Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Изображение глобальной температуры поверхности моря, полученное со спутника NOAA / AVHRR.

Advanced Very-High-Resolution Радиометр (AVHRR) инструмент представляет собой пространство , переносимый датчик , который измеряет отражательную способность Земли в пяти спектральных полосах, которые относительно широко по сегодняшним меркам. Инструменты AVHRR принадлежат или принадлежат семейству полярно-орбитальных платформ ( POES ) Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA ) и европейским спутникам MetOp . Инструмент сканирует несколько каналов; два из них сосредоточены в красной (0,6 микрометра) и ближней инфракрасной (0,9 микрометра) областях, третья расположена примерно на 3,5 микрометра, а еще две - на тепловом излучении, излучаемом планетой, на 11 и 12 микрометрах. [1]

Первым прибором AVHRR был четырехканальный радиометр . Последняя версия AVHRR / 3, впервые установленная на спутнике NOAA-15, запущенном в мае 1998 г., собирает данные по шести каналам. На смену AVHRR пришел комплект радиометров для визуализации в видимом инфракрасном диапазоне , установленный на космическом корабле Объединенной полярной спутниковой системы .

Операция [ править ]

NOAA имеет как минимум две полярно-орбитальныеметеорологические спутники постоянно находятся на орбите, причем один спутник пересекает экватор ранним утром и ранним вечером, а другой пересекает экватор днем ​​и поздно вечером. Основным датчиком на борту обоих спутников является прибор AVHRR. Утренние спутниковые данные чаще всего используются для изучения суши, тогда как данные с обоих спутников используются для изучения атмосферы и океана. Вместе они обеспечивают глобальный охват дважды в день и гарантируют, что данные для любого региона Земли не старше шести часов. Ширина полосы обзора, ширина области на поверхности Земли, которую "видит" спутник, составляет приблизительно 2500 километров (~ 1540 миль). Спутники вращаются на высоте 833 или 870 километров (+/- 19 километров, 516–541 миль) над поверхностью Земли. [2]

Наивысшее разрешение земли, которое может быть получено с помощью современных инструментов AVHRR, составляет 1,1 км (0,68 мили) на пиксель в надире .

Данные AVHRR собираются непрерывно с 1981 г. [2]

Приложения [ править ]

Основная цель этих инструментов - следить за облаками и измерять тепловое излучение Земли. Однако эти датчики оказались полезными для ряда других приложений, включая наблюдение за поверхностью суши, состоянием океана, аэрозолями и т. Д. Данные AVHRR особенно актуальны для изучения изменения климата и ухудшения состояния окружающей среды из-за сравнительно длинных записей уже накопленных данных. (более 20 лет). Основная трудность, связанная с этими исследованиями, состоит в том, чтобы должным образом справиться со многими ограничениями этих инструментов, особенно в ранний период (калибровка датчика, орбитальный дрейф, ограниченная спектральная и направленная выборка и т. Д.).

Инструмент AVHRR также летает на спутниках серии MetOp . Три запланированных спутника MetOp являются частью полярной системы (EPS) ЕВМЕТСАТ, которой управляет ЕВМЕТСАТ .

Калибровка и проверка [ править ]

Приложения дистанционного зондирования датчика AVHRR основаны на методах проверки (сопоставления) совмещенных наземных наблюдений и спутниковых наблюдений. В качестве альтернативы выполняются расчеты переноса излучения. Существуют специализированные коды, которые позволяют моделировать наблюдаемые яркостные температуры и яркость AVHRR в ближнем инфракрасном и инфракрасном каналах. [3] [4]

Предпусковая калибровка видимых каналов (гл. 1 и 2) [ править ]

Перед запуском видимые каналы (гл. 1 и 2) датчиков AVHRR калибруются производителем прибора, ITT, Aerospace / Communications Division, и соответствуют стандартам NIST . Калибровочная зависимость между откликом электронного цифрового счета (C) датчика и альбедо (A) калибровочной цели линейно регрессирует: [2]

А = S * C + I

где S и I - наклон и точка пересечения (соответственно) калибровочной регрессии [NOAA KLM]. Однако высокоточная предпусковая калибровка будет ухудшаться во время запуска и вывода на орбиту, а также в течение срока службы прибора [Molling et al., 2010]. Halthore et al. [2008] отмечают, что деградация сенсора в основном вызвана термоциклированием, выделением газа в фильтрах, повреждением из-за излучения более высокой энергии (например, ультрафиолетового (УФ)) и конденсации выделяемых газов на чувствительных поверхностях.

