星载大气痕量气体差分吸收光谱仪定标系统中铝漫反射板实验测量研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪采用太阳辐射与漫反射板组合方式进行在轨光谱定标,以天底推扫方式对地观测,拥有114°的大视场. 为保证全视场光谱定标精度,此星载仪器的在轨光谱定标系统中的铝漫反射板需具有良好的朗伯特性,以保证在仪器观测视场内能够提供均匀的光源. 在实验室中利用双向反射分布函数测量仪,采用相对测量法对研制的铝漫反射板进行了朗伯特性测量. 分析结果表明,在波长180–880 nm、观测角度-70°–+70°范围内,铝漫反射板双向反射分布函数近似成余弦分布,具有较好的朗伯特性;并采用地面模拟在轨定标方法对星载仪器进行了光谱定标,定标结果表明最大偏差值为0.022 nm,满足定标精度优于0.05 nm的要求. 通过对实验测量的分析可知,研制的铝漫反射板可选作在轨定标系统的定标板. 关键词： 在轨光谱定标系统 铝漫反射板 双向反射分布函数 星载差分吸收光谱仪器     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪狭缝函数研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪是一种新型光学遥感仪器,具有分辨率高(0.3～0.5 nm)、宽光谱范围(240～710 nm)、大视场角(114°视场对应地面2 600 km)的特点,载荷采用推扫方式,可实现1日全球覆盖监测。载荷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获取全球大气痕量气体(NO₂, SO₂, O₃等)分布和变化。定标是遥感数据定量应用的前提,同时为获取载荷光谱特性,需要在地面完成载荷的光谱定标。根据大气痕量气体差分吸收光谱仪视场角度大、谱段范围宽、空间和光谱分辨率高等特点,搭建了一套基于二维转台的光谱定标系统,此系统能够完成全视场光谱定标。光谱定标采用标准谱线法,光谱定标光源使用汞灯。光谱响应函数是描述光谱仪光谱响应特性的重要参数,根据光谱响应函数可以获取载荷的光谱分辨率,同时也是基于DOAS反演的关键输入参数,光谱响应函数的精度直接影响大气痕量气体的反演结果。根据载荷实际测试的光谱响应数据,选取了Gauss,Lorentz和Voigt三种函数作为待选的光谱响应函数。为对三种函数模型进行筛选,进行了两种筛选对比测试,首先分别用Gauss函数、Lorentz函数、Voigt函数对载荷的单色光响应数据进行拟合,以三种函数的拟合残差平方和作为评判标准,拟合结果表明Gauss函数作为狭缝函数拟合的残差平方和最小为0.01,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数拟合的残差平方和分别为0.033和0.021。从载荷单色光响应数据函数拟合的结果分析,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。为了进一步验证这一结论,进行了DOAS反演NO₂样气的实验,考察三种函数模型对反演的影响。在实验室开展了NO₂样气测试,大气散射光通过30*40cm的石英窗口入射到载荷狭缝,将NO₂样品池放置在载荷狭缝和石英窗口中间,获取的数据为NO₂样气吸收谱,随后充入N₂气体获取反演的参考谱,实验在晴朗天气下进行,并能够在较短时间内完成,可以减少外界天气条件对反演结果的影响。实验中NO₂样气浓度为8.481 2×1016 molec·cm-2,在利用DOAS进行反演时,设置仪器狭缝函数分别为Gauss,Lorentz和Voigt函数,分析三组不同的函数模型对应的NO₂浓度结果,根据反演结果的相对偏差对函数模型进行评价。实验结果表明Gauss函数作为狭缝函数反演结果的相对偏差最小为5.6%,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数的反演相对偏差分别为28%和15.1%。由光谱响应数据的拟合结果及样气反演结果表明,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。     

星载痕量气体差分吸收光谱仪非均匀性校正研究

星载痕量气体差分吸收光谱仪是一种大视场天底观测方式的成像光谱仪,采用面阵CCD探测器。在成像光谱仪空间维的每列探测像元存在响应非均匀性,会在观测的遥感数据中引入仪器相关的高频光谱结构。星载痕量气体差分吸收光谱仪的像元响应非均匀性的校正需要考虑两个因素：光谱弯曲效应和大视场。基于此,提出来一种像元响应非均匀性校正方法。结果表明,光谱图像的光谱弯曲和像元响应的非均匀性得到了有效的校正,去除了光谱图像中的高频光谱结构。     

星载痕量气体差分吸收光谱仪非均匀性校正研究（英文）

星载痕量气体差分吸收光谱仪是一种大视场天底观测方式的成像光谱仪,采用面阵CCD探测器。在成像光谱仪空间维的每列探测像元存在响应非均匀性,会在观测的遥感数据中引入仪器相关的高频光谱结构。星载痕量气体差分吸收光谱仪的像元响应非均匀性的校正需要考虑两个因素:光谱弯曲效应和大视场。基于此,提出来一种像元响应非均匀性校正方法。结果表明,光谱图像的光谱弯曲和像元响应的非均匀性得到了有效的校正,去除了光谱图像中的高频光谱结构。     

