美国宇航局卫星海洋颜色的起源和演化程序

介绍

本文将提交请求的客座编辑这个特殊的问题雷竞技rebat遥感前沿Robert Frouin博士,他认为这是有用的社区为我们记录我们的经历和观点/责任人在NASA的海洋颜色任务开始Nimbus-7沿海地区彩色扫描仪(CZCS)成立于1978年10月通过即将到来的浮游生物和扩展,气溶胶、云,海洋生态系统(速度)的任务将于2024年1月推出。因此,我们的帐户将被有限的主要活动在NASA戈达德太空飞行中心,例如,体验海洋观测宽视场传感器(SeaWiFS)和准备,并故意读起来就像一本回忆录。四十多年过去了,有很多的进步和完善的技术、方法和算法,我们将突出许多。海啸(2015)海洋颜色还提供了一个详细描述的美国国家航空航天局计划的初始阶段通过国家极地轨道环境卫星系统(NPOESS)预备项目(后来更名为芬兰语国家极轨(SNPP))合作,成立第一个可见红外成像辐射计(VIIRS)。此外,海洋颜色的基本概念进行了讨论,作者章Zibordi et al。(2014),以及Werdell和麦克莱恩(2019)。莫布里et al。(2016)提供了一个有用的参考附带大气校正流程和术语我们将讨论。最后,有补充和有用的机载传感器,我们不会讨论,但值得注意的是机载海洋激光雷达(AOL,例如,霍格et al ., 1988),美国国家航空航天局(WFF)瓦勒普斯飞行基地多年。我们不会努力重新计票的海洋科学的发展,从这些任务了。在我们的倒影,有些个人,我们将称自己在文本为厘米,男朋友,和JW,查尔斯“查克”麦克莱恩,布赖恩•弗朗茨和杰里米·Werdell。

美国宇航局的进入地球遥感开始于1960年代与洛斯等项目(电视红外观测卫星)和灵气,主要关注气象。1970年发表的一篇论文科学(克拉克et al ., 1970)显示机载海洋反射光谱的测量在不同海拔地区开放的海洋和沿海水域。本文强调了附近的可行性评估表面光合色素叶绿素a的浓度(chla;mg米⁻³)远程,但也强调了增加与高度上升流光辉由于大气散射。在美国有一个小而活跃的社区关注海洋光学,例如,斯克里普斯的可见性实验室,以及庞大的海洋生物/生态社区能够支持,受益于一个“海洋颜色”卫星的使命。随后,在NASA戈达德太空飞行中心的工程师,沃伦·霍维斯小麦面粉的指导下,建立了u - 2侦察机海洋颜色扫描仪(OCS),一个CZCS原型。当传感器的征集Nimbus-G(表示7成功发射后)被释放,霍维斯小麦面粉提出CZCS (霍维斯小麦面粉,1981)。有8个传感器Nimbus-7, CZCS是唯一的海洋传感器。我们参与始于1978年的春天,CM受雇于戈达德宇航中心协助空间Shuttle-borne海洋颜色实验(奥西),这是三种earth-viewing传感器包含在第一艘航天飞机科学有效载荷(OSTA-1, 1981)。

沿海地区彩色扫描仪(1978 - 1986)

美国航天局卫星海洋颜色传感器都是“小扫帚”扫描仪,即。,they incorporate a cross-track scanning mechanisms as opposed to “pushbroom” designs, such as the European Space Agency’s (ESA) Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS), that use arrays of detectors distributed across the orbit track to sample a fixed view (swath) of the earth along the satellite orbit. The various NASA whiskbroom implementations differ somewhat in that some sample only one line of pixels per scan across the satellite track, e.g., CZCS, while others use multiple detectors to sample multiple lines each scan, e.g., the Moderate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). There are advantages and disadvantages to each as discussed in麦克莱恩et al。(2014)。

CZCS是六兄弟乐队辐射计由球波长集中在443年,520年,550年,670年,750海里,一个红外波段11.5μm。注意,750纳米通道的带宽100海里,跨越了O₂a带吸收线。在8位数据数字化(256项)。扫描机制利用旋转镜的扫描速率∼8赫兹。的轨道高度955公里,这产生了一个地面分辨率825的最低点。扫描镜可以在2°±20°倾斜增量,以避免阳光闪烁,不过最终只有两种极端倾斜被灵气实验后使用早期的分析团队。众所周知,瑞利光辉由于空气分子散射高度极化,使大气校正过程更加复杂,需要准确的表征仪器的偏振敏感性在发射前的测试。为了缓解这个问题,仪器设计结合消偏振镜。下水前的偏振敏感性在这些倾斜角度都不可用,但却高达∼3%±10°倾斜的443海里。片在最低点观看1636公里和赤道穿越时间是中午。

CZCS灵气实验团队(净)选择提供科学支持CZCS任务,包括大气校正处理算法的发展和bio-optical产品检索数据。数据归档在戈达德宇航中心,选择场景处理地球物理海洋颜色产品。暂停一会儿,总之,大气校正是指的过程把大气的贡献从instrument-observed光谱top-of-atmosphere光芒(Lt (λ);mW厘米⁻²μm⁻¹老⁻¹)获得water-leaving美(Lw (λ);mW厘米⁻²μm⁻¹老⁻¹)和/或遥感(Rrs(λ),相对于红光sr⁻¹)(莫布里et al ., 2016)。戈登et al。(1983)描述了开创性的大气校正和光合色素(chla + phaeophytin)应用于CZCS集中检索算法。water-leaving光芒的色素算法比率(Lw (443) / Lw(550))和Lw (520) / Lw(550))统计相关使用原位测量与重合的色素浓度,降低Lw阈值边界(443),引发了切换到其他比率。另一个关键数据产品是下降的漫衰减系数在490 nm, Kd (490) (m⁻¹),它还利用situ-derived实证关系使用辐射率(奥斯汀的作品,1981年)。

在大气科学社区有很多疑问,戈登大气校正方法将工作或卫星的大气修正可能足够准确,允许chla等海洋成分的定量估计。的第一个独立CZCS算法中出现的验证麦克莱恩et al。(1984),比较原位chla值收集在墨西哥湾流上涌额艾迪吉姆·尤德被CZCS-derived几乎完全匹配值的范围0.1∼8毫克⁻³。年后,罗伯特·弗雷泽在戈达德宇航中心利用辐射传输代码CZCS现场和检索几乎相同的结果作为戈登算法(弗雷泽et al ., 1997)。戈登(2021)叙述了开发和验证的方法。

一个早期的挑战与CZCS数据显著时间退化放射敏感性,最初有限意义的海洋颜色检索的早期任务,直到时间建立了校准的替代方法(埃文斯和戈登,1994)。另一个问题是传感器“振铃”明亮的目标。一个早期的研究(麦克莱恩et al ., 1988)用一年时间序列1979)三个地区构成美国南大西洋海湾(卡纳维拉尔角哈特拉斯角)所需的区域影响响手动蒙面。后,算法等穆勒(1988)开发识别受影响的像素和应用一个面具。麦克莱恩和叶(1994)提供了一个比较响的掩盖算法。

作为进一步的并发症,没有正式的计划或预算过程的所有数据派生产品或分发数据研究团体,因为传感器Nimbus-7被认为是概念验证。此外,一些机构有硬件和软件处理图像,一个显著的例外是迈阿密大学。由于与同事合作Skidaway海洋学研究所的草原,格鲁吉亚,厘米从美国能源部获得种子资金开发CZCS数据处理软件。这是SEAPAK的出现(麦克莱恩et al ., 1989),最终包括∼200处理和分析功能菜单驱动的用户界面。戈达德宇航中心使用许多客人调查访问系统,包括维托里奥•Barale基因费尔德曼,卡尔·Banse吉姆•尤德Joji Ishizaka和弗兰克Muller-Karger,他们依然活跃在美国宇航局计划和国际海洋颜色计划。NASA总部海洋生物学的支持项目经理继续SEAPAK直到取代SeaWiFS数据分析系统(SeaDAS) (Baith et al ., 2001)。

在1980年代早期,韦恩以赛亚在NASA总部的领导斯坦·威尔逊的海洋中海洋生物学分支。在总部,他开始促进CZCS后续的想法。在总部2年后,他来到戈达德宇航中心。他很清楚,后续任务需要社会支持,CZCS数据需要提供给社区。他说服了灵气项目办公室戈达德宇航中心支持的努力处理整个数据档案。有很多悲观,它是可以做到的,作为存档包含超过30000 9-track磁带。尽管如此,与罗伯特·埃文斯(Bob)(美国迈阿密)被安排和基因Feldman受雇于戈达德宇航中心刚刚获得博士学位。迈阿密的克隆与他们的软件处理系统是安装在戈达德宇航中心以及一个光学磁盘系统。费尔德曼处理转让9-track磁带光盘和2级和3处理。含替代校准校正由埃文斯和霍华德·戈登是基于水上光辉的概念(戈登和克拉克,1981年)。CM管理数据质量控制,即。,the elimination of scenes with too much cloud cover, ringing, etc. This was done manually by inspecting daily composites of the imagery. The reprocessing effort took roughly 4 years (以赛亚et al ., 1986;费尔德曼et al ., 1989;麦克莱恩et al ., 1993)。整个档案现在是出仓库,可以从戈达德宇航中心光碟!

