本书论述了海洋遥感技术的基础理论和专业知识，主要内容包括海洋表面性质、电磁理论、可见光和红外谱段遥感、被动微波遥感、主动微波遥感、重力场和海面盐度观测以及海冰、极地冰盖观测等与海洋遥感相关的知识，并详细介绍了大气特性、海洋/大气界面等基础理论和可见光海洋水色反演、红外海面温度反演、海面与大气被动微波反演等技术。本书内容系统覆盖了海洋遥感的理论与方法，内容全面完整，列举了许多研究实例，并回顾了1975—2013年间卫星海洋学的发展，描绘了未来的卫星发展计划。本书可作为高等院校海洋遥感领域的高年级本科生和研究生参考教材，也可作为相关专业工程技术人员的参考书。

译 者 序 海洋是人类生存发展的源泉，海洋战略决定着国家海洋事业的兴衰成败。丰富的海洋资源支撑了中华民族的繁衍和发展，开发和利用海洋是世界强国发展的必由之路。党的十八大提出建设海洋强国的战略目标，党的十九大报告进一步提出“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”的战略部署，这对维护国家主权、安全、发展利益，对实现中华民族伟大复兴具有重大而深远的意义。 2019年4月，在中国人民解放军海军成立70周年之际，我国提出海洋命运共同体理念，引发国际共鸣。自2008年12月中国海军执行首批亚丁湾、索马里海域护航任务以来，中国更加全面、积极地参与了联合国框架内海洋治理机制和相关规则制定与实施，落实海洋可持续发展目标。 建设海洋强国必须大力发展海洋高新技术。海洋遥感是海洋高新技术的典型代表之一，广泛应用于调查与监测大洋环流、近岸海流、海冰等海洋水文、气象、生物、海洋污染等方面，涉及海洋学、物理学、地理学等诸多学科。本书作者Seelye Martin是海洋遥感领域的知名专家，长期在美国国家航空航天局（NASA）任职，参与了包括机载“冰桥”计划等研究工作，《海洋遥感导论》这本书的撰写正是得益于这些丰富的工作经历。本书是第二版，与第一版相比主要更新了海洋观测卫星的新进展。 本书共14章，可分为5部分。第一部分（第1～3章）主要介绍卫星系统、海洋表面性质和电磁理论等背景知识；第二部分（第4～7章）主要介绍可见光和红外谱段遥感知识，包括大气特性、海洋/大气界面特性、可见光海洋水色反演和红外海面温度反演技术等；第三部分（第8～9章）主要介绍被动微波遥感知识，包括天线、仪器、大气性质以及海面和大气变量反演技术等；第四部分（第10～13章）主要介绍主动微波遥感知识，包括反演风速和风向、海面高度以及海面成像的多种雷达技术；第五部分（第14章）介绍用于重力场和海面盐度观测的多个卫星计划，以及用于海冰、极地冰盖观测的激光雷达和雷达高度计卫星。 本书的翻译出版得到海军工程大学、华中科技大学、中国船舶集团公司、中国电子科技集团公司等单位相关专家的大力支持，在此一并表示感谢。 对于翻译中的错误与不当之处，敬请指出，以便今后改正。 前 言 自十多年前本书的第一版出版以来，海洋观测卫星的种类和应用持续发展，再加上计算机资源以及地面接收和分发网络的扩展，这些极大地加深了人们对上层海洋及其上覆大气的特性的理解。 十多年前，许多遥感卫星的体积较大，星上搭载的传感器较多，卫星也仅由某个国家/地区单独管理。目前，根据国际协议，各国可以共享一系列小卫星星座的观测数据。这些小卫星的轨道互补，且每个小卫星的功能都集中在对生物风场和海面温度（SST）等单一海洋或大气要素的观测上。小卫星星座获取的海面温度等数据采用统一的格式存储和分发，同时提供处理这些数据的软件工具。这些卫星星座和它们提供的数据为科研人员的研究提供了难得的机会。 关于遥感，电磁频谱技术与海洋表面和大气测量的结合，持续推动了卫星载荷的革新。卫星遥感同样可以实现地球重力场的观测，从而改善人们对于地球大地水准面、冰盖消融和大洋环流变化的理解。20世纪80年代的许多试验性的遥感载荷，现在已经成为海洋学业务化观测的主要手段。这些载荷包括：估计生物初级生产力的窄波段光学遥感器，满足气候变化精度要求、能够获取海面温度的红外遥感器，不受云影响获取全球海面风场、海面温度和海面盐度的被动微波遥感器，以及海面测高精度优于2cm的雷达高度计。 遥感是涉及多学科的技术，本书内容涵盖了电磁理论、大气和海水特性、物理海洋学和生物海洋学、海洋表面物理特性和卫星轨道理论等必要背景知识。书中从云和泡沫反射及发射特性到海浪的雷达散射特性，以及与浮游生物相关的光学特性等，都逐一做了介绍，并给出许多具体实例。书中回顾了1975—2013年间卫星海洋学的发展，并概述了未来的一些卫星规划。阅读本书要求具备电磁理论和微分方程的一些基本知识。 全书分为5部分。第1～3章介绍卫星系统、海洋表面性质和电磁理论。第4～7章讨论可见光和红外谱段遥感，包括大气特性、海-气界面、可见光海洋水色反演和红外海面温度反演。第8章和第9章讨论被动微波遥感，包括天线、仪器、大气性质以及海面和大气变量反演。第10～13章讨论主动微波遥感，包括反演风速和风向、海面高度以及海面成像的多种雷达。最后，第14章讲述用于重力场和海面盐度观测的多个卫星计划，以及用于海冰、极地冰盖观测的激光雷达和雷达高度计卫星。 1993—1994年我开始本书第一版的写作，当时我是东京国家极地研究所的访问学者。修订是2011年我从华盛顿大学退休后完成的。本书的撰写得益于我在美国国家航空航天局（NASA）的工作经历，这些工作经历包括：20世纪80—90年代服务于NASA的学术委员会；2006—2008年，在NASA总部作为冰冻圈项目的项目经理；2009—2012年，参与“机载冰桥计划”的多项工作。我很感谢NASA给了我这些机会。

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