1、海洋卫星遥感传感器一、海洋卫星遥感 海洋环境是地球环境的重要组成部分，也是全球生命支持系统的重要组成部分。它同时在全球水循环，气候变化中起到重要的作用。海洋不仅记录了海陆相互作用的过程和海陆变迁的历史，还记录了气候演化旋回和沉积过程，在洋底和边缘海盆地中还记录了板块裂离产生，运动和俯冲消亡的历史，海洋为研究古气候学、古环境学、地质学、地貌学和板块构造提供了重要的素材。而且海底蕴含了丰富的能源。那么，为了更好的了解海洋，我们就需要对海洋进行探测，收集关于海洋的各种参数并对其进行研究。一、海洋卫星遥感 海洋卫星遥感，或称空间海洋学，是利用电磁波与大气和海洋的相互作用原理，从卫星平台观测和研究海洋的
2、分支学科。海洋探测手段手段主要是以下四类：航测，遥感，潜标，浮标。因为卫星遥感能够获取长时间、大范围、近实时和近同步监测资料，它在海洋探测、研究中正在发挥越来越大的作用。一、海洋卫星遥感 海洋不断地向周围辐射电磁波能量，同时，海面还会反射（或散射）太阳和人造辐射源（如雷达）照射其上的电磁波能量,利用专门设计的传感器,把这些能量接收、记录下来,再经过传输、加工和处理,就可以得到海洋的图象或数据资料。传感器是测量和记录被探测物体的电测波特性的工具，是遥感技术系统的重要组成部分。下面我将为大家介绍海洋卫星遥感传感器的发展情况。二、海洋探测传感器简介 传感器传感器：能够测量不同波段的海面反射、散射或自
3、发辐射的电磁波能量，通过对携带信息的电磁波能量的分析，人们可以反演某些海洋物理量。目前用于海洋观测的所有卫星传感器，均根据电磁辐射原理获取海洋信息。遥感技术所使用的电磁波段：主要为可见光、红外和微波。其中，可见光谱范围在0.40.7m，红外波谱在1100m，微波波段在0.3100GHz。二、海洋探测传感器简介 收集系统：把接收到的电磁波进行聚集，然后传给探测系统。对于多波段遥感，还会用到分光系统。探测系统：是真正接收地物电磁辐射的器件。信号转换系统：进行光电转换。记录系统：遥感器的最终目的是要把接收到的各种电磁波信息，用适当的方式输出，输出必须有一定的记录系统。图-传感器的组成二、海洋探测传感
4、器简介 传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。它的性能决定遥感的能力，即传感器对电磁波段的响应能力、传感器的空间分辨率及图像的几何特征、传感器获取地物信息量的大小和可靠程度。传感器按工作方式可分为主动式和被动式。被动传感器如可见光红外扫描辐射计，微波辐射计等；主动式如微波高度计、微波散射计、合成孔径雷达等。三、海洋卫星传感器的发展 卫星传感器的种类很多，目前用于海洋研究的传感器主要有：海色传感器；红外传感器；微波高度计；微波散射计；合成孔径雷达；微波辐射计。因为微波能够穿透云层，特别是有较大功率的主动微波雷达能够穿透较厚的云层，故而装载微波传感器的海洋卫星被誉为全天候遥感卫星。3.