在这段时间里,吉姆尤德骑车到NASA总部的海洋生物学项目经理。他问如果SEAPAK可以移植到PC。答案是“是的”,提供一个合适的成像卡。到那时,磁盘驱动器有足够的容量,和外部设备的接口,如磁带驱动器和光盘,都是可用的。基准测试是在戈达德宇航中心使用基于Intel 386 -系统Weitek数学加速器芯片和数码电子产品公司MicroVAX-II通用微型计算机。电脑很容易翻micro-VAX处理CZCS场景。因此,PC-SEAPAK (麦克莱恩et al ., 1992)是发达国家和公开的研究社区,大大降低处理系统的成本几千美元,而不是成千上万的美元。

1994年,一个特殊的CZCS期的海洋地球物理研究杂志》上(94卷)出版,许多贡献的论文现在蓬勃发展的卫星海洋颜色研究社区。这初步成功后,CZCS数据处理不断完善(例如,格雷格et al ., 2002;安东尼et al ., 2005;Werdell et al ., 2007),地球物理戈达德宇航中心组织的定期更新的产品和提供一系列后续海洋颜色传感器的数据,我们将在下面进行讨论。

SeaWiFS (1997 - 2010)

在本节中,我们尤其关注上半年SeaWiFS经验,即1990 - 2003。CZCS数据的发布和美国国家科学基金会的联合的出现海洋通量研究(JGOFS) CZCS后续的争论变得引人注目。到1990年,美国国家航空航天局地球观测系统(EOS)已经批准,包括MODIS传感器在泰拉和阿卡平台。众多的乐器团队EOS平台上的传感器也被选中,包括MODIS海洋团队,负责处理算法,postlaunch校准和产品验证支持。然而,MODIS传感器不会推出了数年,导致研究团体处于进退两难的境地和JGOFS没有卫星海洋颜色覆盖。海洋生物学项目经理在这段时间里,尤其是吉姆尤德,马林刘易斯和格雷格•米切尔继续提倡CZCS后续任务。最后,美国国家航空航天局总部同意基金数据固定价格购买从一个私人公司在NASA的“洞察力”,但不是“监督”。NASA戈达德宇航中心将建立一个项目办公室,负责合同谈判,并将处理校准和验证(“大卡/ Val”)和数据处理、归档、分发给研究人员批准。

公开竞争要求提案被释放,轨道科学公司的出价(OSC)被选中。NASA将支付增量在发射前的阶段,在完成特定的里程碑在系统的开发中,最终支付在发射后数据验收。5年的任务是确定范围预计将推出1993年8月,大约27个月后签署的合同,这是一个非常雄心勃勃的计划!除了机上记录和下行的全局数据分辨率降低,任务还将包括一个启用实时的l波段发射机,通过适当配置全分辨率数据收集地面站、卫星经过。合同允许指定数量的这些高分辨率图象传输分配(HRPT)地面系统项目办公室,天桥数据可以下载并解密,解密密钥由OSC通过项目和条件,所有收集的数据将提供给项目。

OSC海星建造飞船内部,但简约休斯圣芭芭拉分校研究中心(SBRC)设计和建造SeaWiFS。SBRC允许项目办公室(主要是罗伯特·戈达德宇航中心)(Bob)巴恩斯代表观察仪器的构建。领先的光学工程师,艾伦•福尔摩斯SBRC,选择了一个旋转的望远镜而不是旋转镜。这个设计包括一个旋转半张角镜子,一半的速度望远镜,让光线在焦平面上所有扫描角对齐。旋转望远镜有许多好处,包括减少极化效应在不同角度的光线入射到镜子,straylight进入光学系统,减少和降低污染风险。改善信噪比,他把四个探测器每个乐队的航迹方向一致促进延时集成(TDI)计划。在这个方案中,一个像素是观察到的四个探测器在不同倍望远镜扫描,并总结这些信号。允许量化的目标,比如sediment-dominated沿海水域,闪闪发光,和相邻的云,同时也维持在低信号灵敏度高水平在开放海域,四个探测器之一是配置了一个更高的饱和光辉(减少辐射增益),给每个频带信号电平的双线性响应。传感器还包括一个偏振敏感性下降到目前的0.25%∼消偏振镜。乐队组是412,443,490,510,555,670、765和865海里。 The 765 and 865 nm bands were specifically included for ocean color atmospheric correction. Like CZCS, the 765 nm band straddled the O₂a带吸收线,因此需要开发校正(丁和戈登,1995)。带外一些波长的反应是很重要的,需要开发的带外修正(戈登,1995;莫布里et al ., 2016)。总结了传感器设计和性能特征巴恩斯et al . (1994,b)。最后辐射校准SeaWiFS是由卡罗尔·约翰逊的国家标准与技术研究所(NIST,Johnson et al ., 1999)。

SeaWIFS扫描率∼6赫兹和705公里的轨道是,收益率最低点解决∼1.1公里在谷底宽度为2875公里(1285像素)。赤道穿越时间大约是中午,但轨道不是维护和穿越时间最终飘在下午晚些时候,年底达到大约下午2点工作寿命延长。实时数据广播全分辨率(称为本地区域范围或LAC),但飞行数据记录器不足够容纳之间全分辨率的完整记录数据下行机会(每天两次通过s波段在戈达德宇航中心和WFF),记录数据是子样品每四像素和线的宽度和有限的1500公里(248像素;全球区域范围或广汽)。在12位数据数字化,但存储(传播)10位(1024项)。因此,海关总署数据量存储飞船上降低了约20倍,这使得全球观测集合同时离开额外存储有限LAC数据记录在关键的校准和验证的网站。

在戈达德宇航中心SeaWiFS项目办公室成立。关键人员罗伯特·柯克(Bob)(项目经理),玛丽裂开(项目副经理),韦恩以赛亚(项目科学家),鲍勃·巴恩斯(仪器的科学家),斯坦福(斯坦)胡克(现场项目经理),基因费尔德曼(数据系统管理器),厘米(校准和验证管理器),沃森格雷格(任务管理器)和查尔斯·朱(地面系统管理器)。随着时间的推移的角色演变。最终,分裂成为了项目经理,CM假定项目科学家的责任,费尔德曼负责地面系统除了数据系统。发射和接受数据后,分裂了美国国家航空航天局总部和CM成为项目经理。同时,格雷格搬到全球建模和同化办公室(GMAO)戈达德宇航中心和弗雷德里克(Fred)型任务槽。

在发射前的阶段,SeaWiFS项目办公室工作人员,主要是与现场支持合同人员,包括弗雷德型和合作者的男朋友。忙着准备一个1993年发射没有现有的基础设施,除了CZCS后处理系统的残余,很少有员工到位。尽管如此,项目办公室的目标是在一天内发布科学数据产品质量的收购。幸运的是,项目办公室的主要元素,例如,数据处理,卡尔/ Val,任务和地面系统,有固定的预算和自由直接根据需要这些资金实现任务目标,在没有戈达德宇航中心或直接监督总部管理。

