卫星海洋学.docx

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卫星海洋学

海洋遥感技术

1、选择填空（20分）

2、名词解释（8个*2=16分）

3、简答题（5道，40分）

4、计算题、综合题。

计算题好像说是一道题，分值老师讲的不是很清楚，我也听不清楚。

一、填空题

1、传感器的扫描方式：

交叉轨道扫描，推扫式扫描，混合式扫描，圆锥式扫描等。

2、（第四章）1997年美国发射的装载着宽视场海洋观测传感器SeaWiFS的SeaStar卫星，SeaStar卫星的循环周期（recurrentperiod）是③，传感器SeaWiFS完成全球覆盖的重复周期为②，每个重复周期（repeatperiod）包含29个轨道周期，每个轨道周期（orbitperiod）为1.648小时。

在低纬度地区，SeaWiFS的再访问时间（revisitperiod）是②；在高纬度地区，SeaWiFS的再访问时间（revisitperiod）是①。

（选择：

①1天；②2天；③16天；④35天）

3、（第八章）MODIS热红外通道辐亮度Li通过__③___与该通道的黑体温度Ti相联系；MODIS热红外通道的黑体温度Ti通过__④___与海表面温度相联系。

（选择：

①基尔霍夫定律，②经验公式，③普朗克定律，④瑞利-金斯定律）

4、（第九章）平静海面的微波亮温T通过_④+⑤__与海面发射率e相联系，海面发射率e通过__①__与菲涅耳反射率ρ相联系，菲涅耳反射率ρ通过__②__与相对电容率εr相联系，相对电容率εr通过__③__与海表面温度和盐度相联系。

（选择：

①基尔霍夫定律，②菲涅耳公式，③德拜方程，④瑞利-金斯定律，⑤发射率定义）

5、（第九章）天线的半功率波束宽度与_②_成正比，与_①_成反比。

（选择：

①天线的孔径D，②电磁波的波长λ，③观测的天顶角）

6、（第九章）微波辐射计SSM/I反演风速的两种算法（包括SSM/I-GSW算法和SSM/I-GSWP算法）在风速小于15m/s条件下反演精度达到_①_。

（选择：

①2m/s，②1m/s）

二、名词解释

1、卫星轨道周期：

相邻两个升交点之间的时间区间被称为节点周期（nodalperiod）或者轨道周期（orbitperiod）。

2、一个“PASS”：

最南端与最北端之间的星下点轨迹被称为一个“PASS”。

3、一个“CYCLE”：

卫星环绕地球多圈后回到原来位置对应的星下轨迹被称为一个“CYCLE”。

4、传感器再访问时间（revisittime）指地球上某一地点被卫星装载的传感器先后两次观测的时间区间。

5、辐亮度（radiance）L表示沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量，它的定义是

式中dAcosθ是与波束方向垂直的面积元。

辐亮度L的单位是W﹒m-2﹒sr-1。

6、光谱辐亮度是指在单位波段或频率内沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量，

表示辐亮度相对于频率或波长的能量分布。

7、辐照度E表示通过单位面积的辐射通量，它的定义是

。

8、朗伯表面：

如果一个物体表面自发辐射或者反射的电磁波的辐亮度L不是φ和θ的函数，这样的表面被称为朗伯表面（Lambersurface）。

9、穿透深度是指辐照度衰减为原来初始值的1/e时，电磁波经过的距离。

10、光学厚度是指衰减系数沿传播路径的积分，其定义

。

11、光学质量是描述太阳光在大气层内沿θ方向的传播路径与垂直传播路径之比。

具体表达式是

。

12、大气窗是指大气透过率较大的频段或波段，探测海面的传感器的波段必须设计在大气窗口内。

13、水色三要素是指浮游植物的叶绿素（chlorophyll）、无机的悬浮物（inorganicsuspendedmatter）和有机的黄色物质（yellowsubstance或gelbstoff）；水色三要素的种类和浓度决定了水体的颜色。

