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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,同步卫星大气微波遥感云图接收与应用的研究,1,主要内容,卫星及同步气象卫星介绍,微波大气遥感的物理基础,DH3932,型大气物理探测系统,根据气象卫星云图对气象进行分析,2,卫星介绍,人造地球卫星的运行轨道有圆形和椭圆形两种，,地球处于圆形轨道的圆心或椭圆轨道的一个焦点上。,如果卫星的轨道是圆形的、且轨道平面与地球的,赤道平面重合，同时离地球表面的高度约35800,Km，,其飞行方向又与地球自转方向相同，绕地球一周的时,间恰好与地球自转时间一致，此时卫星从地球看上去,宛如静止一般，这种相对地面静止的卫星叫做静止卫,星或同步卫星。,3,气象卫星简介,气象卫星又分极轨气象卫星和同步气象卫星两种。本实验所用的资料来自日本,GMS,(,Geostationary Meteorological satellite),同步气象卫星播发的卫星云图信号 ，,GMS,同步气象卫星位于东经140度赤道上空，覆盖面积包括日本，中国等亚洲大部分国家。,4,气象卫星特点,高时间分辨率，高光谱分辨率，大面积覆盖；,中等或低空间水平分辨率；,数据接收处理系统相对简便；,全球数据交换容易；平时不保密；,可多址联接，组网灵活 ；,建设费用、维护费用与通信距离无关 。,5,气象卫星发展趋势,（1）2005年，国际,极轨气象卫星星座有中、美、欧三家4-5颗卫星组成，每3小时就可以获取整个地球系统的数据，全球大气探测数据更新更快。对天气预报、地球环境预测非常有利！,6,气象卫星发展趋势,（2）从目前到2010年左右，全球静止气象卫星的观测频次将逐步从目前的每小时观测一次过渡到数分钟快速观测，对灾害性天气系统发展的监测将更为有效！,7,目前全球观测系统的组成,8,Images of hurricanes help with intensity and track forecasts,9,High Density Winds associated with Hurricane Bonnie,10,极轨卫星平台的发展趋势,平台向两极发展：从单一观测平台向大的综合性地球观测平台发展；作为补充发展廉价而高质量、灵活多用的小卫星平台；,轨道和姿态控制精度更高(为气候观测设计);,仪器指向可变平台(重复观测重要现象);,高可靠和长寿命平台(,EOS,卫星设计寿命为6年, 实际期望达到8年),11,静止卫星平台的发展趋势,遥感平台向三轴稳定方向发展,遥感仪器向多通道，高空间分辨率方向发展,探测仪器向高光谱分辨率和微波仪器方向发展,（,微波波长较长，可穿透非降水云看到下垫面，或穿透降水云顶部卷云直接遥感降水内部信息）,12,未来10年卫星大气探测可能达到的水平,温度廓线：,目前精度：均方根误差：2 度,10年后精度：均方根误差：1度以内,湿度廓线：,目前精度：均方根误差：20%,10年后精度：均方根误差：10%以内,可以反演大气污染气体浓度,13,EOS,卫星及其应用,是目前最先进的卫星系统,装备有目前最先进的,MODIS,光学遥感仪器,。,地球观测系统（,EOS）,主要由极轨环境卫星系统组成，包括：,上午轨道卫星（,EOS-AM,系列），,下午轨道卫星（,EOS-PM,系列）和,大气化学观测卫星（,EOS-CHEM）,等三个主要系列。,14,EOS-AM1,于1999年12月18日成功发射,卫星发射成功后命名,Terra,（,拉丁文：地球母亲）,15,轨道高度: 705,KM,直径: 3.5,m,长度: 6.8,m,重量: 5190,kg,功率: 2530,W,平均,设计寿命: 6 年,数据速率: 15,Mbps DB（,直接广播）；,150,M Mbps for Playback,16,每颗卫星上的,MODIS,数据都公开实时广播；,有36个光谱通道，2个通道空间分辨率高达250米，5个通道空间500米，分别是,NOAA/AVHRR,分辨率的18倍和5倍,；,每条轨道扫描宽度达2330公里，2-3条轨道即可覆盖我国全部国土，双星系统每天全覆盖观测我国四次；,目前其他气象卫星不能比拟。