航天器(盛世达)和运载火箭问题(Pegesus-XL)最终导致4启动延迟。回想起来,这买了项目办公室需要时间准备任务。有许多在美国国家航空航天局和航空航天工业中反对购买固定费用数据的概念。提出的许多日程不断关注的任务取消。因此,打通联系迈克·格里芬在OSC,最终导致安大略省证券委员会项目管理的变化。更换,约翰·麦卡锡OSC程序。分裂还说服丹金,当时的美国宇航局局长,不取消发射的任务,因为延误。

进度数据系统和卡尔/ Val程序发展迅速。指导来自NASA总部的项目应该依赖于MODIS海洋团队尽可能多的,因为不会有类似SeaWiFS海洋团队组装。处理系统从DEC VAX系统RISC(精简指令集计算机)系统从硅谷图形公司(SGI),最终基于linux的pc集群。下水前的测试数据的系统是促进使用模拟数据(格雷格et al ., 1993)。最初的处理代码是由鲍勃•埃文斯MODIS海洋团队成员。迈阿密大学的代码是什么成为了多传感器的基础1级2级代码,L2GEN,开发和实现高炉和今天仍然使用NASA海洋颜色数据处理。数据系统包含一个商业数据库管理软件包,采用跟踪数据从地面系统摄取,通过不同的处理步骤,数据归档和分配,管理分配的磁盘存储和计算资源。技术的进步使得算法测试和后处理与正在进行的操作同时发生,最终实现了巨大的利益。事实上,周期性数据后处理一再被证明是必要的更新bio-optical和大气修正开发,数据产品的添加,和传感器退化过程。男朋友管理更新处理代码,测试,和再加工活动。

至于卡尔/ Val程序,sensor-specific大气校正和bio-optical算法需要开发,质量控制过程需要定义和辅助数据源(如气象数据和臭氧浓度)需要识别和经常获得。霍华德·戈登MODIS海洋团队成员,提供资助大气校正算法(戈登和王出版社,1994年版)。发射后,Menghua王加入了SeaWiFS项目办公室。戈登和王算法认为海洋是黑色的(微不足道的反射)在765年和865年nm-colloquially称为“黑像素的假设”——在浑浊的水中,情况就不一样了。最初,的方法Siegel et al。(2000)实施纠正,紧随其后的方法吗贝利et al。(2003)雇佣的bio-optical模型古尔德和Arnone (1998),这两个后来取代贝利et al。(2010)。基于风速依赖太阳闪烁面具考克斯和芒克(1954)(王贝利,2000)和小白反射率修正的基础上Koepke (1984)也实现,以及海洋双向反射算法莫雷尔et al。(2002)。很久以后的任务,一个没有₂校正包括(Ahmad et al ., 2007)和气溶胶模型和查找表被更新(Ahmad et al ., 2010使用矢量辐射传输代码)艾哈迈德和弗雷泽(1982)基于的工作大卫(1972)。莫布里et al。(2016)提供了一个现代的描述SeaWiFS大气校正。

产品初始bio-optical科学数据集包括海洋遥感光谱,相对于红光chla和Kd (490)。随着时间的推移这个产品套件扩展和检索算法继续发展。早期产品额外的例子包括浓度的颗粒有机碳(POC;mg米⁻³;Stramski et al ., 2008)和颗粒无机碳(图片;μM L⁻¹;鲍尔奇et al ., 2005),光谱固有光学特性(IOPs;米⁻¹;例如,浮游植物吸收系数和non-algal粒子(午睡)加上有色溶解有机物(CDOM),为粒子和反向散射系数;看到Werdell et al ., 2018和引用其中),每日光合有效辐射(PAR;爱因斯坦/ m²/天;Frouin et al ., 2002)。到达在推出chla算法,CM举办几个开放社区工作坊。由于这些聚会,很明显,一些质量保证活动要求:1)建立严谨、社区共识光学数据收集和分析协议,2)验证辐射计(国米)校准,3)光合色素分析的验证,和4)发展的一个共同的品质管理bio-optical数据存储库。这些问题导致:1)的出版领域和实验室数据收集协议(穆勒和奥斯丁,1992),2)SeaWiFS相互校准循环(SIRREX。Zibordi et al ., 2002)和SeaWiFS数据分析循环(达,例如,西格尔et al ., 1995),3)SeaWiFS (SeaHARRE,如高效液相色谱法分析循环实验。胡克et al ., 2000),4)SeaWiFS Bio-optical数据归档和存储系统(尖吻鲈;https://seabass.gsfc.nasa.gov;例如,胡克et al ., 1994;Werdell和贝利,2002年)。

在SeaWiFS项目办公室,斯坦·胡克在许多领域活动包括部署水的阿尔塔海洋学塔(胡克et al ., 1999)和英国大西洋经向横断面(AMT,例如,知更鸟et al ., 1996)邮轮。他还与Satlantic inc .)和Biospherical仪器公司在各种领域辐射仪的设计。同时,NIST资助开发SeaWiFS质量监控(平方米,公元前Johnson et al ., 1998)的稳定性评价辐射计,SeaWiFS传输辐射计(SXR,公元前Johnson et al ., 1998支持SIRREX)。所有这些instrument-related活动都记录在要么SeaWiFS技术备忘录海洋颜色系列可以在美国宇航局的网站(https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/)或在参考文献。进一步增加库存在石斑鱼和可用性的现场和实验室数据,项目资金也提供给肯德尔(Ken)梳刷(MODIS海洋小组成员)和大卫·格雷格•米切尔(Dave) Siegel字段数据的集合。最后,解决什么问题chla算法在推出使用,研讨会由戴夫·西格尔在加州大学圣芭芭拉分校举行。这次研讨会的结果导致SeaWiFS Bio-optical算法完毕后孩子应能掌握如何数据集(SeaBAM;https://seabass.gsfc.nasa.gov/seabam/),SeaWiFS在推出chla算法,和海洋颜色maximum-band比概念检索(O ' reilly et al ., 1998)。

在CZCS退化后的经验中,丹尼斯·克拉克提出了EOS发展高度精确和可追踪的光系泊,海洋光学浮标(莫比),拉奈岛,夏威夷,清水和大气条件是最适合替代校准的MODIS卫星和其他海洋颜色(克拉克et al ., 1997;戈登et al ., 1997)。系泊将房子高光谱辐射计的乐队通过任何海洋颜色传感器可以匹配。CM增强克拉克的预算来帮助促进莫比SeaWiFS发射之前的部署。测试部署进行了1996年,前一年SeaWiFS发射。

尽管莫比可能提供一个在轨调整发射前的SeaWiFS校准,它被认为是不适合跟踪时间传感器灵敏度的变化。成像月亮被霍华德·戈登(建议戈登,1987)。因为唯一的传感器盛世达SeaWiFS,轨道机动如投手飞船360°扫描月球是可能的。使用跟踪在轨卫星的传感器稳定从未尝试过的,所以有一些恐惧。然而,没有特定的技术或操作问题禁止操作可以被识别。因此,月球成像是每个月进行阶段+和- 7°的角度,第一颗卫星的使命。注意,月球调整相对于最初的测量收集业务数据收集后不久开始和提供了初步分析巴恩斯et al。(2001)。不同于CZCS, SeaWiFS经历了最伟大的退化红乐队(∼20%),而CZCS退化是最大的蓝色(∼40%)。最初的替代校准需要30多个晴空SeaWiFS-MOBY互相防守调整系数收敛(弗朗茨et al ., 2007)。由于药效的月球和替代校准方法,这些方法已被使用在所有后续NASA海洋颜色任务。Eplee和贝利(2014)总结替代和月球校准方法和结果。

