本發(fā)明涉及海洋測量技術(shù)，特別是一種基于水體皮溫-表溫同步測量裝置對大范圍海域表層水體溫度的三維同步測量，以對衛(wèi)星熱紅外傳感器進行在軌場地定標及衛(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品現(xiàn)場檢驗的方法。

背景技術(shù)：

海表溫度(seasurfacetemperaturesst)是海洋上層水體最重要的物理參數(shù)，也是一種重要的海洋生態(tài)環(huán)境參數(shù)。sst具有非常廣泛的應(yīng)用，包括在海氣相互作用、全球氣候變化、中尺度海洋過程、水團和海洋生態(tài)環(huán)境等研究、海洋數(shù)值模擬、近岸熱污染評價等許多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價值。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)已經(jīng)成為海表溫度探測的最主要手段，大量基于衛(wèi)星遙感探測的衛(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品也被廣泛應(yīng)用。衛(wèi)星熱紅外傳感器在軌運行過程中，由于各種元器件老化、太空環(huán)境等因素的干擾，儀器的性能和靈敏度會不斷衰減，導(dǎo)致整個遙感系統(tǒng)的輻射性能與發(fā)射前實驗室檢校結(jié)果之間產(chǎn)生一定偏差，從而影響熱紅外遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因此需要對熱紅外傳感器進行在軌場地定標，以保證衛(wèi)星熱紅外傳感器的測溫精度，從而保證衛(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品的反演精度。而在對熱紅外傳感器進行在軌定標時，需要準確測量與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)像元對應(yīng)范圍內(nèi)水體的皮溫。

另一方面，物理海洋學研究，一直以來都是采用次表層(0.5～1.0米甚至數(shù)米)水溫作為海洋與大氣“相互作用”的溫度，因此，目前衛(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品反演的溫度也是次表層溫度，是利用衛(wèi)星遙感信號與次表層水溫的統(tǒng)計關(guān)系建立的估算模型計算得到的。為了檢驗衛(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品估算的溫度精度，需要用現(xiàn)場測量的次表層溫度與衛(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品估算的溫度進行對比，以評價sst估算模型的精度。因此，在對衛(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品現(xiàn)場驗證(檢驗)時，需要準確測量與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)像元對應(yīng)范圍內(nèi)水體的表溫。

目前，對衛(wèi)星熱紅外傳感器在軌定標或?qū)πl(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品反演真實性檢驗進行的現(xiàn)場溫度測量，通常是選擇在衛(wèi)星過境前后1小時(甚至更長時間差)當中開展現(xiàn)場測量工作，而且還是以現(xiàn)場單點觀測(觀測站點，觀測船或浮標)為主。這其中存在兩個方面的問題：①現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)之間時間上不同步：有大約1小時的時差。②現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)之間空間上不匹配(點狀實測數(shù)據(jù)與遙感像元面狀數(shù)據(jù)空間不匹配)：衛(wèi)星熱紅外傳感器獲得是所在像元海域的平均溫度，而海洋表層溫度在水平分布上變化很劇烈，特別是有鋒面存在的海域，因此，現(xiàn)場實測獲得的單點測量數(shù)據(jù)不能夠代表其所在像元海域的平均溫度。從而嚴重影響定標和檢驗的可靠性和可信度。

有鑒于此，申請人的在先專利zl201310400448.8(名稱：水體皮溫-表溫同步測量裝置對衛(wèi)星遙感定標的方法)公開一種水體皮溫-表溫同步測量裝置，包括測溫系統(tǒng)、壓力感應(yīng)測深裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該裝置可以同步測量水體皮溫和表溫，準確測量水體表層(1米水深)的水溫三維分布，而且該裝置的測量頻率為每1秒測量一次，因此，實測數(shù)據(jù)在時間上可以與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)同步到秒級，有效解決上述的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)之間時間上不同步的技術(shù)問題。同時該在先專利也公開了一種衛(wèi)星遙感的在軌定標方法，其包括步驟1：在同一水域，分別采用水體皮溫-表溫同步測量裝置以及熱成像儀同時對該水域的水體皮層進行溫度測量；步驟2、將所述水體皮溫-表溫同步測量裝置的測量結(jié)果與熱成像儀的測量結(jié)果進行比對，以完成水體皮溫-表溫同步測量裝置到熱成像儀的定標傳遞；步驟3、采用定標傳遞后的熱成像儀快速獲取貫穿衛(wèi)星遙感圖像像元的條帶狀水體的皮溫，基于modtran模型模擬海表-星間紅外輻射傳輸，對與現(xiàn)場溫度測量同步的衛(wèi)星熱紅外傳感器進行在軌定標。

