基于星载激光雷达双通道信息的气溶胶消光系数廓线反演算法研究

星载Mie散射激光雷达是当前应用最为广泛的获取全球尺度气溶胶剖面信息的探测设备。然而,大气气溶胶类型多样,通常假定气溶胶遵循特定模式并以此为先验,从而实现从激光雷达信号反演气溶胶消光系数廓线,但这一定程度上会影响反演精度的进一步提升。鉴于此,提出了一种基于星载激光雷达双通道信息的气溶胶消光系数廓线的迭代反演优化算法。该方法首先在给定的先验气溶胶模式下获得初始消光-后向散射比（即激光雷达比）,并基于此分别反演两个通道的气溶胶消光系数和光学厚度。同时借助构建的气溶胶光学厚度与气溶胶质量柱总量之间的关系,得到两通道独立估计的大气气溶胶质量柱总量。最后以两通道大气气溶胶质量柱总量相同为约束,实现仅依赖激光雷达数据的激光雷达比及气溶胶相关光学参数的迭代优化。由于双通道激光雷达观测的限制,该方法适用于两种类型气溶胶混合下的反演,利用内蒙古包头地区的多年气溶胶背景场,对反演模型的精度和适用性进行了评估。与采用经验估算激光雷达比的Fernald方法反演结果相比,所提算法反演的气溶胶消光系数廓线在532 nm和1064 nm通道的平均精度分别提高了21.16%和3.00%。此外,还将该方法应用在CALI...     

米-拉曼散射激光雷达反演对流层气溶胶消光系数廓线

介绍了基于米-拉曼散射激光雷达的南京北郊大气气溶胶观测实验,采用小波分析中的软硬阈值方式处理拉曼散射激光雷达回波信号,选取不同的阈值和不同的小波函数处理拉曼散射激光雷达回波信号,得到了平滑的拉曼散射激光雷达信号。根据拉曼散射激光雷达原理反演对流层高空大气气溶胶消光系数廓线,借助弗纳尔德方法并利用米散射激光雷达气溶胶观测数据,反演得到对流层低空大气气溶胶消光系数廓线。实验观测系统中有瑞利、米散射和拉曼散射3个接收通道,重点研究了米散射和拉曼散射通道接收到的观测数据,对南京北郊2011-12-08晚间拉曼散射激光雷达的气溶胶观测数据进行4种不同阈值处理。选择合适的阈值对实验观测数据进行去噪,然后利用反演原理公式并结合距离矫正信号对观测数据进行反演,得到对流层高空大气气溶胶消光系数廓线;利用其中一处的气溶胶消光系数可以反演得到对流层低空大气气溶胶消光系数廓线。利用米-拉曼散射激光雷达联合反演对流层气溶胶消光系数廓线,可以清晰看出气溶胶的分布特征,对流层低空自由大气的气溶胶消光系数最大值一般为0.1km~(-1)左右,表明对流层低空自由大气比较干净;对流层高空大气气溶胶消光系数在云影响下可达到6km~(-1),无云时气溶胶消光系数最大值一般为0.1km~(-1)左右,表明高空大气比较干净。     

敦煌地区气溶胶光学厚度的反演研究

1999年,敦煌遥感卫星辐射校正场开始业务化运行。随着敦煌的城市建设和经济发展,辐射校正场周边环境发生较大的变化。为了了解辐射场的气溶胶光学厚度变化情况,2013年6月至7月,中国资源卫星应用中心在敦煌地区进行了为期15天的野外观测实验,采用法国CMEL公司研制的太阳分光光度计CE318对敦煌地区的大气进行测量,获得了4天晴空的大气光学数据。反演结果表明敦煌遥感卫星辐射校正场的气溶胶光学厚度日变化和逐日变化情况不大,550 nm处的光学厚度均值在0.3左右,符合遥感卫星辐射定标大气条件。     

