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)國家重點實驗室，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。微波輻射計因受天氣條件限制少，可全天時全天候工作，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]。微波輻射計根據(jù)搭載平臺的不同，可分為星載微波輻射計、空基微波輻射計和地基微波輻射計。其中地基微波輻射計具有成本低和靈活機動的特點，可用于開展長時間序列和高空間分辨率的地面觀測試驗[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開展了諸多野外地表觀測實驗，其中具有代表性的研究包括：文獻[6]中在美國亨茨維爾開展土壤水分觀測實驗，利用雙波段單極化微波輻射計(SLMR)、六波段微波輻射計和單波段微波輻射計聯(lián)合觀測數(shù)據(jù),改進反演算法，提高了反演精度；文獻[7]中在奧克拉荷馬，同樣使用SLMR觀測實驗區(qū)，通過對比觀測數(shù)據(jù)與星載L波段亮溫數(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世紀針對地基微波輻射計的地面觀測的研究與日俱增，其中較大型的觀測實驗有：文獻[8]中利用L波段雙極化地基微波輻射計(ELBARA)，研究了土壤水分變化時土壤的水力性質(zhì)；為改進SMOS模型和反演算法，文獻[9]中用L波段雙極化多角度微波輻射計(LEWIS)獲取地表亮溫數(shù)據(jù)；文獻[10-11]中利用L波段全極化微波輻射計(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[12]中利用多通道地基微波輻射計(GBMR)開展地面觀測實驗，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)；為驗證新添加到ω-τ模型中的散射項是否能很好地解釋植被冠層與亮溫間的關(guān)系，文獻[13]中利用車載微波輻射計系統(tǒng)(ComRad)的觀測數(shù)據(jù)對其驗證，結(jié)果模型預(yù)測與數(shù)據(jù)吻合得較好；文獻[14]中利用多頻率、多角度、雙極化的地基微波輻射計(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[15]中利用L波段雙極化地基微波輻射計(CREST-SMART),收集不同時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[16]中利用自行研制的雙頻段微波輻射計開展地基遙感土壤濕度試驗，回歸分析試驗數(shù)據(jù)，得到L、C波段反演土壤水分濕度經(jīng)驗回歸模型；文獻[17]中利用S波段、雙頻段和多頻段地基微波輻射計對試驗區(qū)進行長時序列觀測，為遙感反演模型和算法的發(fā)展、改進及驗證提供了數(shù)據(jù)支持。

從地基微波輻射計的發(fā)展和研究可見，地基微波輻射計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、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)。本文以揭示被動微波測量的物理機制、發(fā)展和優(yōu)化衛(wèi)星土壤濕度反演算法、驗證衛(wèi)星土壤水分產(chǎn)品精度為目的，介紹了RPG-6CH-DP車載微波輻射計系統(tǒng)、野外地面試驗方法，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 車載微波輻射計系統(tǒng)

為滿足實際觀測的需要，將RPG-6CH-DP改裝至移動車載平臺上，改裝后的微波輻射計不僅方便保養(yǎng)和維護，也為野外實驗的選址和觀測提供了便利。本節(jié)詳細介紹改裝后的微波輻射計系統(tǒng)。

1.1 車載微波輻射計結(jié)構(gòu)組成

車載微波輻射計整體結(jié)構(gòu)主要分為6部分(見圖1)，分別為微波輻射計組件、升降平臺、載運移動平臺、車載電腦、連接線路和供電系統(tǒng)。為不影響野外惡劣環(huán)境下微波輻射計的正常觀測，并能起到維護和保養(yǎng)輻射計的效果，采用福建奔馳凌特作為載運移動平臺。經(jīng)改裝，車體的后部能承載固定式升降平臺以及相應(yīng)裝置，并將微波輻射計組件固定到升降平臺上方。實際觀測時，可根據(jù)需要升降平臺、調(diào)整高度；控制微波輻射計的計算機位于車體中部的操作室，輻射計的觀測參數(shù)和觀測數(shù)據(jù)均可存儲其中；輻射計的額定工作電壓為220 V，實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帶來不必要的麻煩，在改裝車內(nèi)裝有一個既能起到穩(wěn)壓，又可實現(xiàn)斷電保護的供電系統(tǒng)UPS。即便如此，因微波輻射計是精密儀器，需在車廂中增添可短時供電的發(fā)電機，為微波輻射計在野外觀測提供保障。

