基于红外光谱的大气温湿度反演研究进展

大气温湿度廓线是大气热力状态分析、大气发展变化研究、天气过程预警和数值天气预报中关键的基本气象参数。基于红外光谱的 大气温湿度反演方法研究从上世纪60年代开始发展,根据观测位置不同分为地基红外反演方法和天基红外反演方法。总结了红外光谱反 演大气温湿度方法的基本类型,介绍了地基、天基红外探测的大气温湿度廓线反演方法的发展历程,对地基-天基红外探测联合反演大 气温湿度方法进行了分析。最后对基于红外光谱的大气温湿度廓线反演技术在气象中的应用和发展趋势进行了简要的论述。     

卫星激光大气遥感数据反演探讨

卫星激光遥感是继红外、可见和微波之后的一种新型主动探测手段,其数据反演是卫星应用的关键技术和重要环节。卫星激光大气遥感主要有气体成分浓度、气溶胶/云垂直廓线和三维风场等三个应用方向。针对大气CO2和气溶胶/云等要素,分别介绍了天基激光差分吸收和后向散射探测原理,探讨了CO2反演bottom-up算法和气溶胶/云反演层次查找分类算法流程。此外,设计了卫星遥感分级数据产品并给出了反演算法地基和机载验证途径。该研究可服务于激光大气遥感卫星的顶层设计。     

机载大气红外高分辨率光谱的信息量分析

机载红外高分辨率干涉光谱仪（HIS）是遥感大气信息的大气红外背景辐射测量装置。基于HIS红外高光谱大气数据,对大气温度和主要大气吸收气体进行了敏感性分析;并通过引入信息容量的概念,利用一维变分方法,对HIS测量装置遥感探测大气参数的能力进行评估,定量描述了HIS测量的红外光谱反演大气温度和水汽的信息容量、自由度和垂直分辨率等信息,其中温度、水汽的信息容量分别为49.5、25.2;自由度分别为10.5、5.6,温度的平均垂直分辨率为2.2 km,水汽的垂直分辨率为2 km;讨论了HIS的反演精度与仪器测量误差之间的关系,获取了大气温湿廓线的最小可探测精度。     

红外高光谱探测CO_2柱总量的敏感性分析

利用辐射传输模型MODTRAN5模拟计算了红外高光谱仪在光谱分辨率、光谱定标精度、地面反射率、大气廓线以及辐射分辨率对CO_2气体含量探测敏感性的影响,同时定义探测辐亮度随气体含量改变的变化量指标S值,并对探测灵敏度、光谱分辨率和信噪比SNR的关系进行了综合分析。为我国红外高光谱大气探测仪的设计以及高光谱大气成分反演研究的开展提供重要的科学依据。对CO_2柱总量反演通道的选择和实现CO_2气体探测敏感参数分析具有重要的参考价值。     

红外高光谱探测CO2柱总量的敏感性分析

利用辐射传输模型MODTRAN5模拟计算了红外高光谱仪在光谱分辨率、光谱定标精度、地面反射率、大气廓线以及辐射分辨率对CO₂气体含量探测敏感性的影响,同时定义探测辐亮度随气体含量改变的变化量指标S值,并对探测灵敏度、光谱分辨率和信噪比SNR的关系进行了综合分析。为我国红外高光谱大气探测仪的设计以及高光谱大气成分反演研究的开展提供重要的科学依据。对CO₂柱总量反演通道的选择和实现CO₂气体探测敏感参数分析具有重要的参考价值。     

利用超光谱红外卫星数据反演大气廓线研究

建立新的物理反演法能同时反演大气温度廓线、水汽廓线、表层温度和地表发射率,该反演算法应用到我国黄海地区AIRS红外卫星资料中,可反演得到较高垂直分辨率的大气温度廓线和水汽廓+线,同时反演得到的表层温度和地表发射率、根据水汽廓线计算大气可降水量。     

基于遥感反演的地球红外背景建模

模拟地球红外辐射背景的前提是要获取可靠的全球表面温度。利用卫星遥感数据可以反演得到较精确的地表温度。反演算法采用了应用广泛的分裂窗算法,并将反演结果绘制成了全球表面温度分布图。同时,建立了完整的地球红外辐射亮度模型,考虑不同地域、纬度和季节模式下的大气辐射亮度和大气衰减。通过遥感反演技术与红外辐射建模技术的结合,最终完成了任意波段全球红外辐射背景亮度的计算与图像生成。结果表明:模拟的地球红外辐射图像效果精细,真实反映了地球背景的红外辐射特征,在空间目标的热环境分析,以及空间红外探测与隐身技术的研究等方面具有重要的应用价值。     