14、如果浮游植物及其“伴生”腐殖质对水体的光学特性起主要作用，则该水体被称为第一类水体（CaseIwaters）。

15如果无机悬浮物（如浅水区海底沉积物的再次悬浮物和河流带来的泥沙）或黄色物质（又称溶解的有色有机物）对水体的光学特性有不可忽视的明显作用，则该水体被称为第二类水体（CaseIIwaters）。

16、水准面起伏是指大地水准面相对于参考椭球面之间的距离。

17、海面地形或海洋地形是指海表面（seasurface）相对于大地水准面（geoid）的距离。

18、海表面高度是指自由海表面相对参考椭球面之间的距离。

19、海表面异常是指海表面高度与平均海表面高度的偏差。

20、有效波高是指所有观测波浪中1/3最大波浪的波峰到波谷的平均长度，对于遥感，H1/3用来描述卫星高度计观测的海洋涌浪特性。

三、简答题

1、写出普朗克定律的表达式，解释公式中出现的每一个物理量和常数，并由此推导瑞利—金斯定律。

这两个定律分别适用于红外、可见光、微波波段三个波段中哪些波段的辐亮度计算？

基于量子理论，1900年普朗克提出了辐射定律。

该定律定量地描述了黑体自发辐射的辐亮度（radiance）L（λ），普朗克辐射定律是

（1）

式中在真空中的光速c=2.998×108m﹒s-1，普朗克常数（Planck’sconstant）h=6.626×10-34J﹒s，玻尔兹曼常数kb=1.381×10-23J﹒K-1，黑体温度T的单位是K。

将fλ=c、df=–（c／λ2）dλ以及L（λ）|dλ|=L（f）|df|代入（4-38），可获得普朗克辐射定律（PlanckRadiationLaw）的另一表达形式，即

一般地，地表物体以地表温度T（大约300K）辐射。

如果频率f低于600GHz，那么不等式hf/（kbT）<<1成立。

可获得泰勒公式的一阶展开式

（2）

把

（1）代入

（2），可获得瑞利-金斯定律（Rayleigh-JeansLaw）

红外、可见光适用于普朗克定律；微波适用于瑞利-金斯定律。

2、简要阐述米氏散射和瑞利散射的适用条件。

大气层空气分子的散射属于哪一种？

气溶胶散射对可见光、红外和微波（例如5.3GHz）波段各属于哪一种？

米氏散射适用于电磁波波长与粒子周长之比接近于于1的情况，而瑞利散射适用于电磁波波长与粒子周长之比远远小于1的情况。

大气层中空气分子的散射属于瑞利散射；气溶胶对于可见光和红外属于米氏散射，而对于微波属于瑞利散射。

3、在微波波段的辐射传输方程（radiativetransferequation）

各项和每个字母代表什么意义？

大气介质内部的基尔霍夫定律体现在何处？

第一项：

海表面向上自发辐射；第二项：

大气向上辐射；第三项：

大气向下辐射经海面后向上辐射；最后一项：

银河系噪音、宇宙背景辐射和太阳辐射等。

式中T（θ,h）是微波辐射计观测的亮温（brightnesstemperature）；Tu是大气向上辐射的亮温；ρ是海面的菲涅耳反射率（Fresnelreflectance）；Tgal和Tcos分别是银河系噪音（galacticnoise）等效温度和宇宙黑体辐射（cosmicblackbodyradiation）等效温度；Tsun是太阳表面温度，t是大气透过率。

基尔霍夫定律体现在大气向上辐射上，

。

4、微波辐射计为什么能遥感测量海表面温度和盐度？

要点：

a）微波辐射计属于被动微波遥感传感器，被动微波遥感的关键在于正确理解海面发射率。

b）根据瑞利-金斯定律，辐亮度在微波波段与海面亮温（brightnesstemperature）呈线性关系。

在不考虑大气校正时，辐射计探测到的海面亮温Tb与（SeaSurfaceTemperature）TS有下列关系

式中e（θ,f,ξ,Ts,Ss,U10,φ）代表粗糙海面发射率（roughseasurfaceemissivity），它是卫星观测角θ、微波频率f、辐射计极化状态ξ、海表面温度Ts、海表面盐度Ss、海面10米高处的风速U10和风向φ的函数。

