紅外遙測

紅外遙測理論牽涉到有關氣象學、物理學和數學的許多問題，需要有大氣輻射、分子光譜和數學物理方法等多方面的知識。紅外遙測技術目前已經比較成熟，在地面上套用它也可以在一定程度上遙測得到大氣的一些物理參數，測量物體發出的熱輻射可以推知其溫度，利用物質的特有的光譜可以獲知其化學成分及其含量等，這些間接測量方法早已在天文、物理、化學和工業部門普遍而有效的套用著。但是紅外遙測也有它的局限性，主要是在垂直方向上不能測出細微結構，並且對雲的影響也無法排除，更不能測出雲內含水量和降水分布，只有採用其他波段（微波波段）才能克服這個缺點。另外，氣壓和風也無法由紅外遙測法得到。

基本介紹

• 中文名：紅外遙測
• 外文名：Infrared telemetry
• 涉及知識：氣象學、物理學、數學等
• 局限性：在垂直方向上不能測出細微結構
• 基礎：利用輻射場和物質的相互作用
• 套用領域：可測量溫度、水汽、臭氧等方面

大氣紅外吸收帶

吸收帶

氣體分子吸收和發射輻射具有強烈的選擇性，在某些波長區間內，吸收係數很大，稱為吸收帶；在吸收帶以外，吸收係數很小或實際上等於零（不吸收）。吸收帶又由許多譜線所組成，按分子光譜的量子力學理論可以知道，氣體分子在紅外去的吸收主要是由組成分子的原子之間的振動和轉動能級跳躍所形成，稱為振轉光譜。只有轉動能級跳躍的光譜，稱為轉動光譜，常發生在波長較長的遠紅外區及微波區，而只有電子能級跳躍的光譜常在紫外或很短的可見光區。

主要紅外吸收帶位置

（1）氮氣：只在4.2μ附近有非常微弱的吸收；

（2）氧氣：有中心在1.2683μ的近紅外吸收帶；中心在0.5厘米吸收帶及0.25厘米吸收譜線；0.7620μ、0.6901μ以及0.6313μ吸收帶；紫外區有許多強吸收帶；

（3）二氧化碳：有中心在15μ附近及4.3μ的基本振轉吸收帶，都很強；還有10μ帶（很弱）、5μ帶、2.7μ帶、2.0μ帶、1.6μ帶、1.4μ帶；

（4）水汽：在紅外直至微波區都有許多吸收帶，其中6.25μ基本振轉帶，波長大於10μ的轉動帶，2.7μ帶、3.2μ帶、0.94μ帶、1.1μ帶、1.38μ帶、1.87μ帶以及可見光波長為0.847-0.544μ吸收帶，還有微波區中心在1.348厘米等吸收線。

（5）臭氧：在中心波數為1043厘米的強吸收帶（基本振轉帶），還有不強或很弱的吸收帶；此外，在可見光區有0.45-0.74μ吸收帶，在紫外區有強吸收帶，中心在0.2553μ，在微波區有很多弱吸收線。

（6）甲烷：有7.66μ強吸收帶，以及3.85-1.67μ一系列不強的吸收帶；

（7）一氧化碳：吸收帶在2.35μ以及4.7μ。

關於遙測的問題

為了達到實用的目的，需研究下述理論問題：

可能性

該方法是否包含有被遙測量的信息？

遙測方程是否有唯一和穩定的解？

有效信息量

對於給定的一組通道，在所要求的精度範圍內最多能求出幾個獨立的參數？

最優通道

應怎樣選擇通道，使得有效信息量最大？

對於所提出的遙測目標而言，遙測結果是否是最優的？

反演法

找到有效而實用的求解遙測方程的方法。

誤差分析

給出遙測結果的精度。

上述問題是相互緊密聯繫著的。要解答這些問題，就得對大氣遙測方程做深入的物理和數學的分析，必須針對我們的具體問題，分析矛盾的特殊性，套用和發展合適的數學工具和分析方法。

