卫星气象学第四章卫星云图的接收和处理课件

1、第四章 气象卫星资料的接收和处理 当前卫星观测地球 - 大气采用的观测方式 主动观测方式被动观测方式体积小重量轻耗能小重量重耗能大扫描仪非扫描仪照相机摄象机成像辐射仪非成像辐射仪成像非成像气象雷达第一节 卫星观测仪器的基本特征一、卫星仪器的组成 扫描仪光学系统探测器信号处理和信号输出系统辐射信息采集系统辐射信息收集转递系统 辐射（光）电转换系统电信号处理和发送系统扫描观测驱动装置辐射能收集的光学系统，包括：光栅，聚焦装置等感应辐射能，并将辐射能转换为电信号。分量子、热探测器两种对探测器信号进行放大、模/数转换等处理将处理好的信号发送给天线或记录到存储设备中二、表征辐射仪的几个参数1、响应度R和

2、光谱响应函数 响应度R：指每单位输入功率的探测器输出的大小，为输 出信号电压或电流与入射功率之比，写为 Vs是输出电压信号，E是辐照度，Ad为探测器的面积。 光谱响应函数：由于卫星是在一定波长间隔内测量，在 这波长间隔内，响应度随波长而变，这种以波 长为函数的辐射响应称之为光谱响应函数，常 表示为 光谱响应函数通常是规一化的，即 如果入射到卫星仪器的辐射为L（），考虑仪器的光谱响应，则对卫星仪器的探测器有响应辐射为式中L（）是仪器的探测器对入射辐射的响应辐射。2、等效噪声功率NEP 是指探测器产生的信噪比为1所需的辐射功率，或是投射到探测器上的辐射，使仪器产生的均方根电压等于探测器本身均方根噪

3、声电压的辐射功率，即或是式中Vn是探测器输出噪声电压的均方根值，它表示了信号与噪声的关系，当NEP1，表示信号大于噪声。3、等效噪声温度差NET 是指目标物温度的改变而引起投射到探测器的辐射功率的改变正好等于等效噪声功率的温度差。或是目标物温度的改变引起的响应正好等于探测器输出端的均方根噪声电压。4、探测度D和探测灵敏度D 探测度表示每瓦辐射功率所能获得的均方根信号噪声电压比，它是NEP的倒数。 探测灵敏度表示单位面积为1cm2，带宽为1GHZ时的探测度，即5、信噪比 信号与噪声之比，定义为式中E（）是入射至接收孔径处的光谱辐照度；NEI（）是等效噪声照度。三、卫星探测的分辨率 1、空间分辨率

4、：是指卫星在某一时刻观测地球的最小面 积。卫星的瞬时视场决定了卫星的空间分辨率。 空间分辨率可以由卫星观测到的最小面积直 径表示，单位为km。 空间分辨率也可以用卫 星的瞬时视场角 表示，单位为弧度。 瞬时视场：从卫星到观测地表面积之间构成的空间立 体角。 像素：卫星从某时刻到观测到的辐射就是与瞬时视场 相应的地表小块面积内所有物体反射或发射的辐 射的总合，这小块面积称做像素。像素是构成云 图的最小单位。 由于卫星的瞬时视场很小，所以在星下点处地面可分辨面积的直径与瞬时视场间的关系可近似写为 d0=hxL瞬时视场（IFOV） IFOV =2tan-1（W/2f） W/f地面瞬时视场（GIFOV

5、） GIFOV =2htanIFOV/2 =Wx（W/f） =W/m式中m是放大倍数 m=f/h地面瞬时视场高度h焦距f大气地面图象空间瞬时视场光学系统探测器宽度W（IFOV）（GIFOV）式中 瞬时视场观测点面积为S或卫星斜视与正视时的地面分辨率卫星探测与空间分辨率的关系 、空间分辨率与卫星观测视场的关系 为了识别地面目标物的细微特征，卫星探测空间分辨率要高，这就要求卫星观测时的瞬时视场要小，但这样一来，进入卫星仪器的辐射能减小，可能造成探测仪器没有响应，不能达到探测目的。因此，为了提高空间分辨率，要提高仪器的灵敏度。对一定仪器的探测灵敏度瞬时视场不能任意地小。一般VIS波段的辐射能远大于I