,EOS/,MODIS,特点,17,18,19,20,21,微波大气遥感的物理基础,气象卫星应用微波遥感技术进行大气探测。,在微波波段范围（,300MHz,300GHz,，波长,1m,1mm,）内，大气对电磁波的传输几乎没有影响，所以微波遥感具有全天侯、全天时的探测能力，而且微波对某些介质具有一定的穿透能力。,微波遥感分为主动微波遥感,(,或有源微波遥感,),和被动微波遥感,(,或无源微波遥感,),22,所谓遥感，就是在一定距离以外，不直接接触被测物体和有关的物理现象，通过探测器接受来自被测目标（物体）发射或反射的电磁辐射信息，并对其处理、分类和识别的一种技术。收集电磁辐射信息的装置叫做传感器，装载传感器的设备（如卫星）称做运载工具。,遥感探测技术可包括下面三个重要的组成部分：,1.遥感信息获取手段的研究，主要是研究在各个电磁波工作波段的各类传感器的特性（如用于可见光波段的光电倍增管，用于红外波段的,HgCdTe,半导体探测器等）；,2,.,各类物体的辐射波谱特性，以及这种信息传输规律的研究；,3.遥感数据的处理以及分析判读技术的研究。,微波大气遥感的物理基础,23,被动遥感,自然界一切物体都辐射电磁波,我们可用温度的高低来表示微波辐射功率的大小，,一个微波辐射计所接收到的功率可写成,24,主动遥感,雷达系统的发射天线向一个孤立目标发射微波信号，然后用同一天线接收这个目标散射的信号。,如果雷达系统发射功率为,Ps,，天线增益为,G,A,为目标截取入射波束的有效面积，则有单基地雷达方程,25,DH3932,型大气物理探测系统,由北京大华无线电仪器厂生产的,DH3932,型大气物理探测系统是用于接收,GMS，FY2B,同步气象卫星所播发的低分辨率云图信号的设备,室外部分,包括,馈源,、,1.2米抛物面,反射天线、,高频箱,、,同轴电缆,等,室内部分,包括,接收机,、,进机卡和微机,26,DH3932,接收机,DH3932,接收机系二次超外差式接收机。它由微波低噪声场放、一本振、一混频、一中放、二本振、二混频、二中放、鉴频器、,2.4KHz,滤波器、同步检波器、,15V,电源等部分组成。其中，由前放、二本振、二混频、二中放、鉴频器组成第一解调部分；由,2.4KHz,滤波器和同步检波器组成第二解调部分 。,27,DH3932,接收机技术指标,工作电源：电压220,V10，,频率50,Hz5,系统噪声系数：1.2,dB,第一本振频率稳定度：210,-5,第一中频：137.5,MHz；,第二中频：10.7,MHz；,第二中频带宽：32040,KHz；,总增益：80,dB；,增益控制：手控50,dB，,自控50,dB;,2.4KHz,副载波输出：0.90.1,V；,图像信号输出：05,V（,可调）；,副载波、图像信号失真度均3。,28,DH3932,系统组成,场放,一混频,I,解调（二混频、二中放、鉴频器）,一本振,一中放,滤波器,II,解调（2.4,KHz,滤波器、同步检波器）,二本振,电源变压器,15,V,电源,微机,电源,137.5,MHz,1691,MHz,10.7,MHz,2.4,KHz,系统方框图,29,工作原理,当接收机置开机状态时，日本,GMS,同步气象卫星播发的1691,MHz,卫星云图信号，经抛物面天线、馈源、微波低噪声场放和50米同轴电缆输出1691,MHz,射频信号进入接收机第一混频器内，与机内1553.5,MHz,第一本振信号进行混频，输出137.5,MHz,第一中频信号，然后与126.8,MHz,第二本振信号进行二次混频，输出10.7,MHz,第二中频信号，该信号经过放大，进行鉴频，解调出副载波信号经2.4,KHz,滤波器后进行同步检波，输出图像信号至微机中的进机卡，图像处理软件系统则对图像进行处理、显示、存储。,30,天线是由一块优质铝板制成，为抛物面形状，它们将一束平行与抛物面轴的射线经反射后聚焦在抛物面焦点处，由馈源振子接收，经馈线送至微波低噪声场放中。馈源是抛物面天线的“心脏”，它的电性能和机械结构对整个天线性能有很大影响。馈源是由一对半波振子和一个金属圆盘组成。在一般情况下，馈源的相位中心不在振子中心，而在振子与圆盘之间的某一个小区域上，调整馈源时,，,应使这个区域处于抛物面的焦点处。本天线的馈源位置已调好。,DH3932,系统组成,31,微波低噪声场放是由两极,FET,放大电路组成，由于低噪声,FET,放大器前端接有隔离器，因此放大器与馈源部分有良好的匹配。