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。     

在轨超高分辨率傅里叶光谱仪仪器线型函数更新方法研究

仪器线型函数是傅里叶光谱仪重要的物理表征参数之一,影响仪器测量光谱的精度.随着空间测量和大气探测等遥感应用在高精度上的需求,如何实时在轨测量并更新星载光谱仪的仪器线型函数,成为当前提高在轨超高分辨率光谱仪测量精度的重要手段.以傅里叶型光谱仪为例,根据仪器线型函数的原理,利用在轨超高分辨率光谱仪实测太阳光谱定标数据不受大气气溶胶影响且具有独立太阳弗朗和费线的特征,来对在轨超高分辨率光谱仪的仪器线型函数进行监督和更新.实验以Kurucz太阳光谱模型作为参考光谱,在对应波段范围内分别选取多条实测太阳定标光谱和参考光谱的特征峰,通过调整光谱仪的狭缝模型,对特征峰残差进行迭代对比,演算出仪器ILS参数变化.最后,用更新的仪器线型函数与临边理论光谱卷积,与实测临边定标光谱比较验证,误差范围在-6%~8%.结果表明,该方法可为在轨超高分辨率光谱仪仪器线型函数的监督更新提供参考依据.     

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)。     

基于场景的热红外高光谱数据光谱定标

传感器每个波段的中心波长和半高全宽（Full Width at Half Maximum，FWHM）随成像环境变化会发生较大的系统性漂移。这种漂移最终会影响发射率和温度的反演精度，尤其是在大气吸收波段附近的发射率反演精度。选择水汽在11.73 m处的吸收通道作为参考波段，提出了适用于热红外高光谱数据的光谱定标技术流程。模拟实验表明:光谱分辨率为50 nm，中心波长偏移在-50~50 nm、FWHM变化在-25~25 nm时，大气水汽含量对光谱定标误差的影响最大。同时，对误差分布曲面进行拟合得到描述误差分布模型，用于误差的估计。当大气水汽含量足够大时，光谱中心波长偏移估算误差可达到1 nm以内。最后，将所提方法应用于机载热红外高光谱数据光谱定标。结果显示，热红外高光谱成像仪中心波长偏移为28.4 nm，FWHM变化为-18.5 nm。     

推帚式高光谱成像仪光谱定标及精度控制研究

高光谱成像仪的光谱定标是为了确定仪器各波段中心波长和光谱分辨率,是获取地物光谱信息的必要条件。高光谱成像技术取得较快发展的同时,它的光谱分辨率也越来越高,这必然要求光谱定标的精度更高。文中从单色仪对定标精度影响出发,研究得到光源辐射强度包络对精度的影响可以达到0.12 nm以上,这对于定标精度要求很高的高光谱成像仪来说不可忽略。根据不同波长处包络的影响我们对中心波长精度进行了改善。通过实验得出波段210~228之间的中心波长精度提高了0.2 nm左右,约占总波段数的11%,波段165~209之间的中心波长精度提高了0.12 nm左右,约占总波段的24%。     

红外高光谱大气探测仪（FY-3E/HIRAS-II）在轨数据非线性校正方法

风云三号E星（FY-3E）搭载的高光谱大气探测仪（HIRAS-II）能够实现大气的垂直探测,具有高光谱、高灵敏度、高精度的特点。仪器在轨之后由于仪器衰减和环境变化的原因产生非线性响应,影响在轨定标精度。针对非线性响应的问题,提出了一种基于带内光谱的非线性校正方法。首先基于带外低频光谱的非线性特征求解非线性校正系数,将此系数作为初值输入到辐射定标模型中,以星上测量的黑体带内光谱与理想光谱的偏差为目标函数,通过迭代优化非线性校正系数。通过辐射定标实验得出,校正后的黑体亮温偏差明显低于未校正和基于带外光谱的校正方法。将HIRAS-II的观测数据与IASI进行交叉比对并计算平均亮温偏差和偏差绝对值,经过带内校正法非线性校正后的亮温平均偏差为-0.13K,优于带外校正方法。     

基于元素灯的多通道光谱仪定标研究

多通道光谱仪光谱范围为190~603 nm,由于常规的汞灯定标方式在部分波段谱线较少,不满足定标后谱线准确度要求。为了使定标精度更高,本文研究了利用元素灯对多通道光谱仪进行光谱定标。通过分析190~603 nm波段内Ag、Zn、Mg、Hg、Bi、Mn、Cu、Na、Si、Ca、Cr、Se、As等13组空心阴极元素灯的光谱,选取可利用谱线,将该谱线与实际的数据库进行对比,得到可利用谱线的实际波长；然后利用待定标多通道光谱仪分析13组空心阴极元素灯的光谱,得到可利用谱线的像素点；最后通过最小二乘多项式算法实现各通道的光谱定标。定标后,分析设备的波长准确度,验证经元素灯定标后的设备满足波长准确度要求。     