FY-4A/GIIRS大气温度廓线产品质量评估

我国风云四号A星（FY-4A）携带高光谱红外干涉式大气探测仪（Geostationary Interferometric Infrared Sounder, GIIRS）首次实现了地球静止轨道红外高光谱探测,可连续获得大气温湿度廓线信息。基于常规无线电探空资料,从产品的探测能力和精度方面对2020年FY-4A/GIIRS大气温度廓线产品开展质量评估,为产品应用和算法研究提供参考。结果表明：FY-4A/GIIRS反演大气温度廓线探测能力在高度层次和月份统计上受云活跃度影响较大;晴空条件下大气整层均方根误差约为2 K,700～1 000 hPa的大气低层较大,约2.5 K,偏差整层以负值为主;月尺度质量评估可见夏秋两季明显优于冬春季,有利于灾害性天气多发季节的监测;有云条件下单个像元的温度廓线误差显著增大,采用多像元Cressman客观分析可有效提高产品可用性;低海拔地区温度廓线产品质量整体优于高海拔地区,可极大地弥补我国东部、南部地区以及广阔的洋面上的探空资料的不足。     

可见和红外偏振遥感技术研究进展及相关应用综述

由于大气及地物光谱辐射的偏振敏感性,使得可见和红外偏振遥感逐步发展成为地基、航空和卫星观测的新技术手段,在全球气候变迁研究、对地遥感和天文研究等领域得到应用。根据不同探测目标,从偏振分析机制和偏振信息获取模式等方面介绍了光学偏振遥感系统研究进展,并结合光与物质相互作用的偏振机理,以及国内外相关领域可见和红外波段偏振探测实验研究结果,讨论了光谱偏振遥感信息在反演大气、自然地物、人工目标以及天体等性质中的应用基础研究情况。最后,充分关注偏振光学、光电子技术和计算机技术发展状况,并考虑先进偏振检测、定标等技术在光学偏振遥感系统中的应用进程,展望了光学偏振遥感技术的发展趋势。     

大气遥感高光谱分辨率激光雷达研究进展

高光谱分辨率激光雷达由于可实现对大气参数的精确反演,在大气遥感领域具有较好的发展前景。介绍了高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶、大气温度以及风速的基本原理以及目前国内外的研究进展,并重点介绍了高光谱分辨率激光雷达系统中的鉴频技术、激光技术、锁频技术以及数据处理技术等几项关键技术。     

一种高效计算高光谱分辨率红外大气辐射传输的方法

传统的大气辐射传输计算方法受计算资源和效率的限制已无法满足星载高光谱分辨率红外大气遥感资料处理的需要,基于单色波长辐亮度计算加权组合的方法,开发了一种快速准确的高光谱分辨率红外大气辐射传输的计算模型FFRTM_IR.利用FFRTM_IR模型,针对研制中的FY-3D红外高光谱大气探测仪(HIRAS)的光谱指标,模拟计算了仪器的观测通道亮温,并用独立样本对模拟亮温进行了验证和比较,结果显示:FFRTM_IR对HIRAS所有通道的模拟亮温偏差均小于0.06 K,标准差有效控制在0.1 K以内;在同等计算精度下,FFRTM_IR的计算速度略快于目前国际上通用的快速辐射传输计算模型CRTM.利用FFRTM_IR模型,采用解析计算方法可以进一步得到温度廓线、水汽廓线、二氧化碳、臭氧廓线以及地表参数的雅克比矩阵,计算结果与扰动法计算结果一致性较好,有较高的计算精度.计算和分析结果表明,初步建立了一种高效的红外大气辐射传输计算模型,可用于星载高光谱红外大气探测仪器的观测仿真和资料处理.     

湖泊叶绿素高光谱空谱联合遥感反演

高光谱遥感提供的精细光谱信息给水色遥感参数反演提供了广阔的前景,然而光谱分辨率高但空间分辨率较低的特点,使得目前的高光谱水色遥感反演模型和算法普遍缺乏对空间信息的有效利用,模型的精度和稳定性往往难以保证。以巢湖为研究区,利用HJ-1A卫星HSI高光谱遥感数据,结合地面实测样点数据,在深入分析叶绿素光谱特性基础上构建基于空间八邻域与遗传算法的水体叶绿素a高光谱遥感反演模型,并以matlab7.0为平台,联合光谱指数与遗传算法求解叶绿素a浓度反演模型参数,经空间邻域分析与遗传迭代,求出叶绿素浓度最优解。结果表明,遗传算法摒弃了传统的搜索方式,以光谱信息为基础,在邻近空间域上采用模拟进化方式对水色空间进行随机优化搜索,跳出了局部极值点,能够有效提高模型反演的精度。     