5、1海色传感器可见光和近红外辐射计在海色卫星上主要用于探测海洋表层叶绿素浓度、悬移质浓度、海洋初级生产力、漫射衰减系数以及其他海洋光学参数。可见光和红外辐射计分为宽带辐射计和窄带辐射计两种。可见光和红外波段的宽带辐射计一般装载在气象卫星和陆地卫星上。例如，我国“风云一号”气象卫星装载了多通道可见光和红外扫描辐射计MVISR，美国NOAA气象卫星装载了改进型甚高分辨率辐射计AVHRR，还装载了用于探测大气层垂直空气柱的剖面温度和湿度等物理量的泰罗斯垂直探测装置TOVS。3.1海色传感器 可见光和红外波段的窄带辐射计一般装载在水色卫星或者水色兼气象卫星上。例如，我国“海洋一号”水色卫星装载了十个波段
6、的中国水色和温度传感器COCTS，美国宇航局卫星SeaStar装载了具有8个波段的宽视场海洋观测传感器SeaWiFS，美国宇航局卫星EOS-AM（Terra）和EOS-PM（Aqua）装载了具有36个波段的中等分辨率成像光谱仪MODIS。欧洲遥感卫星ERS-1/2装载了七波段沿轨迹扫描辐射计ATSR，它们的接替卫星ENVISAT-1配备了具有15个波段的中等分辨率成像光谱辐射计MERIS。3.1海色传感器卫星卫星资助者资助者传感器传感器运行轨道资料运行轨道资料NIMBUS-7(1978/10-86/06)雨云卫星雨云卫星7号号美国美国宇航局宇航局(NASA)传感器传感器CZCS：5个可见近红外
7、波段个可见近红外波段(443750nm)1个热红外波段个热红外波段(11.5m)轨道：太阳同步近圆形轨道轨道：太阳同步近圆形轨道高度：高度：约约955kmSeaStar(1997/09-02/09)美国美国宇航局宇航局传感器传感器SeaWiFS：8个波段个波段(402885nm)轨道：太阳同步近圆形轨道轨道：太阳同步近圆形轨道高度：高度：约约705kmEOS-AM(1999/12)美国美国宇航局宇航局传感器传感器MODIS：36个波段个波段(62014385nm)轨道类型：太阳同步近圆轨道类型：太阳同步近圆形轨道形轨道高度：高度：约约705kmEOS-PM(2002/05-)ADEOS-II(
8、2002/12-03/10)ADEOS-I (1996/08-97/06)日本国日本国家航家航天天发展局发展局(NASDA)传感器：传感器：SeaWinds,GLI(Global Imager),AMSR(Advanced Microwave Scanning Radiometer),ILAS-II(Improved Limb Atmospheric Spectrometer),POLDER(Polarization and Directionality of the Earths Reflectances)轨道类型：太阳同步近圆形轨轨道类型：太阳同步近圆形轨道道倾角：倾角：98.6高度：高度
9、：约约804.6km节点：节点：10:41amIRS-P3(1996/03-01/03)印度印度DLR/德德国国传感器传感器MOS：星下点分辨率星下点分辨率0.5km，刈幅，刈幅200km。轨道类型轨道类型:太阳同步近圆形轨太阳同步近圆形轨道，高度：道，高度：约约817kmHY-1A(2002/05)中国中国/国国家家海洋局海洋局传感器传感器COCTS：星下点分辨率：星下点分辨率1.1km。传感器传感器CCD：星下点分辨率：星下点分辨率250m。轨道类型：太阳同步近圆形轨轨道类型：太阳同步近圆形轨道高度道高度：798km 主要海色传感器可以分为三代：第一代：CZCS美国1978年发射NIMBU
10、S-7）海岸带水色扫描仪CZCS（CoastalZoneColorScanner）5个可见近红外波段(443750nm)1个热红外波段(11.5m)第二代：宽视场海洋观测传感器SeaWiFS（Sea-viewingWideField-of-viewSensor）。美国1997的水色卫星SeaStar，8个波段(402885nm。第三代：中等分辨率成像光谱仪MODIS36个波段。美国1999年2002年地球观测系统卫星EOS-AM（TERRA）EOS-PM（AQUA）MODIS（ModerateresolutionImagingSpectra-radiometer）3.1海色传感器 装载于Nim