星载偏振扫描仪的星上偏振定标方法

为保障偏振扫描仪长期在轨的偏振测量精度,研究了偏振扫描仪的星上偏振定标原理与方法。首先,针对分孔径和分振幅的技术特点,结合实际的误差来源,理论推导了系统探测矩阵;其次,根据仪器参数,利用已知偏振态的线偏振光和非偏振光,推导了星上偏振定标方程;然后,设计了用于星上偏振定标的线偏振定标器和非偏振定标器;最后,提出了利用已知偏振度的太阳漫射板辐射定标数据来校正偏振扫描仪的低偏振度测量精度和稳定性。所提出的星上偏振定标方法具有高精度、高频次、高效率等特点,可满足长期在轨偏振测量精度为0.005的应用需求。     

紫外臭氧垂直探测仪波长定标研究(英文)

介绍了一种新的紫外臭氧垂直探测仪波长定标方法。结合连续光谱和单色仪产生特征谱线克服了一些特殊波段内离散线谱的缺失。紫外臭氧垂直探测仪的波长定标系统主要由高稳定氙灯光源、1.5 m车尔尼-特纳型单色仪以及前置、后置光学系统构成。该新方法的基本原理主要是一个相互定标校准的过程。紫外臭氧垂直探测仪自带汞灯在紫外波段给波长定标系统提供参考标准光谱,波长定标系统则反过来给紫外臭氧垂直探测仪提供12个更高线性精度的臭氧吸收特征光谱。该波长定标结果完全满足臭氧反演所需要的波长准确度及光谱带宽精度要求。     

多光谱偏振大气探测系统定标处理

偏振探测系统定标对于大气探测有着重要意义,是基于偏振探测的大气参数高精度反演的必要基础。中科院安徽光机所研制了星载大气同步校正仪的航空样机,它是一种多光谱偏振探测设备。利用该仪器可获取多光谱偏振信息,从而反演出与遥感成像时空同步的大气参数,实现大气校正。该仪器的定标处理对于准确获取大气参数至关重要。针对大气校正仪多通道偏振探测的特点,设计了定标方案。通过光谱定标、辐射定标和偏振定标,获取探测系统的Muller矩阵,建立仪器各通道探测值DN与斯托克斯参量间的联系,从而为系统的实际应用,提供重要基础。     

利用太阳测量整层大气光谱透过率

简要介绍了利用太阳辐射测量整层大气光谱透过率的实验装置、测量原理和数据处理方法.为得到大气光学参数的实际变化规律,设计了由宽光谱范围的平场凹面光栅和高灵敏度的线阵CCD构成的硬件系统,利用太阳直接辐射测量其连续光谱,使用Langley拟合方法进行定标,通过运算得到了实际天气条件下的大气光谱透过率.将实测结果与现有其他设备的测量数据进行了对比,证明了测量结果的可靠性.     

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。     

航天遥感器热红外波段辐射精度分析

根据遥感器的辐射定标方法和计算模型,对遥感器的辐射精度进行了分析。当假设遥感器观测地面目标、冷空间和星上黑体定标源都通过扫描镜成像时,扫描镜的热辐射以及仪器有背景辐射能量不会对辐射精度产生影响,影响遥感器辐射精度的主要因素是遥感器的信噪比、星上定标黑体的比辐射率误差、星上定标黑体的温度测量误差以及中心波长的漂移等因素。     

紫外高光谱探测仪实验室辐照度定标研究

紫外高光谱探测仪在轨运行时通过地球光观测光路和太阳光观测光路获取辐射和光谱信息, 因此在发射前需 对载荷进行实验室定标。定标后获取的辐照度定标系数将用于在轨计算获取反演所需的太阳参考谱, 定标精度直接 影响仪器在轨探测及数据反演精度, 决定着获取的遥感信息的可靠性。采用直接发散光辐照度定标方法, 搭建二维定 标平台对定标光路进行不同角度、距离的标准灯测试, 将三个距离下的实验值借助最小二乘法线性拟合得到辐照度 定标系数, 并对系数进行角度等因素的校正。测试结果表明合成不确定度为 3.42%, 符合辐射定标要求, 表明了方法的 可行性。     

