红外大气遥感

[拼音]:hongwai daqi yaogan

[外文]:infrared remote sensing of atmosphere

利用红外辐射讯号探测大气的方法和技术。这些讯号主要来自地表和大气的发射以及太阳辐射,因此,这是一种被动式大气遥感。

简史

1959年,L.D.卡普兰首先提出用大气红外辐射讯号来探测大气温度的原理。10年以后,这个方法在美国雨云 3号气象实验卫星上试验成功,被认为是大气探测上的一大突破。此后,气象卫星红外大气遥感水汽分布又取得成功。到了70年代,已能利用红外大气遥感方法和技术,初步实现大气温度、水汽和臭氧含量的气象卫星综合探测,给出全球无云地区从海面直到高空80公里左右的大气温度廓线、对流层大气水汽廓线和平流层臭氧含量全球分布的观测资料。

原理

地-气系统是200~400K的低温辐射源,其发射的热辐射强度的峰值在10~20微米的红外波段,大气中的二氧化碳、水汽和臭氧等气体分子的主要吸收带又大都在 3~25微米的中红外区,这为红外大气遥感提供了极为有利的条件。又由于二氧化碳在大气中的混合比不随高度改变,故在不同高度上辐射强度的变化可反映大气温度的铅直分布。在大气二氧化碳的 4.3微米和15微米吸收带内,适当选择吸收强弱不同的一组通道,用红外分光辐射仪从空间测量大气在这些通道的向上辐射强度(强吸收通道的辐射,主要来自较高层大气二氧化碳的发射;弱吸收通道的辐射,则主要来自较低层大气二氧化碳的发射),就可反演出大气温度的铅直分布。在温度和压力确定的情况下,大气水汽在 6.3微米和18~1000微米吸收带、臭氧在 9.6微米吸收带以及其他微量气体成分在其吸收带上发射的红外辐射强度,只取决于这些气体的浓度。同样,测量在这些吸收带内吸收强弱不同的一组通道的大气向上辐射强度,就可以反演出各相应气体的含量分布。

在气象卫星上探测来自云和地表在红外大气窗区向上的辐射,经过适当的大气衰减订正,可以得到海面温度(精度已约达1K左右)和中、低云的云顶温度。

在地面上观测不同大气分子吸收带上的太阳红外辐射光谱,同样可以推算出大气柱中水汽和臭氧等成分的含量。

仪器

在红外大气遥感中,最基本的遥感仪器是红外辐射仪,它包括三个基本部分:

(1)光学系统。把来自目标的辐射会聚到探测器上。

(2)探测器。把入射的辐射转换成电讯号。探测器在红外辐射仪中是一个极为重要的部分,它分成两大类:一类为热探测器,感应元件对入射辐射功率的涨落引起的温度变化敏感;另一类为量子探测器,感应元件对入射的光子数的涨落敏感。

(3)放大器和显示或记录装置。把探测器的输出放大并转换成需要的形式。在探测器和光学系统之间有分光系统的,称为红外分光辐射仪;带有扫描装置,可以依次改变视场位置的,叫做红外扫描辐射仪。用辐射仪可以进行辐射的绝对测量和相对测量。作绝对测量时,必须有一个已知的、稳定的标准辐射源,用以标定辐射仪。

由于红外辐射在云中的衰减很快,不能穿透中云和低云,因此,红外大气遥感受到云雨天气条件的限制,缺乏全天候探测能力。把红外大气遥感和微波大气遥感结合起来应用,是弥补这个缺陷的主要途径。

参考书目

曾庆存著:《大气红外遥测原理》,科学出版社,北京,1974。

R.G.Reeves, ed.,Manual of Remote Sensing,American Society of Photogrammetry,Falls Churen(Virginia),1975.

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