11、bus7上的海色传感器CZCS(CoastalZoneColorScanner)是一个以可见光通道为主的多通道扫描辐射计。前4个通道的中心波长分别为443nm，520nm，550nm，670nm，位于可见光范围。第5个通道位于近红外，中心波长为750nm。第6个通道位于热红外，波长范围10.512.5m。CZCS可见光波段的光谱带较窄，仅为20nm，地面分辨率0.825km，观测角沿轨迹方向倾角可达到20，用以减少太阳耀斑的影响。刈幅宽度1636km，8bit量化。3.1海色传感器表表-CZCS传感器技术指标及波段设计传感器技术指标及波段设计3.1海色传感器 SeaWiFS(SeaViewin
12、gWideFieldOfViewSensor)是装载在美国SEASTAR卫星上的第二代海色遥感传感器，1997年8月发射成功，运行状况良好。SeaWiFS共有8个通道，前6个通道位于可见光范围，中心波长分别为412nm、443nm、490nm、510nm、555nm、670nm。7、8通道位于近红外，中心波长分别为765nm和865nm。SeaWiFS地面分辨率为1.1km，刈幅宽度15022801km，观测角沿轨迹方向倾角为20，0，-20。10bit量化。3.1海色传感器表表-SeaWiFS传感器主要技术指标及波段设计传感器主要技术指标及波段设计3.1海色传感器 SeaWiFS在CZCS基
13、础上进行了改进和提高：增加了光谱通道，即412nm、490nm、865nm。412nm针对于类水域DOM的提取，490nm与漫衰减系数相对应，865nm用于精确的大气校正。提高了辐射灵敏度，Sea-WiFS灵敏度约为CZCS的两倍。在CZCS反演算法中被忽略因子的影响，如多次散射、粗糙海面、臭氧层浓度变化、海表面大气压变化、海面白帽等，都在Sea-WiFS反演算法中作了考虑。MODIS比SeaWiFS更为先进，被誉为第三代海洋水色（兼气象要素）传感器。3.1海色传感器 美国EOS（EarthObservationSystem）系列卫星携带的中等分辨率成像光谱仪MODIS具有16个热红外通道。对
14、应于3.74.1m的大气窗，MODIS使用三个通道探测海表面温度;对应于1012m的大气窗，MODIS使用两个通道探测海表面温度。MODIS使用其它热红外通道监测大气垂直剖面的温度、湿度和臭氧含量，这些通道包括大气中气体成分（例如氮气、水蒸气、臭氧等）的吸收带，即非大气窗波段。3.1海色传感器 红外辐射计在气象卫星和海洋卫星上用来遥感海面上空水汽含量、大气剖面温度和湿度以及海表面温度等。红外辐射计的光谱通道设在3.7m、11m、12m。3.2红外传感器从六十年代后期开始，美国国家海洋大气局（NOAA）发射NOAA/TIROS（诺阿/泰罗斯）系列气象卫星，是太阳同步极轨气象卫星。NOAA/TIR
15、OS系列卫星载有改进型甚高分辨率辐射计（AVHRR），和泰罗斯垂直探测装置（TOVS）。甚高分辨率辐射计AVHRR（AdvancedVeryHighResolutionRadiometer）是NOAA/TIROS卫星载有的可用于海洋研究的传感器。AVHRR属于可见光和红外波段辐射计；它可以用来遥感云量云量和表面温度和表面温度，这里“表面”可以是地球表面、云层上表面或水体包括海洋表面。3.2红外传感器表表2-2:AVHRR/3的波段特征的波段特征波段序号波段序号星下点的分辨率星下点的分辨率波长波长(m)主要用途主要用途11.09km0.580.68白天云及地表绘图白天云及地表绘图20.7251.
