Усовершенствованный радиометр очень высокого разрешения - Advanced very-high-resolution radiometer

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.

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

NOAA имеет по крайней мере два полярно-орбитальных метеорологических спутника на орбите постоянно, один из которых 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.

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 года.

Приложения

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

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.

Предпусковая калибровка видимых каналов (гл.1 и 2)

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:

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

Рао и Чен

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 [ Rao and Chen, 1995], и любая деградация сенсора корректируется путем регулировки наклона (в зависимости от количества дней после запуска) между записанным альбедо и сигналом цифрового счета [Rao and Chen, 1999].

Леб

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

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

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.

Другие

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

Долгосрочная калибровка и непрерывность записи

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)

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. Методика 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.

Долгосрочная непрерывность записи

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 помощью спектрорадиометра среднего разрешения

Другой недавний метод абсолютной калибровки записи AHVRR использует современный датчик MODIS 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 , которая 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 канале 17 и 18. 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 SNO MODIS / AVHRR не возникают. 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 MODIS на 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

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 AVHRR и вычислена регрессия. 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

Опыт эксплуатации датчика MODIS на борту космических аппаратов НАСА Terra и Aqua привел к разработке следующего за AVHRR - VIIRS . ВИИРС в настоящее время работает на борту АЭС Суоми и спутников NOAA-20 .

Даты запуска и обслуживания

Название спутника Дата запуска Запуск службы Окончание службы
ТИРОС-Н ['tairəus]

[Телевидение и инфракрасный спутник наблюдения]

13 октября 1978 г. 19 октября 1978 г. 30 января 1980 г.
NOAA-6 27 июня 1979 г. 27 июня 1979 г. 16 ноября 1986 г.
NOAA-7 23 июня 1981 г. 24 августа 1981 г. 7 июня 1986 г.
NOAA-8 28 марта 1983 г. 3 мая 1983 г. 31 октября 1985 г.
NOAA-9 12 декабря 1984 г. 25 февраля 1985 г. 11 мая 1994
NOAA-10 17 сентября 1986 г. 17 ноября 1986 г. 17 сентября 1991 г.
NOAA-11 24 сентября 1988 г. 8 ноября 1988 г. 13 сентября 1994
NOAA-12 13 мая 1991 года 14 мая 1991 года 15 декабря 1994 г.
NOAA-14 30 декабря 1994 г. 30 декабря 1994 г. 23 мая 2007 г.
NOAA-15 13 мая 1998 13 мая 1998 Настоящее время
NOAA-16 21 сентября 2000 г. 21 сентября 2000 г. 9 июня 2014 г.
NOAA-17 24 июня 2002 г. 24 июня 2002 г. 10 апреля 2013 г.
NOAA-18 20 мая 2005 г. 30 августа 2005 г. настоящее время
NOAA-19 6 февраля 2009 г. 2 июня 2009 г. настоящее время
Метоп-А 19 октября 2006 г. 20 июня 2007 г. настоящее время
Метоп-Б 17 сентября 2012 г. 24 апреля 2013 г. настоящее время
Метоп-С 7 ноября 2018 г. 3 июля 2019 г. настоящее время
Даты TIROS / NOAA с веб-сайта USGS и с веб-сайта NOAA POES Status

Рекомендации

дальнейшее чтение

  • 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 аэрозоля в калибровке спутникового датчика. Письма IEEE по геонаукам 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