Одним из основных недостатков конструкции приборов AVHRR является то, что им не хватает возможности выполнять точную бортовую калибровку после выхода на орбиту [NOAA KLM]. Таким образом, после запуска на орбите необходимо проводить калибровочные действия (известные как методы альтернативной калибровки) для обновления и обеспечения точности полученных значений яркости и последующих продуктов, полученных на основе этих значений [Xiong et al., 2010]. Были проведены многочисленные исследования для обновления калибровочных коэффициентов и обеспечения более точного извлечения по сравнению с использованием предварительной калибровки.

Абсолютная калибровка отдельных / нескольких датчиков на орбите [ править ]

Рао и Чен [ править ]

Рао и Чен [1995] используют Ливийскую пустыню в качестве радиометрически стабильной калибровочной цели для получения относительных годовых темпов деградации для каналов 1 и 2 для датчиков AVHRR на борту спутников NOAA -7, -9 и -11. Кроме того, во время полевой кампании самолетов над пустыней Уайт-Сэндс в Нью-Мексико, США [См. Смит и др., 1988], абсолютная калибровка NOAA-9 была перенесена с хорошо откалиброванного спектрометра на борту самолета U-2, летевшего на высоте ~ 18 км по траектории, совпадающей со спутником NOAA-9 выше. После корректировки на относительную деградацию, абсолютная калибровка NOAA-9 затем передается на NOAA -7 и -11 через линейную зависимость с использованием наблюдений в Ливийской пустыне, которые ограничены аналогичной геометрией просмотра, а также датами в том же календарном месяце [ Рао и Чен, 1995],и любая деградация датчика корректируется путем регулировки наклона (как функции дней после запуска) между записанным альбедо и сигналом цифрового счета [Rao and Chen, 1999].

Леб [ править ]

В другом аналогичном методе с использованием наземных целей Loeb [1997] использует пространственно-временные однородные ледяные поверхности в Гренландии и Антарктиде для построения калибровочных кривых полиномиального отражения второго порядка как функции зенитного угла Солнца; откалиброванные коэффициенты отражения NOAA-9 в области надира используются для построения кривых, которые затем могут быть использованы для калибровки других AHVRR на орбите (например, NOAA-11, -12 и -14).

Было обнаружено, что отношение калибровочных коэффициентов, полученное Loeb [1997] и Rao and Chen [1995], не зависит от зенитного угла Солнца, что означает, что калибровочные кривые, полученные из NOAA-9, обеспечивают точное соотношение между зенитным углом Солнца и наблюдаемая отражательная способность над Гренландией и Антарктидой.

Ивабучи [ править ]

Iwabuchi [2003] использовал метод калибровки NOAA-11 и -14, который использует данные наблюдений за отражением океана и слоистых облаков при чистом небе в районе северо-западной части Тихого океана и расчеты переноса излучения теоретической молекулярной атмосферы для калибровки AVHRR Ch. 1. Используя месяц наблюдений в условиях ясного неба над океаном, делается первоначальное минимальное предположение для калибровочного наклона. Затем используется итерационный метод для достижения оптимальных значений наклона для Ch. 1 с поправками на наклон с учетом неопределенностей в отражательной способности океана, водяном паре, озоне и шумах. Гл. 2 затем калибруется при условии, что оптическая толщина слоистого облака в обоих каналах должна быть одинаковой (спектрально однородной в видимом диапазоне), если их калибровка верна [Iwabuchi, 2003].

Вермот и Салеус [ править ]

Более современный метод калибровки для AVHRR использует возможности калибровки на орбите каналов VIS / IR MODIS . Vermote и Saleous [2006] представляют методологию, в которой MODIS используется для характеристики BRDF инвариантного участка пустыни. Из-за различий в спектральных диапазонах, используемых для каналов инструментов, уравнения спектрального преобразования были выведены для точного переноса калибровки с учетом этих различий. Наконец, отношение наблюдаемого AVHRR к моделируемому из наблюдений MODIS используется для определения деградации сенсора и соответствующей корректировки калибровки.

Другое [ править ]

Методы расширения калибровки и непрерывности записи также используют аналогичные действия по калибровке [Heidinger et al., 2010].

Долгосрочная калибровка и непрерывность записи [ править ]

В обсуждении до сих пор были предложены методы, которые могут откалибровать отдельные датчики или ограничены несколькими датчиками AVHRR. Тем не менее, одной из основных проблем с точки зрения климата является необходимость непрерывности записи, охватывающей более 30 лет, трех поколений приборов AVHRR, а также более современных датчиков, таких как MODIS и VIIRS . В номинальной калибровке AVHRR и даже в обновленных калибровках могут присутствовать несколько артефактов, которые вызывают разрыв в долгосрочной записи яркости, построенной с нескольких спутников [Cao et al., 2008].

