中高层大气OH层析探测技术研究

发布时间：2020-06-17 12:31

【摘要】：中高层大气中含有极少量OH自由基,其含量以及垂直空间分布会影响臭氧层的破坏效应以及半球气候不对称性。我们通常通过高光谱技术实现对大气成分的有效探测,更高的光谱分辨率可以提升探测的灵敏度。空间外差光谱技术可以在相对较窄的谱段范围内获得极高的光谱分辨率,结合层析反演技术,采用视场正交的双通道临边观测方式,还可以获得探测对象的三维空间分布信息。空间外差分视场成像光谱仪采用空间干涉类型的新型超光谱分光方案,利用面阵探测器对所有干涉数据点同时进行采集,可有效降低噪声,并获得成像光谱;干涉仪的光谱复原是利用傅里叶变换将仪器采集的干涉数据从时域转换到频域,依赖于探测器每个像元稳定的光谱响应关系,以及器件级的定标参数;同时,焦平面器件与干涉仪的位形关系也将影响最终获取的光谱信息的真实性。为保证卫星平台对OH自由基三维空间分布的有效观测,需结合仪器方案的技术特点以及在轨工作模式进行光机和电子学系统的针对性设计。本文在对中高层大气OH自由基探测仪的关键技术参数进行定量化研究与分析后,给出相应的光机设计分析与电子学系统设计,然后开展了探测仪相关特性分析与性能优化研究,论文的具体工作包括以下几个方面:1.首先对空间外差同时分视场成像技术进行了研究,讨论了正交观测的技术方案,然后对探测仪的关键技术参数进行定量化研究与分析,明确探测仪应用指标与关键技术参数之间的函数关系,优化探测技术方案,并最终给出相应的光机设计分析与电子学系统设计。2.研究了探测器暗电流对空间外差光谱仪信噪比与动态范围的影响,开展了探测器不同温度对仪器信噪比影响的实验研究,在综合考虑仪器功耗与信噪比后确定了探测器最优的工作温度。3.对仪器探测器装调角度误差和探测仪双通道光谱仪视场配准装调方法展开了研究。建立了空间外差光谱仪探测器装调角度误差模型,分别给出了倾角误差、斜坡误差和旋转误差的误差角度容限值,仿真实验结果表明当倾角误差角度、斜坡误差角度、旋转误差角度分别小于1.21°,1.21°,0.066°时,误差角度可被接受。4.研究了探测器响应参数对空间外差光谱仪光谱复原的影响,针对这些参数设计了探测器筛选实验装置和筛选方法。开展了探测器筛选实验,从备选探测器中筛选出了综合性能最优的探测器。5.针对正交模式下的双通道空间外差光谱仪的视场、光谱分辨率、信噪比等重要参数进行了性能评价,给出了测试方法与测试结果。在此基础上,开展了航空飞行实验,实验结果表明该仪器可应用于中高层大气OH自由基探测。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P412
【图文】：

光谱图,光谱分辨率,光谱,自由基

相当具有挑战性。逡逑在中高层大气０Ｈ自由基探测过程中，不同的光谱分辨率获取的光谱曲线有逡逑．相当大的差异，分辨率越高的光谱对０Ｈ浓度变化越敏感。图１．１所示为不同光逡逑谱分辨率下获取的０Ｈ自由基光谱，其中红线代表大气散射背景信号，黑线代表逡逑０Ｈ自由基在大气散射背景上叠加的信号。从图中可以看出，在紫外３０８ｎｍ波段，逡逑当光谱分辨率为Ｏ．ｌｎｍ时（左图），大气散射背景信号与０Ｈ自由基光谱辐射信逡逑号混叠，二者难以区分，然而当光谱分辨率为0．0２４ｎｍ时（右图），便可以从大逡逑气散射背景信号中提取ＯＨ自由基的光谱辐射信号ＨＩ。因此在复杂背景下获取微逡逑量气体的特征光谱辐射信息、获取精细光谱信息要求探测系统具有很高的分辨能逡逑力，发展高光谱分辨技术对大气遥感具有重要意义。逡逑５逡逑

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大气探测领域的临边观测模式傅里叶变换光谱仪［１８］。ＭＩＰＡＳ主要用于探测大气逡逑中高层红外波段的发射光谱，工作波段为４．〗５ｕｍ？１４．６ｕｍ，光谱分辨率为逡逑０．０３５ｃｍ４，图１．２为ＭＩＰＡＳ观测的光谱图。ＭＩＰＡＳ拥有５个观测通道，可通过逡逑反演获取ＣＨ４、０；、Ｈ２０等大气成分的廓线ｔ１９Ｕ逡逑ｐ———逡逑图１．２逦ＭＩＰＡＳ观测光谱图逡逑ＴＡＮＳＯ－ＦＴＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ邋Ａｎｄ邋Ｎｅａｒ邋ｉｎｆｒａｒｅｄ邋Ｓｅｎｓｏｒ邋ｆｏｒ邋ｃａｒｂｏｎ邋Ｏｂｓｅｒｂａｔｉｏｎ）是日本逡逑研制的基于Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ干涉仪的摆镜式傅里叶变换光谱仪，于２００９年１月搭载日逡逑本ＧＯＳＡＴ卫星发射［２Ｇ］。ＴＡＮＳＯ－ＦＴＳ主要用来探测Ｃ０２、ＣＨ４以及其它痕量气逡逑体的浓度，ＧＯＳＡＴ卫星也是世界上首颗针对Ｃ０２和ＣＨ４等温室气体监测的卫星。逡逑图１．３为ＴＡＮＳＯ－ＦＴＳ结构图，其近红外工作波段为０．７５８ｕｍ？０．７７５ｕｍ、ｌ＿５６ｕｍ？逡逑１．７２ｕｍ以及１．９２ｕｍ？２．０８ｕｍ，其中氧气波段的光谱分辨率为０．６ｃｍ＇其它波段光逡逑谱分辨率为0．２７ｃｍ“ｌ２１】。逡逑８逡逑

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