知识窗▏五款外国海洋水色遥感仪器简介

卢泽宇溪流之海洋人生 2021-10-08

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自然水体中，不管是淡水还是盐碱水，都含有溶解物质和粒子物质。溶解物质和粒子物质的类型和浓度在各种水体中的变化很大，这直接影响水体的光学性质。自然水体的光学特性与生、地、化要素以及物理环境密切相关，因此研究自然水体的光学特性有很重要的意义。

海洋水色遥感是指利用地球轨道卫星上搭载的遥感仪器获得的海洋表层离水辐射亮度，研究海洋现象或海洋过程的新兴遥感技术。海洋水色遥感的原理是通过卫星传感器接收信号的变化，来反演水体中引起海洋水色变化的各种成分的含量，如叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、可溶机物含量等。本文将就目前世界范围内五款海洋水色遥感仪器做一简单的梳理。

⒈CZCS

海洋水色遥感起始于 1978年美国国家宇航局的海岸带彩色扫描仪CZCS（The Coastal Zone Color Scanner）的成功发射，其搭载于Nimbus-7卫星上。尽管CZCS作为一次实验性质的尝试只有一年的工作计划，但直到 1986年之前，它都持续提供着有实用性的数据。

图1 Nimbus-7号卫星及其载荷布局

CZCS是一个多光谱辐射计（6光谱波段的扫描仪），利用旋转平面镜与卡塞格林望远镜的光轴成45°角。波段波长：0.433～0.453μm（叶绿素吸收），0.51～0.53μm（叶绿素浓度），0.54～0.56μm（腐殖物质浓度），0.66～0.68μm（气溶胶吸收），0.70～0.80μm（陆地和云检测），和10.5～12.5μm（TIR，表面温度）。镜子扫描360°，但只收集以最低点为中心±39.34°的数据用于海洋水色测量。

图2 NASA拍摄的CZCS外观照片

图3 CZCS的光学设计图

CZCS的入射辐射被望远镜收集，并通过二向色分束器分成两路。一路被传输到一个场光阑，这也是一个小型多色仪的入口孔径。进入多色仪的辐射通过多色仪焦平面上的五个硅二极管检测器在五个波长上分离和重新成像。另一路则被引导至在热区（10.5～12.5μm）中冷却的碲镉汞探测器。为了避免太阳耀斑，扫描镜仅会围绕传感器俯仰轴倾斜，以使传感器的视线相对于最低点以2°～20°的增量移动（向前或向后）。

⒉MOS

MOS（ModularOptoelectronic Scanner）是用于短波红外范围观测的实验成像推扫式光谱仪。MOS由柏林的DLR（德国航空航天中心）提供。1996年随搭印度IRS-P3卫星发射升空，目标是在短波红外范围监测地球表面（表面－大气相互作用，海洋水色，浮游植物，人造气溶胶的区域和全球分布及其与气体混合物的联系，光谱和空间云量特征等）为0.4～1.6μm。

图4 IRS-P3卫星及其载荷布局

它的传感器设备由三个互补的仪器组成（MOS-A、MOS-B、MOS-C）。MOS每月至少需要一次校准（基于太阳光照）。

图5 MOS的结构布局

①MOS-A是一种大气光谱仪，在O2-A吸收带中约760nm处有四个窄通道用于测量大气浊度。来自MOS-A的数据用于校正MOS-B的多光谱数据上的大气影响（散射）。另外，O2-A方法可以测量气溶胶含量和分布。

②MOS-B是一个13通道光谱仪，光谱范围为408到1010nm。选择通道的中心波长用于定量检索海洋和海岸带参数。它们还提供了从NIR（近红外光谱技术）测量中确定植被标志（红边）和估算大气中H₂O（水蒸气）含量的功能。

③MOS-C是一款线宽为1.6μm的线性相机，带宽为50 nm，SWIR（短波红外）通道数据用于改善表面粗糙度和粗糙度估计，此外，SWIR通道的数据可用于以下应用：云/雪/冰区分，云类型判别，海面粗糙度估计以及大气修正算法的改进。

图6 MOS的探测示意图

MOS分光计工作的原理：首先，地球表面的辐射（刈幅）通过视场光阑上的入射光学系统成像。其后的准直器保证了照射于光栅上的光线平行。光栅再将由成像器聚焦的不同“颜色”分散到焦平面中。MOS的CCD线阵列则安装在焦平面上，以对应于所需的波长。

⒊OCTS

OCTS(Ocean Color TemperatureScanner)是一种机械扫描（whiskbroom）辐射计，是JAXA（NASDA）的核心传感器。1996年搭载于ADEOS卫星（1997年失效）。其任务目标：海洋水色和海面温度测量。OCTS提供了从0.402～12.5μm的12个测量带。刈幅宽度为1400公里；沿轨道倾斜±20º。空间分辨率：约700m。操作要求：白天对地球进行全球观测（如果需要，可在夜间进行TIR探测）。

