海洋探测传感器发展综述

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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

2、 卫星平台观测和研究海洋的分支学科。 海洋探测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

3、传感器：能够测量不同波段的海面反射、散射 或自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，

4、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

5、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。3.1 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

6、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 海色传感器卫星资助者传感器运行轨道资料NIMBU

7、S-7 (1978/10- 86/06) 雨云卫星7号美国 宇航局 (NASA)传感器CZCS： 5个可见近红外波段(443750nm) 1个热红外波段(11.5m)轨道：太阳同步近圆形轨道 高度： 约955kmSeaStar (1997/09- 02/09)美国 宇航局传感器SeaWiFS： 8个波段(402885nm)轨道：太阳同步近圆形轨道 高度： 约705kmEOS-AM (1999/12)美国 宇航局传感器MODIS： 36个波段 (62014385nm)轨道类型：太阳同步近圆 形轨道 高度： 约705kmEOS-PM (2002/05-)ADEOS-II (2002/12- 03/

8、10) ADEOS-I (1996/08- 97/06) 日本国 家航 天 发展局 (NA SD A)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 道 倾角：98.6 高度： 约804.6km 节点： 10:41amI

9、RS-P3 (1996/03- 01/03)印度 DLR/德 国传感器MOS： 星下点分辨率0.5km，刈幅200km。轨道类型: 太阳同步近圆形轨 道，高度： 约817kmHY-1A (2002/05)中国/国 家 海洋局传感器COCTS：星下点分辨率1.1km。 传感器CCD：星下点分辨率250m。轨道类型：太阳同步近圆形轨 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 NIMBUS-7）海岸 带水色扫描仪CZCS（Coastal Zone Color Scanner） 5 个可见近红外波段(443750nm) 1个热红外波段 (11.5m) 第二代

10、：宽视场海洋观测传感器SeaWiFS （Sea- viewing Wide Field-of-view Sensor） 。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MODIS 36个波段。 美国1999年 2002年地球观测系统卫星EOS-AM（ TERRA） EOS-PM（AQUA） MODIS（Moderate resolution Imaging Spectra-radiometer） 3.1 海色传感器 装载于Nimbus7上的海色传感器 CZCS(CoastalZoneColorScanner)是一个以可见光 通道为主的多通道

11、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-CZCS传感器技术指标及波段设计3.1 海色传感器 SeaWiFS(SeaViewingWideFieldOf ViewSensor)是装载在美国SEASTAR卫星上的第 二代海色遥感传感器，1997年

12、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-SeaWiFS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，490n

13、m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（Earth Observation System）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

14、，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/TIROS系列卫星载有改进型甚高分辨率辐射计（AVHRR），和泰罗斯

15、垂直探测装置（TOVS）。 甚高分辨率辐射计AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer）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 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2-2: AVHRR/3的波段特征波段序号星下点的分辨率波长(m)主要用途11.09km0.580.68白天云及地表绘图20.7251.00陆水分界线、云、植被3A1.581.64探测雪和冰3B3.553.93夜间云况绘图，夜间海温410.3011

16、.30海、陆、云顶温度511.5012.50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”ENVISA