《卫星气象学》课件:卫星-第四章:观测仪器、要素及分辨率.ppt
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- 卫星气象学 卫星 气象学 课件 第四 观测 仪器 要素 分辨率
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1、第四章第四章卫星观测仪器和观测要素及分辨率卫星观测仪器和观测要素及分辨率一、卫星观测仪器一、卫星观测仪器二、卫星云图的图像表示和增强处理二、卫星云图的图像表示和增强处理掌握重点:卫星观测的空间分辨率、灰度(或温度)分辨率和时间分辨率的概念及其相互关系、卫星云图的增强处理方式 卫星观测仪器卫星观测仪器扫描仪扫描仪光学系统光学系统探测器探测器信号处理和信号输出系统信号处理和信号输出系统辐射信辐射信息采集息采集系统系统辐射信息辐射信息收集转递收集转递系统系统辐射辐射/光光电转换系电转换系统统电信号处电信号处理和发送理和发送系统系统扫描扫描观测观测驱动驱动装置装置辐射能收辐射能收集的光学集的光学系统,
2、包系统,包括:光栅括:光栅,聚焦装,聚焦装置等置等感应辐射感应辐射能,并将能,并将辐射能转辐射能转换为电信换为电信号。分量号。分量子、热探子、热探测器两种测器两种对探测对探测器信号器信号进行放进行放大、模大、模/数转数转换等处换等处理理将处理将处理好的信好的信号发送号发送给天线给天线或记录或记录到存储到存储设备中设备中 第一节第一节 卫星观测仪器卫星观测仪器 一、一、 卫星探测分辨率卫星探测分辨率表示卫星探测的分辨率有三种表示卫星探测的分辨率有三种:空间分辨率、灰度分辨率和时间分辨率空间分辨率、灰度分辨率和时间分辨率。1、空间分辨率、空间分辨率:卫星能分辨两个物体的最短距离;距离越短,分卫星能
3、分辨两个物体的最短距离;距离越短,分辨率越高。空间分辨率以由卫星观测到的地球最辨率越高。空间分辨率以由卫星观测到的地球最小面积(像素)的直径表示,单位为小面积(像素)的直径表示,单位为kmkm。1) 瞬时视场瞬时视场IFOV - 波束宽度波束宽度2) 地面瞬时视场地面瞬时视场GIFOV =2h*tanIFOV/2h*IFOV - 星下点分辨率星下点分辨率卫星卫星高度高度h h地面光学系统瞬时视瞬时视场场IFOVIFOV地面瞬时视场地面瞬时视场GIFOV1.空间分辨率空间分辨率卫星卫星的空间分辨率与卫星的高度有关卫星的空间分辨率与卫星的高度有关,卫星的高,卫星的高度越高,在同样的瞬时视角(瞬时视
4、场)下,观度越高,在同样的瞬时视角(瞬时视场)下,观测面积增大,空间分辨率下降。测面积增大,空间分辨率下降。对于实际使用的卫星云图的分辨率与卫星探测分对于实际使用的卫星云图的分辨率与卫星探测分辨率是有区别的,云图上的分辨率取决于图片上辨率是有区别的,云图上的分辨率取决于图片上的的扫描线的数目扫描线的数目。换言之,云图的分辨率可低于。换言之,云图的分辨率可低于卫星的探测分辨率;如果卫星云图分辨率等于卫卫星的探测分辨率;如果卫星云图分辨率等于卫星探测分辨率,则称该云图为星探测分辨率,则称该云图为原分辨率或全分辨原分辨率或全分辨率率云图。云图。 22022sinsin()RSShCOS3)卫星斜视时
5、的地面分辨率卫星斜视时的地面分辨率1sin ()sinRhR到卫星视线到卫星视线沿垂线方向沿垂线方向到卫星视线和到卫星视线和垂线成垂线成30度角度角到卫星视线和到卫星视线和垂线成垂线成45度角度角三种不同视角情况下的卫星观测卫星的空间分辨率与卫星的视角有关:卫星的空间分辨率与卫星的视角有关:图别分辨率种类可见光红外普通云图(美国)3.2 km7.2 km甚高分辨率云图(美)0.85 km0.85 km泰罗斯N云图(美)4 km4 km流星云图(前苏联)1.25 km15 km葵花云图(日本,全景)2.5 km5 km葵花云图(日本,区域)4 km7 km风云二号B云图(中国)1.25 km5
