基于多种亮度稳定目标的FY-3C/中分辨率光谱成像仪的反射太阳波段辐射定标

分析研究了风云-3C中分辨率光谱成像仪(FY-3C/MERSI)发射一年以来反射太阳波段的辐射定标精度,利用位于全球范围内的沙漠、盐湖等12种亮度稳定目标,结合中分辨率成像光谱仪(MODIS)的地表和大气参数产品和大气辐射传输模型,计算出了卫星过境时刻入瞳处的波段反射率,并将其作为在轨绝对辐射定标精度检验的参考真值,对2014年1月~10月期间,FY-3C/MERSI反射太阳波段的辐射定标精度进行了验证分析。结果表明,FY-3C/MERSI大部分波段在高低端的定标精度大小不一致。有些波段明显呈现高端定标偏差大,低端定标偏差小的特点;有些波段呈现高、低端定标偏差大,中间低的特点。在仪器发射一年以来,波段1~4,9~11,15~16和波段19仍能保持5%的定标精度。各波段定标精度的时间变化表明:在整个研究时期内,除蓝光波段和水汽吸收波段,其他波段的定标精度变化幅度基本在5%以内。实验结果显示:使用沙漠及盐湖等多种亮度稳定目标,有效地掌握了更宽动态范围内FY-3C/MERSI的辐射定标精度情况。     

FY-3C/可见光红外扫描辐射计中红外通道太阳污染的识别和修正

基于风云-3C/可见光红外扫描辐射计(FY-3/CVIRR)的中红外通道(3.7μm)的太阳污染现象和发生规律,分析了太阳污染出现的时空特征,提出了初步判识并修正北半球太阳污染数据的方法,并就太阳污染对定标系数和黑体亮温的影响做了定量的评估。结果表明,对于FY-3C/VIRR的中红外通道,太阳光线照射到定标黑体时所形成的北半球高纬度太阳污染主要出现在太阳天顶角在85°~118°之间的位置时;由太阳污染导致的该区域地球观测亮温日平均偏差为4.5K左右,最大偏差达到15K左右。通过对逐日太阳污染数据进行识别,并采用污染前后定标系数进行线性求差值,可以初步修正太阳污染对定标系数带来的异常影响。     

基于快速局域线性回归的IRAS/FY-3B大气温湿廓线反演

提出一种快速的局域线性回归(Fast Locally Linear Regression,FLLR)算法,用于从搭载在风云三号B星(FY-3B)上的红外大气探测仪(IRAS)红外观测数据反演大气温湿廓线。算法所需的观测样本为IRAS/FY-3BL1数据红外观测值与AIRX2RET V5产品的时空匹配数据,以2011年为例,在180°W~180°E、60°N~60°S的研究区域内按照观测时间绝对差小于15min和观测角度绝对差小于2°的条件获取观测样本,并对样本进行了评价。在匹配观测样本的基础上比较分析了FLLR算法与LLR算法、D矩阵算法和非线性的神经网络算法,然后采用FLLR算法从IRAS/FY-3BL1数据反演得到2011年全年的大气温湿廓线,并外推反演得到2012年第1季度的大气温湿廓线。最后,利用相应的ECMWF再分析数据和RAOB探空观测对2011年的反演结果进行了精度验证,采用AIRX2RET V5产品对2012年第1季度的外推反演结果进行了验证。结果显示:与D矩阵算法相比,FLLR算法反演大气温度和湿度廓线的均方根误差分别减小~0.8K和~0.5g/kg,其精度与非线性的神经网络算法相当;相对于ECMWF再分析数据,本文大气温度和湿度廓线反演结果的均方根误差分别小于2.5K和2.3g/kg;而相对于RAOB数据,其均方根误差分别小于3.5K和2.0g/kg;2012年第一季度外推反演结果的均方根误差分别小于2.5K和1.6g/kg,与算法精度基本一致。IRAS/FY-3B大气温湿廓线的反演精度与MOD07V5大气廓线产品相当。     

