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1、1,同步卫星大气微波遥感云图接收与应用的研究,2,主要内容,卫星及同步气象卫星介绍 微波大气遥感的物理基础 DH3932型大气物理探测系统 根据气象卫星云图对气象进行分析,3,卫星介绍,人造地球卫星的运行轨道有圆形和椭圆形两种， 地球处于圆形轨道的圆心或椭圆轨道的一个焦点上。 如果卫星的轨道是圆形的、且轨道平面与地球的 赤道平面重合，同时离地球表面的高度约35800Km， 其飞行方向又与地球自转方向相同，绕地球一周的时 间恰好与地球自转时间一致，此时卫星从地球看上去 宛如静止一般，这种相对地面静止的卫星叫做静止卫 星或同步卫星。,4,气象卫星简介,气象卫星又分极轨气象卫星和同步气象卫星两种。本
2、实验所用的资料来自日本GMS (Geostationary Meteorological satellite)同步气象卫星播发的卫星云图信号 ， GMS同步气象卫星位于东经140度赤道上空，覆盖面积包括日本，中国等亚洲大部分国家。,5,气象卫星特点,高时间分辨率，高光谱分辨率，大面积覆盖； 中等或低空间水平分辨率； 数据接收处理系统相对简便； 全球数据交换容易；平时不保密； 可多址联接，组网灵活 ； 建设费用、维护费用与通信距离无关 。,6,气象卫星发展趋势,（1）2005年，国际极轨气象卫星星座有中、美、欧三家4-5颗卫星组成，每3小时就可以获取整个地球系统的数据，全球大气探测数据更新更快。
3、对天气预报、地球环境预测非常有利！,7,气象卫星发展趋势,（2）从目前到2010年左右，全球静止气象卫星的观测频次将逐步从目前的每小时观测一次过渡到数分钟快速观测，对灾害性天气系统发展的监测将更为有效！,8,目前全球观测系统的组成,9,Images of hurricanes help with intensity and track forecasts,10,High Density Winds associated with Hurricane Bonnie,11,极轨卫星平台的发展趋势,平台向两极发展：从单一观测平台向大的综合性地球观测平台发展；作为补充发展廉价而高质量、灵活多用的小卫星
4、平台； 轨道和姿态控制精度更高(为气候观测设计); 仪器指向可变平台(重复观测重要现象); 高可靠和长寿命平台(EOS卫星设计寿命为6年, 实际期望达到8年),12,静止卫星平台的发展趋势,遥感平台向三轴稳定方向发展 遥感仪器向多通道，高空间分辨率方向发展 探测仪器向高光谱分辨率和微波仪器方向发展 （微波波长较长，可穿透非降水云看到下垫面，或穿透降水云顶部卷云直接遥感降水内部信息）,13,未来10年卫星大气探测可能达到的水平,温度廓线： 目前精度：均方根误差：2 度 10年后精度：均方根误差：1度以内 湿度廓线： 目前精度：均方根误差：20% 10年后精度：均方根误差：10%以内 可以反演大气
5、污染气体浓度,14,EOS卫星及其应用,是目前最先进的卫星系统装备有目前最先进的MODIS光学遥感仪器 。 地球观测系统（EOS）主要由极轨环境卫星系统组成，包括： 上午轨道卫星（EOS-AM系列）， 下午轨道卫星（EOS-PM系列）和 大气化学观测卫星（EOS-CHEM）等三个主要系列。,15,EOS-AM1于1999年12月18日成功发射 卫星发射成功后命名Terra （拉丁文：地球母亲）,16,轨道高度: 705 KM 直径: 3.5 m 长度: 6.8 m 重量: 5190 kg 功率: 2530 W 平均 设计寿命: 6 年 数据速率: 15 Mbps DB（直接广播）； 150 M