16、00陆水分界线、云、植被陆水分界线、云、植被3A1.581.64探测雪和冰探测雪和冰3B3.553.93夜间云况绘图，夜间海温夜间云况绘图，夜间海温410.3011.30海、陆、云顶温度海、陆、云顶温度511.5012.50海、陆、云顶温度海、陆、云顶温度3.2红外传感器 欧空局ERS1/2（1991/1995）卫星携带的沿轨迹扫描辐射计ATSR具有11m和12m两个热红外通道。与AVHRR相比，ATSR有重要改进：采用锥形扫描技术，使地球表面同一地点从不同角度(0和55)测量两次(时间间隔约2.5min)，利用多通道、多角度以改善大气校正；采用两个稳定性很高的黑体作星上辐射量定标，以提高辐射
17、定标精度，克服AVHRR测量中天空辐射不为零的影响；利用新型的主动冷却装置使探测器的温度保持在90K左右，以降低探测器噪声；近红外通道1.6m，用于在白天探测云。另外，根据1.6m通道观测的辐亮度，1.6m与3.7m自动交替工作。3.2红外传感器 欧洲“环境卫星”ENVISAT（2002）携带的改进型沿轨迹扫描辐射计AATSR和用于大气绘图的扫描成像吸收光谱分析仪SCIAMACHY也包含若干热红外通道。3.2红外传感器 使用高度计（altimeter）可以实现对 海表面高度SSH（SeaSurfaceHeight）、有效波高SWH（SignificantWaveHeight）、海表面地形（se
18、asurfacetopography）等动力参数的测量，同时可以获取 海流（oceancurrents）、海浪（seawaves）、潮汐（tides）、海表面风（seasurfacewinds）等动力参数信息。此外，卫星高度计资料还可应用于地球结构和海洋重力场的研究。3.3微波高度计 1975-1978年美国宇航局运行的地球物理卫星3号GEOS-3是早期的高度计卫星；1978年运行的美国宇航局海洋卫星SeaSAT-A进一步证实了高度计的监测能力。1985-1989年期间，美国海军的地球物理卫星Geosat携带的高度计曾对海表面高度（SSH）取得了10cm的测量精度；1998年2月发射的GFO（
19、GeosatFollow-On）是Geosat的后续卫星。1991年和1995年，欧洲空间局分别发射了兼顾多种任务的欧洲遥感卫星ERS-1和ERS-2，卫星上装载有5.3GHz/C波段的雷达高度计RA。作为ERS-1/2的后续卫星，2002年3月欧洲空间局又发射了一颗环境卫星ENVISAT，卫星上装载有13.5GHz/Ku波段的雷达高度计3.3微波高度计 1992年8月，美国宇航局与法国国家空间研究中心联合发射了高度计专用卫星TOPEX/Poseidon。T/P卫星测量海平面的精度已达到2.4cm，准确度已达到14cm 2001年12月，美国宇航局与法国国家空间研究中心联合发射了Jason-1
20、，这是TOPEX/Poseidon的第一颗后续卫星。T/P卫星携带有美国宇航局（NASA/USA）的双频率Ku波段/13.6GHz和C波段/5.3GHz雷达高度计NRA以及法国国家空间研究中心的单频率Ku波段/13.65GHz高度计SSALT。3.3微波高度计 散射计（scatterometer）是一种专门监测全球海表面风的主动微波雷达（activemicrowaveradar）。使用卫星携带的散射计可获得全天候、高分辨率的全球海洋近表面风资料。散射计的风场数据对于海洋环境数值预报、海洋灾害监测、海气相互作用、气象预报、气候研究等具有重要意义。3.4微波散射计表表 10-1显示目前世界各国已经
21、发射的卫星及其携带的散射计名称显示目前世界各国已经发射的卫星及其携带的散射计名称卫星卫星资助者资助者散射计散射计算法算法QuikSCAT(1999)NASASeaWinds(“海风海风”)Ku-波段波段/13.4GHz散射计，刈幅为散射计，刈幅为1800km，每天能覆盖地球，每天能覆盖地球90%的面积。的面积。ADEOS II(2002/122003/10)JAPANSeaWindsADEOS I(1996/91997/6)JAPANNSCAT美国宇航局的第一部双幅侧扫描的美国宇航局的第一部双幅侧扫描的Ku-波段波段/13.995GHz散射计散射计ERS1(1991)ERS2(1995)ESA