风云三号红外高光谱探测仪的光谱定标

风云三号D星(FY-3D)于2017年11月15日成功发射,是我国第二代极轨气象卫星,其上搭载了红外高光谱大气探测仪(HIRAS),实现了地气系统的高光谱分辨率红外高精度观测,由于光谱频率的精确性会直接影响辐射精度,红外干涉仪器必须进行逐通道的光谱定标。首先对干涉图数据进行傅里叶变换获得粗定标结果,再基于仪器参数计算仪器线型函数,进行光谱精校正,开发了风云三号D星HIRAS的光谱定标技术,并用发射前和在轨数据进行了精度验证。光谱定标方法能有效订正由于仪器离轴探元设计引起的光谱位置偏差,基于地面单色激光测量数据验证,长波4个探元20×10~(-6)左右的偏差可订正到0.5×10~(-6)(1和2探元)和7×10~(-6)(3和4探元)以内;中波1四个探元50×10~(-6)左右的偏差可分别订正到6×10~(-6)(1和3探元)、8×10~(-6)(2探元)和13×10~(-6)(4探元)以内;基于在轨数据验证三个波段光谱订正后光谱精度偏差和标准差均可达到5×10~(-6)以内。三个波段光谱定标结果均满足卫星使用技术指标10×10~(-6)的要求,有效保证了辐射精度评估和后端遥感产品开发应用的要求。     

FY-3A中分辨率光谱成像仪热红外通道的多探元辐射定标

FY-3A中分辨率光谱成像仪(MERSI)红外通道采取40探元跨轨并行扫描方式,针对其辐射定标要比传统单元探测器的辐射定标复杂的问题,研究了MERSI红外通道的多探元辐射定标方法。首先,基于星上黑体观测进行逐探元的辐射定标处理,消除探元辐射响应差异条纹;然后,利用各探元与基准探元光谱响应对不同温度黑体光谱辐亮度建立比值关系,基于其随着辐亮度呈非线性变化的关系,对逐探元定标后图像进行探元光谱差异的辐亮度归一化补偿,从辐射机理上最大限度地消除图像条纹,实现了多探元观测目标辐射信号的光谱响应差异归一化。为了验证MERSI红外通道辐射定标精度,文中还利用同时过星下点观测(SNO)交叉定标方法,将MERSI定标结果与美国Terra中分辨率成像光谱仪(MODIS)定标结果进行比对,结果显示,相对于后者,MERSI的红外通道亮温高1K左右,认为这可能与两者的通道带宽不同有关。     

电离层远紫外日辉辐射反演O/N_2技术

探索了如何从空间对远紫外日辉辐射进行遥感观测,以便为检测高层大气状态提供新的监测方法。针对风云三号(FY-3)气象卫星有效载荷观测结果的数据处理,研究了利用140~180nm波段的LBH(Lyman-Birge-Hopfield)日辉辐射与OI 135.6nm日辉辐射进行O/N2反演的方法。通过研究这两个远紫外日辉观测信号的辐射特性,验证了二者的柱辐射率之比135.6/LBH与太阳活动呈相关关系。检验了太阳活动对O/N2反演曲线的影响,结果表明:太阳活动的变化会造成O/N2反演曲线之间存在比较大的偏差,因此在O/N2的反演技术中必须考虑如何消除太阳活动的影响。本文的工作为FY-3载荷仪器的O/N2图像反演技术的研究奠定了基础。     

风云三号D星红外高光谱大气探测器相位校正改进

为了提高风云三号D星（FY-3D）上搭载的高光谱红外大气探测仪（HIRAS）的辐射定标精度，对HIRAS数据预处理中使用的相位校正模块做了改进。相位校正是预处理流程中的基本处理步骤之一，用于确定干涉图的零光程差位置（ZPD）,ZPD是傅里叶变换的中心同时也是傅里叶变换的前提，对反演光谱具有重要影响，但目前业务中使用的相位校正方法只能将ZPD精确到整数采样点，本文基于仪器相位方法将对地观测、黑体观测和冷空观测的光谱相位相互比较，提取出线性相位分量，从而将ZPD精度提升到亚采样级。HIRAS与JPSS-1/CrIS比对结果显示，改进后的相位校正方法使三波段的平均偏差分别下降约0.1 K,0.4 K和0.8 K，三波段的偏差标准差分别下降约0.06 K,0.2 K和1.5 K，同时偏差对目标温度的依赖性也有所降低。改进后的相位校正方法弥补了原相位校正模块的缺点，有效减小HIRAS的辐射不确定度。     