整个电路性能稳定可靠，增益高，降低了整个系统的噪声，提高了系统的灵敏度。,DH3932,系统组成,32,图像处理,系统由大气物理探测系统应用软件和,BH5105 A/D,卡硬件组成。,打开计算机机箱，将,BH5105A/D,卡插入，将随机带的连接线分别连至接收机的输出端和,A/D,卡的输入端,。,启动计算机，安装云图接收程序。,一切准备好后，就可以接收卫星信号了。,33,卫 星 云 图 简 介,34,卫星云图是气象卫星最易最早进行的观测项目之一，也是最早在气象业务发挥作用的卫星资料。它为天气预报提供云参数、大气流场和各种大气物理过程等重要的气象信息，能监视常规天气图上无法发现的中、小尺度灾难性天气现象，能提供海洋、高原、沙漠和森林地区气象资料，卫星云图的应用表现出广阔的前景。,卫星云图,35,一、卫星云图的基本特征,（一）,基本种类,1.,可见光,卫星仪器在可见光谱段测量地面、云面的反射太阳辐射，经过转换得到的云图。,2.,红外图,卫星在10.512.5微米通道得到的云图。,3.,水气图,卫星在6.7微米为中心的水汽强吸收带测量辐射所得出的云图。,36,（二）基本特征,1、可见光云图的基本特征,反射太阳辐射的大小，决定云图的色调，反射大，色调白。通常受太阳高度角和目标物反照率影响。,在一定的太阳高度角下，,物体的反照率愈大，色调愈白；,早晚太阳高度角低，光照条件差，图片灰暗；冬季，太阳高度角低，色调灰暗。此外，卫星使用的观测通道不同，云图也有所差别。,表1和表2分别是目标物的反照率和色调。,37,表,1,是目标物的反照率,38,色 调,目 标 物,1 黑色,海洋、湖泊、大的河流,2 深灰色,陆地上大面积森林覆盖区、牧场、草地、耕地,3 灰色,塔里木沙漠、低碎云、大范围大雾、冬季高纬度的地表,4 灰白色,大陆上薄的中高云,5 白色,积雪、冰冻湖泊和海洋、中等厚度的云（中云、积云、层积云）,6 浓白色,大块厚云、积雨云团、多层云,表2是各目标物的色调,39,可见光云图中的雾区,锋面云带,图1是2002年12月12日8时32分可见光云图,40,图2是2002年12月12日8时32分可见光增强云图,可见光云图中的雾区,锋面云带,41,红外云图反映的是地面和云面的红外辐射或温度分布，,色调越黑，红外辐射越大，温度越高，,反之，温度越低。由此，可估计地面、云面温度的相对分布和云的相对高度。所以红外云图目标物的色调随温度的变化而变化，温度又随纬度、季节以及云的高度而变化,。,2、红外云图特征,42,表3可见光和红外云图的比较,43,图3是2002年12月12日8时32分红外云图,红外云图中的雾区,锋面云带,44,图4是2002年12月12日8时32分红外增强云图,锋面云带,红外云图中的雾区,45,在水汽图上，,色调愈白，表示水汽含量愈多。,对有云区，如卷云或积雨云，外形与红外云图相似，只是范围更宽一些；低于850,hpa,的低云和地表，图上不清楚；水汽图上的天气系统比红外更完整连续，大气环流特征更清楚,。,图5是2002年8月4日20时32分水汽图（右边是增强水汽图）,3水汽图特征,46,图6是2002年12月12日8时32分水汽图（右边是增强水汽图）,3水汽图特征,47,二、卫星云图的识别,（一）云图的一般用途,卫星云图不仅应用于气象，在海洋、地理、农业等科学领域都有广泛的使用。,48,(二)识别云图的步骤,1、区别云图种类，是可见光还是红外？,2、把云和地表、积雪、冷气团分开；,3、识别不同种类的云，高、中、低、稳定、不稳定云；,4、分析云的大范围分布，识别云系对应的天气系统，根据云图动画判断天气系统移动、发展、及未来演变；,5、根据云图及地面观测实况估计各气象要素，风、温度、湿度、大气稳定度、垂直运动、涡度及降水分布；,6、与常规天气图、雷达资料结合进行综合分析，为天气预报提供依据。,49,（三）识别云图的判据,1、结构型式。如带状-锋面云系、涡旋状-气旋、台风云系、细胞状-热力对流、波状-背风坡重力波云系,2、范围大小。锋面、气旋云系范围广，几千公里；积云、浓积云、积雨云范围小，几十到几百公里；,3、边界形状。如冷锋云带的气旋性弯曲，台风呈圆形,4、色调（亮度）。一般来说，云的色调随云的厚度加大而变白,5、暗影（可见光）。在一定太阳高度角下，高的目标物在低的目标物上的投影。