22、AMI-SCAT 模式模式属于单幅侧扫描的属于单幅侧扫描的C-波段波段/5.3GHz垂直发射垂直发射垂直接收垂直接收(VV)雷达，刈幅为雷达，刈幅为500kmCMOD3CMOD4CMOD5Seasat-A(78/778/10)NASASASS属于单幅侧扫描的属于单幅侧扫描的Ku-波段垂直发射垂直接波段垂直发射垂直接收收(VV)和水平发射水平接收和水平发射水平接收(HH)雷达雷达SASS-SASS-Skylab(19731974)NASA散射计散射计 合成孔径雷达（SAR）是一种主动式微波成像雷达，通过测量海面后向散射信号，能产生标准化后向散射截面（NRCS）的图像。标准化后向散射截面（NRCS
23、）携带着海面信息，它反映了雷达观测到的海面粗糙度。这种图像能极为详细地显示出海面空间细节的变化，其分辨率为几米到几十米的量级。此外，由于合成孔径雷达（SAR）工作在微波波段，即使在黑夜也能正常工作，它发射的微波还可以穿透云层，因而不受恶劣天气的影响。这种全天候、全天时和高分辨率的海洋观测优势是可见光和红外传感器及其它微波传感器所没有的。3.5合成孔径雷达 欧洲环境卫星ENVISAT-1最主要的传感器是C波段5.3GHz多极化的高级合成孔径雷达ASAR。与欧洲遥感卫星ERS1/2携带的合成孔径雷达SAR相比，ENVISAT-1携带的高级合成孔径雷达ASAR具有多极化、可变观测角度和宽幅成像等独特
24、性质。3.5合成孔径雷达下图显示了在500km刈幅的宽扫描工作方式（SCANSARWideMode）下，RADARSAT星上合成孔径雷达（SAR）在一天内的地面扫描覆盖。上图显示了RADARSAT星上合成孔径雷达（SAR）1998年9月29日监测到的溢油在海表面分布图像（上图）和机载侧视雷达SLAR（Side-LookingAirborneRadar）的准同步监测图像 微波辐射计可以探测海表面温度、盐度、风速、大气垂直温度和湿度剖面、大气中水汽含量和可降水量。使用L波段（1.4GHz）的微波辐射计对海面盐度的遥感监测能力已被许多航空飞行实验证实。3.6微波辐射计 不同波段的微波辐射计有不同的专
25、长和用途。按测量目的区分，微波辐射计可分为探测仪和成像仪。探测仪主要应用在气象卫星上，波段多选择在氧气、水汽的吸收带，用于测量大气垂直温度和湿度廓线，要求大尺度、低分辨率，通常采用横跨轨道扫描方式；成像仪主要应用在海洋卫星上，波段（C、X、K波段）频率通常较低，分辨率要求较高，通常采用圆锥形扫描方式。可以测量的物理量包括海表面温度、海表面盐度、海表面风速和大气柱的水汽含量等。3.6微波辐射计 美国国防部从1962年开始执行国防气象卫星计划（DMSP），该计划发射的太阳同步极轨气象卫星装载有用于探测海面探测海面的专用传感器微波成像仪（SSM/I）-也常被称为线极化被动微波辐射计。SSM/I以19
26、.35、22.235、37.0和85.5GHz四个波段7个通道测量大气、海洋和陆地微波亮温，获取天气图、全球尺度的海洋和陆地参数。3.6微波辐射计 美国宇航局卫星Seasat-A和Nimbus-7携带的多频率扫描微波辐射计SMMR在五个波段设有九个信道。美国EOS-PM（Aqua）卫星装载的日本高级微波扫描辐射计AMSR-E在六个波段设有12个信道。日本ADEOS-II卫星装载的高级微波扫描辐射计AMSR在八个波段设有14个信道;日本MOS卫星装载的微波扫描辐射计MSR拥有23.8GHz和31.4GHz两个波段。高级微波扫描辐射计AMSR/AMSR-E反演海表面温度的精度达到了1K。3.6微波
27、辐射计四、中国海洋探测传感器1、我国我国1988年发射了第一颗气象卫星，即年发射了第一颗气象卫星，即“风云一号风云一号”（FY-1A）。“风云一号风云一号”的主的主要传感器是多通道可见光和红外扫描辐射计要传感器是多通道可见光和红外扫描辐射计（MVISR：Multichannel Visible and Infrared Scan Radiometer），俗名十通道扫描辐射计。），俗名十通道扫描辐射计。我国风云卫星1号携带的多通道可见光和红外扫描辐射计MVISR包括3m、11m和12m三个热红外通道。风云卫星2号FY-2C/D/E携带的可见光和红外自旋扫描辐射计VISSR包括3m6m、11m和1