SeaWiFS项目的目标之一是启用和教育用户社区。这几种形式包括开研讨会,SeaWiFS下水前的和Postlaunch技术备忘录系列,和SeaDAS只有几个。关于SeaDAS,这是出于PC-SEAPAK社区的积极回应。CM走近鲍勃·柯克SeaWiFS分布式处理系统获得资金,但SeaWiFS项目的预算与总部已经固定。厘米然后找到弗兰克Muller-Karger谁是海洋生物学项目经理。他同意支持过渡PC-SEAPAK SeaDAS,新系统提供了一个商业软件包用于用户界面,支持分析例程。凯伦Baith和加里福(PC-SEAPAK带领开发人员)移植SeaWiFS处理代码处理进入环境。应该注意的是,SeaDAS包括所有所需处理步骤的完整源代码转换原始卫星数据派生海洋颜色产品。这个开源模式提供了研究社区直接洞察算法用于NASA的标准处理,和促进一个健壮的算法开发社区的发展。几个培训班举行社区熟悉的包。 In 2000, CM turned SeaDAS and SeaWiFS project management over to Gene Feldman. The package has since been ported to a variety of platforms, including linux-based PCs and Macintosh systems, so an affordable analysis capability is available to all researchers. SeaDAS received the NASA Software of the Year award in 2003. The SeaDAS interface has since evolved and is now developed as a series of plugins to the European Space Agency’s Sentinel Application Platform (SNAP,https://step.esa.int/main/download/snap-download/),从而利用互补的国际努力和为社区提供一个共同的海洋颜色数据可视化和分析的工具。

很多经验发射从洛克希德l - 1011在1997年8月是完美的。一旦在轨道上,有很多微调,导致后处理如卷所述9、10和11的SeaWiFS Postlaunch技术备忘录系列。同时,弗雷德型帮助商务微调海星姿态控制系统(Bilanow型2004),提高地理位置的像素和稳定传感器倾斜后飞船和月球成像操作。

海星和SeaWiFS设计5年工作寿命,但系统完美地工作了13年,直到2010年通信飞船终于失败了。2004年,SeaWiFS项目概述(麦克莱恩et al ., 2004)和许多SeaWiFS-based文章发表在两卷组深海研究二世。回顾科学结果中可以找到麦克莱恩(2009)。

因为5年设计寿命,第二个SeaWiFS-like使命,EOS的颜色,是包含在EOS清单。偶然地,第二个SeaWiFS SBRC。厘米是这个项目的科学家。鲍勃·柯克和CM范围任务成本和探索乘坐下一个陆地卫星是在戈达德宇航中心进行管理。地球资源卫星项目经理和项目科学家热情,但总部担心将它添加到负载会推迟发射。SeaWiFS发射滑,就没有与MODIS覆盖缺口,所以EOS颜色被取消了。这导致了海洋生物和跨学科研究传感器相互校准和合并(SIMBIOS)项目。

SIMBIOS (1997 - 2003)

1995年取消EOS颜色,关注的焦点转移到海洋项目制定一个替代。即将到来的全球使命的阵容海洋功能包括海洋的颜色和温度传感器(10月,日本),SeaWiFS, MODIS / Terra, MODIS /浅绿色,梅里(欧洲太空总署),和全球成像仪(GLI、日本)。虽然任务交错,多个数据流同步。社区开始承认需要一个程序来促进合作和一致性的数据产品和全球连续时间序列的可能性。

厘米,EOS颜色项目科学家,是戈达德宇航中心起草提案管理的任务,促进项目总部(建议后来发表在麦克莱恩et al。(2002))。地球科学主管罗伯特•哈里斯总部,直接厘米EOS计划的资金。罗伯特•价格EOS戈达德宇航中心,项目经理最终同意资助。新项目办公室将共存SeaWiFS项目办公室。1996年,厘米了吉姆·米勒(圣地亚哥州立大学)从图2年来帮助组织程序。任务包括采购硬件共享场地设备池(辐射计、太阳光度计、肪冲激光雷达等)。同时,总部发布的征集建议SIMBIOS科学团队和处理选择。团队会有一个3年任期(注意这是扩大了第二个3年科学团队从2000年到2003年)。CM坚称,团队成员将根据合同,不资助,确保交付的收据。的合同将由新SIMBIOS戈达德宇航中心项目办公室。 Proposals from the international community were welcomed, although no NASA funds would be provided. After the SeaWiFS launch, the Cal/Val budget tapered off and many of the functions were picked up under the SIMBIOS Project.

并发与SIMBIOS的初始阶段形成的国际海洋颜色协调小组(IOCCG;https://ioccg.org),目标汇集各种国际空间机构和研究机构现在工作在海洋颜色,巩固知识,建立标准,促进全世界科学及其应用。IOCCG的创建是由罗伯特•Frouin当时NASA总部,和它的第一个主席贝德福德海洋学研究所的特雷弗·普拉特,他带领一个成功和持久。在其成就是IOCCG报告系列,哪些文档状态的艺术在各种主题与卫星遥感的海洋生物地球化学。

在SIMBIOS项目办公室,支持承包商人员开始。Giulietta Fargion是机载协助监控和科学团队合同本质上担任副项目经理。男朋友的标准化和泛化大气校正和bio-optical算法和扩展处理代码(L2GEN)来支持国际任务。JW雇他和肖恩·贝利被分配到尖吻鲈(Werdell et al ., 2003)和管理仪器池。格哈德迈斯特最初分配给访问各种美国和国际校准实验室验证校准源和技术(迈斯特et al ., 2003)。柯克Knobelspiesse手持太阳光度计数据的加工处理收集到的船只。克利斯朵夫部门安装CIMEL太阳光度计的12个沿海气溶胶机器人网络(AERONET;https://aeronet.gsfc.nasa.gov/)网站与戈达德宇航中心(AERONET小组合作Holben et al ., 1998)。Ewa Kwiatkowska和爱丽丝Isaacman担任数据分析师。

SIMBIOS项目办公室举行年度公布的年度科学团队会议和技术备忘录总结程序的科学成就与个别章节由每个团队成员,如。Fargion和麦克莱恩(2003)。人员和科学家密切合作的成员和飞行项目在欧洲、日本、韩国、印度和台湾。例如,男朋友和哈德迈斯特获得会员梅里质量工作组和第二代全球成像仪(SGLI,日本宇宙航空研究开发机构或JAXA)科学团队。的安排和ESA就访问梅里数据建立了数据质量和算法评估。比较的数据从不同的海洋颜色传感器进行了产品,例如,王et al。(2002)。五个海洋光学的更新协议发表,第一次是在2000年和2004年第四(例如,穆勒et al ., 2004)。协议的范围扩大和每个修订注册章海洋颜色社区的成员。今天,协议和美国宇航局社区色素分析管理的领域支持小组在戈达德宇航中心的指导下安东尼奥Mannino IOCCG和承载网络。尖吻鲈SIMBIOS下近三倍的数据量,提高归档领域活动和文件的总数超过1000年和40000年,分别。尖吻鲈控股的高质量bio-optical数据子集,美国宇航局bio-optical海洋算法数据集(游牧),提供社区取代SeaBAM (Werdell和贝利,2005年)用于卫星数据产品验证和算法开发活动。游牧的来源形成所有更新标准chla Kd(490)算法,直到最近的2022任务再加工,当它最终所取代瓦伦特et al。(2019),其中包括游牧以及更多的最近的数据集组件(见也O ' reilly, 2019 Werdell)。

最后,JAXA的邀请,SIMBIOS项目再加工10月数据集使用SeaWiFS算法。ADEOS-I曾在1996年推出,但前不久SeaWiFS启动失败。其覆盖率张成的早期阶段1997 - 1998年的厄尔尼诺现象。今天,10月和梅里数据产品仍可以通过美国宇航局海洋颜色的网站,并定期更新使用相同的算法,数据格式,和访问机制应用到海洋颜色NASA任务。

EOS Terra飞船携带MODIS传感器是1999年12月和Aqua飞船第二MODIS遵循2002年5月。2003年,NASA总部决定不征求三分之一SIMBIOS科学团队和终止程序,希望努力专注于MODIS泰拉和阿卡。同时,总部竞争EOS乐器队第一次发布了征集SNPP / VIIRS仪器团队。由于这些比赛,厘米被要求由NASA总部的领导MODIS和VIIRS海洋团队。负责MODIS海洋颜色处理和分布也从迈阿密大学的设施SeaWiFS / SIMBIOS项目办公室在基因费尔德曼在EOS数据和信息系统的支持下(EOSDIS)。这种整合海洋颜色纪律处理建立了现在被称为美国宇航局戈达德宇航中心。海洋生物处理组(OBPG)