可以看出，其為了解決點狀實測數(shù)據(jù)與遙感像元面狀數(shù)據(jù)空間不匹配的技術(shù)問題，采用了一個中間轉(zhuǎn)換模塊“熱成像儀”，即先將只能單點測量的水體皮溫-表溫同步測量裝置和能夠進行面狀測量的熱成像儀進行定標，再通過熱成像儀對衛(wèi)星熱紅外傳感器進行在軌定標。其雖然解決了現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)之間空間上不匹配的問題，但是熱成像儀獲取的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)之間依然存在時間上不同步的技術(shù)問題。這樣反而浪費了水體皮溫-表溫同步測量裝置的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)能夠和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)之間秒同步的功能。

因此，本發(fā)明在水體皮溫-表溫同步測量裝置的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)之間時間同步的基礎(chǔ)上，使水體皮溫-表溫同步測量裝置的點狀實測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成面狀數(shù)據(jù)，以與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)實現(xiàn)空間上的同步。從而解決一直困擾遙感界的實測數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)之間的空間不匹配、時間不同步的難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述不足，本發(fā)明提供一種利用水體皮溫-表溫同步測量裝置對衛(wèi)星遙感定標的新方法，以解決衛(wèi)星熱紅外遙感在軌定標及衛(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品現(xiàn)場驗證中實測數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)之間的空間不匹配、時間不同步的難題。

為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種衛(wèi)星熱紅外遙感在軌定標及衛(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品現(xiàn)場驗證的方法，通過水體皮溫-表溫同步測量裝置實現(xiàn)，包括以下步驟：

步驟1、在衛(wèi)星遙感圖像某像元對應(yīng)的水域中，將所述多個水體皮溫-表溫同步測量裝置布置成n*m等行列間距的網(wǎng)格狀觀測陣列，同步測量該水域范圍內(nèi)大氣底層、水體皮層和水體次表層溫度，獲得該水域水體-大氣界面附近的三維溫度實測值；

其中，n≥3，m≥3，且水體皮溫-表溫同步測量裝置的行列間距與衛(wèi)星紅外傳感器所對應(yīng)的地面分辨率相適應(yīng)；

步驟2、統(tǒng)計計算各水體皮溫-表溫同步測量裝置同步測量的三維溫度實測值，獲得該水域的平均皮溫和不同水體深度的平均表溫；

步驟3、采用modtran模型或lblrtm模型模擬海表-衛(wèi)星間紅外輻射傳輸，對與現(xiàn)場溫度測量同步的衛(wèi)星熱紅外傳感器進行在軌定標或?qū)πl(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品進行現(xiàn)場驗證。

進一步地，在步驟1前還包括以下步驟：對所述的各水體皮溫-表溫同步測量裝置中的測溫棒進行溫度標定。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：

1、使用的水體皮溫-表溫同步測量裝置較快的觀測頻率(每秒1次)，因此實測數(shù)據(jù)在時間上可以與衛(wèi)星數(shù)據(jù)同步到秒級，可以在同一幅衛(wèi)星遙感圖像中，根據(jù)成像時間，不同行列的像元可以采用與其同步到秒級的觀測資料做定標或驗證。

2、本發(fā)明采用等間距網(wǎng)格狀布放的多臺(例如16臺)水體皮溫-表溫同步測量裝置，同步測量水域范圍的各處皮溫和表溫，獲得水域的皮溫和表溫的平均值，大大改進了現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感像元數(shù)據(jù)之間的空間匹配性。

3、使用的水體皮溫-表溫同步測量裝置具有較高的測量精度(0.05℃)，加上提高現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)之間的空間匹配性，從而提高對衛(wèi)星熱紅外傳感器在軌定標的精度，提高衛(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品反演sst真實性檢驗的可靠性和可信度。

附圖說明

圖1為水體皮溫-表溫同步測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為測溫棒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為水體皮溫-表溫同步測量裝置網(wǎng)格狀布放示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明的內(nèi)容做進一步詳細說明。