6、 Mbps for Playback,17,每颗卫星上的MODIS数据都公开实时广播； 有36个光谱通道，2个通道空间分辨率高达250米，5个通道空间500米，分别是NOAA/AVHRR分辨率的18倍和5倍 ； 每条轨道扫描宽度达2330公里，2-3条轨道即可覆盖我国全部国土，双星系统每天全覆盖观测我国四次； 目前其他气象卫星不能比拟。,EOS/MODIS特点,18,19,20,21,22,微波大气遥感的物理基础,气象卫星应用微波遥感技术进行大气探测。 在微波波段范围（300MHz300GHz，波长1m1mm）内，大气对电磁波的传输几乎没有影响，所以微波遥感具有全天侯、全天时的探测能力，而且微
7、波对某些介质具有一定的穿透能力。 微波遥感分为主动微波遥感(或有源微波遥感)和被动微波遥感(或无源微波遥感),23,所谓遥感，就是在一定距离以外，不直接接触被测物体和有关的物理现象，通过探测器接受来自被测目标（物体）发射或反射的电磁辐射信息，并对其处理、分类和识别的一种技术。收集电磁辐射信息的装置叫做传感器，装载传感器的设备（如卫星）称做运载工具。 遥感探测技术可包括下面三个重要的组成部分： 1.遥感信息获取手段的研究，主要是研究在各个电磁波工作波段的各类传感器的特性（如用于可见光波段的光电倍增管，用于红外波段的HgCdTe 半导体探测器等）； 2.各类物体的辐射波谱特性，以及这种信息传输规律
8、的研究； 3.遥感数据的处理以及分析判读技术的研究。,微波大气遥感的物理基础,24,被动遥感,自然界一切物体都辐射电磁波 我们可用温度的高低来表示微波辐射功率的大小，一个微波辐射计所接收到的功率可写成,25,主动遥感,雷达系统的发射天线向一个孤立目标发射微波信号，然后用同一天线接收这个目标散射的信号。 如果雷达系统发射功率为Ps，天线增益为G, A为目标截取入射波束的有效面积，则有单基地雷达方程,26,DH3932型大气物理探测系统,由北京大华无线电仪器厂生产的DH3932型大气物理探测系统是用于接收GMS，FY2B同步气象卫星所播发的低分辨率云图信号的设备 室外部分包括馈源、1.2米抛物面反
9、射天线、高频箱、同轴电缆等 室内部分包括接收机、进机卡和微机,27,DH3932接收机,DH3932接收机系二次超外差式接收机。它由微波低噪声场放、一本振、一混频、一中放、二本振、二混频、二中放、鉴频器、2.4KHz滤波器、同步检波器、15V电源等部分组成。其中，由前放、二本振、二混频、二中放、鉴频器组成第一解调部分；由2.4KHz滤波器和同步检波器组成第二解调部分 。,28,DH3932接收机技术指标,工作电源：电压220V10，频率50Hz5 系统噪声系数：1.2dB 第一本振频率稳定度：210-5 第一中频：137.5MHz； 第二中频：10.7MHz； 第二中频带宽：32040KHz；
10、 总增益：80dB； 增益控制：手控50dB，自控50dB; 2.4KHz副载波输出：0.90.1V； 图像信号输出：05V（可调）； 副载波、图像信号失真度均3。,29,DH3932系统组成,30,工作原理,当接收机置开机状态时，日本GMS同步气象卫星播发的1691MHz卫星云图信号，经抛物面天线、馈源、微波低噪声场放和50米同轴电缆输出1691MHz射频信号进入接收机第一混频器内，与机内1553.5MHz第一本振信号进行混频，输出137.5MHz第一中频信号，然后与126.8MHz第二本振信号进行二次混频，输出10.7MHz第二中频信号，该信号经过放大，进行鉴频，解调出副载波信号经2.4K
11、Hz滤波器后进行同步检波，输出图像信号至微机中的进机卡，图像处理软件系统则对图像进行处理、显示、存储。,31,天线是由一块优质铝板制成，为抛物面形状，它们将一束平行与抛物面轴的射线经反射后聚焦在抛物面焦点处，由馈源振子接收，经馈线送至微波低噪声场放中。馈源是抛物面天线的“心脏”，它的电性能和机械结构对整个天线性能有很大影响。馈源是由一对半波振子和一个金属圆盘组成。在一般情况下，馈源的相位中心不在振子中心，而在振子与圆盘之间的某一个小区域上，调整馈源时，应使这个区域处于抛物面的焦点处。本天线的馈源位置已调好。,DH3932系统组成,32,微波低噪声场放是由两极FET放大电路组成，由于低噪声FET
