红外大气遥感是利用红外辐射信号探测大气的方法和技术。这些信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。（一）简史1959年，L.D.卡普兰首先提出用大气红外辐射信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20世纪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。（二）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。（三）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：光学系统，把来自目标的辐射会聚到探测器上。探测器，把入射的辐射转换成电信号。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。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。
六、微波大气遥感
（一）分类微波大气遥感是利用微波辐射信号探测大气的方法和技术。它分为主动式微波大气遥感和被动式微波大气遥感两类。作为主动式微波大气遥感的气象雷达，从20世纪40年代起就被应用于大气科学。被动式微波大气遥感的地面试验，起始于20世纪60年代初，获得了0～10公里左右的大气温度分布资料。1972年，被动式微波大气遥感在美国“雨云”5号气象卫星上试验成功。1978年美国发射的第三代气象业务卫星“泰罗斯”N号，已正式采用被动式微波大气遥感探测大气温度。此外，微波大气遥感在探测晴空和有云条件下的海温、海面风、海面上空水汽总含量、云中含水量和降水强度方面的试验，也取得了成功。
（二）原理被动式微波大气遥感原理基本上和红外大气遥感类似，它利用大气中氧的0.5厘米吸收带探测大气的温度分布。在温度和压力确定的情况下，利用大气中水汽在0.164厘米和1.348厘米的两条吸收线上、臭氧在0.27厘米吸收线上以及其他微量成分在各自的吸收线上发射的微波辐射，探测这些气体的浓度分布。这些微波辐射的波长比云雾粒子的半径大得多，在传输过程中受云雾的干扰较小，是进行全天候遥感大气温度和水汽的理想波段。此外，云滴和雨滴的微波辐射具有连续谱的特征，在温度确定的前提下，云和雨的微波辐射强度直接与云中含水量和雨强成正比。因此，利用云雨在0.8、1.55、3.2、5厘米等大气微波窗区发射的微波辐射，能定量地探测云体总含水量和雨强分布。（三）仪器进行微波遥感的基本仪器装置是微波辐射仪，它是一种方向性好、灵敏度高的微波噪声接收机。主要由天线、接收机、数据记录或储存单元三部分组成。天线一般采用拋物面及其变型，要求有好的角分辨率、尽可能低的旁瓣。接收机一般采用迪克调制式的超外差接收机。它首先将天线收集的微波辐射的直流信号变成交流，然后用超外差线路进行检测。为了提高信噪比，降低输出的脉动，还要将一定时间间隔内的信号进行积累和平均。在迪克调制式接收机的基础上还发展了其他几种改进型，例如零平衡式、双参考源调制式以及脉冲噪声注入式等。
（第五节）气象卫星探测
气象卫星是携带各种大气遥感探测仪器，从空间对地球进行气象观测的人造地球卫星。它不但可以提供包括海洋、高原、沙漠等全球范围的气象观测资料，而且还增加了新的观测内容。1958年美国发射的人造卫星开始携带气象探测仪器，进行云和辐射的探测试验。1960年美国正式发射了第一颗气象试验卫星。至1984年各国已陆续发射了一百多颗试验性或业务性气象卫星，所得资料已普遍使用于天气预报和大气科学研究。
一、种类与轨道
气象卫星主要有极轨气象卫星和地球同步气象卫星两大类。
极轨气象卫星的运动采用近极地太阳同步轨道，卫星轨道平面和太阳光线保持固定的交角。影响卫星轨道平面和太阳光线交角发生变化的因素有两个：卫星轨道平面随着地球绕太阳公转，每天对太阳产生自东向西约1°的转动；地球赤道隆起部分对卫星的引力，使卫星轨道平面对太阳光线产生进动，进动的数值是卫星的飞行高度和倾角（卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角）的函数。若卫星的倾角和高度配合得好，恰使进动和地球公转对卫星轨道平面产生的影响互相抵消，就可以使卫星的轨道平面和太阳光线保持固定的交角，这样卫星每天差不多在固定的时间经过同一地区两次。极轨气象卫星的轨道接近圆形，飞行高度约为600～1500公里，卫星倾角约为81°～103°，每条轨道都经过高纬度地区。地球自转，使一个极轨卫星每隔12小时左右就可以获得一次全球的气象资料。