實施例

本發(fā)明的衛(wèi)星熱紅外遙感在軌定標及衛(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品現(xiàn)場驗證的方法，其采用了發(fā)明人的在先專利(專利號：zl201310400448.8，名稱：水體皮溫-表溫同步測量裝置對衛(wèi)星遙感定標的方法，申請日：2013年9月5日，公告日：2015年12月23日)公開的水體皮溫-表溫同步測量裝置，在本實施例中，只對該裝置進行簡要說明。

請參照圖1和圖2所示，本申請的水體皮溫-表溫同步測量裝置100只有一根測溫棒1，測溫棒1下段插接于一半球形的浮體2上實現(xiàn)固定，浮體2為中空結(jié)構(gòu)，信息采集系統(tǒng)安裝于該中空結(jié)構(gòu)中，浮體2的半徑根據(jù)信息采集系統(tǒng)、測溫棒1以及固定浮體2的環(huán)形體3的總重量而定，即浮體2經(jīng)受水體的浮力與上述總重量的重力需滿足測溫棒1露出水面5-45cm。

測溫棒1包括測溫棒上段11和測溫棒下段12，溫度探頭包括皮層溫度探頭111和表層溫度探頭121。測溫棒1的總長度為130cm，測溫棒上段11的長度為50cm，則測溫棒下段12的長度為80cm。皮層溫度探頭111以緊密排列方式沿測溫棒1的長度方向安裝于測溫棒上段11上，同理，表層溫度探頭121以一定的間隔沿測溫棒1的長度方向安裝于測溫棒下段12上。

測量時，可以采用錨定浮標的方式，也可以采用固定樁的形式，將水體皮溫-表溫同步測量裝置100布放在水域中，應(yīng)盡量使測溫棒1在水面保持垂直狀態(tài)。測溫棒上段11的長度為50cm，因此測溫棒上段11中總有一皮層溫度探頭111位于水體的皮層中，保證該測溫棒1能夠同步測量大氣底邊界層氣溫(由露出水面的皮層溫度探頭111完成)、水體皮溫(由置于水體中的第一個皮層溫度探頭111完成)和水體上表層(1.2米以淺，可由剩余皮層溫度探頭111和表層溫度探頭121共同完成)水溫。每一時刻總有一個皮層溫度探頭111指示了海水的皮層溫度，由于皮層的位置，位于海水皮層的皮層溫度探頭111總會是第一個水面以下的那個皮層溫度探頭。對該第一個水面以下的皮層溫度探頭111的判斷可以采用多種方法，包括壓力傳感器、激光傳感器、電阻傳感器和電容傳感器測量，以及采用圖像識別法等確定。

本實施例中，是通過多個壓力傳感器進行判斷，壓力傳感器沿測溫棒1的長度方向安裝于測溫棒1上，相鄰兩壓力傳感器的距離為20cm。在水面放置1個背壓壓力傳感器測量背景大氣壓，通過測溫棒1上設(shè)置具有等距離間隔的壓力傳感器測量的壓力分布和背景大氣壓相結(jié)合可以高精度反演海水液面相對測溫棒1的位置，從而確定是哪一個皮層溫度探頭111是水面以下的第一個。壓力傳感器將確定的第一個位于水面以下的皮層溫度探頭111的信息發(fā)送至信息采集系統(tǒng)，該信息采集系統(tǒng)即可確定皮層溫度，并可以哪些皮層溫度探頭111用于測量大氣底層溫度，哪些表層溫度探頭121用于測量水體表層溫度。

為實現(xiàn)較高的測溫精度(0.05℃)和較快的觀測頻率(每秒1次)，皮層溫度探頭111和表層溫度探頭121均使用psb-s7熱敏電阻可以實現(xiàn)0.6mm的空間分辨率。因為響應(yīng)速度快的熱敏電阻體積也很小，使用恒流源測量阻值會產(chǎn)生很大的自熱誤差，因此使用惠斯通不平衡電橋?qū)-t的變化轉(zhuǎn)換為電橋輸出電壓的變化?；菟雇ú黄胶怆姌蜉敵龅哪M電壓需要使用模-數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，因此在該惠斯通不平衡電橋的輸出端連接a/d轉(zhuǎn)換器的輸入端。為了便于測量，在惠斯通不平衡電橋和a/d轉(zhuǎn)換器之間設(shè)置一信號放大器。為了獲得較高的測量精度，需要使用高精度的ad芯片，為了適應(yīng)多路溫度信號同步采集的需要，需要ad芯片具有較多的采集通道和與熱敏電阻響應(yīng)時間匹配的測量速度。系統(tǒng)采用美國adi公司ad7794采集溫度信號。ad7794是專為高精度溫度測量設(shè)計的低功耗、低噪音adc：工作電壓2.7v～5.25v，典型電流值400a，內(nèi)置低端電源開關(guān)，在省電模式下的電流消耗僅為1a，適用于供電受限的應(yīng)用場合。