在微波的高频波段（C波段、X波段、Ku波段和Ka波段），海面发射率对海表面盐度SS很不敏感；如果已知其它量，可由上述公式反演海表面温度TS。

在1.4GHz的L波段，海面发射率对海表面盐度SS非常敏感，如果已知其它量，可由上述公式反演海表面盐度。

因此微波辐射计能够反演海表面温度TS、海表面盐度SS和风速U10。

5、高度计测量海面地形原理是什么？

要点：

1）高度计轨道到地心的距离是已知的，设为H；同时其大地水准面也是已知的E；

2）高度计到海面距离可以通过高度计发射脉冲到接受后向散射时间间隔t进行计算h=c*t/2；

3）海面地形d是海面到大地水准面之间的距离，因此，d=H-h-E。

6、微波辐射计和散射计为什么能遥感测量海表面风速和风向？

有何不同？

要点：

a）微波辐射计接受来自海洋表面自发辐射，其发射率是海表面风速和风向的函数，我们可以建模求解得到其风速和风向。

b）散射计发射电磁波向下传播，遇到海面发射后向散射的电磁波携带着海面信息，称为雷达后向散射截面；后向散射截面是风速和风向的函数。

一般的散射计利用前、中、后三个天线对同一面元进行连续三次观测，求解后向散射截面关于风速、风向的方程组。

c）微波辐射计是被动遥感，接受的是海面自发辐射而散射计是主动遥感，接受的是其发射的后向散射。

4、计算题

1、（第四章）汽车两盏灯相距R=1.5m，人眼瞳孔直径D=4mm，问多少米时，人眼恰好能分辨出这两盏灯？

（黄绿光

=550nm）

解：

设最远为H米

由夫琅禾费圆孔衍射：

解得：

2、（第六章）已知400nm的紫光在纯净海水里的穿透深度大约是75米，700nm的红光在纯净海水里的穿透深度大约是3米，请计算海水对于可见光和红外光的复折射率的虚部。

将其与10GHz微波的复折射率的虚部n″=2.43比较，并阐述二者差别的物理意义。

在某些2类水体海域，400nm紫光的穿透深度仅达10米，700nm红光的穿透深度仅达1米，它们各自的复折射率的虚部是多少？

解：

由

得，

，所以海水对于可见光的复折射率的虚部

海水对于红外光的复折射率的虚部

二者差别的物理意义是海水对这两种电磁波的衰减不同

在某些2类水体海域,海水对于紫光的复折射率的虚部

海水对于可见光的复折射率的虚部

第一章

2、名词解释：

ElNiño、LaNiña、ENSO、TOGA、TAO、NOAA/TIROS、TOPEX/Poseidon。

ElNiño：

厄尔尼诺（ElNiño）在西班牙语中的意思是“圣婴”。

厄尔尼诺是指赤道太平洋东部和中部海表面温度持续异常偏高的现象，该现象首先发生在南美洲的厄瓜多尔和秘鲁太平洋沿岸附近，多发生在圣诞节前后，因此得名。

LaNiña：

拉尼娜（LaNiña）的意思是“小女孩”。

拉尼娜现象表现为赤道太平洋东部和中部海表面温度持续异常偏低。

ENSO：

　赤道太平洋海面水温的变化与全球大气环流尤其是热带大气环流紧密相关。

其中最直接的联系就是日界线以东的东南太平洋与日界线以西的西太平洋—印度洋之间海平面气压的反相关关系，即南方涛动现象（SO）。

在拉尼娜期间，东南太平洋气压明显升高，印度尼西亚和澳大利亚的气压减弱。

厄尔尼诺期间的情况正好相反。

鉴于厄尔尼诺与南方涛动之间的密切关系，气象上把两者合称为ENSO。

TOGA：

热带海洋和全球大气计划。

为了研究热带海洋和全球大气的月际到年际变化，从而推动气候变化及异常气象问题的研究，提高和改善海洋环境和气候预报能力，政府间海洋学委员会和世界气象组织共同发起了热带海洋和全球大气研究计划（toga）。