一种估测气溶胶吸收系数垂直分布的理论方法

研究气溶胶辐射强迫和激光大气传输效应,需要掌握气溶胶光吸收特性参数及其垂直分布情况.提出一种基于实测与模式相结合的方法来估测垂直高度上气溶胶吸收系数分布.首先采用太阳辐射计和激光雷达观测的数据分别反演整层气溶胶光学厚度(AOD)和消光廓线,再将辐射传输计算软件moderate spectral resolution atmospheric transmittance algorithm and computer model (MODTRAN)和santa barbara DISORT atmospheric radiative transfer(SBDART)在相应气溶胶模式下的数据结果作为约束条件,得到气溶胶吸收廓线,并通过外场实验测量数据进行反演实验.结果 表明,所提方法是可行的,可作为气溶胶吸收系数垂直分布有效获取的一种新的技术途径.     

敦煌辐射校正场地表反射率稳定性分析

辐照度基法确定卫星各波段的定标系数时,要求精确测量辐射定标场的地表反射率和漫射辐射度与总辐射度的比值。中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室分别于2013年6~8月及2014年8月期间,协同其他单位在敦煌校正场运用辐照度基法进行场地辐射定标,实测过程中使用ASD、SVC光谱辐射计,运用野外参考板反射率因子法确定敦煌校正场的地表反射率。详细阐述地表反射率测量方式及数据处理方法,根据实地观测数据,分析当前场区的地表反射率并与历史数据相互比对。结果显示,敦煌校正场地表反射率在时间和空间上均保持良好的稳定性。     

HJ-1B卫星热红外通道在轨场地定标与验证

在对热红外辐射计CE312定标的基础上,基于青海湖水面辐射校正场,采用CE312开展同步测量实验,对HJ-1B卫星热红外通道进行在轨绝对辐射定标。由于HJ-1B卫星在轨星上定标系统不稳定,高温点难以准确获取,因此分别使用单点法和两点法,对2010年8月1日和5日两组传感器入瞳等效辐亮度值和卫星通道计数值回归得到该卫星通道绝对定标系数,并使用内蒙达里湖水面辐射校正场2010年6月29日实测数据进行定标系数的验证工作。验证结果表明,青海湖场地两次定标系数有较好的一致性,定标结果稳定可信。两点法所得定标系数的精度高于单点法。     

多波段偏振成像仪的实验室定标研究

介绍一种多波段偏振成像仪的集成设计及实验室偏振定标方案。通过可调偏振度光源验 证仪器偏振定标精度,在10°视场内,当光源偏振度低于0.6时,仪器490 nm通道 偏振度测量相对误差优于1.6%, 670 nm通道偏振度测量相对误差优于1.7%。设计了多波 段偏振成像仪的系统软件,详细介绍了各个功能模块及自动化观测算法,通过敦煌辐射校正场 外场试验,验证了仪器野外运行的稳定性以及系统软件设计的合理性与实用性。     

基于辐照度法的场地辐射校正试验研究——场地同步观测仪器的比较

2000年9月在敦煌辐射校正场用国内外两组仪器同时获取场地数据，经数据处理分析后，对中巴地球资源一号卫星CCD相机进行了绝对辐射定标。本文通过对试验数据的结果比对和误差分析，证明国产仪器完全能满足对中巴地球资源一号卫星进行绝对辐射定标的精度要求。     

FY-2B热红外通道星上实时绝对辐射定标

选取了2002年6月24日到8月30日00、06、12、18（世界时）的FY-2B卫星云图,获取这段时间青海湖晴空时的图像共34次,并获取其卫星计数值。利用青海湖自动浮标系统测得的水表温度和NCEP再分析资料的大气廓线,利用MODTRAN3.7计算大气层顶辐亮度和亮温,获得FY-2B热红外通道绝对辐射定标系数,从而计算等效黑体温度。同时获取对应时刻的星上黑体温度、计数值以及星上环境温度。据此建立等效黑体温度和星上黑体温度的转换关系,实现静止气象卫星热红外通道星上实时绝对辐射定标。     