6、R，因此在同样瞬时视场情况下，在VIS波段探测的空间分辨率大于IR波段探测的空间分辨率。 、空间分辨率与卫星观测视场的关系 卫星高度越高，在同样的瞬时视场下，观测面积大，空间分辨率下降。 、空间分辨率与卫星观测视角的关系 卫星观测视角倾斜，观测面积增大，分辨率降低。2、温度分辨率或灰度分辨率 在卫星云图上，如果两个相临瞬时视场的反照率或温度相同，就无法区分它们。但是当这两个相临瞬时视场的反照率或温度有差异，并达到一定的数值时，这两个视场就能被分辨，这个能分辨两个相临目标物的最小反照率差值或温度差称之为灰度分辨率或温度分辨率。 对于红外波段，通常用等效噪声温度差（NET）表示。如果两个相临瞬时视

7、场的温度差越大，则越容易区分它们，如卷云、积雨云与地面。 红外云图的分辨率还与目标物的温度有关，如目标物的温度为300k时，NET0.3k，而当目标物的温度为185k时NET1.4k3、时间分辨率 指卫星对同一地区观测的时间间隔。其与卫星的扫描速率、扫描区域和选用的卫星轨道有关。4、空间、灰度/温度、时间分辨率之间的关系 空间分辨率、灰度/温度分辨率、时间分辨率三者是相互制约的。 低的空间分辨率，即较大的瞬时视场可以换取较好的灰度/温度分辨率、时间分辨率。 当仪器的瞬时视场和灵敏度一定时，温度分辨率与仪器的扫描速度有关，仪器的扫描速度慢时，对目标物停留的时间长，就能接收到更多的辐射能，从而具有

8、较高的温度分辨率，反之若要提高卫星的观测速度，必然会牺牲温度分辨率。四、卫星探测仪器的标定 将卫星观测到的辐射值与仪器的输出建立对应关系。 目的：为卫星观测值的定量计算提供参考标准。 参考源：仪器内部黑体和宇宙空间。 标定方法：卫星发射前的地面标定和发射后轨道上的标定。标定过程是通过一定手段测量参考源黑体温度、黑体辐射的信号计数值以及宇宙空间信号计数值，并由此得到一条效正曲线。1、红外校正 建立电压与灰度之间的关系 为方便电压与灰度之间一般取线性关系 C=a1+a2V （1） 式中a1，a2是回归系数，由最小二乘法确定，C，V分别是测得的灰度和电压。 建立电压与辐射量之间的关系如果响应仪器内的

9、暖黑体参考源和宇宙空间的度分别为Csh，CsP，Vsh，VsP，Te，和L（Te）是暖黑体的温度和辐射率，则对辐射R的电压为 （2）式中其中是比辐射率，（）是仪器响应函数，G=（Vsh-Vsp）/L（Te）。建立辐射与灰度之间的关系根据（1），（2）得辐射与温度之间的关系由普郎克公式确定。（3）VISSR仪器灰度、温度、电压、能量之间的转换关系灰度灰度-电压电压V电压V-辐射E能量R（TE）辐射-温度温度TiCiCshCspVshViROVISSR定标曲线2、可见光校正 建立灰度与电压之间的关系 在可见光区，灰度与电压的平方根成正比，即1，2是由的系数最小二乘法确定 建立反照率与电压之间的关系

10、 若Csp，Csun是卫星观测宇宙空间和太阳时的灰度，对应的电压为Vsp，Vsun，由于仪器设计时只允许50%的反射太阳辐射进入卫星仪器，故反照率与电压的关系为 V=0.5（ Vsun- Vsp）A+ Vsp （5）式中A是反照率。（4） 建立反照率与灰度之间的关系 由（4），（5）式消去V得 VSSR可见光通道电压、灰度、反照率间的关系曲线，显然灰度与电压之间呈二次曲线关系。反照率%50灰度-电压电压V电压-反照率灰度（计数值）63VsunCsunCiCspAiViVSSR可见光定标曲线五、卫星的空间扫描方式(a)单个探测器线扫描(b)多探测器扫描卫星轨道方向卫星轨道方向垂直轨道方向(c)(