微波輻射計組件作為試驗觀測的核心部分，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。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，但在接收機工作原理上的設(shè)計是一致的。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極化通道，兩通道信號同時進入到接收機內(nèi)部；信號傳送到內(nèi)部的第1個元件迪克開關(guān)，它可階段性地探測接收機內(nèi)部黑體的亮溫，連續(xù)測定輻射計的系統(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20 dB的低噪聲放大器增強信號，將輸入信號傳送到平方律檢波器，對信號進行檢測和集成處理；整流的直流信號進入具有內(nèi)部模擬積分器的超穩(wěn)定運算放大器電路，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)換為亮溫數(shù)據(jù)傳送至計算機(見圖2)，獲得觀測亮溫數(shù)據(jù)。

2 車載微波輻射計的定標(biāo)及準(zhǔn)確性檢驗

2.1 車載微波輻射計的定標(biāo)

測量誤差是輻射計不精確的主要來源，為消除誤差，輻射計定標(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，一個簡單的兩點定標(biāo)足以確定系統(tǒng)噪聲的等效溫度(接收機內(nèi)部的迪克開關(guān)吸收內(nèi)部黑體的物理溫度作為熱點，外部的沸點溫度的液氮作為冷點)，而實際精確的噪聲注入測量顯示，本文假設(shè)的線性關(guān)系一般情況難以實現(xiàn)，兩個校準(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個溫度點，從而可推導(dǎo)出含有4個未知量(G，α，Tsys和Tn)的獨立方程，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，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)強度為Iν的輻射穿過無限稀薄氣體時，

dIν=-Iνkνds

(5)

式中：kν為吸收系數(shù)，包括到達輻射計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為進入到大氣層前的強度。光學(xué)厚度可定義為

(7)

大氣的自發(fā)輻射增加了輻射強度。

大氣分子在輻射場中進行旋轉(zhuǎn)和振動躍遷時，

dIν=ενds

(8)

式中：εν為頻率為ν時的輻射系數(shù)。

無限稀薄氣體層的強度總變化表示為

(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，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)僅使用一個簡單的掃描點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發(fā)生較大的改變。對于L波段掃描點的選擇(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，輻射計在掃描天空時，保證指向北方，設(shè)置高度角為輻射計所在的緯度值。如果輻射計的方位角為零，與方位北不一致，則需要調(diào)整輻射計的方位角指向北方，這樣即便方位角不是方位零點，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。

2.2 車載微波輻射計的準(zhǔn)確性檢驗

微波輻射計定標(biāo)是保證數(shù)據(jù)精確的前提，需驗證定標(biāo)結(jié)果。檢驗測量準(zhǔn)確性的方法如下：設(shè)置微波輻射計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，各波段的2個通道的極化差應(yīng)接近于零，此時說明3個波段定標(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)。為進一步證明微波輻射計的準(zhǔn)確性，可利用已知亮溫的目標(biāo)物檢驗微波輻射計，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，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個波段的6個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)，滿足微波輻射計對地物輻射亮溫的觀測條件。

3 基于車載微波輻射計的地面觀測試驗

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土壤水分地面觀測試驗。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，驗證和改進土壤水分反演算法，為開展長期地面觀測提供參考。

3.1 試驗選址和場地布設(shè)

由于車載微波輻射計的頻率相對較低，日常生活中的很多電磁信號可能會對其造成影響，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，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，同時海拔相對較高，開展試驗難度較大。而內(nèi)蒙古距離北京較近，便于運輸車載輻射計，地勢也較平坦開闊，另結(jié)合地形圖和實地考查知，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土壤水分觀測的試驗場地。

為能研究不同類型植被之間的亮溫和土壤水分，車載微波輻射計同時觀測3種植被，并根據(jù)車載微波輻射計的工作原理，推算出其實際觀測視場范圍。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。

車載微波輻射計位于試驗場中心位置，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，微波輻射計可觀測3種不同地物的亮溫特征，每塊試驗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 試驗方案

試驗區(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的正常觀測，用繩索固定微波輻射計的升降平臺；遇到降雨和雷暴時，及時停止觀測，微波輻射計屬于精密儀器，每次開關(guān)均會影響其穩(wěn)定性，故進行下次觀測之前，應(yīng)定標(biāo)微波輻射計。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)會自動將上次定標(biāo)成功的參數(shù)作為本次觀測的參數(shù)。多角度觀測時，受視場范圍大小限制，調(diào)整微波輻射計高度角在視場允許范圍內(nèi)，同時觀測時間應(yīng)與溫濕度傳感器的采集時間一致，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 微波輻射計觀測方法

天氣炎熱、入射角和方位角均影響微波輻射計觀測，保證觀測視場范圍允許時，可將微波輻射計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°。

土壤水分實驗觀測是植被整個生長周期的長期動態(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，多頻次定標(biāo)微波輻射計。