氣象衛星的紅外遙測方法

氣象衛星上除了用電視照相機拍攝雲的照片以外，還用紅外遙測方法測量雲、氣溫、水汽含量、臭氧、輻射能等重要的氣象參數。

測量地面表面溫度和雲層分布

紅外輻射如同可見光和無線電波一樣，都是由一些物質發射出在物質空間中傳播的電磁波，它所包括的波長範圍，大概在0.75微米到10厘米之間。紅外輻射的強度與發射體的發射本領和溫度有關，在同溫度下，“黑體”發射最強，它只與溫度有關（對一定波段的紅外輻射而言）。地球上陸面、水面、雪面、冰面以及一定厚度的雲層，都可以近似看做黑體，因此從衛星上測得了它們放射的紅外輻射強度，就可以推測出其溫度。但是這要求輻射在通過一兩千公里的大氣層從地表面（或雲面）向上傳輸時不應該因被大氣中吸收而衰減，這只在幾個特定的譜段才能滿足，這些譜段又叫做大氣窗。現在常用的是10.5—12.5微米大氣窗。衛星上的掃描輻射儀就是利用這個譜段測得地表面和雲層表面溫度的。為了得到一張與白天電視雲圖相似的雲圖，可以採用專門的轉換技術實現，在這種雲圖上，白色的區域表示冷區（雲區等），黑色的區域表示暖區（地表面等）。

測量氣溫

和測量地表面溫度相反，為測量各高度上的氣溫，需選用大氣中吸收紅外輻射的波段。目前所用的是二氧化碳15微米帶（也可以使用二氧化碳4.3微米帶），在這個帶中，二氧化碳對紅外輻射有強烈的吸收作用。

大氣密度隨高度減小很快，一定厚度的薄層空氣，其高度越低，輻射物質越多，放射的輻射量也越大。但另一方面，發自較低層的輻射，將要穿過其上較厚的大氣層才能到達衛星上，故受到的削減很大；反之，發自高層的輻射只需穿過其上較薄的大氣層，削減較少。綜合這兩方面的結果，到達衛星上的輻射要以大氣中間某層的貢獻最大，這層也叫作有效輻射層。有效輻射層的高度主要隨吸收氣體的吸收強弱而改變，對於吸收強的譜段，對應的有效輻射層就越高，反之就越低。因而只要選取具有不同吸收率的一組窄通道（譜段）來分別測量達到衛星上的輻射，就可以推算出各高度上的溫度，由此可以得到從地面到平流層的溫度垂直分布。

測水汽含量

氣溫既可由上述方法測得，只需加測幾個在水汽吸收帶內波段的射出輻射量，可同時測出大氣各高度上的水汽含量。所用的波段有6.7微米吸收帶，20-50微米吸收帶及中心在1.35厘米的吸收譜線。在對流層中，氣溫向上遞減。對於某一確定的波長來說，一定量的水汽如處在高空，由於溫度低，向上輻射就少，處在低空；若溫度高，則輻射量大。所以根據衛星上測得的輻射強弱，可確定大氣層中哪層較為潮濕，利用具有不同吸收率的一組水汽通道，就可以測出各層水汽含量。

目前，利用6.7微米水汽吸收帶可以測得對流層上半部水汽含量的水平分布，並轉換成圖像，這對預報天氣系統的發展是很有幫助的。

測臭氧含量

如果在臭氧9.6微米吸收帶內的一些通道內進行測量輻射，就可以測得臭氧含量。原理與測量水汽相同，一般只能測得氣柱內臭氧的總氧量。

測量輻射能收支

在衛星上攜帶各種輻射儀，可以直接測量出各地區的地球和大氣的射出輻射（長波輻射）和反射的太陽輻射，又可對準太陽測出太陽的攝入輻射（太陽常數），由此可以直接得到地氣系統的輻射能收支和變化。

利用紅外遙測法獲得全球氣象資料是切實可行的方法，近年來在測量溫度、水汽、臭氧等方面已經成功，精度也較高。目前正準備把這種探測方法套用於業務衛星上去，以獲得每天天氣分析和預報中需要的資料。但是紅外遙測法也有一定的局限性，主要是在垂直方向上不能測出細微結構，並且對雲的影響也無法排除，更不能測出雲內含水量和降水分布，只有採用其他波段（微波波段）才能克服這個缺點。另外，氣壓和風也無法由紅外遙測法得到。