也是这个时候,我们的一个暑期实习生,1997年前的研究生吉姆•尤德波特米波拉,开始她18年担任美国宇航局项目经理海洋生物学和生物地球化学(OBB)计划。这是第一次总部已聘请一个全职公务员这个职位,和是一个识别的增长和建立海洋颜色计划在NASA的重要性。

MODIS(1999 -现在)

MODIS传感器的范围,以支持大气气溶胶和云,陆地和海洋研究。文斯Salomonson MODIS的首席研究员,他同时还担任戈达德宇航中心地球科学委员会的主任。MODIS有36个光谱波段从412纳米到250年14.3μm决议,500和1公里,这取决于乐队。主要的海洋颜色乐队是412、443、488,531,547,667,678,748和869海里,在1公里分辨率。678纳米带是专门为chla荧光的测量,并第一次尝试观察被动的浮游植物荧光chla从空间。宽度是2330公里。MODIS扫描速率为0.34 rp(使用镜子双方)1公里乐队有10个单独的探测器分布沿轨道,从而使慢扫描速度和更多的时间来“收集”光子。有10个不同的探测器的缺点是它产生条带化的图像由于探测器校准的微小差异。在12位数据数字化(4096项)。Aqua和Terra飞海拔705公里的赤道穿越时间下午1:30,上午10:30。,分别。 The swath width is 2,330 km. MODIS does not tilt, nor does it have a depolarizer. In effect, it is an ocean color capable sensor, but is not fully optimized for ocean color measurements. Much coverage is lost at low latitudes due to Sun glint, on the order of >10 M km²每2天(根据季节)的海洋相对于类似的仪器倾斜±20^o(型,2018)。偏振敏感性在412 nm高达5.4%,但这是在发射前的测试特点,因此可以开发一种修正。戈登et al。(1997)概述了MODIS的偏振灵敏度校正。主在轨标定跟踪使用太阳能扩散与太阳能扩散器稳定性监测。最后,虽然每月农历校准演习没有原计划,它是确定航天器辊动作约55°月球相角将不会影响任何其他工具在Terra或浅绿色,所以每月农历的观点被批准用于跟踪MODIS放射敏感性的变化。值得注意的是,这两个的MODIS近红外光谱波段748和869海里,在海洋大气修正设计,配置了一个相对较低的饱和辐射(高辐射增益)灵敏度最大化(信噪比)的深色海水(Salomonson et al ., 1989)。不幸的是,这也导致饱和的乐队在月球上(以及在非常明亮的沿海水域),因此近红外光谱波段的板载时间校准依赖太阳能扩散器测量。

当第一次比较SeaWiFS和MODIS时间序列,全球平均季节性chla周期被发现有类似的振幅,但逐步被抵消。厘米问哈德迈斯特调查MODIS极化可能问题修正,这个调查显示,有一个测试坐标系统的误解,导致一个不正确的处理代码的实现。一旦问题被纠正,MODIS /水和SeaWiFS时间序列在阶段(迈斯特,et al ., 2005)。然而,趋势仍在MODIS / Terra时间序列不同意SeaWiFS和MODIS /水。弗朗茨et al。(2008)证实大量不同反射率的两个镜子,归因于伤害在发射前的特征,导致大量时间航迹响应和偏振灵敏度的变化与扫描角不能解决在轨太阳和月球校准测量。后工作,成功开发了一种方法来获取和正确的时态变化的仪器基于全球cross-calibration SeaWiFS海洋颜色测量,从而使使用MODIS海洋颜色/ Terra的应用程序(Kwiatkowska et al ., 2008)。

标准大气校正算法应用由NASA MODIS SeaWiFS的实际上是相同的,调整后的光谱带中心和光谱响应的差异(弗朗茨et al ., 2005)。bio-optical算法有效也相同,与MODIS的例外没有510纳米带,用于SeaWIFS chla算法来提高算法性能较高的叶绿素水域(O ' reilly et al ., 1998;胡锦涛等人。,2012年)。然而,MODIS确实为观察chla添加上述678纳米波段荧光行高(FLH),从而带来了新的bio-optical产品海洋颜色产品套件。机载早期的研究Borstad et al。(1987)启发马克阿伯特提出FLH响应初始MODIS团队征集。Behrenfeld et al。(2009)后来FLH产品用于推断浮游植物生理学的变化与光合作用所需的营养减少了可用性。MODIS还包括几个短波红外(短波红外成像)乐队在大气窗口longward 1000 nm。虽然不为海洋颜色应用程序而设计的,高et al。(2000)和王史(2005)表明短波红外成像乐队,在一个海洋反射的光谱政权可以被认为是微不足道的甚至在高度浑浊的水,可以提供一个可行的替代近红外光谱波段大气气溶胶修正改善这样的水域。实际上,SWIR-based检索在浑浊的水域海洋颜色显示减少偏见相对于地面实况,但由于噪声远高于NIR-based检索由于极低信噪比(信噪比)在典型的海洋信号水平(弗朗茨et al ., 2006;王2007年;Werdell et al ., 2010)。

厘米的高跟鞋后,他在2013年退休,男朋友担任MODIS海洋团队领导的科学团队和持续的维护和改进大气校正算法。

VIIRS(2011 -现在)

VIIRS SNPP飞船上产生了另一个重要的阶段进化的美国宇航局的卫星海洋颜色项目,因为它代表了一个从一个研究焦点过渡到综合研究和应用的焦点。MODIS、SNPP VIIRS旨在支持在多个科学学科的研究,而且常规NOAA和国防部的应用程序。SNPP任务是由NASA开发和推出,但将由美国国家海洋和大气管理局。最初,这个项目是由美国联合航空Force-NOAA综合项目办公室(IPO),但最终被移交给美国宇航局管理。当NASA总部征求建议SNPP / VIIRS科学团队在2003年,VIIRS已经设计并被雷神公司从诺斯罗普·格鲁曼公司根据合同制造公司,SNPP主承包商。设计是一种混合SeaWiFS和MODIS之间,即。,VIIRS has a rotating telescope, but MODIS-like detector arrays with 16 detectors. The seven ocean bands are 410, 443, 486, 551, 671,745 and 862 nm. The sensor also includes SWIR bands similar to MODIS, but again those bands were not designed for ocean color applications. To support ocean color as well as terrestrial and atmospheric applications, several of the VIIRS bands were designed to measure at both a high and a low radiometric gain, including the NIR band at 862 nm, but not the NIR band at 745 nm. SNPP is at an altitude of 834 km and the ocean band resolution is 750 m, requiring a scan rate of 0.55 rps. The swath width is 3,060 km, and the equatorial crossing time is the same as MODIS on Aqua at 1:30 p.m. Like MODIS, VIIRS does not tilt and it does not have a depolarizer. The polarization sensitivities range from ∼6.4% at 412 nm to less than 2.5% at 672, 745 and 862 nm. Note that SNPP was launched as the first of five satellites under what is now known as the Joint Polar Satellite System (JPSS) Program. As a core instrument for JPSS, a second VIIRS was launched on JPSS-1 (later renamed to NOAA-20) in 2017. Three additional VIIRS will be launched on JPSS-2, -3, and -4 in 2022, 2028, and 2032, respectively.

第一个问题海洋团队提高了月球是一个需要校准。像泰拉和阿卡,系统没有设计考虑到这一点,但会依靠太阳能监控类似于MODIS扩散与稳定。有很多阻力飞船机动的操作的程序,但弗雷德型和吉姆•巴特勒SNPP校准科学家,证明所需的动作不会影响其他设备或造成数据丢失。必要的辊动作被批准允许每月农历的观点在∼51°相角,跟踪VIIRS的时间校准。不幸的是,单一案例745 nm频道在月球上浸透,所以乐队依靠太阳能扩散器的时间校准测量。凯文Turpie被用于跟踪VIIRS开发和测试与工程试验装置有问题,例如,光学串扰的焦平面。这是一份全职工作。例如,MODIS校准支持团队(MCST)审查的VIIRS下水前的测试数据和出版了大量技术报告的结果,和海洋的戈达德宇航中心的工作人员审查这些报告发布之前。的目的是最好的对传感器的理解。有很多延迟SNPP程序导致近5年发射滑。 SNPP was launched in October 2011, so VIIRS and SeaWiFS did not overlap, but fortunately there is substantial overlap with MODIS on both Terra and Aqua.

