卫星气象学课件：第四章 卫星观测仪器和观测要素及分辨率

3)卫星斜视时的地面分辨率
S
R2 h2
sin2 sin2 COS (
)
S0
sin1[( R h) sin]
R
卫星的空间分辨率与卫星的视角有关：
到卫星视线 沿垂线方向
到卫星视线和 垂线成30度角
到卫星视线和 垂线成45度角
三种不同视角情况下的卫星观测
各主要云图的分辨率
分辨率 种类 普通云图（美国）
一、 卫星探测分辨率
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。 1、空间分辨率： 卫星能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 小面积（像素）的直径表示，单位为km。
1.空间分辨率
1) 瞬时视场IFOV ------ 波束宽度
2) 地面瞬时视场GIFOV =2h*tan[IFOV/2] ≈h*IFOV
中分辨率图象光谱仪（MODIS）
卫星 EOS—PM
探 测器
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）、污染测量仪（MOPITT）、多角度 成像光谱仪（MISR）
EOS—PM
EOS—Color （水色）
EOS—Aero （气溶胶）
3）先进的微波探测装置（AMSU—P155：通道位置）： AMSU-A，用于反演大气垂直温度廓线和云中液太水、 大气可降水；AMSU-B，用于水汽探测；
4）中分辨率成像辐射光谱仪（MODIS）：是地球观测 系统（EOS-由美国、加拿大、欧洲空间局和日本共同 建 立 ） 的 仪 器 ， 在 NASA 的 EOS-Terra 卫 星 上 ， 分 MODIS-N和MODIS-T两种光谱仪，监视全球大气水汽、 气溶胶粒子和云的特性，以及地-气和海-气相互作用。 MODIS-N有36通道（表4-8，P157）
EOS—ALT （测高）
EOS—Chem (化学)
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 Sea—WIFS(海洋宽视场探测器)
图别
甚高分辨率云图（美）
泰罗斯－N云图（美）
流星云图（前苏联）
葵花云图（日本，全景）
葵花云图（日本，区域）
风云二号B云图（中国）
可见光
3.2 km 0.85 km
4 km 1.25 km
2.5 km 4 km
1.25 km
红外
7.2 km 0.85 km
4 km 15 km
5 km 7 km 5 km
3、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 域进行一次观测。
4、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 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 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。 反之，则温度分辨率降低。
3）线性阵列探测器前推式扫描：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。 （图4-6c）
4) 圆锥扫描：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 向之间的角度始终一定。（图4-6d）
卫星的空间扫描方式
(a)单个探测器线扫描
2、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 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，则能分辨的最小温度差或反照率差值称为温 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 云图上，卷云、积雨云与地面的温差大，容易被区分，而 低云与地面的温差小，不易被区别；温度分辨率或灰度分 辨率还与目标物本身的温度有关，如目标物的温度为300K 时，温度分辨率为0.3K，而当目标物温度为185K时，温度 分辨率1.4K。
二、 卫星的空间扫描方式
卫星对地的扫描方式大致有四种：
1）单个探测器线扫描 ：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 的扫描。（图4-6a）
2）多探测器扫描：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。 （图4-6b）
(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
(a)
(b)
(c)
(C)线性阵列探测器前推式扫描
(d)
(d)圆锥扫描
三、 极轨卫星的观测仪器
1）先进的甚高分辨率辐射计（AVHRR-最多6通道）： 观测陆地表、海洋、 云和气溶胶等信息。 侧重于大气的 水平结构探测。
2 ） 高 分 辨 红 外 探 测 器 ： （ HIRS-2 ） ： 相 对 AVHRR 而 言 ， HIRS-2有更多的观测通道，但空间分辨率低，用于大气的垂直 探测。（通道位置-P154：表4-4）
第四章 卫星观测仪器和观测要素及分辨率
一、卫星观测仪器 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
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
扫描 观测 驱动 装置
------ 星下点分辨率
光学系统
瞬时视 场IFOV
卫星
卫星 高度h
地面
地面瞬时视场 GIFOV
卫星的空间分辨率与卫星的高度有关，卫星的高 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。
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 的扫描线的数目。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 星探测分辨率，则称该云图为原分辨率或全分辨 率云图。
辐射信息 收集转递 系统
辐射能收 集的光学 系统，包 括：光栅 ，聚焦装 置等
辐射/光 电转换系 统
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
电信号处 理和发送 系统
对探测 器信号 进行放 大、模 /数转 换等处 理
ห้องสมุดไป่ตู้
将处理 好的信 号发送 给天线 或记录 到存储 设备中
第一节 卫星观测仪器