场地自动化观测辐射计的设计与实现

为了解决场地替代定标中人工测量地表反射率的不足,提高定标频次,获取大量连续的观测数据,研制了场地自动化观测辐射计,该辐射计共8个通道,覆盖可见及近红外波段,光谱带宽20~40 nm,通过北斗卫星实现远程数据传输,可以实现无人职守下的自动观测和数据回传。文中对该仪器的工作原理、各单元的设计和特点进行了描述,并给出了辐射计的室内辐射定标方法和结果,最后介绍了辐射计在敦煌辐射校正场的实验情况。     

基于多通道高朗伯特性的辐射测量技术研究

近年来大气气溶胶与日俱增,对全球气候和大气环境产生了巨大的负面影响,同时气溶胶的污染特性与臭氧层的破坏有密切关联,为对大气气溶胶、臭氧及太阳辐射剂量进行监测,本文提出一种新型大气探测辐射计的研制及测量方法,该方法研制的辐射计既可用于气候监测,又可用于农业监测。辐射计涵盖可见-红外谱段,同时拥有七个探测通道,它特有的三片式平面匀化器,可控制辐射剂量,保证双腔式探测器的高朗伯特性,经实验验证朗伯特性误差不超过2%。进行高精度辐射定标后,辐射计可获取精确的太阳辐射信号,进而反演出大气气溶胶光学厚度及臭氧浓度等参数,以此指导气候分析及农业生产。     

基于加权最小二乘法的红外辐射定标

随着红外物理与红外技术的深入发展,目标的辐射特性测量受到了广泛的重视,红外探测器的辐射定标直接决定了辐射特性测量精度,为此文中建立了辐射定标系统,对3～5μm的红外焦平面阵列相机进行了绝对辐射定标实验。文中给出了辐射定标的数学模型,制定了定标的流程并进行了相应的辐射定标实验;针对红外标准源和环境波动性的影响,提出了加权最小二乘法的辐射定标优化方法;通过外场辐射特性测量实验表明,该方法的反演误差优于4%,提高了辐射定标的精度,结果满足实际工程的需要。     

一种红外目标模拟器的大气传输校准方法研究

红外辐射在大气中传输会在大气分子、气溶胶粒子的吸收和散射以及大气自身辐射的影响下发生变化,导致红外辐射测量精度的降低。为消除大气在红外目标模拟器校准中的影响,在基于恒定标准源的宽动态红外辐射测量方法的基础上,提出了一种红外目标模拟器的大气传输校准方法。在水平均匀大气近距离的红外目标模拟器校准中,利用卷积神经网络的数据分析能力建立了不同波段、不同温度、不同距离下的大气透过率和大气程辐射的动态模型,将探测器输出电压作为基于编码器-解码器结构的卷积神经网络的输入,按照训练流程对网络进行训练,在实验环境下预测了大气传输对红外辐射的影响。所建模型能够反映大气透过率和大气程辐射的动态变化规律,并通过红外辐射反演对提出的方法进行了验证。实验结果表明：基于编码器-解码器结构的卷积神经网络算法能够较好地预测大气透过率和大气程辐射,在三个波段下的平均误差为3.078 3%、3.818 6%、5.345 2%,低于传统方法,降低了大气透过率和大气程辐射的影响,从而减小了红外辐射的测量误差,提高了校准精度。     

基于VIIRS传感器的场地反射率测量精度的验证

反射率基法是目前最常用、最有效的可见光近红外通道在轨辐射定标方法。在该方法中,准确的场地反射率测量是得到高精度定标结果的重要前提之一。利用双光谱仪法进行了野外地物反射率时间序列测量,避免了用传统测量方法可能出现的辐射条件不一致问题。用中心区和高反区场地反射率测量值对VIIRS传感器的表观反射率进行了模拟,并将VIIRS可见光近红外9个通道(I1、I2、M1～M7)的卫星观测表观反射率值与6S辐射传输模型模拟值进行了对比。除M6通道外(水汽吸收),相对偏差均在3%以内,验证了场地反射率测量的准确性。     

