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1、红外仪器在气象卫星中的应用研究 中科委书槐诗 一、红外辐射和气象卫星 A 红外辐射 红外线发现至今已有二百多年历史，科学家们做了大量理论研究和实践，取得完整的理论体系，特别 1 9 0 0 年普朗克用量子物理的新概念，推导出辐射定理，建立普朗克公式，从而使理论基础更系统化，从普朗 克公式及依据此公式作出的图可得到： ( 1 ) 温度越高，总的辐射出射度越大。 ( 2 ) 温度越高，辐射峰值波长越向短波移动。 ( 3 ) 只要物体温度高于绝对零度，物体就对外界辐射能量，在常温下，物体辐射的峰值波长在红外波段。 普朗克公式是针对黑体而言的，非黑体还需乘上该物体的发射率。 安装在气象卫星上的红外仪器
2、，以探测地表及低层大气的红外辐射为其目的。红外辐射通过大气层必定 有所衰减，所幸的是组成大气9 9 9 的氮、氧、氩不吸收1 5 微米以下的红外辐射，而大气中的次要成分，水 汽、二氧化碳、臭氧等对红外辐射的传播却有重要影响，但它们都是选择性的吸收，综合起来有三个波段( 1 2 5 微米、3 5 微米、8 一1 4 微米) 的红外辐射可以通过大气，此三个波段称为大气窗口。 地球表面粗略地可以认为是3 0 0 K ，最强辐射波长在1 0 微米附近。气象学上最感兴趣的是大气中的水 汽、二氧化碳、臭氧，却好它们的峰值波长都在红外波段，水汽在6 3 微米，二氧化碳在1 5 微米，臭氧在9 6 微 米，这
3、些辐射波长又正好在大气窗口内，故卫星上的红外仪器可以接收到它们的红外辐射。这就成为气象卫 星中红外具有得天独厚的优势。 B 气象卫星 顾名思义，气象卫星是一种主要为气象服务的卫星，它采用遥感技术，居高临下接收来自地球上大气、大 地和海洋的电磁辐射以及它们对太阳的反射信号，气象工作者从这些信息中可以分析出云、雨、风暴等天气 演变的规律，推测出全球范围内的温度、湿度、风等气象要素的分布，从而为天气预报提供数量可观的、质量 较好的气象资料，提高预报的时效和准确率。 气象卫星按所担负的任务分实验气象卫星和业务气象卫星二大类。 实验气象卫星专门用来试验新的探测原理和相应的探测仪器，以及适合这种探测仪器的
4、卫星姿态、轨道 参数和数据传输系统。此类卫星主要是雨云( N i m b u s ) 系列卫星。 业务气象卫星专为天气预报业务部门和特定用户提供气象资料。 目前业务气象卫星上所安装的全部探测仪器以及选取的卫星最佳轨道参数、卫星姿态和通讯系统，无一 不是在实验气象卫星上取得可靠实验数据后才确定下来的。以极轨卫星而言。美国第一代业务气象卫星是 1 9 6 0 1 9 6 9 年的艾萨( E s s A ) l 一9 ，第二代业务气象卫星是1 9 7 0 1 9 7 8 年的艾托斯( I T O s ) 一l 、诺阿( N O A A ) 2 5 1 9 7 8 年开始进入第三代业务气象卫星泰罗斯(
5、 1 1 R O S ) 一N 、诺阿( N O A A ) A - J 。 气象卫星按运行轨道分近极地太阳同步轨道气象卫星和地球同步轨道气象卫星二大类。 近极地太阳同步轨道卫星：为了使卫星能观察到全地球，卫星轨道就应当与赤道垂直，通过南北极，即所 书槐诗，原中科院上海技物所 一6 l 一 谓极地轨道，这就相当于沿经度扫描，地球的自转提供垂直方向的扫描，因而卫星能覆盖全球，但由于地球基 本上是一个南北略扁的球体，因此，当地球绕太阳转一圈时，真正与赤道垂直的轨道平面法线与地球到太阳 连线之间的角度有所改变，这对利用太阳光的气象观察以及太阳电池的工作都不方便。因此，希望轨道平面 有一定的旋进，使轨