星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学设计

研究星载宽视场差分吸收成像光谱仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据宽覆盖轻小型星载大气痕量气体差分吸收成像光谱仪的研究目标,采用偏轴两镜系统和中继系统匹配的结构型式设计出无遮拦宽视场望远系统,将宽视场望远系统和Offner光谱成像系统匹配,设计了一个视场60°×0.24°、相对孔径1/3、工作波段280~450 nm的星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学系统,利用光学设计软件Zemax-EE进行了光线追迹和优化设计,光谱成像系统不同波长的点列图半径的均方根(RMS)值均小于5 mm,光谱分辨率0.692 nm,满足不大于1 nm的指标要求,差分吸收成像光谱仪全系统在空间方向各波长在特征频率处的光学传递函数均达到0.67以上,完全满足成像质量要求,适合空间大气遥感应用。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪光谱图像校正方法研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪是一种宽视场、高分辨率的成像光谱仪。光谱弯曲和条纹的存在干扰光谱仪的成像质量,影响光谱数据的反演精度,需要在轨对光谱图像进行校正。为此,在地面对仪器的全视场光谱图像校正算法进行研究。通过图像合并方法获得仪器全视场光谱图像,并对光谱图像的光谱弯曲和条纹进行详细的分析,结合仪器的特点提出相应的光谱弯曲校正算法和均匀性校正算法。光谱图像校正结果表明,光谱图像的光谱弯曲、横条纹和斜条纹得到了较好的校正,验证了光谱校正算法的可行性,为仪器在轨光谱图像校正提供了依据。     

大气痕量气体遥感探测仪发展现状和趋势

阐述了大气痕量气体探测技术的发展历程;详细介绍了几种国外先进的大气痕量气体遥感探测仪器的设计理念、工作原理和功能、工作模式、谱段设置和主要技术指标。讨论了我国遥感用星载大气痕量气体探测仪器的发展现状,给出了两种典型探测仪器的工作模式、谱段设置和主要性能指标。指出了未来星载大气痕量气体探测仪器的发展方向是提高遥感仪器的光谱分辨率、空间分辨率、灵敏度和定标精度以及发展主动遥感技术等,意在为我国今后这一领域的发展提供借鉴。     

超高分辨率光谱定标技术发展概况

介绍了高光谱分辨率光谱定标经常采用的几种技术手段,包括谱线灯法、单色准直光法、利用可调谐激光器和气体吸收池的方法等。通过对比几种国外高光谱分辨率大气痕量气体探测仪的光谱定标技术,阐述了不同光谱定标技术的原理、实施方法以及技术特点。针对大气痕量气体探测遥感器超高分辨率光谱定标的特点,指出定标设备的带宽应能达到0．001nm的水平,同时还应考虑采取优化定标算法、结合多种光谱定标方法等措施来满足高光谱分辨率大气痕量气体探测仪光谱定标的要求。     

基于中阶梯光栅的波长定标方法研究

波长定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础。针对星载大气微量成分探测仪视场大、波长宽、空间分辨率和波长分辨率高的特点,建立了基于中阶梯衍射光栅的波长定标装置。中阶梯光栅因其较少的线密度和较大的闪耀角工作在较高的闪耀级次,光谱范围宽且具有较高的分辨率,可在工作波段内一次性输出多条分布较为均匀的谱线,克服了传统定标方式的缺点,提高了定标精度。本文首先介绍了波长定标装置的工作原理,接着利用该装置对高光谱大气微量成份探测仪进行波长定标,通过寻峰和回归分析给出载荷的波长定标方程,并利用标准汞灯谱线对定标结果进行检验。结果表明:高光谱大气微量成份探测仪的像元和波长近似满足线性分布规律,定标不确定度为0.025 8 nm,汞灯特征谱线的定标值和标准值偏差最大不超过0.043 5 nm,证明了定标结果的准确性。     

星载高光谱成像光谱仪狭缝函数测试方法的研究

为了满足大气微量成分高精度测量需求,需要能准确描述星载高光谱大气微量成份探测仪的仪器狭缝函数。针对高光谱大气微量成份探测仪视场大、波段宽、空间分辨率和光谱分辨率高等特点,研制了狭缝函数测量仪。介绍了狭缝函数测量仪的工作原理及基本结构,并利用狭缝函数测量仪可同时实现高分辨率、宽谱段测量的特点,通过搭建定标装置,对高光谱大气微量成份探测仪进行全视场的狭缝函数测试,得出了仪器狭缝函数的数学表达式,给出仪器狭缝函数的特性分布,并对结果进行分析。测试结果表明：高光谱大气微量成份探测仪全视场光谱分辨率在0.423～0.597 nm之间,其狭缝函数特性曲线近似满足高斯分布规律。由于星载大视场成像光谱仪存在光谱弯曲现象,从而导致边缘视场分辨能力略低于中心视场分辨能力。狭缝函数测量仪是基于中阶梯衍射光栅设计,可同时输出多条高分辨率谱线,且分布均匀,不仅可以测量高光谱成像光谱仪的仪器狭缝函数,也可对星载高光谱仪器光谱定标,为后续研究提供了参考依据和方法。     

