Спектрометр MERIS: Обзор возможностей и применения.

Введение

Спектрометр изображения среднего разрешения (MERIS) был одним из основных инструментов на борту платформы Envisat Европейского космического агентства (ESA). Сенсор находился на орбите с 2002 по 2012 год. ESA официально объявила об окончании миссии Envisat 9 мая 2012 года. Этот прибор состоял из пяти камер, расположенных рядом друг с другом, каждая из которых была оснащена спектрометром с нагнетательной разверткой. Эти спектрометры использовали двухмерные ПЗС-матрицы (CCD). Одна из сторон детектора была ориентирована перпендикулярно траектории спутника и одновременно собирала, через входную оптику, данные для линии точек на поверхности Земли (или в атмосфере). Движение платформы по орбите в сочетании с коротким временем интегрирования генерировало данные, которые впоследствии использовались для создания двухмерных изображений. Система разделения света разделяла различные длины волн (цвета), составляющие входящее излучение, на входе в прибор и направляла их на детектор по второму измерению, то есть вдоль траектории. Эти спектрометры получали данные во многих спектральных диапазонах. По техническим причинам только 16 диапазонов фактически передавались на наземный сегмент (один из которых необходим для предварительной обработки исходных данных). Таким образом, этот прибор предоставлял полезные данные в 15 спектральных диапазонах, которые фактически были программируемыми по положению, ширине и усилению. На практике эти технические характеристики оставались постоянными большую часть времени, чтобы обеспечить выполнение множества систематических или оперативных задач. Собственное пространственное разрешение детекторов обеспечивало выборку каждые 300 м вблизи надира на поверхности Земли, а конструкция с нагнетательной разверткой избегала или минимизировала искажения (например, эффект «бабочки»), типичные для сканирующих инструментов. Это известно как продукт «Full Resolution (FR)». Более распространенные продукты «Reduced Resolution (RR)» создавались путем агрегирования данных FR до номинального разрешения 1200 м. Общее поле зрения MERIS составляло 68,5 градусов вокруг надира (что обеспечивало ширину полосы захвата 1150 км), чего было достаточно для сбора данных для всей планеты каждые три дня (в экваториальных регионах). Полярные регионы посещались чаще из-за схождения орбит. Основной целью MERIS было наблюдение за цветом океана как в открытом океане (прозрачные воды или воды типа I), так и в прибрежных зонах (мутные воды или воды типа II). Эти наблюдения использовались для оценки концентрации хлорофилла и взвешенных частиц в воде. Он также использовался для мониторинга и картографирования месторождений морской травы Posidonia oceanica в сочетании с воздушными мультиспектральными датчиками высокого и очень высокого разрешения (HR/VHR) для коррекции атмосферного и водяного столба шумов, ослабляющих сигналы отражения, возникающие от мелководья и мутного морского дна в северной части Средиземного моря. Эти измерения полезны для изучения океанической составляющей глобального углеродного цикла и продуктивности этих регионов, среди прочих применений. Характеризация свойств атмосферы (поглощение газов и рассеяние аэрозолей) необходима для получения точной информации об океанах, поскольку они вносят основной вклад в измеряемый сигнал (при ясной погоде) или просто потому, что облака препятствуют наблюдению за поверхностью. Кроме того, этот прибор полезен для мониторинга изменений в наземных средах, таких как доля солнечной радиации, эффективно используемая растениями в процессе фотосинтеза, среди множества других применений.

MEdium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) was one of the main instruments on board the European Space Agency (ESA)'s Envisat platform. The sensor was in orbit from 2002 to 2012. ESA formally announced the end of Envisat's mission on 9 May 2012. This instrument was composed of five cameras disposed side by side, each equipped with a pushbroom spectrometer. These spectrometers used two dimensional CCDs. One of the sides of the detector was oriented perpendicular to the trajectory of the satellite and simultaneously collected, through the front optics, observations for a line of points at the Earth's surface (or in the atmosphere). The displacement of the platform along its orbit, combined with a short integration time, generated data that was later used to create two dimensional images. A light dispersing system separated the various wavelengths (colors) composing the incoming radiation at the entrance of the instrument and directed these on the detector along the second dimension, i. e., along track. These spectrometers acquired data in many spectral bands. For technical reasons only 16 of the bands were actually transmitted to the ground segment (one of which is required for the low level processing of the raw data). This instrument thus provided useful data in 15 spectral bands, which were actually programmable in position, width and gain. In practice these technical characteristics were kept constant most of the time to allow many systematic or operational missions. The intrinsic spatial resolution of the detectors provided for samples every 300 m near nadir at the Earth's surface, and the pushbroom design avoided or minimized the distortions (e. g., bow tie effects) typical of scanning instruments. This is known as the 'Full Resolution (FR)' product. The more common 'Reduced Resolution (RR)' products were generated by aggregating the FR data to a nominal resolution of 1200 m. The total field of view of MERIS was 68.5 degrees around nadir (yielding a swath width of 1150 km), which was sufficient to collect data for the entire planet every three days (in equatorial regions). Polar regions were visited more frequently due to the convergence of orbits. The primary objective of MERIS was to observe the color of the ocean, both in the open ocean (clear or Case I waters) and in coastal zones (turbid or Case II waters). These observations were used to derive estimates of the concentration of chlorophyll and sediments in suspension in the water. It was also used for monitoring and mapping the deposits of seagrass Posidonia oceanica, in couple with the airborne HR/VHR (High/Very High Resolution) multispectral sensors for correcting the atmospheric and water column noise attenuation of the reflectance signals which arise from the shallow and turbid sea bottom waters in the Northern Mediterranean. These measurements are useful to study the oceanic component of the global carbon cycle and the productivity of these regions, amongst other applications. The characterization of atmospheric properties (gaseous absorption and aerosol scattering) is essential to derive accurate information over the oceans because they contribute to the bulk of the signal measured (under clear skies) or simply because clouds prevent the observation of the underlying surface. In addition, this instrument is useful to monitor the evolution of terrestrial environments, such as the fraction of the solar radiation effectively used by plants in the process of photosynthesis, amongst many others applications.