)

天空掃描定標(biāo)通常應(yīng)用于無云或沒有水汽變化的均勻分層大氣中，適用于所有頻率，但不代表天空的輻射亮溫等于零，通過微波輻射計(jì)掃描天空推斷，亮溫受宇宙背景輻射的影響約為2.7 K。不同波段的天空掃描定標(biāo)角度不完全相同，其中C波段和X波段通過設(shè)置一組角度完成線性擬合定標(biāo)，而L波段僅需要一個(gè)角度即可完成定標(biāo)。盡管方式不同，但獲取亮溫的原理相同。給定高度角α，則路徑長度等于1/sinα乘以天頂角路徑長度(空氣質(zhì)量)。當(dāng)考慮大氣分層時(shí)，相應(yīng)的光學(xué)厚度也應(yīng)該乘以該因子，光學(xué)厚度與亮溫的關(guān)系可表示為

(4)

式中：TB0為大氣背景輻射溫度，2.7 K；TB為頻率通道亮溫，通道亮溫可通過輻射計(jì)自帶的溫度傳感器測量得到；Tmr為α方向上大氣的平均溫度。假設(shè)強(qiáng)度為Iν的輻射穿過無限稀薄氣體時(shí)，

dIν=-Iνkνds

(5)

式中：kν為吸收系數(shù)，包括到達(dá)輻射計(jì)過程中所有過程損失的光子的總和。在有限的氣體層上的積分有

(6)

式中：Iν_0為進(jìn)入到大氣層前的強(qiáng)度。光學(xué)厚度可定義為

(7)

大氣的自發(fā)輻射增加了輻射強(qiáng)度。

大氣分子在輻射場中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)躍遷時(shí)，

dIν=ενds

(8)

式中：εν為頻率為ν時(shí)的輻射系數(shù)。

無限稀薄氣體層的強(qiáng)度總變化表示為

(9)

定義ε/k的比值為源函數(shù)S，則

(10)

整合有

(11)

Iν(τν)=Iν_0·exp(-τν)+

(12)

整理得到

(13)

在天氣晴朗時(shí)，τν與1/sinα呈近似線性關(guān)系。通過多角度觀測，擬合出一條直線(見圖3)，光學(xué)厚度作為空氣質(zhì)量的函數(shù)，呈現(xiàn)為一條直線，反向延長可外推出零空氣質(zhì)量時(shí)自由空間的響應(yīng)溫度為2.7 K，對于定標(biāo)成功的典型線性相關(guān)因子閾值大于0.999 5，離散程度小于0.4，圖3中線性相關(guān)因子為0.999 962，離散程度為0.013 477。

L波段定標(biāo)僅使用一個(gè)簡單的掃描點(diǎn)替代一組掃描角度定標(biāo)。其原因在于L波段的波長較長，相比較其他波段大氣非常透明，即使空氣質(zhì)量發(fā)生變化，天空輻射亮溫也不會(huì)發(fā)生較大的改變。對于L波段掃描點(diǎn)的選擇(見圖4)，在北半球，L波段的亮溫為6.5 K，有恒定的觀測方向，指向球北極，輻射計(jì)在掃描天空時(shí)，保證指向北方，設(shè)置高度角為輻射計(jì)所在的緯度值。如果輻射計(jì)的方位角為零，與方位北不一致，則需要調(diào)整輻射計(jì)的方位角指向北方，這樣即便方位角不是方位零點(diǎn)，軟件依然能找到天空北。C、X、L波段的天空掃描定標(biāo)，都應(yīng)保證在天氣晴朗狀態(tài)下，定期定標(biāo)輻射計(jì)。