Метод Международного проекта спутниковой облачной климатологии (ISCCP) [ править ]

Брест и Россоу [1992], а также обновленная методология [Брест и др., 1997] предложили надежный метод контроля калибровки отдельных датчиков и нормализации всех датчиков по общему стандарту. Метод Международного проекта спутниковой климатологии облаков (ISCCP) начинается с обнаружения облаков и поправок на озон, рэлеевское рассеяние и сезонные изменения освещенности для получения отражательной способности поверхности. Затем ежемесячные гистограммы отражательной способности поверхности создаются для различных типов поверхностей, и затем различные пределы гистограмм применяются в качестве фильтра к исходным наблюдениям датчика и в конечном итоге объединяются для получения глобального коэффициента отражения поверхности без облаков.

После фильтрации глобальные карты разделяются на среднемесячные карты ПОВЕРХНОСТИ, две двухнедельные карты ПОВЕРХНОСТИ и карты среднего ОБЩЕГО отражения. Среднемесячные карты отражательной способности ПОВЕРХНОСТИ используются для определения долгосрочных тенденций калибровки. Каждые две недели карты SURFACE сравниваются друг с другом и используются для обнаружения краткосрочных изменений в калибровке.

Наконец, ОБЩИЕ карты используются для обнаружения и оценки систематической ошибки в методологии обработки. Целевые гистограммы также исследуются, поскольку изменения в коэффициентах отражения мод и в населенности, вероятно, являются результатом изменений в калибровке.

Непрерывность долгосрочной записи [ править ]

Долгосрочная непрерывность записи достигается за счет нормализации между двумя датчиками. Сначала обрабатываются наблюдения за перекрытием периода времени работы двух датчиков. Затем две глобальные карты SURFACE сравниваются с помощью диаграммы рассеяния. Кроме того, в наблюдения вносятся поправки на изменения зенитного угла Солнца, вызванные дрейфом орбиты. В конечном счете, линия подходит для определения общего долгосрочного дрейфа при калибровке, и после того, как датчик корректируется на дрейф, выполняется нормализация наблюдений, которые происходят в течение того же рабочего периода [Brest et al., 1997].

Калибровка с использованием спектрорадиометра для визуализации изображений среднего разрешения [ править ]

Другой недавний метод абсолютной калибровки записи AHVRR использует современный MODIS.датчик на борту спутников НАСА TERRA и AQUA. Инструмент MODIS имеет высокую точность калибровки и может отслеживать собственные радиометрические изменения благодаря включению бортовой системы калибровки для спектральной области VIS / NIR [MCST]. В следующем методе используется высокая точность MODIS для абсолютной калибровки AVHRR через одновременные надирные эстакады (SNO) пар спутников MODIS / AVHRR и AVHRR / AVHRR, а также характеристики отражения от поверхности MODIS для цели в Ливийской пустыне и Купола-C в Антарктиде. [Heidinger et al., 2010]. В конечном итоге каждое отдельное доступное событие калибровки (MODIS / AVHRR SNO, Dome C, Libyan Desert или AVHRR / AVHRR SNO) используется для предоставления временного ряда крутизны калибровки для данного датчика AVHRR. Heidinger et al. [2010] используют полином второго порядка по методу наименьших квадратов для определения временного ряда.

Первый шаг включает использование модели переноса излучения.который преобразует наблюдаемые сцены MODIS в те, которые сможет увидеть идеально откалиброванный AVHRR. Для появлений MODIS / AVHRR SNO было определено, что отношение яркости AVHRR к MODIS как в Ch1, так и в Ch2 хорошо моделируется полиномом второго порядка отражательной способности радио MODIS в каналах 17 и 18. Каналы 17 и 18 расположены. в спектральной области (0,94 мм), чувствительной к водяному пару из атмосферы, количество, которое влияет на точную калибровку AVHRR Ch. 2. Используя соотношение Ch17 к Ch 18, получается точное предположение об общем количестве осаждаемой воды (TPW) для дальнейшего повышения точности калибровок MODIS - AVHRR SNO. Калибровочные площадки Ливийской пустыни и Купола-C используются, когда не возникают SNO MODIS / AVHRR. Здесь,отношение коэффициентов отражения AVHRR к MODIS моделируется как полином третьего порядка с использованием натурального логарифма TWP из повторного анализа NCEP. Используя эти два метода, ежемесячные наклоны калибровки генерируются с помощью линейной аппроксимации через источник скорректированных коэффициентов отражения MODIS по сравнению с счетчиками AVHRR.

