第1章 绪论 1
1．1 引言 1
1．2 遥感的定义 2
1．3 卫星轨道 3
1．3．1 卫星轨道及其应用 3
1．3．2 卫星空间环境：太阳风暴、辐射压、南大西洋异常、重力扰动、空间碎片、死亡轨道
和射频干扰（RFI） 6
1．4 地球同步轨道卫星 8
1．5 太阳同步轨道卫星 9
1．6 成像技术 11
1．6．1 地球表面观测几何原理 11
1．6．2 交轨或摆扫式扫描仪 11
1．6．3 沿轨或推扫式扫描仪 13
1．6．4 混合式交轨扫描仪 14
1．6．5 分辨率 15
1．7 数据处理级别、存档、记录和处理 16
1．7．1 卫星影像数据的处理级别 16
1．7．2 数据存档 17
1．7．3 数据记录的格式类型 17
1．7．4 数据处理和存档中心 18
1．8 过去、现在和将来的卫星计划 18
1．8．1 美国的海洋卫星计划 19
1．8．2 其他卫星计划和卫星星座 20
1．8．3 2015年以前的卫星计划 21
第2章 海洋表面现象 25
2．1 引言 25
2．2 海洋表面的风和浪 25
2．2．1 波剖面随振幅的变化 27
2．2．2 波浪破碎、能量吸收和泡沫特性 28
2．2．3 均方根振幅和有效波高 31
2．2．4 海浪斜率 32
2．2．5 表面油膜 32
2．3 洋流、地转流和海面高度 32
2．4 海冰 35
第3章 电磁辐射 38
3．1 引言 38
3．2 电磁辐射的描述 38
3．2．1 电磁波谱段的划分 39
3．2．2 色散关系和折射系数 40
3．2．3 极化和斯托克斯参数 42
3．2．4 立体几何回顾 43
3．3 描述电磁辐射的方法 44
3．3．1 朗伯面 46
3．3．2 光谱特性 47
3．4 理想发射体的辐射 47
3．4．1 普朗克方程的特性 48
3．4．2 普朗克方程的频率形式 49
3．4．3 普朗克方程的一些极限形式 49
3．4．4 热发射 50
3．4．5 基尔霍夫定律 50
3．5 理想仪器 51
3．5．1 瑞利准则 52
3．5．2 简单望远镜 52
3．5．3 斜视观测仪器 54
3．5．4 有限带宽仪器和噪声处理 55
第4章 大气特性与辐射传输 57
4．1 引言 57
4．2 大气成分 57
4．2．1 大气中的水 59
4．2．2 云 59
4．2．3 气溶胶 60
4．2．4 臭氧 61
4．2．5 电离层自由电子 62
4．3 分子吸收与发射特性 62
4．3．1 分子消光 63
4．3．2 光学厚度与透过率 64
4．3．3 发射特性 65
4．4 散射 65
4．4．1 各向同性散射与散射相函数 66
4．4．2 瑞利散射和气溶胶散射 67
4．4．3 分子散射或瑞利散射 67
4．4．4 气溶胶散射或米氏散射 69
4．5 大气衰减 69
4．6 在理想仪器中的应用 73
4．7 辐射传输方程 74
4．7．1 热发射源项 74
4．7．2 散射源项 74
4．7．3 辐射传输方程的一般形式 76
4．8 特定条件下辐射传输方程的解 76
4．8．1 以吸收-发射为主的情形 77
4．8．2 单次散射近似 78
4．8．3 气溶胶单次散射 80
4．9 漫射透过率和天空光 80
4．9．1 漫射透过率 80
4．9．2 天空光 81
第5章 海-气界面的反射、透射和吸收 82
5．1 引言 82
5．2 海-气界面 83
5．2．1 散射的一般考虑 84
5．2．2 镜面反射与透射 85
5．2．3 毛细波表面的反射 86
5．3 穿过界面的透射 88
5．3．1 界面上下的入射辐射 88
5．3．2 折射收敛与发散 90
5．4 海水的吸收和散射特性 91
5．4．1 清洁海水的光学特性 92
5．4．2 辐照度反射率 94
5．4．3 离水辐亮度 95
5．4．4 两种遥感反射率 96
5．4．5 漫衰减系数 97
5．5 泡沫反射 97
第6章 海洋水色 99
6．1 引言 99
6．2 浮游植物、颗粒物和溶解物的吸收和散射特性 101
6．2．1 吸收光谱特性 102
6．2．2 散射特性 105
6．3 海洋水色卫星载荷 107
6．4 SeaWiFS、MODIS、VIlRS载荷特点和定标方法 110
6．4．1 SeaWiFS 111
6．4．2 SeaWiFS定标 112
6．4．3 MODIS 113
6．4．4 VIIRS 115
6．5 大气纠正和离水辐亮度反演 116
6．5．1 对总辐亮度的贡献 116
6．5．2 气溶胶程辐射的确定 120
6．5．3 CZCS大气校正算法 123
6．6 海表验证数据集与替代定标 123
6．6．1 海表验证数据集 124
6．6．2 替代定标 124
6．7 叶绿素反射率与荧光 126
6．7．1 反射率 126
6．7．2 荧光 127