空间外差光谱技术及其在大气遥感探测中的应用

基础研究表明大气微量气体成分的精确反演需要超高分辨率光谱数据,空间外差光谱技术是近年来得以迅速发展的新型超光谱分析技术,综合了光栅及傅里叶变换光谱技术的特点。对空间外差光谱技术基本原理进行了分析,阐述了空间外差干涉数据复原光谱信息流程。针对大气主要温室气体CO2开展空间外差光谱技术在大气遥感探测方面的应用研究,通过地基遥感观测实验,分析空间外差光谱系统的探测灵敏度,验证超光谱数据对大气微量气体浓度变化检测能力。实验表明空间外差光谱技术在大气遥感探测尤其是微量气体成份探测中具有针对性和优越性。     

Statistical iterative scheme for estimating atmospheric relativehumidity profiles

Estimation of atmospheric relative humidity profiles using passive remote sensing techniques is difficult when the temperature profile is not well known, and such retrievals approach singularity when the atmosphere is nearly isothermal. A retrieval method that is more robust near isothermal regions and temperature inversions is described. Its robust character results from an iterative combination of statistical methods based on a priori data, which stabilize the effects of any singularities, and physical methods that reflect the nonlinear character of the equation of radiative transfer and the dependence of measurements on uncertain surface reflectivities and temperature profiles. This method can be used to interpret data from meteorological satellites. It was tested extensively using simulated clear-sky microwave observations from space at 89 GHz, 166 GHz, and three frequencies near the 183-GHz water vapor resonance and the 60-GHz oxygen band, which is sensitive to the atmospheric temperature profile. Humidity profiles from the tropical, midlatitude, and arctic regions were retrieved. Relative humidity profiles retrieved using the statistical iterative method typically had errors between 5 and 10% in the 300-1000 mbar pressure region. These errors were somewhat less in the tropics and greater in the polar regions, and represented significantly better performances than a linear statistical retrieval method     

基于遥感数据的非均匀性陆面温度反演方法

针对在非均匀地表情况下利用遥感数据进行陆面温度的反演,提出了利用二次通道遥感数据反演陆面温度的精度比利用一次通道数据有所提高,并在论证的基础上,提出了两通道遥感数据陆面温度的反演算法.依据此算法,针对MODIS遥感数据每天四次更新（两颗星）的特点,利用两个红外通道的两个不同时刻的遥感数据,在实验区进行了陆地表面温度的反演实验,取得了与实际情况几乎一致的结果.在非均匀地表情况下,实现了利用遥感技术大面积、快速提取陆面温度的有效反演.     

红外化学遥感数字信号处理算法的研究进展

介绍了几种为远距离红外蒸汽信号监测开发的分类器设计，频域数字滤波，时域数字滤波等数字信号处理技术。对线性分类器，分段线性分类器和神经网络分类器等在红外化学遥感系统中的应用做了初步的探讨。对背景扣除技术，频域数字滤波技术，数字滤波的切趾方法等做了简要的描述。阐述了时域滤波技术的基本原理及实际应用。展望了红外化学遥感数字信号处理算法的研究前景。     

Dynamics of Short Sea Wave Spectrum Estimated From Microwave Radiometric Measurements

This paper presents some results of the experiment CAPMOS'05 performed on an oceanographic research platform in the Black Sea. The platform, located 600 m offshore, was equipped with a set of contact and remote sensing instruments. Conventional contact sensors were used for direct measurements of atmosphere and sea boundary layer parameters (wind speed and direction, air temperature, water temperature and salinity profiles, etc.), whereas microwave and infrared band radiometers were used for remote sensing measurements of surface temperature and wave parameters. In particular, microwave Ka-band radiometer measurements were applied for gravity-capillary wave spectrum retrieval using the original techniques based on angular measurements. The spectrum component evolution under unstable wind conditions has been investigated. It has been demonstrated that the spectral components in the vicinity of the maximum of the wave curvature are the most sensitive to the wind-velocity variations.      

Remote sensing of water vapor in the near IR from EOS/MODIS

The LOWTRAN-7 code was used to simulate remote sensing of water vapor over 20 different surface covers. The simulation was used to optimize the water vapor channel selection and to test the accuracy of the remote sensing method. The channel selection minimizes the uncertainty in the derived water vapor due to variations in the spectral dependence of the surface reflectance. The selection also minimizes the sensitivity of the selected channels to possible drift in the channel position. The use of additional MODIS channels reduces the errors due to the effect of haze, subpixel clouds and uncertainties in the temperature profile. Remote sensing of the variation of water vapor from day to day will be more accurate, because the surface reflectances vary slowly with time. The method was applied to Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS) data