宽波段单色仪多级谱高精度波长定标

通常利用单色仪输出的单色光对空间遥感光谱仪进行波长定标。提出以空间遥感光谱仪的置信度为标准,来评价宽波段单色仪高精度波长定标精度的方法。通过对仪器精度的分析,分别求出单色仪的波长的重复性误差和偏差。应用高压汞灯的本征谱和光栅衍射多级谱作为定标谱线,避免更换灯源带来的误差。通过粗细定标相结合的方法,缩短扫描时间,并且运用高斯拟合对波峰进行精确定位,缩小误差。最后利用高次拟合得到的关系式,测出单色仪波长精度,计算出空间遥感光谱仪定标的置信度。以1.5 M单色仪为例,单色仪在200～840 nm波段内波长精度±0.016 nm,则空间遥感光谱仪的波长精度达到±0.050 nm的置信度为99.82%。     

大气光学遥感监测技术现状与发展趋势

针对开展环境空气中的痕量污染气体监测研究的需求,综述了目前应用较广的光谱遥感监测技术。阐述了利用光学遥感技术监测大气环境的工作原理,详细介绍了几种主流的大气监测技术,包括傅里叶变换红外光谱技术,差分吸收光谱技术,激光长程吸收技术,可调谐激光二极管吸收光谱技术,差分吸收激光雷达技术,指出了上述监测方法的特点并对它们的优缺点进行了分析与比较。     

光栅色散型成像光谱仪的在轨光谱定标方法研究

精确的光谱定标是定量化反演地物信息的前提与基础。光栅色散型可见近红外成像光谱仪(VNS)主要用于海洋水色遥感和海岸带监测,采用推扫式成像方式,工作波段范围覆盖400～1 040 nm,空间维视场像元总数为1 024,共设置256个光谱通道,光谱采样步长为2.5 nm。针对仪器入轨后可能发生的光谱通道中心波长漂移或通道宽度展宽问题,基于光谱特征曲线匹配思想,提出了利用太阳大气廓线和星上定标器镨钕特征光谱进行在轨光谱定标的新方法。开展了在轨光谱真实性检验与定标的地面模拟实验,采用最小差值与相关系数联合算法对数据进行了处理。以大气氧气吸收763 nm波段为例,介绍了在轨光谱定标的步骤。给出了太阳夫郎和费517 nm、Pr-Nd玻璃685 nm和氧气吸收763 nm三个典型波段对应VNS的光谱通道的定标结果：三个通道穿轨视场Smile效应幅度相近,约为0.6 nm;中心波长漂移方向和大小各异,分别为0.707,-0.369和0.293 nm;对穿轨方向各像元的测量值进了二次曲线拟合,763 nm通道标准偏差小于另外两个通道,三个通道的光谱定位精度较高优于0.176 nm。为成像光谱仪开发出一种适用的在轨光谱定标算法。     

Study on the Non-Uniformity Calibration of Space-Born Differential Optical Absorption SpectrometerSCIEI北大核心CSCD

Space-borne differential optical absorption spectrometer is a nadir viewing wide field imaging spectrometer, which adopts two-dimensional CCD detector arrays. The pixel response non-uniformity exists in each column of spatial dimension, which will introduce high-frequency instrument-related spectral structures in the measurement data. However, the non-uniformity calibration of space-born imaging spectrometer is difficulty due to two factors: the spectral smile effect and the large field of view. For this reason, a method of non-uniformity calibration is discussed in detail. The result shows that the spectral smile effect and non-uniformity of full FOV image are corrected effectively, and high-frequency instrument-related structures in the measurement data are removed.     

被动差分光学吸收光谱法监测污染源排放总量研究

研究了一种测量污染源污染气体(如SO2、NO2)排放总量的光学遥测方法,即采用被动差分光学吸收光谱(DOAS)系统在移动平台(如汽车)上对污染源排放烟羽进行扫描测量,利用被动差分光学吸收光谱处理方法对系统采集的天顶太阳散射光谱进行处理获取柱密度,在结合测量时段的气象(风场)信息后获得污染气体的排放通量,最终得到排放总量。着重描述了获得烟羽垂直柱密度的差分光学吸收光谱方法以及污染气体排放通量的计算方法,并利用车载被动差分光学吸收光谱系统对某一热电厂SO2排放进行了外场测量,实验结果与在线设备的对比表明:这种基于被动差分光学吸收光谱光学遥测方法能够用于污染源排放总量的快速测量。