28、2m四个热红外通道。四、中国海洋探测传感器表表2-4:FY-1卫星的多通道可见光和红外扫描辐射计（卫星的多通道可见光和红外扫描辐射计（MVISR）各通道波长和用途）各通道波长和用途通道号波长(m)主要用途10.580.68白天云层、冰雪、植被20.840.89白天云层、植被、水33.553.93热源、夜间云层410.311.3海表面温度、白天/夜间云层511.512.5海表面温度、白天/夜间云层61.581.64土壤湿度、冰雪识别70.430.48海洋水色80.480.53海洋水色90.530.58海洋水色100.900.965水汽 2、1999年1月27日，中国台湾委托美国研制并发射一颗低轨
29、道（600km）水色卫星ROCSAT-1，星上有效载荷为6通道水色遥感器（OCI）。四、中国海洋探测传感器 3、“海洋一号”A（HY-1A-2002-5）是我国第一颗用于海洋水色探测的试验型业务卫星。HY-1A是一颗小型卫星，星上载有十波段中国海洋水色和温度扫描仪COCTS（ChineseOceanColor&TemperatureScanner俗称水色扫描仪）和四波段电荷耦合装置相机（CCD：ChargeCoupledDevice，俗称CCD相机）。四、中国海洋探测传感器四、中国海洋探测传感器 HY-1A观测区域为渤海、黄海、东海、南海、日本海及海岸带等区域；主要观测要素是海水光学特征、叶绿
30、素浓度、悬浮泥沙含量、可溶有机物、污染物及海表面温度等；兼顾观测要素包括海洋冰情、浅海地形、海流特征及海面上空对流层气溶胶。表2-10：中国海洋水色和温度扫描仪COCTS（ChineseOceanColor&TemperatureScanner）的八个可见光与近红外通道的技术指标 波段波段nm412443490520565670750865波段宽度波段宽度 10 10 10 10 10 10 20 20饱和辐亮度饱和辐亮度mWcm-2 m-1sr-112.111.09.48.26.94.92.92.3典型输入典型输入mWcm-2 m-1sr-19.108.416.565.464.572.461
31、.611.09典型信噪比（典型信噪比（SNR）349472467448417309319327 十波段的中国海洋水色和温度扫描仪COCTS的资料产品包括6个波段的离水辐亮度（412、443、490、510、555和670nm波段）、3个波段的气溶胶辐射（670、750和865nm波段）、叶绿素-a浓度分布、海表面温度分布、CZCS色素浓度、2个波段的（750和865nm波段）气溶胶辐射比、气溶胶光学厚度（865nm波段）、悬浮泥沙含量分布和漫衰减系数等共16种。四、中国海洋探测传感器波段波段 m0.420.500.520.600.610.690.760.89饱和辐亮度饱和辐亮度mWcm-2 m
32、-1sr-115.627.617.115.7动态范围动态范围(最大目标反射率最大目标反射率)20%50%35%50%典型信噪比典型信噪比SNR617578463471表2-11：CCD相机的四个通道的技术指标 4、“海洋一号”B（HY-1B）卫星是中国第一颗海洋卫星（HY-1A卫星）的后续星，星上载有一台10波段的海洋水色扫描仪和一台4波段的海岸带成像仪。该卫星在HY-1A卫星基础上研制，其观测能力和探测精度进一步增强和提高。主要用于探测叶绿素、悬浮泥沙、可溶有机物及海洋表面温度等要素和进行海岸带动态变化监测，为海洋经济发展和国防建设服务。海洋水色扫描仪主要参数海洋水色扫描仪主要参数海岸带成像仪主要参数海岸带成像仪主要参数 海洋二号 能够监测海洋动力环境，获得包括海面风场、海面高度场、有效波高、海洋重力场、大洋环流和海表温度场等重要海况参数；实现国产行波管放大器在轨寿命飞行验证；完成星地激光通信链路新技术试验验证。
