超光谱大气CO_2监测仪光谱定标误差修正

超光谱大气CO_2探测需对遥感器进行精确表征及定标,其中光谱定标工作最为基础。针对传统实验室定标方法获取的波长定标系数不确定度高等特点,开展基于气体吸收法原理的光谱定标误差修正研究,该方法与仪器使用状态一致,提高了定标系数实用性。首先利用辐射传输进行了理论光谱及误差因素模拟计算,并基于大气环境模拟定标仓开展了大气XO_2吸收光谱测量实验,最后采用LM算法进行光谱误差修正迭代优化。光谱定标误差修正结果表明:光谱偏差均值由修正前的0.03 cm~(-1)下降到修正后0.008 cm~(-1),且系统性与突变性误差得以剔除,大大提高了地面光谱定标精度,为后续温室气体反演奠定了基础。     

CO_2反演中大气散射影响的光程校正方法

CO2作为影响气候变化最重要的温室气体,其反演精度达到1%是气候研究的基本要求。在反演中解决大气散射的影响,是提高CO2反演精度的关键问题之一。温室气体观测卫星为了实现高光谱分辨率,其光谱带宽通常较窄。高光谱分辨率对CO2浓度变化敏感,而窄带宽在采用传统差分吸收光谱(DOAS)法以快慢变分离的方式处理散射时难以保证反演精度。针对我国高光谱卫星CO2反演算法的开发需求,从光程的角度研究了散射对CO2反演的影响,并与传统DOAS方法在沙漠和草地两种区域进行了对比。结果显示相对于传统DOAS方法,该方法在沙漠和草地区域的应用均使CO2的反演精度得到提高,达到或接近1%的精度需求,反演结果的相关性和数据离散度也得到改善,这表明该方法能有效降低大气散射对CO2反演的影响。     

基于地对空观测光谱的大气CO_2柱浓度反演分析（英文）

基于地对空高光谱观测获取大气CO2柱浓度(大气中CO2的垂直总含量)数据是验证和改进卫星高光谱观测反演CO2浓度的重要数据源之一,而目前在中国还没有基于地面光谱观测进行大气CO2柱浓度反演研究的报告。利用光谱分析仪与太阳跟踪仪等构成的地面观测系统在中国内蒙古锡林郭勒草原进行了地对空高光谱观测,基于高光谱观测数据反演了大气CO2柱浓度。在基于1.6μm大气CO2的光谱吸收特征进行CO2浓度反演过程中,评价分析了观测光谱的波长漂移和气象参数对大气CO2柱浓度反演精度的影响。结果显示观测期间平均大气CO2柱浓度为390.9μg·mL-1。波长的漂移将会导致反演浓度值整体偏低;波长漂移从-0.012~0.042nm范围时,将会导致1μg·mL-1以上的偏差。同时,研究发现光谱透过率在6 357~6 358,6 360~6 361和6 363~6 364cm-1谱段敏感于气象参数的变化。对比利用与光谱观测同时和非同时观测的气象参数进行的浓度反演结果发现,非同时观测气象参数的利用引起的浓度偏差最小在0.11μg·mL-1,最大可达4μg·mL-1;本论文的分析结果对基于光谱反演CO2柱浓度算法的改进有着一定的参考价值。     

MIGHTI/ICON卫星的中高层大气温度反演与验证

中间层顶-低热层区域是地球大气中重要的空间区域。基于剥洋葱算法及氧分子气辉光谱理论,利用迈克耳孙全球高分辨率热层成像干涉仪（MIGHTI）测量的O2-A波段气辉辐射强度图像,反演得到海拔为92～140 km的大气温度廓线。首先,根据氧分子气辉光谱理论,结合MIGHTI仪器参数,计算了其各光谱通道信号强度随温度的变化关系;然后,利用剥洋葱算法提取各光谱通道的目标层信号强度,并结合信号强度与温度的函数关系,反演得到大气温度廓线;最后,通过与SABER卫星的观测结果及NRLMSIS-00大气模型的仿真数据的对比,验证了MIGHTI温度反演的可靠性与合理性。误差分析结果表明,MIGHTI的温度探测误差随高度增加而增大,在92 km处为1 K,在140 km处为13 K。     

