大气痕量气体差分吸收光谱仪地面数据评价软件设计

大气痕量气体差分吸收光谱仪通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光,利用差分吸收光谱技术来反演大气中痕量气体的分布和变化。在地面对大气痕量气体差分吸收光谱仪完成实验室定标以验证其性能和可靠性,为大气痕量气体差分吸收光谱仪的数据处理提供支持。为快速处理光谱仪定标数据,研制了相关的光谱辐射定标软件。定标软件基于C++语言,在Windows平台上开发,实现数据定标和多维度展示定标数据。 其中光谱定标采用多项式拟合算法,光谱分辨率采用Gauss拟合算法。辐射定标包括绝对辐射定标和相对辐射定标,绝对辐射定标求取辐射定标非稳定性和非线性, 相对辐射定标求取相对辐射校正系数和不确定度。结果表明软件运行良好,能够完成大气痕量气体差分吸收光谱仪地面光谱定标、辐射定标数据的处理。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪0~1数据处理研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪(Environmental trace gases monitoring instrument, EMI)于2018年5月9日成功发射升空,目前在轨运行状态良好,能够有效获取全球紫外-可见波段地球大气散射光信号(Digital number, DN)值(0级数据)。为对遥感数据定量化应用, EMI输出的DN值需要完成光谱定标、几何定位、辐亮度定标等处理,得到1级数据产品,1级数据用于反演获取全球大气NO$_2$、SO$_2$和O$_3$等2级产品,进而应用于定量监测全球空气质量变化以及污染气体的分布输运过程。     

红外甚高光谱分辨率探测仪高精度在轨光谱定标

红外甚高光谱分辨率探测仪(AIUS)是高分五号(GF-5)卫星的主要载荷之一,它通过太阳掩星观测实现多种大气痕量气体垂直分布信息的获取,准确的光谱定标是其数据定量反演的关键和基础。针对AIUS超高的光谱分辨率、无配套星上光谱定标设备的问题,提出基于大气吸收特征谱线的多谱线线性拟合算法,通过多普勒频移修正、多谱线筛选、准确谱峰位置确定等关键技术提高其在轨光谱定标精度,并在GF-5卫星成功发射后,围绕AIUS开展了一系列的光谱定标和精度分析工作。结果表明:该方法可实现AIUS的高精度光谱定标,MCT和In Sb通道的平均谱峰绝对偏差分别为0.004 37cm~(-1)和0.003 89cm~(-1),均小于痕量气体反演应用要求的0.008 cm~(-1)。     

星载EMI在轨光谱定标方法研究

于 2018 年 5 月 9 日搭载高分五号卫星发射的大气痕量气体差分吸收光谱仪 (EMI) 为紫外可见波段高分辨率 成像光谱仪。为考察其在轨光谱性能, 首先采用波长寻峰法即以太阳 Fraunhofer 线作为特征峰以快速获取载荷的光谱 范围, 然后采用谱线匹配法获取载荷空间维度的光谱弯曲值, 最后采用光谱拟合法获取光谱分辨率的变化。寻峰法通 过与标准 Fraunhofer 线进行比对找寻特征峰, 得到其标准波长及对应像元, 经二阶多项式拟合可得到像元-波长对应关 系。谱线匹配法通过 Pearson 相关系数法作为判据, 即利用两谱线之间相关系数作为匹配结果的判断条件, 得到测量 谱线与标准谱线间的偏移值, 定标结果满足定标精度高于 0.05 nm 的要求。光谱拟合法通过求解将测量谱与高分辨率 太阳参考谱拟合, 可以分析光谱分辨率变化。对 2019 年 1 月 7 日全天 15 轨数据的分析结果表明, 光谱分辨率在一天 内的变化一致, 其单行标准差不超过 0.01, 因此在之后仪器长时间运作或受到干扰情况下, 利用此方法对其性能衰变 进行分析具有重要意义。     

长程差分吸收光谱中快速扫描光谱仪设计与性能分析

长程差分吸收光谱(DOAS)技术已经越来越广泛地被用来测量大气中痕量气体浓度．在DOAS系统中，快速准确地获得光谱信号是正确反演痕量气体浓度的关键．文中在讨论空气质量DOAS系统组成的基础上，提出了快速扫描光谱仪的设计并对影响光谱性能的问题进行了讨论。定标谱线和实际测量结果表明：所研制的快速扫描光谱仪在进行合理的结构设计和正确的安装调试后能够满足空气质量监测系统的要求．     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪定标机构设计

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪(星载仪器)搭载于太阳同步轨道卫星上,应用于定量监测全球空气质量变化以及污染气体的分布输运过程。星上定标是成像光谱仪获取数据定量化应用的基础,星载仪器采用太阳光定标方式和标准灯定标方式进行在轨定标。需对星上定标方式采用的定标机构进行分析和合理的设计,以保证星载仪器在轨定标的可靠性和精度。     