该计划分准备阶段、外业调查阶段和室内资料分析整理三个阶段，从1985年到1995年，共进行10年。

其中，第一个5年为普查阶段，第二个5年为详查阶段，即所谓加强监视期。

在第二个5年中，又设计了一个连续四个月的加密调查阶段，即所谓强化观测期。

NOAA/TIROS是太阳同步极轨气象卫星，也被称为极轨业务环境卫星，该卫星可为全球各国提供免费的当地数据接收服务。

TOPEX/Poseidon是在1992年8月，由美国宇航局（NASA）和法国国家空间研究中心（CNES）联合发射的高度计专用卫星。

8、大作业（Project）

第二章

1、什么波长范围的电磁波称为紫外、可见光、红外和微波等波段？

请分别用纳米（nm）和微米（um）作为单位叙述。

在热红外范围的哪两个波段可应用于海表面温度遥感？

微波遥感在哪个方面比可见光和红外遥感具有优势？

可见光和红外遥感在哪个方面比微波遥感具有优势？

并使用英文写出以上使用的专门名词。

紫外波段（ultraviolet）的波长为0.2～0.4um，即200～400nm。

可见光波段（visiblelight）的波长为0.4～0.7μm，即400～700nm。

红外波段（Infrared）的波长为0.7～1000μm，即700～1000000nm。

微波（microwave）的波长为103～106μm，即106～109nm。

在热红外范围的3～5μm和10～14μm两个波段可应用于海表面温度遥感。

微波遥感在哪个方面比可见光和红外遥感具有优势：

微波能穿透云雾，可以全天候工作。

可见光和红外遥感在哪个方面比微波遥感具有优势：

可见光波段是进行自然资源与环境调查的主要波段；摄影红外传感器对探测植被和水体有特殊效果。

热红外传感器可以探测物体的热辐射，然而，不能采用摄影方式探测地面的热红外辐射信息，需要采用光学机械通过扫描方式获取；热红外辐射计可以夜间成像，除用于军事侦察外，还可以用于调查海表面温度、浅层地下水、城市热岛、水污染、森林探火和区分岩石类型等，有广泛的应用价值。

紫外波段——ultraviolet

可见光波段——visiblelight

红外波段——Infrared

微波——microwave

微波遥感——MicrowaveRemoteSensing

可见光和红外遥感——Visibleandinfraredremotesensing

海表面温度——Seasurfacetemperature

10、名词解释：

Argos、GPS、TOGA、TAO、NOAA/POES、Aqua、ADEOS、MOS-1。

给出下列传感器AMSR、SeaWinds、AMSR-E、AMSU、MODIS的英文全名和装载它们的卫星名称。

Argo：

为实时地转海洋学研究布放的漂流浮标阵列（ArrayforReal-timeGeostrophicOceanography）

GPS：

（美国）全球定位系统（GlobalPositioningSystem）

TOGA：

热带海洋和全球大气计划（TropicalOcean&GlobalAtmosphereprogram）

TAO：

热带大气海洋计划（TropicalAtmosphereOceanproject）

NOAA/POES：

美国国家海洋大气局管理的诺阿/极轨环境卫星（NOAA/Polar-orbitingOperationalEnvironmentalSatellites，亦即NOAA/TIROS卫星）

Aqua：

美国2002年发射的地球观测系统卫星EOS-PM，别名AQUA

ADEOS：

（日本）高级地球观测卫星（ADvancedEarthObservingSatellite）[在非学术性报刊上的俗名是“绿色”，例如，ADEOS-1是绿色一号，ADEOS-2是绿色二号]