,6、纹理。表示云顶表面光滑程度的一个判据。,50,（四）云的识别,1、卷状云。,卷云的高度最高，温度较低，在可见光云图上呈现淡灰色到白色不等，在红外云图上表现为白色，与地表、中低云形成明显反差。,2、积雨云。,色调最白，云顶比较光滑，小则几十公里，大到几百公里的云团。,3、中云。,常表现为一大片，范围可达两万到二十万平方公里，与天气系统相伴，形状各异，颜色从灰色到白色不等。,4、低云、雾。,颜色介于地表和中云之间，范围、大小随低云的种类不同而不同。,51,（五）云形成的机理,当空气达到饱和时，水汽就在某些气溶胶粒子上凝结而形成云雾。,其达到饱和程度有降温、增湿以及二者同时作用，降温最为重要。,降温过程有绝热上升、辐射冷却、和湍流热传导，上升运动对云的形成最为重要。,52,（六）云图处理,正常情况下，在黑白云图上，地表呈黑色，大雾和低云以及冬季的强冷空气团呈灰黑色，中云灰白色，高云白色，强对流云最白，,有时灰度对比差别不明显，为了更好的对云的识别，通过技术手段对云进行增强、伪彩色、强点、平滑等处理，增加对比度，可使地表、低云更加醒目、,Cb,位置更清楚。,云图动画就是将一段时间内的云图按时间顺序和相同的时间间隔逐个显示出来，从云系的发展、移动情况，推断出未来天气变化趋势。,53,增强锋面起旋云带,图7是2001年10月14日16时32分红外增强云图,图8是2002年8月25日18时25分红外伪彩色云图,图10是2002年8月25日18时25分红外中值滤波云图,伪彩色高空槽云带,中值滤波后的高空槽云带,Cb,处理对流云团,图9是2002年8月27日17时32分红外,Cb,增强云图,54,(七)云图中几个主要天气系统,增强锋面气旋云带,高空槽云带,台风云系,华南积雨云团,55,三、我国气象卫星,我国已发射极轨和静止两系列,7,颗气象卫星，是世界对地卫星观测系统重要成员国。,1988年9月和,l990,年9月,，我国先后成功地发射了,FY-1A、B,两颗极轨试验卫星,1997年,发射了,FY-2A,试验静止气象卫星,1999年,我国成功地发射了,FY-1C,业务极轨气象卫星,2000年,我国发射了,FY-2B,静止气象卫星,2002年,，我国发射了,FY-1D,业务极轨气象卫星，同,FY-1C,首次组成极轨双星业务星座,2004,年,北京时间,10,月,19,日,9,时,20,分，我国自主研制的第一颗业务型地球静止轨道气象卫星,-“,风云”二号,C,星，在西昌卫星发射中心由“长征”三号甲运载火箭发射升空。,全球植被图,56,风云一号,C,星的,第一张云图,57,沙尘暴的监测,风云一号,C,星图象,沙 尘 暴,58,洪水的监测,国家卫星气象中心利用我国风云一号,C,星极轨气象卫星1999年7月25日上午9时（北京时）的资料对洞庭湖地区局部范围的水情进行了监测。云图上洞庭湖及周边地区全部为晴空。图中可见，洞庭湖及周边地区有较明显的超出警戒水位的水体，超警水体面积为167.85万亩，其中湖南省益阳地区超警戒水体面积为31.64万亩，岳阳市湘阴县超警戒水体面积为30.43万亩。,59,“长征”三号甲运载火箭发射升空,60,“风云”二号,C,星在西昌卫星发射中心成功发射升空,61,“风云”二号,C,星，在西昌卫星发射中心由“长征”三号甲运载火箭发射升空。火箭起飞约,24,分钟后，西安卫星测控中心及在太平洋上执行测控任务的“远望”号航天测量船报告，“风云”二号,C,星已成功进入地球同步转移轨道，发射获得圆满成功。卫星经过一系列控制，最后将定点于东经,105,度赤道上空。,“风云”二号是我国自主研制的地球静止轨道气象卫星，其,A,星和,B,星为试验卫星，分别于,1997,年和,2000,年发射升空。这次发射的,C,星是我国第一颗业务型地球静止轨道气象卫星，整体性能比前两颗全面提高，达到国际新一代同类气象卫星的水平。,62,“风云”二号,C,星重,1.38,吨，技术性能有多项改进，其中星上扫描辐射计通道由原来的,3,个增加到,5,个，可获取白天可见光云图、昼夜红外云图和水汽云图，收集气象、海洋、水文等观测数据，播发展宽数字图像、低速率云图资料，监测空间环境数据等；卫星的定量观测能力进一步增强，可对台风、降水、海温、云层、太阳辐射、空间粒子辐射等进行定量监测；星上的蓄电池容量增大，提高了供电能力，保证卫星在星蚀期正常工作。