“高分五号”卫星大气主要温室气体监测仪(特邀)

高分五号卫星于2018年5月9日成功发射，是我国第一颗高光谱观测卫星，大气主要温室气体监测仪是其中一台有效载荷，采用空间外差光谱技术进行高光谱分光，是国际上首台基于该体制的星载温室气体遥感设备。阐述了载荷的基本工作原理，包括分光原理、工作模式及通道设置等内容。载荷的光学系统主要由五部分组成，核心单元为一体化胶合干涉仪，为避免光谱混叠对窄带滤光片的指标参数要求较高。为提高在轨数据定量化水平，载荷设计了基于漫反射板系统的定标装置，可满足光谱及辐射定标要求。最后，梳理了载荷数据处理的基本流程，并对首批观测数据进行了光谱复原，成功获取了1级数据产品，为下一步温室气体反演应用奠定了基础。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测试转台结构设计

在星载大气痕量气体差分吸收光谱仪的研制过程中, 需要对其信噪比、光谱分辨率、光谱定标精度等性能指 标进行测试, 为此需要设计专用二维转台以实现不同视场在不同角度下的测试。根据光谱仪参数测试要求, 提出转台 设计方案, 设计转台结构, 建立三维模型, 并对主要零部件进行选型。转台的方位轴 ±180◦ 转动, 满足 114◦ 的主视场测 试要求; 俯仰轴 ±20◦ 翻转, 实现太阳视场需求; 机械定位精度为 ±0.01◦。转台提供两种安装方式, 光谱仪竖立安装进 行太阳视场测试, 水平安装进行主视场测试。转台支撑框架在不同的工况下承受载荷的作用, 利用有限元软件对框架 结构进行仿真, 分析结果验证了框架设计的合理性。     

基于辐亮度匹配的无人机载成像光谱仪外场光谱定标研究

针对可见光与近红外波段无人机载成像光谱仪,在保证精度的前提下,提出了一种快速优化二维反演算法,利用大气吸收特征作为参照,采用辐亮度匹配的方法,在不需要测量地面反射率数据的情况下,反演了成像光谱仪的重要光谱参数中心波长的偏移量和带宽变化量。利用2010年11月14日于内蒙古乌拉特前旗开展的无人机遥感载荷综合验证场科学实验数据,在实验室光谱定标基础上进行了外场光谱定标。算法时间、成本大大减少,反演效率比常规二维反演算法提高了近100倍。通过地面光谱靶标对定标结果进行验证,对带宽为7 nm左右的成像光谱仪外场定标精度可达到0.1nm,一般优于0.5 nm。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪基于太阳的在轨辐射定标

基于整机双向散射分布函数(Bi-directional scattering distribution function, BSDF),星载大气痕量气体差分吸收光 谱仪(Environmental trace gases monitoring instrument, EMI)在轨可完成基于太阳的辐射定标,整机BSDF表征了EMI观测 光路和定标光路辐射特性的关系。观测光路辐射定标已在地面完成,定标光路辐射特性定标在轨基于太阳完成,进而得到了 整机BSDF参数,基于此实现了EMI在轨基于太阳的辐射定标。结果表明在可比光谱范围内, 与TROPOMI(Tropospheric ozone-monitoring instrument) 载荷交叉比对结果的差异在5%~6.5%以内。     

成像探测仪定标技术概述

星载成像傅里叶变换光谱仪在静止轨道获取高分辨率大气辐射光谱，通过数学反演获取水汽、温度、压力和微量气体的廓线和垂直特性。定标技术是仪器的关键技术，定标精度反映了仪器性能和遥感信息的应用水平。文章分析了极轨和静止卫星红外、可见光通道定标的现状，指出目前Goes系列卫星定标出现的各种问题和相应的解决办法。     

GF5B热红外通道星上定标与验证

以GF5B卫星发射前实验室定标为基础,采用星上0级黑体定标数据,建立了适用于GF5B热红外通道的星上绝对辐射定标模型。通过对2022年01月12日星上黑体定标数据进行处理,获得成像仪热红外通道的绝对辐射定标系数。对星上定标系统精度进行分析,并采用地面同步烟台浮标数据对定标结果进行精度验证,结果表明,在轨后星上定标系统的绝对定标精度为0.9 K;星地验证结果显示B11和B12通道亮温的偏差分别为0.33、0.77 K。说明基于星上黑体的定标方法具有较好的精度,定标结果可靠,可满足遥感数据定量化应用的需要,为实时准确获取热红外通道定标系数提供了方法借鉴。     

海洋B星水色仪辐射基准异常分析及修复算法研究

水色遥感产品的三要素为:叶绿素、悬浮物质和黄色物质.水色水温扫描仪(简称水色仪)作为海洋一号卫星的主载荷之一,设置了8个可见近红外探测通道,主要目的是获取全球的海色三要素分布产品,为全球海洋初级生产力分布研究提供数据.2007年发射的HY-1B星水色仪,作为零辐射基准的冷空位置在入轨初期即存在光污染,导致近红外探测通道...     