Чтобы расширить ссылку на MODIS для AVHRR до эпохи MODIS (до 2000 г.), Heidinger et al. [2010] используют стабильные земные цели Купол C в Антарктиде и Ливийской пустыне. Определены средние коэффициенты отражения в надире над целью по MODIS, которые нанесены на график в зависимости от зенитного угла Солнца. Подсчеты для наблюдений AVHRR при заданном зенитном угле Солнца и соответствующей отражательной способности MODIS с поправкой на TWP затем используются для определения того, какое значение AVHRR будет обеспечено при условии калибровки MODIS. Теперь крутизна калибровки рассчитана.

Калибровка с использованием прямых SNO AVHRR / AVHRR [ править ]

Последний метод, использованный Heidinger et al. [2010] для расширения калибровки MODIS обратно на AVHRR, которые работали вне эпохи MODIS, через прямые SNO AVHRR / AVHRR. Здесь построены подсчеты от AVHRR и вычислена регрессия, принудительно проходящая через начало координат. Эта регрессия используется для переноса точной калибровки отражательной способности одного AVHRR на счетчики некалиброванного AVHRR и получения соответствующих наклонов калибровки. Эти SNO AVHRR / AVHRR сами по себе не обеспечивают абсолютную точку калибровки; скорее они действуют как якоря для относительной калибровки между AVHRR, которые могут использоваться для передачи окончательной калибровки MODIS.

Система нового поколения [ править ]

Опыт эксплуатации сенсора MODIS [5] на борту аппаратов НАСА Terra и Aqua привел к разработке следующего за AVHRR - VIIRS . [6] ВИИРС в настоящее время работает на борту АЭС Суоми и спутников NOAA-20 . [7]

Даты запуска и обслуживания [ править ]

Название спутникаДата запускаЗапуск службыОкончание службы
ТИРОС-Н ['tairəus]

[Телевидение и инфракрасный спутник наблюдения]

13 октября 1978 г.19 октября 1978 г.30 января 1980 г.
NOAA-627 июня 1979 г.27 июня 1979 г.16 ноября 1986 г.
NOAA-723 июня 1981 г.24 августа 1981 г.7 июня 1986 г.
NOAA-828 марта 1983 г.3 мая 1983 г.31 октября 1985 г.
NOAA-912 декабря 1984 г.25 февраля 1985 г.11 мая 1994
NOAA-1017 сентября 1986 г.17 ноября 1986 г.17 сентября 1991 г.
NOAA-1124 сентября 1988 г.8 ноября 1988 г.13 сентября 1994
NOAA-1213 мая 1991 года14 мая 1991 года15 декабря 1994
NOAA-1430 декабря 1994 г.30 декабря 1994 г.23 мая 2007 г.
NOAA-1513 мая 199813 мая 1998Настоящее время
NOAA-1621 сентября 2000 г.21 сентября 2000 г.9 июня 2014 г.
NOAA-1724 июня 2002 г.24 июня 2002 г.10 апреля 2013 г.
NOAA-1820 мая 2005 г.30 августа 2005 г.настоящее время
NOAA-196 февраля 2009 г.2 июня 2009 г.настоящее время
Метоп-А [8]19 октября 2006 г.20 июня 2007 г.настоящее время
Метоп-Б [9]17 сентября 2012 г.24 апреля 2013 г.настоящее время
Метоп-С7 ноября 2018 г.3 июля 2019 г.настоящее время
Даты TIROS / NOAA с веб-сайта USGS [10] и с веб-сайта NOAA POES Status [11]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Баум, Брайан А .; Велицкий, Брюс А. (1992). «О поиске и анализе многоуровневых облаков». НАСА . Сервер технических отчетов НАСА: 12. hdl : 2060/19980008781 .
  2. ^ a b c Руководство пользователя NOAA KLM Официальное руководство пользователя спутника NOAA POES
  3. ^ РТТОВ
  4. ^ Модель переноса излучения сообщества
  5. ^ Веб-сайт НАСА MODIS Веб- сайт НАСА MODIS
  6. ^ Веб-сайт НАСА АЭС Суоми
  7. ^ Веб-сайт НАСА JPSS
  8. ^ ЕВМЕТСАТ объявление распространения эксплуатационных данных архивных 4 декабря 2008 года на Wayback Machine
  9. ^ Metop-B берет на себя первоочередное оперативное обслуживание: обеспечение долгосрочной непрерывности жизненно важных данных о погоде и климате с полярной орбиты
  10. ↑ USGS Earth Resources Observation and Science AVHRR page. Архивировано 9 мая 2009 г. на Wayback Machine.
  11. ^ Статус NOAA POES