基于GOSAT卫星数据的大气甲烷反演误差分析及校正

大气甲烷(CH₄)高精度反演受到多种因素的影响,其中地表特征和大气状态的不确定性是重要的影响因素,如地表反射率、温度、湿度和压力廓线。地表反射率受到诸多因素的影响,难以获得精确的数据,会给反演结果带来较大误差。温度、湿度和压力廓线的不确定性亦是反演误差的重要来源,由此产生的系统误差难以避免,单独利用CH₄吸收带进行反演难以消除此种误差。针对各种参数不确定性的影响,本文提出比值光谱法和CO₂吸收带校正法进行校正。比值光谱法通过将绝对辐亮度谱转化为比值光谱,抑制地表反射率在反演过程中的作用。CO₂吸收带校正法利用CO₂ 1.61 μm吸收带,将CH₄柱含量转化为CH₄体积混合比,校正温度、湿度和压力廓线不确定性引起的系统误差。通过将两种校正方法结合,可同时抑制地表反射率和温度、湿度、压力廓线不确定性产生的影响,减小反演误差。利用温室气体观测卫星(GOSAT)的观测数据进行大气CH₄反演,采用比值光谱法和CO₂吸收带校正上述误差,结果显示校正后的CH₄体积混合比与GOSAT-Level2产品相当接近,反演精度可达-0.24%,反演结果较为稳健可靠。研究表明,比值光谱法和CO₂吸收带校正法可有效校正地表特征和大气状态参数不确定性引起的误差,提高大气CH₄反演精度。     

大气同步校正仪的滤光片筛选方法与精度验证实验研究

为保证大气同步校正仪的偏振测量精度,在研制的过程中需要对滤光片进行检测和筛选。设计了校正仪的偏振测量模型和滤光片的筛选条件,分析了影响校正仪的偏振度测量精度的主要因素。以490nm通道为例,采用滤光片的光谱透射率和典型目标的光谱辐亮度数据,分析了偏振通道间的相对透射率和带外响应相对于总响应的比值随目标光谱辐亮度形状的变化情况,并对滤光片进行了筛选,对校正仪进行了偏振度测量精度的验证。结果表明,在大气目标偏振度0~0.4范围内、在偏振通道间的相对透射率的相对变化和带外响应的相对变化对偏振度产生的变化均不大于0.4%且二者合成不确定度应小于0.5%的筛选条件下,可保证校正仪的偏振度测量精度。选用最佳效果筛选滤光片的校正仪的测量不确定度明显小于未经筛选滤光片的校正仪的测量不确定度,证明了筛选方法的有效性。     

大气CO2反演的地表反射率影响分析与比值反演方法

近红外波段空基大气CO₂反演是一个病态问题,地表特征的不确定性是其重要的影响因素之一。针对大气CO₂高精度反演的需求,研究了地表反射率两大不确定性因素对大气CO₂反演的影响程度,提出了比值光谱法对这种影响进行校正。比值光谱法中CO₂无吸收通道(off-line)的选择至关重要,通过比较和分析多种off-line通道的选择方法,发现多通道多点平均法因多数据平均可降低随机误差的优势,获得的off-line通道对应的反演精度最高,而且离散程度也小。比值光谱法结合多通道多点平均法选取出的off-line通道对地表反射率的不确定性影响有明显的校正效果,有利于大气CO₂反演精度的提高。     

基于高分辨率激光外差光谱反演大气CO_2柱浓度及系统测量误差评估方法

利用实验室研制的近红外激光外差光谱仪,开展了基于最优估计算法的温室气体柱浓度反演和系统测量误差的近似评估等相关工作.首先,通过光谱数据库、参考正向模型计算结果与傅里叶变换红外光谱技术探测结果筛选出了探测窗口,并以此为依据选择了相应的激光器和探测器;其次,建立了基于参考正向模型最优估计浓度反演算法,采用Levenberg-Marquardt (LM)迭代方法,实现了整层大气CO_2柱浓度及垂直分布廓线的反演,并开展了长期观测对比实验,验证了反演算法的可行性;最后,通过模拟所选探测窗口波段在不同白噪声条件下的正向大气透过率谱,获得了系统SNR与柱浓度测量误差之间的近似对应关系.该研究是探测系统不可或缺的理论计算部分,将有助于完善激光外差技术在大气探测中的应用.     