NASA内部的,计划SNPP有EOSDIS-like数据系统,与集中式数据采集、处理、归档和分发所有学科和数据产品。玛丽裂开(他现在担任的副署长NASA科学任务理事会)认为,分布式系统,处理和分布处理系统和像SeaWiFS团队,将更多的成本效益和响应用户社区。她问厘米和基因费尔德曼表示,“纪律处理”的场景。相当有争议的讨论,但最终胜出纪律处理。OBPG最初分配的产品评估和分析工具元素(PEATE)海洋科学学科,与任务支持SNPP科学团队的评价操作海洋颜色NOAA将生产的产品,并评估是否可以满足NASA研究的需要。工作的一个重要方面是全球比较NOAA SNPP VIIRS海洋颜色的产品与美国宇航局现有MODIS海洋颜色时间序列,以评估相对质量和连续性(Turpie et al ., 2013)。同时,男朋友和OBPG团队也适应L2GEN支持VIIRS海洋的颜色。从这些研究结果表明,标准化的算法,校准技术和处理方法是必要的生产一致的全球海洋颜色时间序列生成MODIS和VIIRS时代(Turpie et al ., 2013)。PEATE阶段后,NASA总部征求建议NASA科学调查处理系统(sip) VIIRS和OBPG被授予VIIRS海洋基因费尔德曼的领导下和男朋友口的作用。厘米后,凯文Turpie假定SNPP海洋团队领导者的角色在postlaunch评估阶段的任务。 The VIIRS and MODIS Science Teams were later combined, with BF serving as the Ocean Team Leader.

今天我们在哪里

现在是44年CZCS发射以来,海洋颜色和NASA项目积累了丰富的数据bio-optical全球海洋的属性。所有的数据都是免费提供一个标准化的格式,通过一个公共分配系统(美国宇航局海洋生物学分布式有源档案中心(OB.DAAC))是专门为国际海洋颜色科学与应用社区,和所有科学处理软件和算法通过SeaDAS分布作为开放源码软件包,用户友好的工具来显示和分析。开始SeaWiFS和包括数据MODIS和VIIRS,现在有一个连续的全球海洋颜色时间序列生成近25年,有足够的质量和连续性评估海洋bio-optical属性对全球变化的区域空间尺度和年代际时间尺度。这是通过强大的仪器设计和彻底的发射前的表征,严格的在轨校准包括使用月球观测跟踪和正确的放射反应的变化,一个常见的替代使用高质量的地面真值测量标定方法以减少检索偏见,和标准化的科学软件和算法和辅助数据来源大气校正过程中,以确保一致性和衍生生物地球化学产品(弗朗茨et al ., 2005;弗朗茨et al ., 2012)。

在图1- - - - - -3,我们将展示这一成就的例子。图1显示了不同的年平均叶绿素浓度年跨越4年,从CZCS检索,SeaWiFS, MODIS, VIIRS使用常见的算法和标定方法。这些图片展示我们观察世界的海洋浮游植物分布的能力,和跟踪,分布随时间的变化。回忆,CZCS技术示范任务没有配置为全球每日测量,CZCS年平均(图1一个从抽样偏差)遭受极大,但这个任务是第一个展示来自太空的能力来衡量海洋生物学和揭示海洋浮游植物水华的真正规模和相互联系的性质,激发了所有未来海洋颜色的任务。在图2,我们将展示一系列相似的图像,但同年(2020),和两个MODIS工具和两个VIIRS仪器。这些图像提供了一个视觉展示海洋颜色一致性水平,美国宇航局计划取得了从四个不同的传感器和两个不同的传感器设计,跟踪变化,从而提供了他们的信心在我们的能力在全球海洋浮游植物的分布从使命任务。最后,图3显示每月的平均时间序列和延长的销售季节异常来源于SeaWiFS, MODIS,和VIIRS空间区域覆盖全球海洋(复制弗朗茨et al ., 2017)。叠加在图3 b是多元ENSO指数(梅,沃尔特和Timlin, 1998),这倒和缩放匹配叶绿素异常的动态范围。图3 a, B证明我们能够观察浮游植物水华的季节性周期变化在数十年时间尺度,并追踪海洋的生物反应主要气候事件(Behrenfeld el。2006年;弗朗茨et al ., 2017)。

通过美国宇航局的卫星海洋颜色计划和相应的国际海洋颜色增长之后CZCS的成功,我们已经大大扩展我们的知识和理解的全球海洋浮游植物的分布及其应对环境变化,以及海洋的角色在全球净初级生产力和全球碳循环。然而,这些成就还透露和刺激的科学问题和应用程序目前不能解决遗产,多光谱仪器。一般来说,追求这些高级水生科学问题需要新的,精度高、辐射仪器具有高信噪比测量和光谱扩展功能,使浮游植物群落和水生生物地球化学评估改善,以及在更广泛的动态范围更准确的大气校正的光学条件(例如,IOCCG 2012;麦克莱恩et al ., 2014;帕拉西奥斯et al ., 2015;新郎et al ., 2019;等et al ., 2021)。这应该包括更高精度短波红外成像乐队,专门针对海洋颜色大气校正和额外的光谱波段的紫外线,使先进的大气校正方法和提高数据质量在浑浊的沿海和内陆水域或气溶胶吸收条件下挑战当前标准大气校正算法(Frouin et al ., 2019;易卜拉欣et al ., 2019)。大多数新兴方法评估浮游植物生理学和社区组成需要至少5纳米的高光谱测量采样和分辨率(李et al ., 2007;Vandermuelen et al ., 2017)。此外,准确,well-sampled放射检索叶绿素荧光地区浮游植物养分提供重要的信息压力,以及额外的评估在光复杂水域的浮游植物色素(Behrenfeld et al ., 2009;帕拉西奥斯et al ., 2015)。Frouin et al。(2019)进一步提出这个话题,以及提供评论的高光谱遥感海洋颜色和的好处finely-sampled放射检索大气校正的多个方面。高光谱能力之外,一些科学目标包括海洋颜色的集合在紫外线辐射测量的地区。测量从350年到400海里为评估提供基本和目前unavailable-information CDOM吸收的光谱形状特征(例如,其斜率)和分离CDOM吸收从浮游植物吸收。考虑上述所有,SeaWiFS-MODIS-VIIRS时代打开我们的眼睛,新的全球水生生物和生物地球化学现象和时间是正确的进入全球海洋颜色高光谱遥感的时代。这样做将打开新的视野,进一步理解的浮游植物群落组成,并且碳比率,生物地球化学过程,碳出口等等。幸运的是,准备这样一个任务自2000年以来一直在进行中。

速度

2000年,玛丽戈达德宇航中心制定一个坚持要求环保总署跨学科(陆地、大气、海洋)碳循环研究项目。研究包括卫星任务、领域和验证研究,算法开发、建模等,包括成本估计在所有程序的元素。厘米,福勒斯特大厅(地球科学)和Jan Gervin(工程)领导了这项研究。所有NASA中心、大学社区的成员和其他政府机构,如美国国家科学基金会,美国地质调查局和美国环境保护署,被邀请参加。三个车间和一个数量的仪器设计和任务设计研究。在2001年的夏天,结果提交给总部,美国宇航局局长(丹金)结合超级计算的项目计划并提交行政管理和预算局(OMB)。OMB有利支持该计划,但2001年9月11日发生的事件,看上去。

随后,迈克Behrenfeld和CM决定推进先进的海洋颜色项目征集提案即将到来的地球探路者。戈达德宇航中心提供的参考资料中的提议,乐器的团队成立,乐器的设计研究。研究小组发现了超过25光谱波段,在设计研究中,被认为是太多SeaWiFS-like光学的火车。征集从未公布。尽管如此,戈达德宇航中心继续支持进一步的设计研究。艾伦•福尔摩斯的建议设计从多通道滤波器辐射计转向高光谱光栅光谱仪。而不是离散探测器,仪器会有两个光栅和电荷耦合器件(CCD)跨越紫外线(UV)、可见光和near-infrard (NIR)。TDI ccd可以支持,大大提高了信噪比。戈达德宇航中心提供资金,2008年开始bread-boarding“蓝色”(335 - 590 nm)光学火车,NASA戈达德宇航中心收到资金,2009年在仪器孵化器项目(IIP)构建海洋碳评估辐射计(兽人)原型,完成消偏振镜,一个旋转望远镜/半角镜装配和两个光栅/ CCD光谱仪。作为IIP的一部分,成立一个工作小组来开发传感器性能要求(迈斯特et al ., 2011)。同样,2011年,一位IOCCG工作组开发海洋颜色要求卫星任务(IOCCG 2012)。2011年,一个额外的3年的资金收到完成原型。最终成功实现了同步旋转的望远镜/半角镜(6赫兹)和16的TDI CCD读数(麦克莱恩et al ., 2012)。设计还满足所有其他性能要求,如偏振灵敏度和图像质量。