FY-3C MERSI太阳反射波段的交叉定标

为了实现中分辨率光谱成像仪(Medium Resolution Spectral Imager,MERSI)太阳反射波段的星上绝对辐射定标,本文采用国际通用的6个北非沙漠目标即伪不变目标,以高质量的SeaWiFS数据为参考,对FY-3C MERSI数据进行交叉定标。首先利用高质量的SeaWiFS数据构建天顶双向反射分布函数模型;其次,构建两个传感器的参数化光谱匹配因子;最后,基于前两部分工作进行交叉定标。本文构建的天顶反射模型可以准确地表达伪不变目标的天顶反射率,波段预测误差基本都在3%之内;考虑观测几何条件和吸收气体含量的参数化光谱匹配因子可以有效地预测MERSI的天顶反射率;交叉定标结果的时间序列十分稳定且无明显趋势,与伪不变目标的天顶辐射信号长期稳定且规律性变化的特点相一致,与L1定标结果存在一个系统偏差。该方法充分考虑和解决了交叉定标研究中轨道漂移、观测几何条件和光谱响应差异带来的不确定性问题,能够对卫星辐射性能进行有效的在轨监测和订正。     

FY-3C卫星紫外臭氧总量探测仪的在轨替代定标

风云三号气象卫星C星(FY-3C)搭载的紫外臭氧总量探测仪因太阳辐照度观测值异常而无法进行常规在轨星上定标,导致臭氧总量产品无法正常生成。在研究了风云三号气象卫星B星(FY-3B)TOU辐照度观测数据的特点以及仪器衰减规律后,结合FY-3C/TOU辐照度和辐亮度实测数据,探索了基于晴空海洋像元观测值计算仪器的衰减系数法。本文选取受陆地气溶胶影响较小的热带太平洋海区,用矢量辐射传输模式模拟云量较小的像元对应的晴空辐亮度,比较观测值与模拟计算值,通过统计筛选晴空像元,估算FY-3C/TOU探测器随时间的衰减系数。在确定仪器衰减系数后对FY-3C/TOU历史数据进行处理,反演获得了全球臭氧总量并与WMO/WOUDC地基观测数据进行对比。结果表明,基于晴空辐亮度估算的仪器衰减系数进行的臭氧总量反演的均方根误差在5%以内。在星载紫外探测器星上辐射定标失败的时候,可以利用晴空海洋像元确定仪器的定标系数。     

FY-3D星红外高光谱大气探测仪的在轨光谱精度评估

风云三号D星(FY-3D)于2017年11月15日成功发射,搭载了国内第一颗自主研制的极轨红外高光谱大气探测仪(High-spectral Resolution Infrared Atmospheric Sounder,HIRAS),数据将在数值天气预报、大气温/湿廓线反演、大气成分探测等方面得到广泛应用。为满足高精度的探测能力需求,HIRAS的光谱分辨率达到0.625cm-1,辐射定标精度要求达到1.0K,光谱定标精度要求达到10×10~(-6),均为目前国内星载红外仪器最高精度指标。由于光谱频率的精确性会直接影响辐射精度,红外干涉仪器在数据应用之前必须进行光谱定标精度的精确评估和监测。以晴空视场下的高精度逐线辐射传输模拟光谱作为参考基准,利用互相关法计算光谱频率偏差,对发射后的HIRAS在轨数据的光谱定标精度进行了全面评估和验证研究。HIRAS在长波、中波1和中波2的光谱精度达到3×10~(-6),其中长波和中波1光谱偏差标准差小于2×10~(-6),远优于仪器设计指标要求;长期的光谱精度稳定性显示HIRAS中波1和中波2的光谱定标精度较稳定,在半年时间内频率变化小于5×10~(-6),长波波段在半年的时间内有往负频率偏差变化的趋势,变化量约为7×10~(-6),需要进行持续监测。HIRAS在轨光谱精度可满足后端产品反演和同化用户的使用需求。     

2008年FY-3A扫描辐射计可见近红外通道在轨场地定标

FY-3A扫描辐射计发射后的首次在轨场地定标试验于2008年9月在甘肃敦煌中国遥感卫星辐射校正场展开。通过使用ASD FR光谱仪测量场地地表反射比,使用CE318太阳光度计测量气溶胶光学厚度,使用敦煌国家气候观象台加放的探空观测计算水汽总量,获取了3天的有效试验数据。定标采用反射比基法并配合新的地表反射比修正算法开展：过境时刻地表反射比由陆表各向异性二向反射比模型算法计算得到,并使用实测的地表反射比数据进行修正;表观反射比通过6S模型计算并进行太阳天顶角余弦修正和日地距离修正。在非水汽吸收通道,计算得到的多天定标斜率稳定(相对标准差在2.6%以内),使用定标结果计算23种观测目标的表观反射比,与TERRA/MODIS相应通道结果一致。     