6、道平面与地一日的相对位置在一年中始终不变，与赤道成9 8 7 0 的轨道正好使轨道平面的 旋进( 约每天1 0 ) 与地球绕太阳的转动同步，这种轨道称近极地太阳同步轨道，简称极地轨道。此类卫星对同 一地区每天作二次观察，即1 2 小时取一次数据。 地球同步轨道气象卫星：利用地球对卫星的引力等于卫星绕地球运动而产生的离心力计算得到，当卫星 在3 5 8 0 0 公里高度处，卫星的周期与地球自转一周的时间相同，称为地球_ J 步轨道气象卫星，又称为地球静 止气象卫星。 二类不同轨道的卫星各有优点，不能相互代替。 近极地太阳同步轨道卫星的优点是：有利于观察和资料使用，采用这种轨道，可以获得伞球观察资
7、料； 由于轨道高度较低，所以能提高图像的空间分辨率和探测资料的精确度；因为每天拍摄时可以得到必须 的照明条件，保证了图片的质量；这种轨道对卫星内部各种设备的工作也有利，卫星上的太阳电池可以得 到足够的太阳光，以致转化为电能，供给卫星内各种设备应用。 地球同步轨道卫星的优点是：由于轨道和地球同步，所以卫星能连续进行不问断的观测，一般每隔3 0 分钟可以完成一次观测( 对小范嗣可以每3 5 分钟观测一次) ；由于卫星轨道高，卫星上的仪器能观察地 球面积的四分之一。 在极区，地球同步轨道卫星的观测效果不好，图片畸变很大，但近极地太阳同步轨道卫星可以在该地区 得到较理想的观测资料；另一方面，有些猛烈的
8、地方性风暴，其寿命小于1 2 小时，还有一些参数，象云的运 动、风向、风速等等都不是近极地太阳同步轨道卫星所能观察到的。因此，这二种轨道的卫星配合起来观测， 才是一种理想的组合。 二、气象卫星中的红外仪器 气象卫星中的红外仪器有红外辐射计、红外扫描辐射计、红外分光计和红外地平仪等很多种。 A 红外辐射计和红外扫描辐射计 红外辐射计是测量一定视场内的目标所发射的某一波段内的红外辐射的仪器。主要有光学系统、探测元 件和处理电子学i 部分组成，消除了物体发射率的影响后，就成为红外温度计，由于其能不接触测量物体的 温度，因此得到广泛的应用。 但是单纯的红外辐射计在气象卫星上用处不大，在气象卫星卜必须形
9、成图像( 例如云图) 才能计算各种 气象数据，这样就要求有扫描机构，形成红外扫描辐射计。对于极轨卫星只需要一横向的扫描机构，随着卫星 本身纵向运动就组成图像；对于地球同步卫星必须有二维的扫描机构才能组成图像。 由于要组成图像，势必每个像素对应的瞬时视场比较小，另一方面为扩大应用范围，一机多用而使用多 个较窄的波段组成多通道高分辨率扫描辐射计，导致接收到的红外辐射量相当少，增加仪器研制的难度，特 别地球同步卫星上的仪器更是难上加难。 例如：极轨气象卫星上，美国N O A A l 5 1 8 卫星的多通道扫描辐射计A V H R 彤3 的通道数如下： 通道数波段m备注 l 0 5 8 0 6 8
10、2 0 7 2 一1 0 0 a1 5 8 1 6 4 白天使用( 二者交替使用) 3 b3 5 5 3 9 3 晚上使用 41 0 3 0 一l1 3 0 51 1 5 0 一1 2 5 0 6 2 又如：地球同步气象卫星，欧洲M S G 卫星上的多通道扫描辐射计有1 2 个通道，波长( m ) 分别为O 6 0 9 ；0 5 6 0 7 1 ；0 7 4 0 8 8 ；1 5 0 1 7 0 ；3 4 8 4 3 6 ；5 3 5 7 1 5 ；6 8 5 7 8 5 ；8 3 0 9 1 0 ；9 8 0 一1 1 8 0 ；1 1 0 0 一1 3 0 0 ； 1 2 4 0 一1 4