地球同步气象卫星的运行高度约为35800公里，其轨道平面和地球的赤道平面重合，运行周期和地球自转周期相等。从地球上看，卫星静止在赤道某经度上空，所以又称为静止卫星。静止卫星的有效观测视野为南纬50°至北纬50°、经度跨距约100°的近圆形范围。如果沿地球赤道均匀地设置5个静止卫星，就可以形成一个南北纬50°之间的全球观测带。由于这种卫星在不到30分钟的时间内就可对其视野范围内的大气进行一次观测，而极轨卫星则要相隔12小时，所以地球同步卫星有利于监视变化快和生命史短的天气系统，如台风、强风暴（见雷暴）等。但是，地球同步卫星对南北纬50°以外的高纬度地区和极区的观测效果很差；又由于地球同步卫星的运行高度比极轨卫星高得多，所以取得的云图等资料的水平分辨率也比极轨卫星差；此外，只用一颗地球同步卫星也无法取得全球资料。因此必须把极轨卫星和静止卫星配合起来，互相补充，才能组成比较完善的空间气象观测系统，这个观测系统可以取得全球范围的气象资料。20世纪70年代末，建立了由5颗地球同步气象卫星和2～3颗极轨气象卫星组成的全球空间气象观测系统。
二、卫星姿态
卫星运行时，卫星上装备的仪器对地面所取的方向，称为卫星的姿态。如果仪器不是正对地球表面，拍摄照片时照相机是倾斜的，所得照片在各处的比例差别很大，有的区域被拉长，有的区域被压缩，云图的定位误差就比较大。为了提高定位精度，应尽量使卫星携带的仪器正对地球表面。所以，在气象卫星上，采用了各种姿态控制技术，20世纪70年代以来，投入使用的气象卫星已采用三轴地球定向姿态，保证遥感仪器时刻对准地球，姿态控制精度达到了±0.1°以上。这样，不但提高了观测精度，也增加了有效观测时间。
三、探测仪器
（一）电视照相机和扫描辐射仪
卫星上携带的电视照相机可以在白昼拍摄可见光云图，而扫描辐射仪则无论在白昼和黑夜都能得到云图。20世纪70年代的扫描辐射仪主要采用两个波段：一个在0.52～0.73微米（可见光），另一个在10.5～12.5微米（红外）。外界辐射由旋转的扫描反射镜反射后，经过聚光和滤光后到达可见光感应元件和红外感应元件上。扫描反射镜同旋转轴成45角，旋转轴和卫星飞行方向一致。扫描反射镜每转动一周，有一次对着外空（外空是温度约为3K的辐射源），有一次对着卫星内的恒温黑体。用这两个信号作为校准点，可以得出所测地球和大气的辐射数值。扫描线和卫星轨道垂直，随着卫星的前进和地球的自转，扫描出长条形的云图。在红外云图上，不同的亮度代表不同的温度，对流层大气的温度是随高度降低的，因此由云顶温度可判别云顶高度。在可见光云图上，云顶和雪面对阳光反射率相近，都是白色，很难区分，而在红外云图上，却可以由它们亮度的差别区分开来。卫星云图的水平分辨率各不相同，最高分辨率可达1公里左右。
（二）红外探测器
气象卫星携带的红外探测器通过滤光或分光设备可以测量地球和大气向卫星发出的不同波长的红外辐射强度。由卫星上用红外探测器接收到的若干不同波长的红外辐射强度，根据红外大气遥感原理，可以计算各地晴空大气温度和湿度的铅直分布。但在云量较多时，云的影响难以消除，云层内部和云层以下的温度和湿度的分布无法用红外探测器进行探测。
（三）微波探测器
气象卫星上携带的微波辐射仪，根据微波大气遥感原理，可以探测云上和云下的大气温度和湿度的分布，以及云中含水总量和雨强的分布。当海面的风速增加时，波浪造成的泡沫，使海面向上空发射的波长为1.55厘米的微波辐射增强，在卫星上测得的这个波长的微波辐射，可用以推算海面风速的分布。
（四）紫外光谱仪
大气中的臭氧能吸收太阳发出的紫外辐射。利用卫星上的紫外光谱仪测量大气向卫星散射的太阳紫外辐射强度，可以算出大气中臭氧的分布。
（五）平板辐射仪
用于测量地球和大气向上发射的红外辐射总能量，以及地-气系统反射太阳辐射总能量的一种仪器。探测所得的资料用于研究地球和大气辐射收支和气候变化的规律。
（六）空间环境监测器
测量太阳发射的质子、α粒子和电子的通量密度的一种仪器，为高层大气物理和日地空间物理研究提供资料。四、历史自20世纪60年代初期以来，气象卫星已经有40多年的历史，它由低轨道发展到高轨道；由旋转稳定发展到三轴定向的姿态控制；由单波段的定性二维探测发展到多波段的定量三维探测；由比较单纯的气象试验发展到多学科的综合应用；并已广泛采用数字资料传送方式，以代替过去的模拟信号传送。地球同步气象卫星和极轨气象卫星，在世界天气监视网中已经发挥了并将继续发挥巨大的作用。我国从1969年起，先后研制成功一系列气象卫星地面接收设备，其中自动图像传输（APT）云图接收机已广为应用。1700兆赫甚高分辨率云图接收机和地球静止气象卫星接收设备，也都已投入气象业务使用。