风云卫星的红外遥感亮度温度国家计量标准装置

综述了国际上美国、德国、俄罗斯的典型红外遥感亮度温度标准装置的研究现状,着重介绍了由中国计量科学研究院研制的用于风云卫星红外载荷黑体定标的红外遥感亮度温度国家计量标准装置(VRTSF)。给出了VRTSF的设计方案,描述了它的结构和光路。设计了满足风云卫星红外载荷定标黑体工作环境的真空低背景实验舱,建立了满足量值溯源需求的标准黑体辐射源作为量值标准器。标准变温黑体辐射源的温度覆盖190K~340K,口径为30mm,空腔发射率为0.999 9,温度不确定度优于50mK@300K/10μm(k=2)。该装置的光谱为(1-1 000)μm,光谱分辨率为0.2cm-1,可满足多种红外载荷的定标需求。该装置具有高温度不确定度水平、高光谱分辨率和扩展性强等特点,如未来该装置温度覆盖至(100-500)K,将会满足大部分红外载荷量值的溯源需求。     

一种积分球扩展光源系统的设计与实现

提出一种基于LabWindows／CVI的空间相机辐射定标用积分球扩展光源系统。论述了系统的硬件设计及软件流程。该方案运行稳定可靠,操作方便,抗干扰能力强,实现了辐射定标试验光源的多方位无线控制。     

基于多光源的光谱分布可调谐光源系统

针对定标光源和遥感器在轨探测目标的光谱非匹配对空间光学遥感器实验室辐射定标精度的影响,设计了一种基于发光二极管（LED）和基底光源的光谱分布可调谐光源。采用该光源模拟了典型地物目标光谱,用于遥感器的实验室绝对辐射定标,大幅降低了光谱非匹配带来的影响。首先,从理论上分析了光谱非匹配影响遥感器绝对辐射定标精度的机理;然后,根据设计指标确定了光源的设计方案,解决了光源的选型与光谱匹配算法设计、光谱分布可调谐光源驱动和控制系统、目标光谱匹配与光谱反馈调整、光谱分布可调谐光源光机设计等四项关键技术问题;最后,对光源进行了性能测试。测试结果显示：等能光谱和6 000 K黑体光谱的光谱匹配误差分别为6.37%和8.76%,出光口的辐照度非均匀度为0.53%,30 min内的辐照度不稳定度为0.03%,水平方向±30°内的辐亮度角度非均匀度为0.80%,各波长处光谱辐亮度值均高于0.07 W/（m²·sr·nm）,410~900 nm波段积分辐亮度为58.3 W/（m²·sr）,均满足设计指标。     

涡轮叶片三维叶尖间隙光纤检测系统

航空发动机涡轮叶片叶尖间隙呈三维变化特点,传统光纤式叶尖间隙检测系统的测量结果受维间耦合影响精度差,信息源单一。本文利用一种沿直角等腰三角排布的三路双圈同轴式光纤传感基元组成的传感探头,通过BP神经网络解耦方法,实现了从传感器输出到叶尖端面径向间隙、轴向倾角和周向倾角三维参量的解耦。设计加工三维测量光纤传感器和后续调理电路并对检测系统进行了静、动态实验验证。实验结果表明:该系统径向间隙静态测量的最大误差为47μm,标准差为10μm,轴向和周向倾角的静态测量最大误差分别为0.49°和2.32°,标准差分别为0.13°和0.36°。系统具有良好的重复性和可靠性,径向间隙的动态测量标准差小于18μm,轴向和周向倾角的动态测量标准差小0.2°和0.5°,能够满足航空发动机涡轮叶片叶尖间隙三维参量快速实时检测的需求。     

FY-3/中分辨率光谱成像仪星上黑体的在轨太阳污染模拟与抑制

对风云三号(FY-3)中分辨率光谱成像仪(MERSI)的黑体进行了在轨太阳污染模拟,以掌握在轨太阳污染对面源黑体的影响,同时研究了抑制太阳污染的措施。模拟了FY-3卫星轨道及全轨道周期内太阳光的入射角,使用Tracepro软件建立了太阳污染模拟的模型,利用太阳光入射与MERSI的相对位置对太阳污染进行仿真,分析了污染随光谱成像仪扫描镜旋转和卫星飞行位置的变化。最后,根据分析结果设计了太阳污染抑制措施,并对抑制效果进行了仿真验证。结果表明:在扫描镜附近区域设置遮光板,有效地抑制了太阳光的污染,使辐射量级小于0.1 W,整个太阳污染功率下降了97%以上,对黑体有良好的保护效果。另外,提出的方法提高了面源黑体温度的均匀性和稳定性,保证了红外通道星上定标精度。