6．8 经验算法、半解析算法与生物地球化学算法 127
6．8．1 NASA归档数据 128
6．8．2 生物光学经验算法 128
6．8．3 Garver-Siegel-Maritorena（GSM）半解析算法 135
6．8．4 NASA海洋生物地球化学模式（NOBM） 138
6．9 PACE计划 140
第7章 红外遥感海表面温度 143
7．1 引言 143
7．2 什么是SST 145
7．3 AVHRR、MODIS和VIIRS用于SST反演的波段特征 148
7．3．1 AVHRR、MODIS和VIIRS热红外波段 148
7．3．2 AVHRR数据形式 149
7．4 大气和海洋的红外特性 150
7．4．1 热红外波段的发射和反射 150
7．4．2 太阳辐射反射的贡献率 152
7．5 SST算法 153
7．5．1 背景知识 154
7．5．2 AVHRR业务化SST算法 156
7．5．3 Pathfinder、MODIS和VIIRS算法 157
7．5．4 SST匹配数据集 158
7．5．5 Reynolds和OSTIA SST数据集 161
7．5．6 先进沿轨扫描辐射计（AATSR） 162
7．6 云检测和掩模算法 163
7．6．1 云检测算法的基础知识 164
7．6．2 海洋先进晴空处理器（ACSPO）业务化算法 165
7．6．3 MODIS和VIIRS的云检测算法 167
7．7 数据的误差和偏差 168
7．7．1 SST数据误差分析 168
7．7．2 火山灰和沙尘暴的影响 169
7．8 其他GHRSST数据集和融合产品 170
7．8．1 数据产品和存档 170
7．8．2 GHRSST多源数据产品集（GMPE） 171
7．9 图解与实例 171
7．9．1 AVHRR图像分析 171
7．9．2 全球MODIS SST图像分析 173
7．9．3 从厄尔尼诺到拉尼娜的演变 173
第8章 微波成像仪简介 175
8．1 引言 175
8．2 常规天线特性 176
8．2．1 功率方向图 177
8．2．2 与功率方向图有关的立体角 178
8．2．3 增益 179
8．3 天线对表面辐射的观测 179
8．4 圆锥扫描仪和表面发射率 181
8．5 天线方向图校正（APC） 182
8．6 被动微波成像仪 184
8．6．1 多通道微波扫描辐射计（SMMR） 185
8．6．2 专用传感器/微波成像仪（SSM/I） 186
8．6．3 TRMM微波成像仪（TMI）和GPM微波成像仪（GMI） 188
8．6．4 先进微波扫描辐射计EOS（AMSR-E）及其后续者AMSR2 189
8．6．5 WindSat辐射计 191
第9章 大气和海洋表面的被动微波观测 193
9．1 引言 193
9．2 微波的大气吸收和透射 193
9．2．1 大气中氧气和水汽的吸收特性 194
9．2．2 氧气和水汽对大气透射率的贡献 195
9．2．3 水滴的透射率 196
9．3 微波辐射传输 198
9．3．1 辐射传输方程 198
9．3．2 太阳的影响 199
9．3．3 射频干扰（RFI） 200
9．3．4 法拉第旋转 201
9．3．5 反演的参量 202
9．4 表面波和泡沫对发射率的影响 202
9．4．1 海浪对发射率的贡献 203
9．4．2 无泡沫风生粗糙海面的方位向平均发射率 204
9．4．3 泡沫对发射率的贡献 205
9．4．4 方位角与垂直极化发射率和水平极化发射率的关系 207
9．4．5 4个斯托克斯参数与方位角的关系 209
9．5 温度和盐度 212
9．6 开阔海域算法 214
9．6．1 开阔海域算法的细节 214
9．6．2 SSMI算法 214
9．6．3 TMI、AMSR-E、AMSR2和WindSat算法 216
9．7 WindSat风速和风向反演 219
9．8 海冰算法 222
第10章 雷达 229
10．1 引言 229
10．2 雷达方程 229
10．2．1 点目标和面目标的雷达后向散射 230
10．2．2 极化 232
10．2．3 海洋和大气对雷达回波信号的影响 232
10．3 视场内σ0的确定 233
10．4 距离分辨 234
10．4．1 线性调频信号 236
10．4．2 脉冲重复频率 236
10．5 多普勒分辨 237
10．5．1 与观测角有关的多普勒频移 237
10．5．2 多普勒分辨率 240
10．5．3 地球的自转 240
10．6 海洋的后向散射 241
10．6．1 镜面和角反射 241
10．6．2 两种类型的海洋后向散射 241
10．6．3 机载观测试验 243
第11章 散射计 246
11．1 引言 246
11．2 背景 247
11．3 散射计风速反演 250