图7 ADEOS卫星载荷示意图

图8 OCTS传感器的探测原理

图9 OCTS传感器的内部结构

OCTS传感器由带有光学系统的扫描辐射计，检测器模块和电子单元组成。 OCTS采用反射光学系统和镜式机械旋转扫描方法（覆盖范围广）。 OCTS可以沿着轨道轴线倾斜以防海面太阳耀斑的影响。

图10 OCTS获取的首张我国东海彩色图像

（1996年10月1日）

⒋POLDER

POLDER(Polarization and Directionalityof the Earth's Reflectances)是CNES的无源光学成像辐射计（同样搭载于ADEOS上）。其目标是观测大气反射的太阳辐射的双向性和极化性：对流层气溶胶（物理特性的倒置）；海洋水色（精确测定海面反射率）；陆地表面（确定地表BRDF和改善地表双向和大气对植被指数的影响）；地球辐射预算（根据云的双向特性确定云BRDF和云的分类）。 POLDER能够观测来自各个方向区域反射太阳光的光谱特性。

POLDER的八个频率中的六个频率用于观测大气气溶胶，云层，海洋水色和地表。另外两个频率集中在H₂O和O₂吸收带上，分别用于获取大气水汽量和云顶高度。测量通道有15个通道（每个极化波段有三个通道）。其行程宽度为1440km×2200km（跨轨道），其探测分辨率为7km×6km。数据传输速率：0.882Mbit/s。可以以高于15º太阳高度角的角度对地球进行观测，需与OCTS同时操作。

图11 POLDER的结构示意图

POLDER是一款二维探测器阵列宽视野多波段成像辐射计/旋光计。多角度观测是通过准方形覆盖区S/C的沿轨迁移实现的。POLDER的光学检测单元由一个远心镜头，一个支持滤波器和偏振器的旋转轮以及一个矩阵CCD传感器组成。

该仪器的焦距为3.57 mm，光圈为f4.6，视场角为±43º/±51º。重量为33kg，功耗为42W。

⒌MODIS

MODIS (moderate-resolution imaging spectroradiometer)是NASA/GSFC共同拥有的设备，主承包商是Raytheon SBRS，其前身为Hughes SBRS（科学组长：V. Salomonson）；MODIS的算法开发由来自美国，英国，澳大利亚和法国的国际科学家共同完成，其中有四个学科组：分别为大气，陆地，海洋和校准。是现有卫星上唯一将实时观测数据通过x波段向全世界直接广播，并可以免费接收数据并无偿使用的星载仪器，全球许多国家和地区都在接收和使用MODIS数据。

图12 Terra卫星

图13 Aqua卫星

该设备搭载于在Terra和Aqua卫星上。目标是以1至2天的时间尺度在全球范围内测量生物和物理过程。具体的科学目标是以1公里的分辨率昼夜测定地表温度，保证海洋绝对准确度为0.2K、陆地为1K，获取从415到653nm的海洋水色光谱、获取日间500m分辨率和夜间1000m分辨率的云量、获取云特性、气溶胶特性、大气稳定度和总可降水量的全球分布等。

图14 MODIS功能结构图

MODIS是一种光学机械成像光谱辐射计（whiskbroom型），由交叉扫描镜（连续旋转双面扫描镜组件）和收集光学器件组成，以及一套线性检测器阵列，光谱干涉滤波器位于四个焦平面内。为了适应频繁的红外校准（每1.47秒一次），360º旋转桨镜在扫描腔内居中，为光学子系统提供了5个校准器和地球的连续视图。其光学装置提供0.4～14.5μm（0.4至3.0μm范围内的21个波段，3～14.5μm范围内的15个波段）的36个离散波段的图像。光谱带提供了250m，500m和最低点1km处的空间分辨率。事实上，MODIS仪器被认为是具有36个波段（AVHRR/3有6个）和250m空间分辨率（AVHRR有1km）的下一代AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer）仪器。高性能的无源辐射冷却器可为两个HgCdTe焦平面阵列（焦平面组件）上的红外波段提供83K的冷却。用于VNIR系列的新型硅-光电二极管读出技术则为其提供了无与伦比的量子效率和低噪声读出，并具有非常好的动态范围。

MODIS对于可见光范围2.2μm以下的偏振灵敏度<2％，绝对辐照度精度为5％，<3μm，1％为> 3μm，对于海洋测温的绝对温度精度为0.2K，陆地测温的绝对温度精度为1K，日光反射和日/夜发射光谱成像，在110°FOV处刈幅宽度为2330km。扫描速率＝为20.3转/分。仪器质量为250Kg。功耗为225W（平均）。传输速率＝6.2 Mbit/s（平均），10.6Mbit/s（高峰白天），3.2Mbit/s（夜间）。数据量化为12bit。仪器IFOV（空间分辨率）＝250m（1～2波段），＝500m（波段3～7），＝1000m（波段8～36）。