基于TDLAS的气体检测技术算法

可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS）技术是一种具有高灵敏度、高分辨率的气体吸收光谱检测技术,具有响应快、精度高、单模特性优秀、通用性强等优势。TDLAS直接吸收法通过测量绝对吸收强度来计算待测气体温度和浓度,但容易受到颗粒物浓度、激光强度波动等影响。TDLAS波长调制法采用高频正弦信号对激光器进行调制,使得激光输出频率和强度同时受到调制,具有高信噪比和灵敏度的特点,但是需要通过标定实验或复杂的算法来确定气体参数。因此,通过吸收光谱理论和波长调制理论,推导出蕴含分子吸收信息的谐波通项表达式,并在此基础上分析谐波信号与待测气体绝对吸收强度之间的关系,建立了一种基于谐波信号的绝对吸收强度测量算法。以NH3分子在1 531 nm附近的谱线为例进行数值分析,发现调制幅度达到a=0.032 cm-1（调制系数m=2）时,仿真结果与理论计算结果（a=0）相对误差不超过2%,进一步验证了算法的可靠性与准确性。     

利用变形镜抑制光纤模态噪声

光纤模态噪声限制了下一代高精度视向速度光谱仪的测量精度。特别是当使用相干光源进行波长定标时,模态噪声会引起视向速度测量误差,降低视向速度测量精度。为了抑制光纤模态噪声,提出了一种基于变形镜的动态改变散斑花样的技术方法,该方法是在单次曝光时间内通过动态改变变形镜的面型,平滑光纤引起的散斑花样,提高定标光谱的质心稳定性,从而保证视向速度的测量精度。通过实验,利用632.8 nm 氦氖激光器作为定标光源,验证了该方法的有效性。实验结果表明,单次曝光图像包含约105个变形镜形变模式时,可以有效抑制光纤模态噪声。针对分辨率R=100000的光谱仪,单根定标谱线的情况下,光纤模态噪声引起的视向速度定标误差约为19.8 cm/s,与国际上其他技术方法的精度持平,该方法不仅可以提高能量利用率,且不影响光纤的使用寿命。     

星上定标用分谱比辐射计的辐射探测性能研究

采用比辐射计进行比对测量是监测光学遥感仪器星上定标光源载体漫射板反射性能在轨变化的有效手段。用于海洋水色遥感的新一代星载成像光谱仪必须设计成以太阳作光源的在轨绝对辐射定标系统,才能满足定量化产品反演的使用要求。国外星上定标器的漫反射板长期跟踪测量结果表明,漫射板的反射性能一直在发生变化,且波长越短变化越大,而海洋水色遥感要素的探测恰恰集中在靠近紫外的波长区域。针对这个问题,设计了分谱比辐射计,并对其辐射探测性能进行了理论分析与实验测量。结果表明,在整个动态测量范围内线性相关系数优于0.9991,在轨输入能量条件下的分谱信噪比在整个使用波长范围内优于100,可以满足成像光谱仪星上定标源反射特性标定的精度要求。     

气象辐射标定系统中太阳模拟器的设计

为了解决对太阳辐射测量仪器的检测问题,提出一种高精度的气象辐射标定系统。重点阐述了系统中太阳模拟器聚光系统、光学积分器的优化技术;详细论述了影响太阳模拟器均匀度的积分器像差以及积分器投影镜组的离焦效果,并提出最佳离焦量的经验公式,设计了准直光学系统,并用LightTools软件对系统进行仿真;最后,对系统中的太阳模拟器进行测试。测试数据表明:该太阳模拟器可模拟一个太阳常数,辐照面范围为200 mm,辐照不均匀度在60 mm范围内小于1%,在（60-200）mm范围内小于2%,不稳定度优于1%/h,满足气象辐射标定系统的要求。     

含金属层一维三元光子晶体结构的高吸收特性研究

利用传输矩阵理论,分析了含金属层的一维光子 晶体对太阳光谱的吸收特性。通过对一维光子晶体透射谱、 反射谱和吸收谱的分析,分别研究了金属层的消光系数、色散系数、入射角和光子晶体结构 的周期数目变化对吸收率的 影响。结果表明随着消光系数和周期数的增加,吸收率都明显增加,谱线宽度和高吸收带位 置基本保持不变;吸收率随 着色散系数的增加变化规律略有不同,不同吸收带的频谱位置向长波方向移动,谱宽基本保 持不变;吸收率均值随入射 角的增加而减小,而且频谱位置向长波方向移动;一维光子晶体结构周期数增加,各吸收 带的吸收率波动程度减小。 本文结果可用于提高对太阳光辐射的吸收,为光子晶体的设计及其在太阳能利用方面的应用 提供重要依据。