11．3．1 地球物理模式函数 251
11．3．2 用模式函数反演风速矢量 253
11．4 NSCAT散射计 254
11．5 AMI和ASCAT散射计 256
11．5．1 先进微波仪器（AMI） 256
11．5．2 METOP卫星搭载的高级散射计（ASCAT） 257
11．6 旋转波束散射计 258
11．6．1 SeaWinds散射计 258
11．6．2 内定标和噪声去除 261
11．6．3 大气透射率和降雨 262
11．6．4 风速和风向的反演精度 262
11．7 不同散射计的优缺点 264
11．8 ISS-RapidScat散射计 265
11．9 交叉定标的多平台风场 266
11．10 应用与实例 267
11．10．1 QuikSCAT观测大气锋面 267
11．10．2 半球风场 268
11．10．3 特万特佩克湾 269
11．10．4 极地冰研究 269
第12章 雷达高度计 271
12．1 引言 271
12．2 地球的形状 272
12．3 卫星高度计的发展历程 275
12．4 TOPEX/POSEIDON高度计 276
12．4．1 TOPEX/POSEIDON高度计轨道 276
12．4．2 TOPEX微波辐射计（TMR） 278
12．4．3 电离层 279
12．4．4 精密定轨（POD） 279
12．4．5 海上定标 281
12．5 JASON-1和JASON-2 283
12．5．1 JASON-1 283
12．5．2 JASON-2 283
12．5．3 在轨定标验证阶段 284
12．6 高度计脉冲与平坦海面的相互作用 284
12．6．1 可变指向角对测高的影响 284
12．6．2 脉冲有限覆盖区域 285
12．6．3 脉冲传播时间的确定 287
12．7 波浪对高度计回波的影响 288
12．7．1 小尺度粗糙度和风速U的确定 288
12．7．2 自动增益控制（AGC）和脉冲平均 288
12．7．3 涌浪的影响 289
12．8 海面高度反演中的误差分析 291
12．8．1 高度计仪器噪声 291
12．8．2 大气误差源 291
12．8．3 海况偏差 291
12．8．4 轨道误差 292
12．8．5 小结和误差讨论 292
12．8．6 环境误差源 293
12．9 应用与实例 294
12．9．1 大尺度的地转流 294
12．9．2 海面高度的季节变化 295
12．9．3 20年全球海平面变化趋势 297
12．9．4 涡流的西向传播 298
第13章 成像雷达 300
13．1 引言 300
13．2 背景知识 301
13．2．1 概述 301
13．2．2 分辨率和像元尺寸 302
13．2．3 极化 303
13．2．4 干涉雷达 303
13．2．5 过去、现在和将来的SAR卫星 305
13．3 SLR分辨率 306
13．4 SAR如何达到它的分辨率 306
13．4．1 由多普勒波束锐化推导SAR的分辨率 307
13．4．2 PRF的限制 308
13．4．3 信噪比限制 310
13．4．4 斑点噪声 310
13．4．5 辐射平衡 310
13．4．6 距离走动 310
13．5 RADARSAT-2 SAR卫星 311
13．5．1 成像模式 313
13．5．2 数据的存储和下传 315
13．6 其他运行的SAR卫星 316
13．6．1 先进合成孔径雷达（ASAR） 316
13．6．2 ALOS PALSAR 316
13．6．3 Sentinel-1A与Sentinel-1B 316
13．7 应用与实例 317
13．7．1 开阔海域 317
13．7．2 海冰 321
第14章 其他卫星任务：重力场测量任务、ICESat-1/2、CryoSat-2、SMOS和
Aquarius/SAC-D 326
14．1 引言 326
14．2 重力场测量任务 326
14．2．1 挑战小卫星载荷任务（CHAMP） 327
14．2．2 重力恢复与气候试验任务（GRACE） 327
14．2．3 重力场与稳态海洋环流探测器（GOCE） 329
14．3 ICESat-1、ICESat-2和CryoSat-2任务 330
14．3．1 ICESat-1 330
14．3．2 ICESat-2 331
14．3．3 ICESat-1的观测结果 332
14．3．4 CryoSat-2 335
14．4 SMOS和Aquarius/SAC-D 336
14．4．1 土壤湿度与海洋盐度（SMOS） 337
14．4．2 Aquarius/SAC-D 337
参考文献 341
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