,63,我国从,1988,年发射第一颗气象卫星以来，共发射了,7,颗气象卫星，全部由中国航天科技集团公司所属上海航天技术研究院为主研制，其中,4,颗为“风云”一号极轨气象卫星，,3,颗为“风云”二号静止轨道气象卫星。这次发射的“风云”二号,C,星，可覆盖以东经,105,度赤道上空为中心的地球表面三分之一区域。根据国家气象卫星发展计划，今后几年我国还将发射多颗“风云”二号业务型气象卫星，建成能够连续运行的系列化静止气象卫星业务系统，以满足气象预报和对地球大气环境监测等的需要。,64,用于发射“风云”二号的“长征”三号甲运载火箭，推力,300,吨，起飞质量,243,吨，全长,52.52,米，是我国发射高轨道卫星的主力型运载工具。自,1994,年,2,月,8,日首次发射以来，,9,次发射全部成功。这次是“长征”三号甲运载火箭第一次发射气象卫星。,这次发射是长征系列运载火箭第,81,次飞行，也是自,1996,年以来我国航天发射连续第,39,次获得成功。,65,风云系列卫星,风云三号,2008,年月日我国首颗新一代极轨气象卫星风云三号于时分在太原卫星发射中心成功发射。,卫星在轨测试合格后，交付中国气象局国家卫星气象中心使用，并为北京奥运会提供了气象服务,。,66,1 卫星信号强度与天线方位角和仰角的关系,日本的,GMS,静止卫星位于赤道上空，东经140，距离地面高度,h=35800,公里，发射信号频率为1691,MHz。,为接收该卫星信号，接收地面站的天线应有合适的方位角和仰角。以正北方向规定为天线方位角的起点，顺时针方向转,A,度，天线中心线在水平面上的正投影线与正北方向的夹角,A,定为天线方位角，计算公式如下:,A=,180+arctantan(,X-Z,)/sin,Y,式中,X,为地面接收站的经度，,Y,为纬度，,Z,为,卫星的纬度。,实验内容,67,天线仰角就是天线中心线与水平线之间夹角，计算公式如下,H,式中,R,为地球的半径，公式的详细推导可见有关参考文献。,实验内容,68,首先把场放（微波低噪声放大器）接到天线后面的接头处，用电缆将场放和接收机的射频输入连接。在正点前10分钟，将接收机通电，把天线方向调制方位角145，仰角45处。用接收机前面板的“手控”档和“中频”档，调,手控电位器,，使表头（中频信号）指示为0.12,V，,按照卫星工作时间表（一般从正点开始），用卫星信号调整天线方位角、仰角、馈能的极化方向，当有信号时，接收机会发出响声，表头指示明显增大（约为0.34,V）。,以方位角145，仰角45为起点，调整天线方向，作出卫星信号强度 （表头指示）与天线方位角和仰角的关系曲线。馈源的焦距位置已由厂家调好，不需要调节。,实验内容,69,图象处理系统由和两个软件组成，其中软件用来接收每天正点播发的卫星云图，该软件可24小时运行。当来卫星信号时，请不要给该软件任何指令。接收到的卫星云图会自动存到计算机内，并通过软件查看,打开,软件，点击,文件,-,打开,-,点击要看的文件,-,打开,，屏幕显示要看的云图。点击,云图动画,-,选择图类,-,点击所选的卫星云图,-,确认,-,点击云图动画下面的,三角标志,，可以看到下一张（或上一张）卫星云图，由此可以观察云的演变过程，计算云的运动速度，预测未来天气的变化。,2 卫星云图的识别与应用,70,根据云的识别六个判据，分析卫星云图，要求提供必要的数据，如云的尺度，云顶的温度，云的运动速度等。,（1)分析我国上空的云图及对应的天气根据云系特点及运动方向，预告未来天气变化。,（2）分析其他国家上空的云图及对应的天气根据云系特点及运动方向，预告未来天气变化。,71,备注：卫星云图上各英文字母的含义是，,H,代表红外（,IR，Infrared），I,是可见光（,VS，Visible）,云图，,J,为增强的红外云图（,Enhanced IR），a,b,c,d,为地球圆盘图的四个部分（红外云图），,k,l,m,n,为地球圆盘图的四个部分（水汽图）。云图上方的英文说明代表日本的第五颗,GSM,卫星，什么云图（红外,IR，,可见光,VS，,水汽图,WV），,年月日时，云图代号等。其中的时间加八小时即为北京时间。,72,谢 谢！,73,
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