星载微波成像辐射计定标方法比较和研究

微波成像辐射计用于大气微波遥感、海洋微波遥感和陆地微波遥感;是气象、海洋和灾害监测的重要遥感手段之一。微波 成像辐射计在轨运行时能否获取有价值的探测资料,得到定量化的应用和真正的业务使用,主要取决于微波成像仪能否进行精确定 标。本文主要介绍了星载微波成像辐射计目前国际上通常采用的两种定标方法,馈源口面定标方法和天线口面定标方法,并对这两 种方法进行了比较和研究。     

Potential of Getis statistics to characterize the radiometric uniformity and stability of test sites used for the calibration of Earth observation sensors

The calibration of airborne and satellite remote sensing sensors is a fundamental step for the rigorous validation of products derived from satellite data. Because of the inaccessibility of Earth Observation Satellites on orbit, the direct calibration method based on a test site with ground reference data is often considered necessary. However, the problem of radiometric spatial uniformity and temporal stability of test sites constitutes an important issue in the accuracy achieved in calibration operations and the long-term characterization of satellite sensor radiometry. Generally, the coefficient of variation and semivariograms are the most widely used tools for evaluating the radiometric uniformity and stability of a calibration site. In this study, we analyze for the first time the potential of Getis statistics compared to the coefficient of variation for the study of the radiometric spatial uniformity and temporal stability of the Lunar Lake Playa, Nevada (LLPN) test site. The results obtained show the potential and the importance of the synergy generated by these two methods for analyzing the radiometric temporal stability of the LLPN site. Getis statistics provide an excellent spatial analysis of the site while the coefficient of variation provides complementary information on the temporal evolution of the site.     

利用南海水面开展我国静止气象卫星红外通道在轨辐射定标

中国遥感卫星辐射校正场以青海湖水面作为遥感卫星红外探测通道外场辐射定标的场地.我国静止气象卫星风云二号(FY-2)系列是自旋稳定卫星,其红外通道无法进行在轨时的星上绝对定标,而青海湖对于位于东经105°赤道上空的FY-2卫星来说,卫星天顶角有36°,超过了外场辐射校正测量规范要求.本文介绍了利用我国南海海面水体辐射,进行与静止气象卫星的同步测量试验,开展卫星红外通道在轨外场辐射定标处理的可行性研究.在分别对FY-2B与FY-2C的测量数据处理后,初步确定我国南海海面可以作为我国静止气象卫星在轨辐射定标的场地.     

低轨遥感卫星Ka频段捕获跟踪的设计及应用

随着对地观测技术的快速发展,遥感卫星空间分辨力的不断提高,星地链路传输的信息量越来越大,码速率越来越高,数据传输频段已经由传统的X频段扩展到Ka频段,以满足海量遥感数据传输的需求。但Ka频段低轨遥感卫星波束非常窄,遥感卫星地面接收系统需要具备良好的跟踪性能,才能实现系统稳定的捕获跟踪,保证接收数据的质量。文中通过对跟踪方式和跟踪精确度方面进行分析和论证,优化捕获跟踪流程,实现对低轨遥感卫星Ka频段的捕获跟踪。文中提出利用S频段跟踪引导Ka频段跟踪的方式,高低仰角采用不同的优化流程设计,结合高分辨力对地观测系统重大专项的先期研究内容和某地面接收站进行了设计验证,结果表明,可实现低轨遥感卫星Ka频段的捕获跟踪,待时机成熟,可进行工程应用。     

夜间遥感场地替代定标的微光光谱仪设计与试验分析

针对目前传统的地物光谱仪对光信号强度要求较高,只能白天使用,无法在夜间使用而导致夜间遥感在轨辐射定标不确定度较高的问题,提出一种将传统光谱仪的CCD(Charge-Coupled Device)探测器与像增强器直接耦合提升光谱仪低照度条件下信息获取能力的技术方案。基于该技术方案的光谱仪可有效实现地面目标光谱信息的夜间测量。相关测试试验结果表明:在入射光源只有月光和星光的条件下,该微光光谱仪可有效实现对地面目标光谱信息的测量,且性能良好稳定,未来可应用于夜间遥感定标、夜间目标光谱信息获取等应用领域,为夜间遥感在轨定标精度的提升奠定技术基础。