与虎鲸发展2005年,同时,迈克Behrenfeld,厘米和杰•赫尔曼(戈达德宇航中心的大气科学家)提出了一个海洋辐射计、旋光计和气溶胶激光雷达任务美国国家科学院(NAS)十年调查征集任务概念支持NASA和美国国家海洋和大气管理局(国家研究委员会,2007年)。同时,在这段时间里,波特米波拉召开了一个小型工作组来概述海洋生物地球化学(未来的美国国家航空航天局任务美国宇航局海洋生物学和生物地球化学工作小组,2007年),包括一个先进的海洋颜色的使命。2007年,气溶胶、云计算和生态系统(ACE)的任务是推荐的NAS和将包括一个海洋颜色与短波红外成像辐射计乐队气溶胶和云,旋光计,气溶胶激光雷达和双频云雷达。ACE将跟进MODIS的成功,和叫做“卡利普索(“激光雷达和红外探路者卫星观测)任务以及取代气溶胶偏振计迷失在光荣使命发射失败。于2008年,总部成立了一个王牌大气和海洋组成的研究小组代表提炼需求和传感器的概念和资助和任务设计研究工具。CM和迈克Behrenfeld担任海洋团队领导。ACE审议期间,建议两个被动传感器,即。,the ocean radiometer and the polarimeter, be launched early as the technologies were more mature. That mission was called Pre-ACE. In 2011, HQ released a solicitation for a Pre-ACE mission Science Definition Team (SDT) with representation from the aerosol, cloud, ocean and land communities. CM, BF, and JW were selected as members of the SDT Oceans Team, as was Mike Behrenfeld. Carlos Del Castillo of the Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (currently Ocean Ecology Laboratory chief at GSFC) chaired the formulation team. The final report was released in 2012 (速度科学定义团队,2018年)。第一步科学团队聚集在2014年代中期,尽管它还没有被意识到作为一个真正的使命。不过,科学小组有意关注核心算法开发PACE-like使命,或许更重要的是,在海洋和大气层的改进集成社区(老板和快速眼动2018)。至于后者,这种科学团队协作生产审查论文检索水生IOPs (Werdell et al ., 2018)和手稿的集合雷竞技rebat地球科学前沿(https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/research-topics/7637/from-the-satellite-to-the-earths-surface-studies-relevant-to-nasas-plankton-aerosol-cloud-ocean-ecos)。

2014年12月,总部分配的浮游生物,气溶胶、云,海洋生态系统(速度重命名)任务戈达德宇航中心(Werdell et al ., 2019)。2015年2月,JW成为项目科学家,安东尼奥Mannino和布莱恩·凯恩斯指派副项目科学家海洋和大气层,分别。项目办公室速度迅速聚集在戈达德宇航中心,包括项目科学办公室及其科学数据段(SDS)的支持下由男朋友肖恩·贝利和弗雷德型。戈达德宇航中心维护/总部方向,负责整体任务管理(例如,预算和进度),安全及任务保证、收购(并最终开发)的航天器,收购的运载火箭,集成和测试的所有任务元素,任务和地面系统,开发海洋的颜色仪器(OCI),日常任务制定和执行相关的科学指导,和科学数据处理。NASA总部专门分配OBPG科学数据处理,其中驻留SDS步伐,进一步促进机构的纪律处理策略详细阐明。总部还指示戈达德宇航中心考虑另外,虎鲸替代海洋颜色传感器的设计。设计进行了研究,最终决定,最好一个ORCA-like传感器满足性能需求(CM和迈克Behrenfeld没有参与这个过程)。

定于2024年1月推出,卫星观测站速度包括三个仪器,高光谱成像辐射计(OCI)和两个多光谱,multiangle偏振计,后者详细描述。短暂,旋光计包括Spectro-polarimeter行星探索(SPEXone),由荷兰在开发太空研究机构组成的财团荷兰的荷兰(荷兰)和空客国防和空间(Hasekamp et al ., 2019),高度角研究偏振计(HARP2),地球和太空研究所开发的马里兰大学巴尔的摩县(马丁斯et al ., 2018)。尽管在这里并不是详细讨论,这些偏振计不仅要推进大气研究,但也有可能彻底改变检索水生光学和生物地球化学属性(例如,鲁伊赛et al ., 2008;易卜拉欣et al ., 2012;翟et al ., 2017;高et al ., 2018,只有少数)。

“公盟”有两个狭缝光栅,高光谱的光谱仪,不断跨越紫外线(320海里)橙色,橙色的近红外光谱区域(890海里)。ccd的数据将名义上读出每2.5下午5 nm决议和报告228乐队。7点额外的光纤耦合的乐队探测器将收集测量离散短波红外(短波红外成像)乐队集中在940,1038,1250,1378,1615,2130,和2260 nm,六是在相同波长的MODIS和VIIRS支持大气数据产品生成。在16位OCI数据数字化。因此,在每一个像素,光谱值,有235,在16位,总结∼15.4 mb。CZCS是1536位的值,所以CZCS / OCI数据率的比值> 10000 !

像SeaWiFS, OCI会执行一个倾斜机动每个轨道大约在太阳赤道的点,以避免闪烁反射海洋寻找20^o北(前)在北半球和20^o南(aft)在南半球,海洋科学的数量最大化像素检索。OCI望远镜将扫描自西向东的自转速率5.77赫兹,获得地球视图数据∼1公里²在最低点和±56.5的一个角范围^o,导致地面宽度为2663公里。与太阳同步轨道上的676.5公里,13:00当地赤道穿越时间,OCI实现天全球覆盖其全部片和为期两天的全球覆盖传感器天顶角度60°超出大气校正的性能退化。

OCI光学设计遵循SeaWiFS和虎鲸的原型,用旋转望远镜,半角镜子,去极剂(要求降低偏振敏感性< 1%,指定的上限)。两个的光谱仪的光谱分辨率为5 nm,光谱可配置的步骤0.625 nm的增量从0.625到5海里)。如前所述,在推出配置将提供2.5纳米光谱步骤从340到890,额外的潜力有限1.25 nm步骤通过浮游植物荧光和O₂如果数据率允许A / B光谱区域。像SeaWiFS OCI还使用TDI提高其信噪比。它的瞬时视场是16公里×1公里的长方形在地面上,再扫描方向的维度。望远镜的CCD读出速率同步旋转的光辉从1公里×1公里区域读取实现比率的TDI 16:1先后16次。同样的原理用于离散带的时间越长,但短波红外成像的TDI 2:1-8:1不同。

因为速度必须支持云、大气科学和海洋的颜色,OCI设计最大化的关键驱动因素在低信噪比信号水平开放的海洋,同时也支持一个非常高的动态范围,以避免饱和非常聪明的目标。这是有效地实现最大化的辐射增益和数据获取与16位精度(TDI)之前。然而,随着研究浮游植物荧光需要美非常高的信噪比(Behrenfeld et al ., 2009),动态范围的高端乐队从660年到715年减少纳米∼40%的云辐射最大,导致信噪比的提高。1038纳米带治疗同样增加其信噪比用于海洋颜色大气校正。迄今为止美国宇航局任务设计对全球开放的海洋科学,例如,通过他们的空间分辨率和光谱波段选择。沿海和更多的光复杂水域明显受到地面径流和泥沙再悬浮实施额外的挑战对chla等衍生产品的准确性。虽然速度保持全球使命的“粗”决议,我们期望它的高光谱数据从紫外线通过近红外光谱将支持更健壮的bio-optical算法的发展和应用光学复杂水域,可以定制的区域。