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Frey, C .; Kuenzer, C .; Деч, С. (2012). «Количественное сравнение рабочего продукта NOAA AVHRR LST DLR и продукта MODIS LST V005». Международный журнал дистанционного зондирования . 33 (22): 7165–7183. Bibcode : 2012IJRS ... 33.7165F . DOI : 10.1080 / 01431161.2012.699693 . S2CID  128981116 .
  • Брест, CL и WB Rossow. 1992. Радиометрическая калибровка и мониторинг данных NOAA AVHRR для ISCCP. Международный журнал дистанционного зондирования. Vol. 13. С. 235–273.
  • Брест, КЛ и др. 1997. Обновление калибровки яркости для ISCCP. Журнал атмосферных и океанических технологий. Том 14. С. 1091–1109.
  • Cao, C. et al. 2008. Оценка согласованности отражательной способности AVHRR и MODIS L1B для создания записей фундаментальных климатических данных. Журнал геофизических исследований. Vol. 113. D09114. DOI: 10.1029 / 2007JD009363.
  • Halthore, R. et al. 2008. Роль абсорбции аэрозолей в калибровке спутникового датчика. Письма IEEE по наукам о Земле и дистанционному зондированию. Vol. 5. С. 157–161.
  • Heidinger, AK et al. 2002. Использование визуализирующего спектрометра среднего разрешения (MODIS) для калибровки каналов отражения усовершенствованного радиометра очень высокого разрешения. Журнал геофизических исследований. Vol. 107. DOI: 10.1029 / 2001JD002035.
  • Heidinger, AK et al. 2010. Получение согласованной калибровки между датчиками для записи данных об отражении солнечной энергии AVHRR. Международный журнал дистанционного зондирования. Vol. 31. С. 6493–6517.
  • Ивабучи, Х. 2003. Калибровка видимых и ближних инфракрасных каналов AVHRR NOAA-11 и NOAA-14 с использованием отражений от молекулярной атмосферы и слоистых облаков. Международный журнал дистанционного зондирования. Vol. 24. С. 5367–5378.
  • Loeb, NG 1997. Калибровка в полете NOAA AVHRR в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах над Гренландией и Антарктидой. Международный журнал дистанционного зондирования. Vol. 18. С. 477–490.
  • MCST. Теоретический базовый документ для алгоритмов уровня 1B MODIS, версия 3. Центр космических полетов им. Годдарда. Гринбелт, Мэриленд. Декабрь 2005 г.
  • Моллинг, С.С. и др. 2010. Калибровка для каналов 1 и 2 AVHRR: обзор и путь к консенсусу. Международный журнал дистанционного зондирования. Vol. 31. С. 6519–6540.
  • Руководство пользователя NOAA KLM с дополнением NOAA-N, -N '. NOAA NESDIS NCDC. Эшвилл, Северная Каролина. Февраль 2009 г.
  • Рао, CRN и Дж. Чен. 1995. Связи межспутниковой калибровки для видимого и ближнего инфракрасного каналов усовершенствованного радиометра сверхвысокого разрешения на космических аппаратах NOAA-7, −9 и −11. Международный журнал дистанционного зондирования. Vol. 16. С. 1931–1942.
  • Рао, CRN и Дж. Чен. 1999 г. Пересмотренная после запуска калибровка видимого и ближнего инфракрасного каналов усовершенствованного радиометра сверхвысокого разрешения на космическом корабле NOAA-14. Международный журнал дистанционного зондирования. Vol. 20. С. 3485–3491.
  • Smith, GR et al. 1988. Калибровка солнечных каналов NOAA-9 AVHRR с использованием высотных измерений с самолета. Журнал атмосферных и океанических технологий. Vol. 5. С. 631–639.
  • Vermote, EF и NZ Saleous. 2006. Калибровка NOAA16 AVHRR над пустынным участком с использованием данных MODIS. Дистанционное зондирование окружающей среды. Vol. 105. С. 214–220.
  • Xiong, X. et al. 2010. Калибровка на орбите и характеристики отражающих солнечных полос Aqua MODIS. IEEE Transactions по наукам о Земле и дистанционному зондированию. Том 48. С. 535–546.

Внешние ссылки [ править ]

  • Что такое AVHRR? в Национальном Атласе
  • Усовершенствованный радиометр очень высокого разрешения в NOAA
  • Усовершенствованный радиометр очень высокого разрешения в Геологической службе США
  • [1] в НАСА
  • [2] в НАСА