星载红外高光谱仪器光谱定标参数反演与精度验证研究

发布时间：2020-05-19 07:22

【摘要】：为满足高精度探测应用需求,星载红外高光谱仪器的光谱分辨率要求小于1cm~(-1),辐射定标精度要求达到0.5K,光谱频率精度要求达到10.00ppm。由于光谱频率的精确性会直接影响辐射的精度,红外干涉仪器在数据应用之前必须进行光谱定标以及光谱频率精度的精确评估和检测,这也成为红外干涉仪定标的最关键技术之一。风云三号卫星上的红外高光谱大气探测仪HIRAS(High-spectral Resolution Infrared Atmospheric Sounder)由我国自主研制,于2017年11月15日载于我国风云三号D星(FY-3D)发射升空。高光谱数据的精度和质量是定量应用的基础,和仪器的研制工艺,数据的预处理方法密切相关。对于多探元红外干涉仪,其偏离主光轴的探测器像元接收到的是偏离主光轴的辐射,具有谱线偏移和发生形变的离轴效应,光谱定标即把仪器观测谱的频率标定到正确的位置。离轴效应的订正直接依赖采样激光波长、探元尺寸和位置参数(这些参数称为仪器光谱定标参数)。仪器参数发射前在地面测试得到,但有测量误差,需要重新进行在轨精确反演标定。本研究基于FY-3D/HIRAS地面测试仪器光谱定标参数,结合LBLRTM辐射传输模式,对离轴谱进行了模拟,研究了离轴谱对激光波长的误差和探元离轴距离误差的敏感性。基于光谱偏差和探元离轴距离之间的敏感性,根据在轨观测数据的光谱偏差评估结果,推导探元离轴距离误差,微调探元位置参数项,进行探元位置参数的反演,提高光谱定标精度。在光谱定标精度评估中,基于互相关法计算光谱偏差,由于互相关法依赖于光谱区域的选择,本研究进一步分析了光谱区域选择对光谱偏差计算的敏感性,提出了光谱精度评估方法最优的光谱区域,提高光谱精度计算的准确性和效率。此外,使用互相关法需要晴空视场的观测谱,本研究还开发了HIRAS晴空视场检测方案,可以高效地获取大量的晴空观测谱,支持后续应用。论文主要结论如下:(1)研究了离轴谱对激光波长的误差和探元离轴距离误差的敏感性。结果表明,激光波长的变化和谱频率位置的变化一致,激光波长变化1.00ppm,可造成约1.00ppm的谱频偏;探元离轴距离的变化与谱频率位置的变化,在离轴距离变化小于3%的条件下可视作正比关系,例如,离轴距离变化1%,可造成约5.00ppm的频偏;离轴效应还与波数有关,波数越大,离轴效应越显著。(2)基于在轨数据进行了探元位置参数的反演试验,结果表明,离轴探元参数比地面测试调整量最大约为1.8%;基于反演后的新光谱定标参数进行光谱订正,可使光谱定标精度优于仪器设计指标,长波波段的光谱定标偏差优于1.00ppm,偏差标准差为1.40ppm,中波波段的光谱定标精度约1.00ppm,标准差为1.20ppm,短波波段的光谱定标精度优于3.50ppm,标准差为5.60ppm;将反演后的探元位置参数应用于其它独立晴空观测谱样本的光谱定标,其光谱精度可达到与试验样本一致的精度,总体精度优于2.00ppm,并且标准差小于3.00ppm。综上,本研究发展了有效的反演探元位置参数订正ILS矩阵、准确刻画离轴效应的方法,提高了光谱定标精度。(3)用互相关法评估光谱精度必须考虑光谱区域的选择,分析了光谱区域选择对光谱偏差计算的敏感性,结果表明光谱区域不能任意选择,光谱区域内若包含大气窗区,其吸收线数量明显减少,引入的绝对误差在长波和短波波段最大分别可达3.05和3.35ppm。红外波段水汽吸收线密集,然而水汽的时空分布不均,其强吸收作用使辐射能量较低,在中波波段需要避开水汽的强吸收位置。在短波波段需要注意二氧化碳的强吸收线。研究表明:对于长波波段,应选择在水汽和含量稳定的二氧化碳吸收带有重叠的区域,光谱区域起始波数位置从716 cm~(-1)到719 cm~(-1),例如区域[716,766]cm~(-1);对于中波波段,应选择包含甲烷、一氧化二氮强吸收带的区域,光谱区域起始波数位置从1267cm~(-1)到1273 cm~(-1),例如区域[1270,1320]cm~(-1);对于短波波段,避开二氧化碳的强吸收带和大气窗区,有光谱区域[2159,2209]cm~(-1),基于光谱区域的选择,HIRAS光谱偏差平均值在三个波段均优于2.00ppm,偏差标准差在长波和中波优于2.00ppm,短波约为4.00ppm。(4)用互相关法计算光谱精度必须基于晴空视场,本研究还开发了红外高光谱仪器晴空视场检测方案,可以高效、精确地获取大区域晴空样本,支持了后续应用,目前HIRAS的光谱精度监测、辐射精度评估监测、HIRAS资料在Grapes模式中的同化应用、大气成分反演等科研和业务中均使用的是本研究开发的晴空视场检测结果。
【图文】：

