基于0级数据的星载大气痕量气体差分吸收光谱仪在轨衰变监测

大气痕量气体差分吸收光谱仪（EMI）是一种紫外可见成像光谱仪,主要用于实现高空间分辨率的全球每日大气痕量气体浓度反演。EMI在轨运行期间,受空间环境影响,元器件性能随时间推移会不断衰变。为有效监测其衰变状况,利用载荷对地各轨0级数据解析出在轨温度,实现长期在轨温度监测;通过计算各轨道星下点黑暗时的暗背景图像噪声的均值和标准差,实现CCD（charge-coupled device detectors）暗背景噪声随时间变化趋势监测,进一步评估空间粒子对CCD像素点的损伤;利用多次在轨测量的内部白光光源在CCD上的响应,评估CCD探测器在轨像素性能和辐射通量的变化;使用EMI在轨测量的0级太阳光谱数据,结合发射前实验室测试得到的二阶高斯函数模型,用最小二乘法反演在轨仪器光谱响应函数（ISRF）,实现仪器光谱响应函数的在轨实时更新;利用石英漫反射板（QVD）、备用漫反射板(RSD)多次测量的太阳光谱,计算石英漫反射板在轨相对衰变因子,修正辐射定标系数,实现漫反射板在轨衰变校正。研究表明,EMI载荷在轨两年以来,温度稳定,各通道暗背景均值年增加率约0.25%～1%,暗背景标准差震荡幅度在1.5%以内;在轨ISRF函数变化幅度约2.3%;内部白光源光路响应变化小于1%,石英漫反射板年衰变率UV2通道小于1.75%,VIS1通道小于1%,VIS2 通道小于0.5%。     

星载差分吸收光谱仪噪声分析及处理方法

噪声对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪信噪比具有重大影响，其是衡量光谱仪成像质量和痕量气体反演能力的标准。为量化并去除光谱仪系统噪声从而提高信噪比，分析了光谱仪噪声来源并给出了相应噪声模型，在此基础上建立了光谱仪信噪比模型。研究了入射光强度、积分时间和系统增益对系统信噪比的影响。通过光谱仪辐射定标试验数据对不同工作模式和不同参数与信噪比的关系进行了对比验证。并提出主要系统噪声的处理方法：利用线性拟合取截距法确定系统偏置噪声；在地面利用暗电流温度相关性获得温度修正因子实现载荷在轨暗电流校正；在探测器响应线性范围内利用两点校正法对PRNU噪声进行修正。结果表明：全幅成像模式下，可见1通道电子学偏置噪声响应DN值2 625，可见2通道电子学偏置噪声响应DN值2 763；暗电流噪声在CCD成像面温度高于0 ℃时占主要部分，温度下降至-20 ℃时其余噪声起主导作用，验证了CCD最佳制冷温度；光谱仪信噪比随着入射光响应和积分时间的增加而增大，系统增益不会影响信噪比；PRNU噪声通过校正得到明显改善，由3.32%下降到0.47%，提高了光谱仪成像质量。该噪声分析和处理方法对后期光谱数据的痕量气体反演提供帮助。     

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     

基于谱线匹配技术的星载成像光谱仪星上光谱定标方法研究

介绍了一种基于谱线匹配技术的星上光谱定标方法,该定标方法选取大气吸收线作为匹配谱线,采用相关系数法作为匹配结果判定条件标进行光谱定标。为模拟星上定标过程,将谱线匹配技术应用于振动试验后的成像光谱仪,振动试验可以模拟成像光谱仪在升空过程中受到的振动。星上光谱定标包括成像光谱仪分辨率的确定、面阵探测器光谱维和空间维像元中心波长的定标。由定标结果可知,振动试验后光谱仪分辨率为0.40nm,与振动试验前相比没有发生变化;光谱维像元中心波长向长波偏移0.08nm(小于一个像元);空间维像元光谱弯曲(光谱smile)向短波方向弯曲,最大弯曲值为0.96nm,近似于振动试验前光谱弯曲值。由此验证了谱线匹配技术进行星上光谱定标的可行性。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪光谱定标技术研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪用于遥感监测痕量气体的全球分布。该载荷探测地球大气或表面反射、散射的紫外/可见光辐射,利用差分吸收光谱算法来解析痕量污染气体成分的分布和变化。光谱定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础,定标的精度直接决定了仪器研制和应用水平的高低。针对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪视场大、波长宽、空间分辨率和光谱分辨率高的特点,提出了相应的光谱定标方法,建立了定标装置,通过寻峰和回归分析计算光谱定标方程,实现了对载荷的全视场光谱定标工作。并利用太阳光的夫琅禾费线对定标精度进行了检验。     