4 微波輻射計測量結(jié)果

利用車載微波輻射計，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，獲取了時間序列的亮溫和土壤水分數(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的穿透性。圖7(e)中玉米的3個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，在玉米樣地二次補種，導(dǎo)致玉米生長較緩慢，此時的地物以裸露地表為主；另一方面是因為玉米的植株密度較稀疏，葉傾角較小，也促使了極化差較大。在3幅亮溫圖中，土壤水分數(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，這是因為觀測期間出現(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，這是因為這幾日沒有對蕎麥實施人工灌溉(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，較強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。車載微波輻射計以不同方位角觀測3種作物時，微波輻射計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，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結(jié)構(gòu)和工作原理發(fā)現(xiàn)：車載微波輻射計的定標(biāo)及準(zhǔn)確性檢驗對測量精度有重要影響，實際觀測時需根據(jù)理論推導(dǎo)和實際求解，保證觀測精度能滿足地面觀測試驗的要求。通過多倫野外地基微波輻射計觀測試驗，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參數(shù)的反演及驗證提供了大量的數(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，同時也為了解微波輻射機制和原理提供了有效途徑。

車載微波輻射計為野外試驗提供了諸多方便，但也存在諸多不足，如在觀測選址時，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，車載微波輻射計觀測時受天氣環(huán)境影響較明顯，保護措施不夠完善，需進一步改進。未來車載微波輻射計將會全面提高，為微波遙感數(shù)據(jù)的獲取提供更加便利的平臺。

[1] 王曉海, 李浩. 國外星載微波輻射計應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢[J]. 中國航天, 2005(4): 16-20.

[2] 陸登柏, 邱家穩(wěn), 蔣炳軍. 星載微波輻射計的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 真空與低溫, 2009, 15(2): 70-75.

[3] 鄭興明. 東北地區(qū)土壤濕度被動微波遙感高精度反演方法研究[D]. 長春: 中國科學(xué)院研究生院(東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所), 2012.

[4] 張升偉, 姜景山, 王振占, 等. 神舟 4 號飛船多頻段微波輻射計及其應(yīng)用[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2005, 2(1): 68-73.

[5] 劉紅燕, 王迎春, 王京麗, 等. 由地基微波輻射計測量得到的北京地區(qū)水汽特性的初步分析[J]. 大氣科學(xué), 2009, 33(2): 388-396.

[6] LAYMONC A. Huntsville′96: an experiment in ground-based microwave remote sensing of soil moisture[J]. International Journal of Remote Sensing, 1999, 20(4): 823-828.

[7] O′NEILL P E, HSU A Y, JACKSON T J. Comparison between SLMR and ESTAR soil moisture retrieval in SGP97[C]∥1999 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Hamburg, Germany, 1999, 4: 1908-1910.

[8] MATZLER C, WEBER D, WUTHRICH M, et al. ELBARA, the ETH L-band radiometer for soil-moisture research[C]∥2003 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Toulouse, France, 2003, 5: 3058-3060.

[9] LEMAITRE F, POUSSIERE J C, KERR Y H, et al. Design and test of the ground-based L-band Radiometer for Estimating Water In Soils (LEWIS)[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2004, 42(8): 1666-1676.

[10] VILLARINO R, FERNANDEZ J, CAMPS A, et al. Design and test of the L-band automatic radiometer (LAURA) temperature control[C]∥2005 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Korea (South), 2005: 4902-4905.

[11] VALL-LLOSSERA M, CAMPS A, CORBELLA I, et al. SMOS REFLEX 2003: L-band emissivity characterization of vineyards[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2005, 43(5):973-982.

[12] KURIAD N, KOIKE T, LU H, et al. Field-supported verification and improvement of a passive microwave surface emission model for rough, bare, and wet soil surfaces by incorporating shadowing effects[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2007, 45(5): 1207-1216.

[13] KURUM M, LANG R H, O′NEILL P E, et al. A first-order radiative transfer model for microwave radiometry of forest canopies at L-band[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2011, 49(9): 3167-3179.

[14] CALVETJ C, WIGNERON J P, WALKER J, et al. Sensitivity of passive microwave observations to soil moisture and vegetation water content: l-band to W-band[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2016, 49(4): 1190-1199.

[15] TEMIMI M, LAKHANKAR T, ZHAN X, et al. Soil moisture retrieval using ground-based L-band passive microwave observations in northeastern USA[J]. Vadose Zone Journal, 2014, 13(3): 349-368.

[16] 宋冬生, 趙凱. 利用地基雙頻段微波輻射計測量土壤濕度[J]. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2007, 29(1): 70-73.

[17] LI X, LI X, LI Z, et al. Watershed allied telemetry experimental research[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2009, 14(D22): 2191-2196.

[18] ULABYF T, MOORE R K, FUNG A K. Microwave remote sensing: active and passive I: microwave remote sensing fundamentals and radiometry[M]. USA: Artech House, 1981.