設(shè)計使用多片ad7794高精度ad轉(zhuǎn)換器同步并行工作，每個ad7794可采集6個溫度通道，全部測量各通道最短僅需40ms(470hz數(shù)據(jù)更新速率時)，與溫度探頭的響應(yīng)時間匹配。ad7794是24位σ-δ型ad轉(zhuǎn)換器，能夠分辨微小信號變化，實現(xiàn)高精度的溫度測量。多個ad7794并行采集，使用16位寬度的數(shù)據(jù)總線和4路4-16線譯碼器作為片選信號，總計只用24根數(shù)據(jù)與片選線和2根電源線即可實現(xiàn)5000余路數(shù)據(jù)的同步采集，極大的簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。使用多層印制電路板技術(shù)，每個ad7794與測量的熱敏電阻焊接在同一個電路板上，不用額外引線，降低了系統(tǒng)的制作難度，采集的溫度信號經(jīng)過線性化處理后通過相應(yīng)的接口經(jīng)由高速spi數(shù)據(jù)總線傳輸給arm核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，保存在nandflash架構(gòu)的大容量存儲器中。使用多片ad7794型6通道(每一個ad7794轉(zhuǎn)換器可對應(yīng)連接六個溫度探頭)24位精密ad作為溫度采集芯片，對熱敏電阻構(gòu)成的非平衡電橋的輸出電壓經(jīng)過信號放大、ad轉(zhuǎn)換、線性化變換后轉(zhuǎn)換為溫度信號的測量方案，達到了5mk的測溫精度和最短40ms遍歷所有通道的高度同步測量。

采用該水體皮溫-表溫同步測量裝置進行衛(wèi)星熱紅外遙感在軌定標及衛(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品現(xiàn)場驗證的方法，包括以下步驟：

1、首先在該水體皮溫-表溫同步測量裝置投入使用前，須對測溫棒上的溫度探頭進行實驗室標定，以提高測量精度。

2、在衛(wèi)星遙感圖像某像元對應(yīng)的水域中，將16個水體皮溫-表溫同步測量裝置布置成4*4等行列間距的網(wǎng)格狀觀測陣列，參看圖3所示，同步測量該水域范圍內(nèi)大氣底層、水體皮層和水體次表層溫度，獲得該水域水體-大氣界面附近的三維溫度實測值。

可以根據(jù)具體需要，適當增加或減少網(wǎng)格陣列的格點(可以采用的陣列如3*3，3*4，3*5，3*6，4*5，4*6，5*5，5*6，6*6等)。針對不同的衛(wèi)星傳感器所對應(yīng)的地面分辨率不同，網(wǎng)格陣列的間距要做相應(yīng)的調(diào)整。另外，即使同一衛(wèi)星每次過境時，其像元對應(yīng)的地表位置也是變化的，為了應(yīng)對這種不確定性，可以適當擴大測量裝置的布放范圍以及增加布放測量裝置的網(wǎng)格點。

3、統(tǒng)計計算各水體皮溫-表溫同步測量裝置同步測量的三維溫度實測值，獲得該水域的平均皮溫和平均表溫。

4、采用modtran模型或lblrtm模型模擬海表-衛(wèi)星間紅外輻射傳輸，對與現(xiàn)場溫度測量同步的衛(wèi)星熱紅外傳感器進行在軌定標或?qū)πl(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品進行現(xiàn)場驗證。

上述實施例只是為了說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的是在于讓本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡是根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的實質(zhì)所做出的等效的變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。

最后，本專利研究得到廣州市科技計劃科學研究專項(20170702003)、國家自然科學基金項目(41276182)及中國科學院前瞻性創(chuàng)新項目(南海海面溫度遙感產(chǎn)品研制與精度驗證)等項目的資助，在此致謝。