MOS-1：

（日本）海洋观测卫星（MarineObservationSatellite）

AMSR：

（日本）高级微波扫描辐射计（AdvancedMicrowaveScanningRadiometer）

装载卫星：

日本的ADEOS-II卫星

SeaWinds：

（美国）“海风”散射计装载卫星：

QuikSCAT和ADEOS-II

AMSR-E：

（美国）EOS卫星携带的[日本]高级微波扫描辐射计（AdvancedMicrowaveScanningRadiometerforEOS）装载卫星：

美国EOS-PM（Aqua）卫星

AMSU：

（测大气层垂直空气柱的）高级微波探测装置（AdvancedMicrowaveSoundingUnit）装载卫星：

美国的NOAA/TIROS系列卫星

MODIS：

（美国）中等分辨率成像光谱仪（ModerateResolutionImagingSpectro-Radiometer）装载卫星：

美国宇航局发射的EOS-TERRA和EOS-AQUA卫星

第三章

2、哪一个卫星携带的什么传感器采用的C波段？

如果一个雷达的频率是5.3GHz,它的波长应是多少厘米？

哪一个卫星和什么传感器采用的Ku波段？

如果一个雷达的频率是13.4GHz,它的波长应是多少厘米？

（提示：

电磁波的相速度等于光速）。

ENVISAT卫星携带的高级合成孔径雷达ASAR（AdvancedSyntheticApertureRadar）采用C波段；ERS-1和ERS-2卫星携带的AMI（ActiveMicrowaveInstrument）和雷达高度计RA（RadarAltimeter）也采用C波段。

QuikSCAT卫星上搭载的SeaWinds（“海风”散射计）采用13.4GHz/Ku波段，ADEOS-1卫星上搭载的NSCAT（NASA’sScatterometer）采用13.995GHz/Ku波段，TOPEX/POSEIDON卫星上搭载的SSALT（SolidStateAltimeter）采用13.65GHz/Ku波段，ENVISAT卫星装载有13.5GHz/Ku波段的雷达高度计。

3、举例介绍可见光和近红外辐射计、热红外辐射计、微波辐射计、合成孔径雷达、高度计、散射计的一至两项主要用途。

指出属于被动（不辐射电磁波而只接受被检测体的辐射）还是主动（既辐射电磁波又接受其在被检测体的回波信号）遥感方式，并指出属于可见光、红外、微波三种波段类型中何种。

如果一个雷达的频率是1.5GHz,它的波长应是多少厘米？

可见光和近红外辐射计在水色卫星上用来遥感海水叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度以及海水漫衰减系数等，属于被动遥感方式。

热红外辐射计在气象卫星和海洋卫星上用来遥感海面上空水汽含量、大气剖面温度和湿度以及海表面温度等。

微波辐射计是一个被动微波雷达，它可以测量海面反射、散射和自发辐射的辐亮度和微波亮温，并由此可估计风速、水蒸汽、可降水量、海表面温度、海表面盐度和冰覆盖量等。

合成孔径雷达是一个具有较高空间分辨率的主动雷达，它利用多普勒效应获得较高的空间分辨率，可测量涌浪、内波、降雨、海流边界、海冰位置及性质、大块浮冰的速度等。

合成孔径雷达图像多用于国土调查、农林渔业、环境保护和灾害监测，还可应用于水灾监测、作物估产、油污调查、海冰监测和海洋内波研究等方面。

高度计是一个垂直探测的主动雷达，它可监测卫星与地球之间距离、海表面地形和粗糙度，并由此估计风速、表面海流和有效波高。

2007年10月我国发射了首颗绕月探测卫星“嫦娥一号”，通过激光高度计获得了高分辨率的月球表面立体图像。

散射计是一个宽刈幅主动雷达，通过测量海表面粗糙度可以计算海表面风速和风向，属于微波波段。

第四章

4、填空：

1997年美国发射的装载着宽视场海洋观测传感器SeaWiFS的SeaStar卫星，SeaStar卫星的循环周期（recurrentperiod）是③，传感器SeaWiFS完成全球覆盖的重复周期为②，每个重复周期（repeatperiod）包含29个轨道周期，每个轨道周期（orbitperiod）为1.648小时。