2.2 車載微波輻射計(jì)的準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

微波輻射計(jì)定標(biāo)是保證數(shù)據(jù)精確的前提，需驗(yàn)證定標(biāo)結(jié)果。檢驗(yàn)測量準(zhǔn)確性的方法如下：設(shè)置微波輻射計(jì)所在的緯度值為觀測的高度角，觀測天空，檢查L、C、X波段各通道的亮溫值是否在理論值附近波動(dòng)，各波段的2個(gè)通道的極化差應(yīng)接近于零，此時(shí)說明3個(gè)波段定標(biāo)較理想，滿足對地觀測的定標(biāo)要求。但由于不可見的水汽非均勻分布，即使在晴朗的天空條件下，分層大氣的假設(shè)也常常被人質(zhì)疑(如經(jīng)常觀察到接近海岸線)。為進(jìn)一步證明微波輻射計(jì)的準(zhǔn)確性，可利用已知亮溫的目標(biāo)物檢驗(yàn)微波輻射計(jì)，最理想的是平靜的水面，因平靜的水面可看成光滑的平面，可用菲涅耳公式[18]計(jì)算水面的反射率，根據(jù)發(fā)射率與反射率之間的關(guān)系求解發(fā)射率得到微波輻射亮溫。

在理論分析的基礎(chǔ)上，中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所在天津?qū)氎鎱^(qū)的潮白河堤岸，定標(biāo)車載微波輻射計(jì)，并觀測潮白河的水域天空，觀測結(jié)果如圖5(a)所示。觀測數(shù)據(jù)很平滑，可見水域周圍無明顯射頻干擾(RFI)，可開展水面觀測。由水面觀測數(shù)據(jù)可看出，3個(gè)波段的6個(gè)通道的觀測值與模擬值基本一致，但由于測量過程中諸多不確定因素的影響，如水面溫度測量誤差、水體鹽度測量誤差、水面風(fēng)速等，導(dǎo)致各波段實(shí)測值和模擬值有偏差，如圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)所示，但誤差在允許范圍內(nèi)，滿足微波輻射計(jì)對地物輻射亮溫的觀測條件。

3 基于車載微波輻射計(jì)的地面觀測試驗(yàn)

為獲取不同類型植被覆蓋下地表的微波輻射特性，探究微波輻射傳輸模型和地表參數(shù)反演算法等問題，在內(nèi)蒙古開展車載微波輻射計(jì)土壤水分地面觀測試驗(yàn)。研究生長季不同類型植被覆蓋的土壤水分的微波輻射特性，以及不同植被類型對土壤水分反演的影響，驗(yàn)證和改進(jìn)土壤水分反演算法，為開展長期地面觀測提供參考。

3.1 試驗(yàn)選址和場地布設(shè)

由于車載微波輻射計(jì)的頻率相對較低，日常生活中的很多電磁信號可能會(huì)對其造成影響，為避免電磁信號RFI帶來的影響，利用SMOS數(shù)據(jù)分析全國的RFI分布情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：中國人口聚集區(qū)域受RFI影響較強(qiáng)，人口稀疏的內(nèi)蒙古、新疆、青海和西藏等地區(qū)受RFI影響較弱；但在地理位置上，新疆、青海和西藏距離北京較遠(yuǎn)，同時(shí)海拔相對較高，開展試驗(yàn)難度較大。而內(nèi)蒙古距離北京較近，便于運(yùn)輸車載輻射計(jì)，地勢也較平坦開闊，另結(jié)合地形圖和實(shí)地考查知，內(nèi)蒙古多倫縣海拔1 150～1 800 m，人口稀疏，RFI干擾較弱，年降水量為380 mm左右，是開展試驗(yàn)較理想的場地。故最終選定內(nèi)蒙古錫林浩特多倫縣前王家營子為車載微波輻射計(jì)土壤水分觀測的試驗(yàn)場地。

為能研究不同類型植被之間的亮溫和土壤水分，車載微波輻射計(jì)同時(shí)觀測3種植被，并根據(jù)車載微波輻射計(jì)的工作原理，推算出其實(shí)際觀測視場范圍。在不影響觀測的前提下，埋設(shè)TM5土壤溫濕度傳感器，以保證實(shí)測區(qū)和觀測區(qū)域的土質(zhì)和植被生長狀態(tài)一致，降低不確定因素帶來的測量誤差，其視場布局和接收輻射范圍如圖6所示。

車載微波輻射計(jì)位于試驗(yàn)場中心位置，玉米(22.5 m×15.5 m)、莜麥(23.5 m×17.5 m)和蕎麥(15 m×21 m)3種農(nóng)作物分別位于四周，微波輻射計(jì)可觀測3種不同地物的亮溫特征，每塊試驗(yàn)觀測樣地中均埋有土壤溫濕度傳感器，測量不同植被在生長期的土壤溫度和水分變化情況。