目标差分吸收光谱技术测量大气NO2平均浓度的方法研究

介绍了一种测量近地面大气NO2平均浓度的新方法——目标差分吸收光谱方法,即target DOAS(target difference absorption spectrum technology)。该方法基于被动差分吸收光谱技术,测量墙体、山体等目标的太阳反射光谱,通过差分吸收光谱算法反演得到目标与仪器之间NO2浓度沿路径的积分值SCD(slant column density),同时仪器到目标之间的距离已知,并通过选取特定的参考光谱扣除目标到大气顶层的痕量气体吸收,最终计算出仪器和目标之间的大气NO2平均浓度。利用建立的目标DOAS系统在合肥开展了观测实验,成功获取了观测地大气NO2浓度。观测结果与主动长光程差分吸收光谱仪观测数据进行对比,二者呈现较好的一致性,验证了该方法的可行性。     

星载铝漫反射板光谱特性测量研究

星载成像光谱仪在轨通过漫反射板获取太阳参考谱时，漫反射板自身光谱结构会引入到太阳参考谱中，影响气体的反演精度。基于此，分析了漫反射板光谱结构产生原理，并在实验室完成了铝漫反射板光谱特性的测量，得到了铝漫反射板在观测角度[15°, 40°]内的光谱结构。由结果可知，在波段450～600 nm，SFA基本保持不变，大小为0.2%～0.6%；在波段600～750 nm，SFA逐渐增大，SFA为0.3%～1.6%。对光谱结构的降低进行了讨论，通过对漫反射板的光谱进行平滑校正，可将光谱结构降低约76%。     

内蒙古阿拉善左旗六种常见沙生植物的营养成分与氨基酸组成分析

沙生植物资源量大、生长快、占地面积广，是改善环境和治理荒漠化的主要植物，但其饲用价值没有得到充分利用。目前由于畜牧业的规模化、集约化发展，出现牧草匮乏，商品牧草供应量严重不足，导致畜草矛盾日益增加。沙生植物平茬收获，充分挖掘沙生植物的潜在饲用价值，开发、生产非常规饲料，对推动我国荒漠、半荒漠地区的畜牧业发展和生态修复至关重要。选择内蒙古阿拉善左旗珍珠猪毛菜(简称珍珠)、红砂、油蒿、骆驼刺、柠条锦鸡儿(简称柠条) 和沙米六种常见沙生植物为研究对象，利用光谱学方法测定样品中粗蛋白(CP)、粗脂肪(EE)、粗纤维(CF)、钾(K)、钠(Na)和钙(Ca)等14种营养成分和亮氨酸(Leu)、赖氨酸(Lys)、蛋氨酸(Met)、胱氨酸(Cys)、苏氨酸(Thr)等17种氨基酸含量，并与四种常规饲料(优质玉米、NT-2级稻谷、GB-2级大豆和GB-3级苜蓿草粉)进行比较，获得沙生植物营养价值和潜在饲用价值的评价结果。结果表明：(1)六种沙生植物的CP含量、EE含量和矿物元素含量均处于较高水平，CF含量高于泌乳母牛日粮中CF占日粮干物质的13%，等同于或优于以上四种常规饲料。(2)该研究中氨基酸含量和氨基酸化学评分(CS)的结果为：六种沙生植物都含有17种氨基酸，且组成较为均衡。其中油蒿、骆驼刺、柠条和沙米中的必需氨基酸含量及营养价值均高于优质玉米和NT-2级稻谷。Leu和Lys分别是3种沙生植物红砂、骆驼刺、柠条和珍珠、优质玉米、NT-2级稻谷的第一限制氨基酸，而Thr和Met+Cys分别是油蒿和沙米、GB-2级大豆、GB-3级苜蓿草粉的第一限制氨基酸。(3)主成分分析结果表明，珍珠、柠条和沙米的营养价值高于常规饲料GB-3级苜蓿草粉，且六种沙生植物的营养价值均高于优质玉米和NY-2级稻谷。综上表明，研究区常见的六种沙生植物不仅具有生长快、地上生物量大和耐刈割等特点，更具有较大的饲用开发潜力，是荒漠、半荒漠地区良好的饲料来源，研究结果为指导饲料氨基酸的平衡和合成氨基酸提供可信的实验依据和理论依据。     

机载成像差分吸收光谱技术测量区域NO2二维分布研究

本文主要介绍了一种快速测量区域大气痕量气体二维分布的方法——机载成像差分吸收光谱(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)技术. 该技术基于成像光谱仪, 利用DOAS算法, 对痕量气体大范围分布快速扫描成像, 可实现污染源扩散趋势的可视化观测, 应用于污染源定位、污染源排放率监测、污染物传输演化等研究. 文中详细介绍了研制的机载成像DOAS系统, 并利用该系统开展飞行实验, 快速获取了飞行轨迹上空的NO₂浓度分布. 实验中针对重点关注区域进行扫描测量, 成功获取了高分辨率的NO₂二维分布图, 分析了污染扩散趋势, 并结合风场数据, 估算污染点源的NO₂排放率为1570 kg/h.