6、km各主要云图的分辨率2、灰度分辨率或温度分辨率、灰度分辨率或温度分辨率: 在红外或可见光云图上,相邻两个像素内的目标物的在红外或可见光云图上,相邻两个像素内的目标物的温度或反照率有差异并达到一定数值时,如果这两个像素温度或反照率有差异并达到一定数值时,如果这两个像素区能被分辨,则能分辨的区能被分辨,则能分辨的最小温度差或反照率差值最小温度差或反照率差值称为温称为温度分辨率或灰度分辨率。度分辨率或灰度分辨率。 如果像素的温度差越大,则越易区别它们,如在红外如果像素的温度差越大,则越易区别它们,如在红外云图上,卷云、积雨云与地面的温差大,容易被区分,而云图上,卷云、积雨云与地面的温差大,容易被区
7、分,而低云与地面的温差小,不易被区别;温度分辨率或灰度分低云与地面的温差小,不易被区别;温度分辨率或灰度分辨率还与目标物本身的温度有关,如目标物的温度为辨率还与目标物本身的温度有关,如目标物的温度为300K300K时,温度分辨率为时,温度分辨率为0.3K0.3K,而当目标物温度为,而当目标物温度为185K185K时,温度时,温度分辨率分辨率1.4K1.4K。 3、时间分辨率:、时间分辨率: 指卫星对同一地区观测的时间间隔。如极轨卫星每指卫星对同一地区观测的时间间隔。如极轨卫星每12小时对全球观测一次,静止卫星则每半小时对某一固定区小时对全球观测一次,静止卫星则每半小时对某一固定区域进行一次观测
8、。域进行一次观测。4、几种分辨率之间的关系(相互制约):、几种分辨率之间的关系(相互制约):1)低的空间分辨率(较大瞬时视场)可以有较好的灰度)低的空间分辨率(较大瞬时视场)可以有较好的灰度分辨率或温度分辨率和时间分辨率;分辨率或温度分辨率和时间分辨率;2)当仪器的瞬时视场和灵敏度一定时,温度分辨率和仪)当仪器的瞬时视场和灵敏度一定时,温度分辨率和仪器的扫描速度有关,扫描速度慢,对目标物的停留时间较器的扫描速度有关,扫描速度慢,对目标物的停留时间较长,则能接收更多的辐射能,从而具有较高的温度分辨率。长,则能接收更多的辐射能,从而具有较高的温度分辨率。反之,则温度分辨率降低反之,则温度分辨率降低
9、。 二、二、 卫星的空间扫描方式卫星的空间扫描方式 卫星对地的扫描方式大致有四种卫星对地的扫描方式大致有四种: 1)单个探测器线扫描单个探测器线扫描 :在垂直于轨道的方向的扫描由摆动在垂直于轨道的方向的扫描由摆动镜来回摆动完成;同时依靠卫星在轨道上的运动实现轨道方向镜来回摆动完成;同时依靠卫星在轨道上的运动实现轨道方向的扫描。(图的扫描。(图4-6a) 2)多探测器扫描多探测器扫描:在轨道方向并列多个探测器,在垂直轨在轨道方向并列多个探测器,在垂直轨道方向每扫描一次可得多条扫描线,从而提高空间分辨率。道方向每扫描一次可得多条扫描线,从而提高空间分辨率。(图(图4-6b) 3)线性阵列探测器前推
10、式扫描线性阵列探测器前推式扫描:在垂直轨道方向上放置一在垂直轨道方向上放置一系列探测器,构成探测器阵列,依靠卫星向前运动,对地扫描。系列探测器,构成探测器阵列,依靠卫星向前运动,对地扫描。(图(图4-6c) 4) 圆锥扫描圆锥扫描:扫描镜绕垂直轴旋转,在地面形成圆锥与地扫描镜绕垂直轴旋转,在地面形成圆锥与地球相截的扫描线。这钟扫描的特点是观测方向与目标物天顶方球相截的扫描线。这钟扫描的特点是观测方向与目标物天顶方向之间的角度始终一定。(图向之间的角度始终一定。(图4-6d) 卫星的空间扫描方式卫星的空间扫描方式(a)单个探测器线扫描单个探测器线扫描(b)多探测器扫描多探测器扫描卫星轨道方向卫星
11、轨道方向垂直轨道方向(c)(d) (b)(a)(C)线性阵列探测器前推式扫描线性阵列探测器前推式扫描(d)圆锥扫描圆锥扫描 三、三、 极轨卫星的观测仪器极轨卫星的观测仪器 1 1)先进的甚高分辨率辐射计(先进的甚高分辨率辐射计(AVHRR-AVHRR-最多最多6 6通道)通道):观测陆地表、海洋、观测陆地表、海洋、云和气溶胶等信息。云和气溶胶等信息。侧重于大气的侧重于大气的水平结构探测。水平结构探测。2 2)高分辨红外探测器:(高分辨红外探测器:(HIRS-2HIRS-2):相对:相对AVHRRAVHRR而言,而言,HIRS-2HIRS-2有更多的观测通道,但空间分辨率低,用于大气的垂有更多的
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