12、放大器前端接有隔离器，因此放大器与馈源部分有良好的匹配。整个电路性能稳定可靠，增益高，降低了整个系统的噪声，提高了系统的灵敏度。,DH3932系统组成,33,图像处理,系统由大气物理探测系统应用软件和BH5105 A/D卡硬件组成。 打开计算机机箱，将BH5105A/D卡插入，将随机带的连接线分别连至接收机的输出端和A/D卡的输入端 。 启动计算机，安装云图接收程序。 一切准备好后，就可以接收卫星信号了。,34,卫 星 云 图 简 介,35,卫星云图是气象卫星最易最早进行的观测项目之一，也是最早在气象业务发挥作用的卫星资料。它为天气预报提供云参数、大气流场和各种大气物理过程等重要的气象信息，能
13、监视常规天气图上无法发现的中、小尺度灾难性天气现象，能提供海洋、高原、沙漠和森林地区气象资料，卫星云图的应用表现出广阔的前景。,卫星云图,36,一、卫星云图的基本特征,（一）基本种类 1.可见光卫星仪器在可见光谱段测量地面、云面的反射太阳辐射，经过转换得到的云图。 2.红外图卫星在10.512.5微米通道得到的云图。 3.水气图卫星在6.7微米为中心的水汽强吸收带测量辐射所得出的云图。,37,（二）基本特征,1、可见光云图的基本特征 反射太阳辐射的大小，决定云图的色调，反射大，色调白。通常受太阳高度角和目标物反照率影响。 在一定的太阳高度角下，物体的反照率愈大，色调愈白；早晚太阳高度角低，光照
14、条件差，图片灰暗；冬季，太阳高度角低，色调灰暗。此外，卫星使用的观测通道不同，云图也有所差别。 表1和表2分别是目标物的反照率和色调。,38,表1是目标物的反照率,39,表2是各目标物的色调,40,可见光云图中的雾区,锋面云带,图1是2002年12月12日8时32分可见光云图,41,图2是2002年12月12日8时32分可见光增强云图,可见光云图中的雾区,锋面云带,42,红外云图反映的是地面和云面的红外辐射或温度分布，色调越黑，红外辐射越大，温度越高，反之，温度越低。由此，可估计地面、云面温度的相对分布和云的相对高度。所以红外云图目标物的色调随温度的变化而变化，温度又随纬度、季节以及云的高度而
15、变化。,2、红外云图特征,43,表3可见光和红外云图的比较,44,图3是2002年12月12日8时32分红外云图,红外云图中的雾区,锋面云带,45,图4是2002年12月12日8时32分红外增强云图,锋面云带,红外云图中的雾区,46,在水汽图上，色调愈白，表示水汽含量愈多。对有云区，如卷云或积雨云，外形与红外云图相似，只是范围更宽一些；低于850hpa的低云和地表，图上不清楚；水汽图上的天气系统比红外更完整连续，大气环流特征更清楚。,图5是2002年8月4日20时32分水汽图（右边是增强水汽图）,3水汽图特征,47,图6是2002年12月12日8时32分水汽图（右边是增强水汽图）,3水汽图特征
16、,48,二、卫星云图的识别,（一）云图的一般用途 卫星云图不仅应用于气象，在海洋、地理、农业等科学领域都有广泛的使用。,49,(二)识别云图的步骤,1、区别云图种类，是可见光还是红外？ 2、把云和地表、积雪、冷气团分开； 3、识别不同种类的云，高、中、低、稳定、不稳定云； 4、分析云的大范围分布，识别云系对应的天气系统，根据云图动画判断天气系统移动、发展、及未来演变； 5、根据云图及地面观测实况估计各气象要素，风、温度、湿度、大气稳定度、垂直运动、涡度及降水分布； 6、与常规天气图、雷达资料结合进行综合分析，为天气预报提供依据。,50,（三）识别云图的判据,1、结构型式。如带状-锋面云系、涡旋状-气旋、台风云系、细胞状-热力对流、波状-背风坡重力波云系 2、范围大小。锋面、气旋云系范围广，几千公里；积云、浓积云、积雨云范围小，几十到几百公里； 3、边界形状。如冷锋云带的气旋性弯曲，台风呈圆形 4、色调（亮度）。一般来说，云的色调随云的厚度加大而变白 5、暗影（可见光）。在一定太阳高度角下，高的目标物在低