光电效应方程的验证与误差分析

以光电效应有关理论为基础,通过对光电效应基本实验事实的实验操作与探究,来验证爱因斯坦的光电效应方程,进而利用已得实验结论对普朗克常量以及截止频率进行较为精准测量;分析实验过程中的影响因素,对实验进行相关优化。     

大气CO_2甚高光谱分辨率成像光谱仪分析与光学设计

为监测全球范围内CO2排放,确定碳源碳汇位置,需高精度探测大气CO2柱浓度。首先介绍遥感卫星探测大气CO2柱浓度原理,并利用逐线积分辐射传输模型(LBLRTM),分析探测精度、光谱分辨率、信噪比需求之间的相互关系。然后,基于遥感卫星探测要求,分析光学系统指标。根据指标,选择中阶梯浸没衍射光栅分光元件,确定逆卡塞格林结构前置系统和离轴三反消像散结构分光系统。设计了F数4、光谱分辨本领21000的大气CO2柱浓度探测成像光谱仪光学系统。设计的光学系统由1个前置系统、1个分光系统和3块焦平面探测器组成,结构紧凑,体积微小,成像质量良好。     

连续波差分吸收激光雷达测量大气CO_2

研制了一套接收硬目标回波的差分吸收激光雷达系统以用于全天候监测大气CO2浓度变化.系统采用10和12 kHz正弦波分别对处在CO2吸收峰内和吸收峰外的波长进行强度调制,利用单频检测技术提取回波信号.提出了一种利用激光扫频推算系统精度的方法,从而弥补了长期以来只能在理论上计算差分吸收激光雷达系统精度的不足,给实际系统自定标问题提供了一种解决方案.该系统采用全光纤结构,结构可靠,便于移动.利用此系统获得了上海市多天CO2浓度变化曲线,在450 m的积分路径长度上,1 s的积分时间取得了优于3.39×10-6的测量精度.     

高分辨率傅里叶变换红外光谱反演环境大气中CO_2浓度的质量优化方法

高质量的CO_2反演结果有助于准确认知其源汇信息、预测未来气候变化趋势及提升全球碳循环的理解。基于非线性最小二乘光谱拟合技术,研究地基高分辨率傅里叶变换红外光谱反演环境大气中CO_2浓度的反演产品质量优化方法。借助O_2窗口的反演结果,将CO_2柱浓度转化为柱平均干空气摩尔分数(column-averaged dry air mole fraction,XCO_2),能有效修正系统共有误差;采用一种经验修正模型,能有效修正与大气质量因子相关的虚假日变化;通过建立一定的红外光谱筛选法则,能有效控制XCO_2反演产品质量。以一天的典型观测结果为例,对产品质量优化前后的反演结果进行了对比,优化后反演误差减小了60%,以正午为中心两边各取一小时计算了XCO_2的反演精度,为0.071%(相当于0.28ppm),符合TCCON(total carbon column observing network)规定的0.1%精度范围。     

大气二氧化碳反演中系统误差的分析与校正

二氧化碳（CO2）高精度反演中易受多种因素的影响,其中一部分是系统误差,如温度廓线、压力廓线、水汽以及大气分层等精度不足所带来的影响,仅利用CO2吸收带的光谱信息很难克服由此带来的误差。这种系统误差的波长依赖性小,可以考虑其他波段进行校正。模拟研究表明,上述系统误差对CO2反演的影响经O2校正后有较大程度地减小。利用大兴安岭地区的温室气体观测卫星（GOSAT）观测数据进行CO2反演,采用氧气（O2）A吸收带校正上述系统误差,结果显示反演精度得到明显提高。     

地表高程对大气CO2反演的影响

从大气辐射传输模型正演和反演两个角度,探究CO_2观测时地表高程的敏感性。SRTM地表高程数据表明,在北京附近的平原地区,卫星指向不准导致的地表高程均值的误差较小,在偏移量为0.1～10.0km的情况下,误差极大值约为10m;而在北京附近山区以及平原与山区交界区内,地表高程均值的误差较大,误差极大值分别为713.98,515.61m。CO_2反演结果表明:高程值每变化100m,CO_2柱浓度偏差为3.29×10~(-6);在大气CO_2高精度反演中,地表高程偏差是一个关键因素。     

气溶胶对大气CO_2短波红外遥感探测影响的模拟分析

气溶胶引起的光学路径长度改变是影响高分辨率近红外光谱反演大气CO_2浓度的重要误差源.本文利用高精度大气辐射传输模式模拟中国碳卫星观测,结合CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星的气溶胶廓线产品研究了不同特性的气溶胶对卫星观测光谱的影响.模拟结果显示:气溶胶散射引起的光学路径长度改变与气溶胶类型、模态以及垂直分布密切相关;城市型和海洋型气溶胶对观测光谱影响很大;多层分布的积聚模态大陆型和海洋型气溶胶在光学厚度小于0.3时,会引起5%以内的负辐射变化,随光学厚度不断增加会引起正的辐射变化;主要以粗粒子模态存在的气溶胶在不同的垂直分布情况下均会引起辐射的负变化,从而造成CO_2浓度的高估;另外,随气溶胶分布高度变高,负的辐射变化程度会逐渐减小.     