11、 4 0 。 B 红外分光计( 大气垂直探测分光计) 红外扫描辐射计所得到的的图像是二维数据，要充分了解有重要气象学意义的现象，则必须有大气的三 维数据，即要得出统治大气过程的方程式的数值解，必须要有的初始条件包括温度、风、湿度和云的水平分布 和垂直分布。 二氧化碳在大气中的混合比是恒定不变的，而且，在1 5 微米附近，其它气体吸收的影响比较小，因此在 二氧化碳1 5 微米强吸收带附近选择适当的5 7 个窄波段，就足以进行反演，推断出大气温度的垂直分布。 美同N O A A l 5 1 8 卫星卜的红外分光计H I R S 3 的波段选择如下： 通道中心波长l c l I 】 中心波长仙m 通
12、道中心波长1 c m中心波长仙m l6 6 91 4 9 5l l1 3 6 57 _ 3 3 26 8 0 1 4 7 l 1 21 5 3 36 5 3 36 9 01 4 4 91 3 2 1 8 8 4 5 7 47 0 3 1 4 2 2 1 42 2 1 04 5 2 5 7 1 6 1 3 9 71 5 2 2 3 5 4 4 7 67 3 31 3 8 41 62 2 4 54 4 5 77 4 91 3 3 51 72 4 2 04 1 3 89 0 01 1 1 11 82 5 7 54 0 0 91 0 3 0 9 7 1 1 92 6 6 03 7 6 1 01 2 4
13、 78 0 22 01 4 5 0 00 6 9 C 红外地平仪 气象卫星与其他卫星一样必须保持正确的姿态，如果姿态不正确，则所需执行的任务就无从谈起了。要 控制卫星的姿态，首先必须知道卫星在每一瞬间与它应有的正确姿态之间偏离的大小和方向，这就是姿态敏 感器的任务，有多种方法可解决此问题，诸如磁场计、重力梯度计、无线电干涉等方法，但利用空间的发光( 或 发热) 体作为参考目标而制成的光学姿态敏感器具有体积小、重量轻、精度高、工作可靠等优点，因此得到各 类卫是的普遍应用。空间目标有地球、太阳和恒星，相应制成地平敏感器( 又称地平仪) ( h o r i z o ns e n s o r ) 、太
14、阳 敏感器( s u ns e n s o r ) 和星敏感器( s t a rs e n s o r ) 。太阳敏感器和星敏感器是属于可见光波段，而地平敏感器则属 于红外波段。 地球相当于3 0 0 K 左右温度的红外辐射源，尽管它的温度不高，但相对于作为背景的宇宙空间( 相对于 3 K 的黑体辐射源) 来说，却是一个“炽热”的球体，用红外探测系统很容易区别开来，也就是说，红外探索系统 可以“看到”地球的“边界”。如果把卫星在正确姿态时地平仪看到边界的输出信号作为标准信号，那么当卫星 的姿态发生偏离时，输出的信号就要偏离标准信号，偏离的信号就作为卫星姿控系统的差误信号，通过姿控 系统把卫星的姿态校正过来变成正确的姿态。 由于1 5 微米处的二氧化碳吸收带比较稳定，并受纬度、季节、地理、气象、昼夜变化的影响最小，还能克 服冷云的影响，太阳的影响在这个波段也很小，因而定位精度高，因此，地平仪普遍采用1 5 微米的波段。国内 外气象卫星都普遍采用地平仪作为姿态敏感器。 一6 3