11、d) (b)(a)(C)线性阵列探测器前推式扫描(d)圆锥扫描辐射仪结构和工作原理图来自地球大气的辐射滤光片滤光片感应元件斩波器冷却剂初级镜初级镜次级镜旋转镜主轴45卫星前进方向第二节 极轨气象卫星的观测仪器一、改进的甚高分辨率辐射计（AVHRR）二、高分辨率红外探测器（HIRS）三、微波探测单元（MSU）四、改进的微波探测单元（AMSU）五、SSM/T、 SSM/T2、 SSM/I和MIMR微波 成像仪仪 器 名 称安装星体通道数分辨率 应 用SSM/T-专用微波测温仪DMSP-5DF4 50GHZ （7） 204Km大气层垂直温度测量SSM/T2-专用微波测湿仪DMSP F-12、14、1

12、5 183.3 GHZ （5） 50100Km测量大气中水汽、地表冰雪、海岸线、水等SSM/I-专用微波成像仪DMSP-5D F885.5 GHZ （7）1250Km洋面风速、陆表湿度、水汽含水量、冰雪覆盖、云中含水量和降水强度等SSMIS-专用成像探测仪DMSP-5D350300 MHZ2575Km地球表面和大气、散射、反射辐射能MIRM多谱段微波辐射计METOP、EOS85.5 GHZ （6）1-1.5K温度六、平流层探测单元（SSU） 安装在NIMBUS-6上，探测25-50Km的温度，三通道。七、太阳后向散射紫外辐射计（SBUV/2） 安装在TIROS-N和NOAA-9、11上，由总臭

13、氧含量成像光谱仪（ TOMS）和太阳后向散射紫外辐射计（ SBUV/1）发展而来。 目的：通过测量紫外谱段的后向紫外辐射估算臭氧分布。 SBUV/2由两个仪器组成：单色仪和云量辐射计分别用于测量紫外太阳辐照度和云量。八、地球辐射收支仪（ERBE） 安装在TIROS-N/NOAA系列卫星上。仪器有非扫描型ERBE和扫描型ERBE。 探测器是热敏电阻测热辐射计。通过测量因吸收辐射而增暖目标物的温度达到测量辐射的目的。九、中分辨率图象光谱仪（MODIS）卫 星探 测 器主 要 任 务EOSPM中分辨成像光谱仪（MODIS）、热辐射反射辐射计（ASTER）、云和地球辐射能量系统（CERES）、污染测量

14、仪（MOPITT）、多角度成像光谱仪（MISR）全球环境监测EOSPM干涉红外线探测器、改进的微波探测仪、温度计、多频微波成像仪、云辐射和MODIS同上全球环境监测EOSColor （水色）SeaWIFS(海洋宽视场探测器)全球海洋水色监测EOSAero （气溶胶）57倾角，平流层气溶胶实验（SAGE ）全球气溶胶监测EOSALT （测高）高度计、地球科学激光测距系统GPS地球科学仪（GGI）海面/海冰/陆地拓朴EOSChem (化学)Stick散射计、对流层辐射光谱仪、高分辨动态分层探测器、SAGE器全球大气化学成份监测一、可见、红外自旋扫描辐射仪（VISSR）扫描竟镜次级镜初级镜光导纤维光

15、见倍增管定标遮板补偿透镜滤光器HgCaTe探测器辐射致冷器VISSR功能结构第三节 地球静止气象卫星的观测仪器卫星自转轴100转/分瞬时视场卫星覆盖地球范围VISIR地球静止卫星观测依靠卫星自转从西向东对地球张角 20全圆面扫描自北向南扫描镜对地球张角 20步进扫描，计2500步，需时25分钟4个备用可见光瞬时视场4个可见光视场（0.035mrx 0.035mr）红外视场（0.14mrx0.14mr）备用红外视场北南扫描方向（东）39rad140rad在用红外视场备用红外视场+140rad35rad4个备用可见光视场4个在用可见光视场4rad31rad35rad140rad140rad1050

16、rad可见光红外自旋辐射计（VISSR）扫描和视场配置VIS：1000，13376，1.25km IR：2500，6688， 5kmVISSR观测种类及资料处理 1、观测方式 （1）定时观测：30分钟；1小时；3小时 （2）连续观测 （3）特殊观测 2、扫描方式 （1）全帧扫描 （2）可变帧扫描 （3）单线变帧扫描 （4）快速正扫描 3、静止卫星资料的一次处理 （1）一次处理内容：编制各种文件；对VISSR校正；进 行图象变换、图象参数。 （2）图象预处理：消除畸变、加网格、坐标变换；亮度 或灰度变换。二、多光谱自旋扫描仪 风云-2号上安装的仪器。VIS，IR，WV。三、 VISSR大气探测器