在低纬度地区，SeaWiFS的再访问时间（revisitperiod）是②；在高纬度地区，SeaWiFS的再访问时间（revisitperiod）是①。

（选择：

①1天；②2天；③16天；④35天）

6、汽车两盏灯相距R=1.5m，人眼瞳孔直径D=4mm，问多少米时，人眼恰好能分辨出这两盏灯？

（黄绿光

=550nm）

解：

设最远为H米

由夫琅禾费圆孔衍射：

解得：

第五章

1、请将下列电磁波按波长由小到大顺序排列：

近红外，远红外，中红外，C波段，Ku波段，X波段，红光，蓝光，绿光，紫外线，黄光，黄绿光，黄红光，热红外线。

紫外线、蓝光、绿光、黄绿光、黄光、黄红光、红光、近红外、中红外、热红外、远红外、Ku波段、X波段、C波段

6、给出反射率、吸收率、发射率、透射率的定义和英文表述，它们的基本关系是什么？

基尔霍夫（Kirchoff）定律条件是什么？

在条件满足的情况下该定律表达什么思想？

吸收率（absorptance）a（λ）定义如下

使用辐照度之比定义的吸收率也称为半球吸收率（hemisphericalabsorptance）。

反射率（reflectance）r（λ）定义如下

使用辐照度之比定义的反射率也称为半球反射率（hemisphericalreflectance）。

透射率（transmittance）t（λ）定义如下

使用辐照度之比定义的透射率也称为半球透射率（hemisphericaltransmittance）。

在介质内部，吸收率a（λ）、反射率r（λ）和透射率t（λ）之间存在一个守恒关系式

用发射率取代上式中的吸收率，获得了一个派生关系

基尔霍夫（Kirchoff）定律条件是处于当地热动态平衡（localthermodynamicequilibrium）条件下。

发射率e（λ）（Emissivity）的定义是

式中M（λ）是与立体角无关的发射度，E（λ）是辐射源发射的辐照度，MBLACK（λ）是与辐射源具有相同温度的黑体的发射度，EBLACK（λ）是与辐射源具有相同温度的黑体发射的辐照度。

在条件满足的情况下，它表明吸收能量的速率和辐射能量的速率相等。

7、简要阐述普朗克定律、斯忒藩-玻尔兹曼定律、瑞利-金斯定律、维恩位移定律的联系，并从普朗克定律推导其余三个定律。

基于量子理论，1900年普朗克提出了辐射定律。

该定律定量地描述了黑体自发辐射的辐亮度L（λ），普朗克辐射定律（PlanckRadiationLaw）是

式中λ是电磁波的波长。

这里，在真空中的光速c=2.998×108m﹒s-1，普朗克常数h=6.626×10-34J﹒s，玻尔兹曼常数kb=1.381×10-23J﹒K-1，黑体温度（blackbodytemperature）T的单位采用开氏温标（Kelvindegree）。

将fλ=c、df=–（c／λ2）dλ以及L（λ）|dλ|=L（f）|df|代入（5-38），可获得普朗克辐射定律的另一表达形式，即

（5-39）

式中光速c的单位是m/s，频率f的单位是Hz（赫兹）。

利用普朗克定律（5-39），将辐照度E（f）=

L（f）对频率积分，获得斯忒藩-玻耳兹曼定律（Stefan-BoltzmannLaw），即

式中σ=5.67×10-8W﹒m-2﹒K-4是常数。

普朗克辐射定律确定了黑体表面自发辐射的能量分布曲线，维恩位移定律指出了对应自发辐射最大值的波长位置。

一般地，地表物体以地表温度T（大约300K）辐射。

如果频率f低于600GHz，那么不等式hf/（kbT）<<1成立。

可获得泰勒公式的一阶展开式

把上式代入（5-39），可获得瑞利-金斯定律（Rayleigh-JeansLaw）

在普朗克定律（5-38）中，令dL（λ）/dλ=0，可获得对应着