基于灰阶靶标的高分辨光学卫星传感器在轨绝对辐射定标

辐射定标是光学卫星传感器遥感信息定量化的关键技术之一。基于多灰阶靶标的星载多光谱相机在轨绝对辐射定标方法,以地面漫射辐射/总辐射比、大气光学厚度等参数的实际测量代替气溶胶散射特性假设,通过参照目标反射辐射与大气程辐射及地气耦合辐射的分离,简化定标流程,并突破大面积辐射校正场受时空条件的限制,实现高分辨率多光谱遥感器全动态范围内的高精度、高频次、业务化定标。试验结果表明:基于灰阶靶标的高分辨光学卫星传感器在轨绝对辐射定标不确定度优于3.5%,与反射率基法定标结果的差异优于5%,且适应于复杂环境条件下在轨定标的应用需求。     

基于神经网络的非线性大气修正实现红外目标辐射测量

红外辐射测量技术是表征目标红外特征的重要手段,而大气修正是获得目标真实辐射的必要步骤。提出了一种提高远距离目标红外辐射测量精度的非线性大气修正（NLAC）方法。该方法利用近距离标准参考源测量（NRSRM）来计算实时环境中不同位置的实际大气透过率和程辐射。相应条件下的理论大气透过率和程辐射也可以从大气辐射传输软件中获得。应用神经网络技术对两者之间的非线性关系进行拟合。因此,可以预测远距离的大气透过率和程辐射,以实现大气修正。为了进行比较,还进行了简单的线性大气修正（LAC）与线性增强大气修正（LEAC）。实验结果表明,该方法的红外辐射测量平均误差为6.45%,远低于常规方法,线性大气修正方法和线性增强大气修正,分别为16.17%,11.27%和7.44%。     

焦距固定红外探测系统定标实验

辐射定标数据在目标辐射特性数据测量和仿真试验应用中均有重要作用。首先对焦距固定红外探测系统外场定标方法进行了初步分析。采用近距离直接扩展源法、远距离扩展面源法和平行光管定标法对焦距固定红外探测系统进行了定标实验研究。实验发现:近距离直接扩展源法对旋转的红外探测系统不适用;远距离扩展面源法对路径辐射、路径透过率和环境辐射修正较为困难;平行光管定标法操作较为麻烦,但考虑目标特性数据的有效性和实用性,需考虑平行光管定标。文中对焦距固定红外探测系统辐射外场定标技术改造研究、红外目标特性测量系统研制具有较大的参考意义。     

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。     

基于光声光谱和腔衰荡光谱的气溶胶光学特性测量研究

气溶胶光学特性是影响大气辐射强迫的重要因素, 对全球气候起着决定性作用。针对当前气溶 胶光学特性测量仪器存在的测量参数单一、测量不确定度高和溯源体系不完善等问题,本文 将光声光谱(PAS)技术和光腔衰荡光谱(CRDS)技术相结合,实现了气溶胶的消光、吸收及散 射系数同时在线测量, 并研制了一套大气气溶胶多光学参数的高精度在线测量装置。本文测量装置经过NO₂气体 标准物质校准 后,用于大气气溶胶光学特性测量,具有测量相对误差小于4%、测量重复性优于0. 2%和测量不确定 度为2.8%(k=2)等优点。与积分浊度计 、黑碳仪现场实验数据比较,本文测量装置的消光系数、吸收 系数和散射系数的E_n值均小于1,显示出良好的测量一致性和 稳定性。实验结果表明,本文测量装置具备 多参数测量能力,且测量结果准确可靠,可用于大气气溶胶光学特性的现场实时测量,也可 用于相 关测量仪器的计量校准,为测量仪器提供量值溯源。