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)區(qū)域正處于植被生長季節(jié)，降雨頻繁，每日除微波輻射計(jì)連續(xù)觀測外，土壤溫濕度傳感器測量、雨量筒降雨觀測和蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量觀測應(yīng)同步進(jìn)行。其他輔助環(huán)境參數(shù)測量，包括葉面積指數(shù)、氣象參數(shù)、土壤容重、土壤質(zhì)地、地表粗糙度等也應(yīng)該在觀測期間完成。

為避免天氣惡劣影響微波輻射計(jì)的正常觀測，用繩索固定微波輻射計(jì)的升降平臺(tái)；遇到降雨和雷暴時(shí)，及時(shí)停止觀測，微波輻射計(jì)屬于精密儀器，每次開關(guān)均會(huì)影響其穩(wěn)定性，故進(jìn)行下次觀測之前，應(yīng)定標(biāo)微波輻射計(jì)。倘若天氣不能滿足定標(biāo)條件，預(yù)熱完成后仍可繼續(xù)觀測，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將上次定標(biāo)成功的參數(shù)作為本次觀測的參數(shù)。多角度觀測時(shí)，受視場范圍大小限制，調(diào)整微波輻射計(jì)高度角在視場允許范圍內(nèi)，同時(shí)觀測時(shí)間應(yīng)與溫濕度傳感器的采集時(shí)間一致，避免產(chǎn)生不必要的觀測誤差。

土壤溫濕度傳感器埋設(shè)在不影響微波輻射計(jì)觀測的視場范圍內(nèi)，埋設(shè)深度依次為0～5，10，20,30,50 cm，并采集土壤樣品，測量土壤含水量和土壤質(zhì)地，埋設(shè)好儀器后需將地表恢復(fù)平整，使用粗糙度板在采樣點(diǎn)附近量測地表粗糙度，最大程度保證觀測的準(zhǔn)確性。

3.3 微波輻射計(jì)觀測方法

天氣炎熱、入射角和方位角均影響微波輻射計(jì)觀測，保證觀測視場范圍允許時(shí)，可將微波輻射計(jì)觀測分為晝夜觀測模式，夜間觀測的入射角以2.5°為間隔在30°～60°變化，方位角根據(jù)植被所處位置依次設(shè)置一個(gè)最佳角度(蕎麥100°、莜麥200°、玉米340°)，白天觀測的方位角均以2.5°為間隔，分別在90°～110°，190°～210°和330°～350°變化，入射角設(shè)置為55°。

土壤水分實(shí)驗(yàn)觀測是植被整個(gè)生長周期的長期動(dòng)態(tài)觀測，數(shù)據(jù)質(zhì)量對整體的數(shù)據(jù)分析有很大影響，儀器的定標(biāo)顯得格外重要，故天氣條件良好以及不影響數(shù)據(jù)觀測時(shí)，多頻次定標(biāo)微波輻射計(jì)。

4 微波輻射計(jì)測量結(jié)果

利用車載微波輻射計(jì)，對內(nèi)蒙古錫林浩特市多倫縣前王家營子的3種植被開展土壤水分觀測試驗(yàn)，獲取了時(shí)間序列的亮溫和土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，其觀測結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)、圖7(c)和圖7(e)可見，3種農(nóng)作物的極化亮溫在觀測期間，各通道亮溫整體變化趨勢較一致；L波段的V極化與H極化的亮溫極化差比C波段和X波段大，原因是L波段對植被具有較強(qiáng)的穿透性。圖7(e)中玉米的3個(gè)通道的亮溫極化差比莜麥和蕎麥的大，這是由于玉米生長初期肥力不足，玉米不能正常生長，為此，在玉米樣地二次補(bǔ)種，導(dǎo)致玉米生長較緩慢，此時(shí)的地物以裸露地表為主；另一方面是因?yàn)橛衩椎闹仓昝芏容^稀疏，葉傾角較小，也促使了極化差較大。在3幅亮溫圖中，土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)有間斷性缺失，這是由于觀測期間頻繁降雨(見表1)，迫使微波輻射計(jì)停止對植被的觀測，影響了數(shù)據(jù)的采集。