17、(VISSR/VAS) 安装在GOES47上探测地表40hpa大气参数。四、GOES I-M图象仪 类似AVHRR，5个VIS通道，4个IR通道。五、GOES I-M探测仪 类似HIRS/2，19个通道，探测地表、水汽、温度。 第四节 卫星资料的接收系统一、卫星资料的发送和接收 1、卫星资料的发送 （1）观测资料存储发送 （2）观测资料实时发送 2、卫星资料的接收 卫星地面接收站有两种： 一是指令接收站：有庞大的根据卫星信标讯号的 跟踪天线，发送指令给卫星，控制卫星工作状态和向 地面发送资料；指令接收站有大型电子计算机，对卫 星资料进行加工处理，制作各种业务事用产品。 二是自动图片接收站，称A

18、PT接收站（又分高分 辨率接收站（HRAPT）和低分辨率接收站（ APT）： 接收卫星实时向地面发送的各种资料。二、卫星云图接收原理和设备 卫星辐射仪对地扫描观测一次，得到一条扫描线，每一条扫描线包含一系列地面目标物发出的辐射信号，这些信号经过处理后以超高频信号向地面发送。卫星云图接收过程则是卫星观测和资料发送的逆过程，就是把接收的超高频信号还原成图象电信号，然后将电信号变成光信号，再用计算机显示器或用相纸（胶片）显示出来。 1、云图接收原理 同步：卫星扫描镜旋转的扫描速度与计算机显示器上的扫描显示速度相同。 同相：卫星辐射仪对地球每一次扫描的起始端与计算机显示器上的扫描线的起始端的位置相同，

19、即在同一时刻卫星与计算机显示器上的扫描线处在相对应的位置。 合作系数：为使卫星观测到的目标物与计算机显示的图象尺度比例一致，也就是在长、宽方向上有相同的放大或缩小倍数，通常把扫描线密度与扫描长度的乘积称做合作系数。 设卫星观测的图片长为L1 ，宽为K1，地面上相应图片长和宽为L2、K2，合作系数为M，则 设D为传真机滚筒的直径，为扫描线密度的倒数（每条扫描线的宽度）N为扫描线的条数，则上式可化为前置放大器超高频接收机云图处理机A/D数字计算机磁带、磁盘记录器D/A 转换 器彩色（黑白）打印机（数字图） 彩色 （黑白）电 视 显 示传 真 机马 达天线控制器卫星接收设备方框图2、接收设备 天线，

20、天线控制系统，前置高放，主放大器，中频解调器。 三、卫星资料的处理系统 1、卫星资料预处理 原始数据：地面卫星接收站接收到的是将不同观测通道的数据，按照一定格式复合成的比特数据流，这种数据称为原始数据。 预处理：原始数据不能直接应用在业务中，还必须进行定标、定位，并转变成易处理和使用的格式，这种从原始数据到直接可以使用的转换过程称做预处理。 预处理由计算机来完成，进入计算机的卫星观测数据首先要进行数据分离、质量检测，并以原始数据存储，其次是附加定标和地球定位信息。因此识别卫星观测数据是非常重要的（1）数据量 卫星数据量=扫描线数x每条线包含的象数点x比特数 AVHRR数据量：2048（每条扫描

21、线采样点）x 10（比特）x5（5通道）x 6（360转/分，6转/秒，即6条扫描线） x 60 x 100 （卫星轨道周期）=368640000比特 VISSR（红外波段）数据量：2291（每条扫描线采样点）x8（比特）+16（标记比特数）x 3（3通道）x 2500（扫描线）=137580000比特 VISSR（可见光波段）数据量：9164（为红外的4倍） x 6（比特）+（标记比特数）x10000（扫描线）= 54996000比特 （2）数据格式 AVHRR数据格式； VISSR数据格式； NOAA-K数据格式2、卫星资料的地面定位 图象资料可以加网格 定量使用的资料需要定出每一扫描点的位置 卫星资料场可以用投影方式做投影计算3、VISSR卫星资料定标数据4、卫星资料的质量控制5、卫星数据库的建立 数据库的设计和结构应考虑：全球还是区域；通 道；精度；存储方式等。四、卫星产品的处理 图象产品：VIS，IR，WV 增强，云分析，海面温度图 数字产品：大气垂直温度探测、水汽、云矢风、 臭氧、辐射等第五节 地面接收卫星资料范围的确定 一、接收