最后,“公盟”将在月球阶段执行月球每月两次校准±7的角度^o太阳能校准每日,每月,高动态范围确保没有乐队会饱和观看月球时(包括荧光区域)。其太阳能校准装置包括三个diffusers-two明亮的太阳,一个昏暗的太阳能扩散器。一个明亮的扩散将测量的日常跟踪短期收益变化,而明亮的扩散将测量第二个月确定退化的日常明亮的扩散。暗淡的太阳扩散器将用于验证和跟踪OCI读出电子产品使用特殊的线性ccd电荷积累模式。后者为传统的传感器是不可能的。

其他任务和未来的可能性

我们本文关注美国宇航局的全球海洋颜色任务,但海洋颜色还有其他任务,应该提到。这样一个任务是SeaHawk (Jeffrey et al ., 2018),nanosat任务由基因费尔德曼和OBPG演示了对地区级的核卫星海洋颜色测量的实用程序从低成本spacebone平台。鹰眼传感器在SeaHAWK设计并建造了艾伦•霍姆斯,包括光谱波段的SeaWiFS-like套件。任务提供了一个有限数量的高分辨率场景(75 - 150;每天片= 250 - 400公里)。SeaHawk创办于2018年12月,继续操作,与海洋颜色产品由OBPG OB。DAAC和分布式。进化的一个重要里程碑的发射卫星海洋颜色的高光谱成像仪的沿海海洋(海棠)专门传感器是由美国海军研究实验室和运营国际空间站的从2009年到2014年(鲁克et al ., 2011)。海棠是第一个星载高光谱仪器专门针对海洋颜色进行了优化。它的光谱范围从353到1080纳米和90米的空间分辨率,并收集了大约每年2000图片的大小50公里×200公里在用户选择的目标。海棠任务专门结束后,OBPG被要求承担责任的管理数据和低级处理软件。海棠数据一直是一个有价值的专门代理OCI速度数据和速度算法开发和测试,并促进了美国宇航局海洋颜色算法的扩展到高光谱政权(易卜拉欣et al ., 2018)。OBPG利用这种能力来产生和维护一套标准的海洋颜色产品从海棠现在专门OB。DAAC分布。另一个重要的范例是同步海洋的颜色。海洋颜色第一同步任务,韩国海洋颜色同步任务(GOCI;曹et al ., 2010),创立于2010年,经营直到2018年初,证明了抽样的效用沿海海洋地区一天多次,观察昼夜变化和沿海流程和云的损失降到最低。NASA与Geosynchonous滨海成像跟踪和监控辐射计(GLIMR;https://eos.unh.edu/glimr/about),计划于2026年发射,OBPG担任科学数据段的任务。最后,在美国宇航局海洋生物学和生物地球化学工作小组报告上面提到的,一个海洋激光雷达是推荐的。随后,Behrenfeld et al。(2013)证明的可行性从NASA的卡利普索激光雷达获取有用的海洋生物地球化学数据不是针对海洋应用程序进行了优化。海洋激光雷达可以在一天的任何时候收集数据和纬度,垂直深度分辨率,将是一个宝贵的全球测量套件。

结论

在本文中,我们描述了美国宇航局的海洋颜色的发展任务和传感器技术的发展,处理算法和数据产品。这个过程始于six-band(四个用于海洋颜色)CZCS和拥有先进hyperspectal步伐的使命。传感器的性能,我们提供表1,总结的一些主要传感器属性。有许多性能要求中列出迈斯特et al . (2011)驱动传感器设计和工程。在我们的讨论中,我们强调了数字化对这些任务(从8到16位)为例,改进技术,满足更苛刻的性能要求。信噪比是另一个这样的度量。在测量这些任务的信噪比的文献,我们发现很难比较值因为没有常用输入辐射值在发射前的测试。信号取决于像素大小、扫描速率、带宽、探测器的量子效率,等。例如,CZCS SeaWiFS名义带宽和20 nm(不包括气溶胶修正乐队),而MODIS海洋带宽通常是10纳米。然而,这并不能完全解释的差异输入光芒。胡锦涛et al。(2012)提供一个比较基于一组标准的L_typ值,尽管这并不包括VIIRS分析。每胡锦涛et al。(2012),MODIS的信噪比是7 - 12∼倍CZCS和SeaWiFS∼2到5倍。信噪比信息的来源包括威廉姆斯,et al . (1985),巴恩斯et al。(1994),Angal et al。(2015)和曹et al。(2017)CZCS, SeaWiFS MODIS和VIIRS分别。信噪比估计的OCI工程试验单位(ETU)表明,OCI超过任务要求,定义一些传统仪器的性能,甚至在所有波长的一个因素∼2在光谱的蓝色部分。

如前所述,有传感器设计中权衡。MODIS和VIIRS被设计来支持多个科学社区,对于海洋颜色应用程序,破坏范围和数据质量,例如,没有仪器倾斜和去极化光学。传感器的设计也不同信噪比是如何实现的。MODIS和VIIRS合并多个探测器沿径方向上对齐,扫描速度缓慢,但在这一过程中引入目标条带化海洋颜色图像由于探测器校准的微小差异。分段是一种噪声信噪比不是占的特征。SeaWiFS探测器航迹方向一致,允许TDI没有分段,但更快的扫描速度,介绍更多的磨损轴承,需要一个额外的机制,即。,半张角镜旋转在主镜的一半。

原CZCS生化数据产品脱镁叶绿素+ chlorophll-a Kd (490)。速度任务数据产品包括一系列的光学和biogeophysical产品更随着社区的承诺与全球首次高光谱数据。关于数据访问,NASA已经率先使所有数据,包括仪器校准信息,免费在线实时附近。也投入了大量精力在传感器技术信息,算法等海洋颜色可以通过网站(https / / oceancolor.gsfc.nasa.gov和https://pace.gsfc.nasa.gov),技术备忘录和同行评议的论文。SeaDAS的开发和维护,鲈鱼和测量协议大大启用的用户社区利用卫星数据,开发生物地球化学算法和验证数据产品。这些任务的科学应用的数据是由大量的科学文献证明致力于卫星海洋颜色。灵气实验团队不可能想象未来的增长和科学的影响,美国宇航局计划诞生于卫星海洋颜色的开创性工作。

作者的贡献

厘米第一作者,在NASA戈达德宇航中心工作了超过35年的美国宇航局海洋颜色项目,参与了本文中讨论的所有任务。他写的文字和编辑和部分由合作者。男朋友一直以来海洋颜色参与美国宇航局计划的发射前的阶段SeaWiFS使命。他发达的海洋颜色处理软件和管理OBPG中的多任务数据后处理工作,现在担任科学数据段经理步伐的使命。除了许多主要的文本编辑和评论,他写了部分相关的数据处理。JW海洋颜色参与美国宇航局计划开始SIMBIOS并领导字段数据档案和质量控制和bio-optical算法。他是速度的项目科学家任务的讨论和起草任务除了许多编辑和评论的主要文本。

资金

支持这项工作是由美国宇航局提供的浮游生物,气溶胶、云,海洋生态系统(速度)项目。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

确认

许多人做出了重大贡献的促进美国宇航局的卫星生物地球化学项目和我们道歉那些没有信用在这个短暂的年表。许多人在戈达德宇航中心作为海洋颜色成员工作人员,做出了宝贵贡献。同时,我们想认识的人担任海洋生物学和生物地球化学在NASA总部项目经理。他们一直在总部项目的主要倡导者,在国会山和在国际上,定义和支持计划的科学目标通过常规请求建议。MODIS,他们也支持团队SIMBIOS VIIRS和速度。正如前面提到的,直到2003年,这个位置是由社区成员在2年约会通常通过协议与他们的学术机构。他们肯梳刷,韦恩•以赛亚Curt戴维斯,吉姆•尤德马龙·刘易斯,格雷格•米切尔弗兰克Muller-Karger,罗伯特•Frouin珍妮特•坎贝尔查克树木、波特米宝拉和约翰•马拉劳拉Lorenzoni。最后,我们要感谢这个特殊的客座编辑体积,罗伯特•Frouin的邀请提交这篇文章。

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