表1 2017年觀測期間的降雨、蒸發(fā)和灌溉一覽表

從圖7(b)、圖7(d)和圖7(f)可見，土壤含水量在觀測期間曾出現(xiàn)跳躍式變化，這是因?yàn)橛^測期間出現(xiàn)了降雨(見表1)，土壤含水量發(fā)生明顯變化。但圖7(d)的土壤水分在某幾日沒有發(fā)生跳躍式變化，而圖7(b)和圖7(f)卻發(fā)生了跳躍式變化，這是因?yàn)檫@幾日沒有對蕎麥實(shí)施人工灌溉(見表1)，土壤水分發(fā)生顯著變化。

對比每種作物的亮溫圖和土壤水分圖可發(fā)現(xiàn)，土壤水分的變化與亮溫的變化總體呈反比趨勢，盡管L波段、C波段和X波段均呈現(xiàn)這樣的趨勢，但L波段亮溫對土壤水分變化最為敏感，這也說明L波段對植被的穿透性最強(qiáng)，較強(qiáng)地感知土壤水分變化。

由圖8(a)、圖8(c)和圖8(e)可見，隨方位角的增大，莜麥的L波段的H極化亮溫逐漸降低，蕎麥和玉米的則逐漸升高，這是由于3種農(nóng)作物壟的耕種方向均為南北走向。車載微波輻射計(jì)以不同方位角觀測3種作物時(shí)，微波輻射計(jì)的觀測方向與蕎麥和玉米的壟間夾角越來越小，而與莜麥的壟間夾角越來越大。說明觀測方向與壟間的夾角越小，被探測到的裸露地表越多，而地表的溫度高于植被表面溫度，故L波段H極化亮溫越大。

由圖8(b)、圖8(d)和圖8(f)可見，隨入射角的增大，3種農(nóng)作物的L波段H極化亮溫均呈降低趨勢，而在其他波段極化亮溫表現(xiàn)并不明顯，主要原因是電磁波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，不可避免地發(fā)生能量損失，而L波段H極化越來越低，說明入射角度增加，傳輸路徑變長，地表輻射能量衰減越來越多，輻射計(jì)接收的地表微波輻射亮溫減少。

5 結(jié)束語

車載微波輻射計(jì)因其在性能和結(jié)構(gòu)上特有的優(yōu)勢，近年來被廣泛應(yīng)用于地表土壤、積雪和植被等地物的微波輻射觀測，為科研人員提供了大量的地物微波輻射觀測數(shù)據(jù)。通過介紹車載微波輻射計(jì)結(jié)構(gòu)和工作原理發(fā)現(xiàn)：車載微波輻射計(jì)的定標(biāo)及準(zhǔn)確性檢驗(yàn)對測量精度有重要影響，實(shí)際觀測時(shí)需根據(jù)理論推導(dǎo)和實(shí)際求解，保證觀測精度能滿足地面觀測試驗(yàn)的要求。通過多倫野外地基微波輻射計(jì)觀測試驗(yàn)，獲取了多種微波輻射觀測數(shù)據(jù)，為不同類型的微波輻射模型和各項(xiàng)參數(shù)的反演及驗(yàn)證提供了大量的數(shù)據(jù)支持，為WCOM衛(wèi)星傳感器的載荷方案提供有效的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也為了解微波輻射機(jī)制和原理提供了有效途徑。

車載微波輻射計(jì)為野外試驗(yàn)提供了諸多方便，但也存在諸多不足，如在觀測選址時(shí)，受RFI和交通等因素限制，只能在特定區(qū)域開展工作，而無法保證特定區(qū)域的地表類型全部滿足多樣性；另外，車載微波輻射計(jì)觀測時(shí)受天氣環(huán)境影響較明顯，保護(hù)措施不夠完善，需進(jìn)一步改進(jìn)。未來車載微波輻射計(jì)將會(huì)全面提高，為微波遙感數(shù)據(jù)的獲取提供更加便利的平臺(tái)。

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