关系图,光谱定标,精度评估,光谱

-1135 0.625 0.625 0.8 0.8 781 777中波 1210-1750 0.625 1.25 0.8 0.4 869 433短波 2155-2550 0.625 2.5 0.8 0.2 637 159图 1 地面视场 FOR 示意图2.2 光谱精度评估方法——互相关法红外干涉仪器的光谱定标是精确标识每个通道的光谱波数位置的过程，包括光谱仪器线型函数（ILS）的订正、干涉图到辐射谱的转换等（董超华等，2013）。光谱分辨率越高，吸收线的涨落越明显，每个通道光谱波数位置的准确性对辐射的影响越大，为了保证辐射定标的精度，红外干涉仪器光谱定标精度的技术指标要求优于 10.00ppm，相应的红外波段频率误差范围为：0.0065-0.0255cm-1。经过光谱定标，红外高光谱干涉仪的理想特性才能被体现出来。在光谱定标中，光谱定标精度计算模块的输出结果是前提和基础，直接影响 ILS 订正。图 2 展示了光谱定标精度计算模块与光谱定标的关系。图 2 光谱精度评估与预处理光谱定标模块的关系图利用晴空样本进行光谱定标精度的计算思路如下：当超过阈值时，微调仪器参数（探元尺寸、位置），订正仪器 ILS 矩阵，进而得到新的校准光谱，再计算该光谱?

可见光图像,可见光,云图

IIRS-Cloud-Mask 产品挑选 CrIS 视场的晴空，做晴空检测。同样对 FY-3D/HIRAS二与方案三结合，先通过成像仪的可见光图像确定范围，然后利用 MERSI-II 的产品挑选晴空。对 FY-4A/GIIRS：方案一和方案二的结合，通过设定 12μm 通道准差的特征阈值，同时结合 FY4A高分辨率成像仪 AGRI 可见光通道图像来挑选晴究结果表明，结合同平台云产品的方法更有效。.3.1 同平台云检测方法实验对 NPP/CrIS：为了研究同平台高分辨率成像仪资料和云检测产品挑选，以 CrI平台的 VIIRS 成像仪开展研究工作。首先，通过 VIIRS 成像仪可见光和红外通道确定研究范围，分别如图 3、图 4 所示。美国地球系统研究中心 ESRL（Earth Syesearch Laboratory）开发的 WRF(Weather Research and Forecasting Model)前处理系形化界面，也就是 WPS(WRF Preprocessing System)的图形界面，可以很方便的确区域，以及模拟时间范围，投影方式选择为兰伯特投影(Lambert Conformal)，，如示。由图 5 可知，所选区域大部分为海洋，时间范围为：2017 年 10 月 03:46-03:51(UT) ，由该时间和空间范围，选择 2017 年 10 月 01 日 03:41-03:49(UT)DR 数据。综合图 3、图 4、图 6 时间范围定为 03:41-03:51，相应的北京时间为 11:41-11
【学位授予单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P407

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