基于激光吸收光谱开放式大气CO_2的在线监测

二氧化碳(CO2)作为最主要的温室气体,引发的气候变化和生态环境问题已经成为世界关注的焦点,因此在线监测环境大气中CO2浓度,分析牛态系统的CO2通量是重要任务.将可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术与开放式长光程技术相结合没计了大范围CO2监测仪,系统选择CO2在近红外1.57 gm附近的吸收线,以30 s的时间分辨率对城郊大气CO2浓度进行了连续测量,得出日变化和连续监测结果.结果表明在无污染排放源的城市郊区,大气中的CO2具有明显的日变化周期性,基本特点是白天浓度低,夜间浓度高.监测仪不需要气体采样、具有岛灵敏度、高分辨性、可快速在线监测、调校简单等优点,检测限可以达到4.2×10-7.为生态系统中的温窀气体大范围通量监测提供了有效的方法.     

利用短波红外进行地基CO_2反演的影响因子分析

地基CO2反演的精度决定了对CO2源和汇的认识程度,然而关于地基CO2反演影响因子的研究甚少。基于正演辐射传输模式,分析了气溶胶、光谱偏移、波段选取及光谱响应函数(类型、半宽和截断误差)对地基CO2反演的影响,旨在提高地基CO2反演的精度。结果表明:(1)当镜头视场角小于1.5°,且气溶胶光学厚度(λ=1.6μm)小于0.5时,气溶胶多次散射的贡献可以完全忽略;(2)光谱的偏移会造成反演结果偏小,反演误差随光谱偏移量非线性增大,且光谱的分辨率越高,光谱偏移的影响越大;(3)不同波段的平均信噪比不同,选择信噪比适中的通道和增强仪器信噪比可以减小噪声对地基CO2反演的影响;(4)光谱分辨率越高,模拟光谱对仪器光谱响应函数的准确度要求越高,高光谱观测时,必须保持环境温度的恒定才能获取高精度的反演结果;(5)光谱分辨率过高时,模拟光谱因串扰作用而失真,提高光谱仪分辨率的同时必须考虑串扰作用的影响。     

星载多角度偏振成像仪测量精度验证与偏差分析

为了检验星载多角度偏振成像仪(DPC)在自然目标下的偏振和辐射定标精度,设计了测量精度验证试验。在晴朗天气对天空成像,得到了天空的偏振度和辐亮度数据,并将其与同时观测的CE318型太阳-天空偏振辐射计的数据进行了比对。结果显示:三个偏振波段的平均偏振度差异小于0.02,满足DPC偏振测量精度的指标要求,但辐亮度差异较大。修正定标光源与测量目标间光谱非匹配的影响,两台仪器观测波段、观测视场非一致性的影响以及系统偏差后,两台仪器490nm和670nm通道的平均辐亮度的差异小于1%,865nm通道的平均辐亮度差异小于2%,验证了DPC定标数据的有效性和仪器的测量精度。     

高层大气风场四强度测量法误差分析与计算

利用干涉成像光谱技术和电磁波的多普勒效应，通过测量高层大气(80—300km)中的气辉(极光)辐射线的四个干涉强度值而获知高层大气的速度和温度信息.采用四强度干涉测量法，分别对基于Michelson干涉仪的动镜扫描和基于无动镜四分区镀膜的干涉图获取模式所引起的测量误差进行了深入的理论分析与研究.给出了由于此测量误差所导致的相位误差所引起的高层大气风场速度、温度的误差数值；采用计算机模拟得出了在不同相位误差条件下，两种模式计算得到的风场速度和温度的误差分布图；给出了风速误差、温度误差与相位步进误差的关系曲线     

高层大气风场四强度测量法误差分析与计算

利用干涉成像光谱技术和电磁波的多普勒效应,通过测量高层大气(80—300km)中的气辉(极光)辐射线的四个干涉强度值而获知高层大气的速度和温度信息.采用四强度干涉测量法,分别对基于Michelson干涉仪的动镜扫描和基于无动镜四分区镀膜的干涉图获取模式所引起的测量误差进行了深入的理论分析与研究.给出了由于此测量误差所导致的相位误差所引起的高层大气风场速度、温度的误差数值;采用计算机模拟得出了在不同相位误差条件下,两种模式计算得到的风场速度和温度的误差分布图;给出了风速误差、温度误差与相位步进误差的关系曲线 关键词： 高层大气风场测量 四强度测量法 模拟计算