太阳辐射计直射通道实验室定标方法研究

利用可调谐激光器作为光源,以溯源于低温绝对辐射计的标准辐照度探测器作为传递标准,将可调谐激光导入积分球,通过功率稳定、退相干等措施,形成均匀、稳定、无偏的辐照度场。利用替代定标技术,对太阳辐射计CE318的870nm直射通道的三个偏振通道(P1、P2和P3)和无偏通道(UP)的绝对光谱辐照度响应度进行了光谱扫描定标,获得这四个通道的光谱辐照度响应度,并预测了大气层顶太阳辐照度的信号值。最后,对定标过程的不确定度进行评价,三个偏振通道和无偏通道的定标不确定度分别达到了1.83%、1.98%、1.73%和1.2%,与Langley定标法定标精度相当。     

地基高光谱微波辐射计反演大气相对湿度廓线的通道选择

利用微波辐射传输模型PWR(P. W. Rosenkranz)和反向传播神经网络方法,分别构建了正演下行辐射亮温和反演大气相对湿度廓线的模型,并研究了晴空条件下高光谱微波辐射计反演大气相对湿度廓线的通道选择问题。研究结果表明,200个通道的信息含量大于微波辐射计7个通道的信息含量;增加探测通道数量可提升大气相对湿度廓线的反演精度,选取信息含量排在前面的120个通道进行仿真时,在0～2 km和6～10 km高度范围内大气相对湿度廓线的反演精度提升了4%～10%,在2～6 km高度范围内的相对湿度廓线的反演精度提升了约10%;当通道数继续增加时,反演精度的提升并不明显。     

空间遥感光谱辐射计紫外／真空紫外光谱辐照度定标技术

实验证明了发散光照明模式和平行光照明模式标定的光谱辐照度响应度在定标误差范围内一致．在此基础上构建了由150W大功率氘灯、500W氙灯和球面反射镜组成的平行光光谱辐照度定标单元，该单元解决了大多数光谱辐射计由于在紫外波段响应度低、信噪比小导致的定标困难，而且其输出光谱辐照度在一定距离范围内变化很小从而减小了装调误差，提高了定标准确度．分两个波段标定了一台紫外光谱辐射计160nm～400nm波段光谱辐照度响应度，其中160nm～250nm定标误差4．6％，250nm～400nm定标误差2．4％．     

基于精密太阳光谱辐射计的气象辐射观测

目前,气象业务观测普遍采用的积分型太阳辐射观测仪器存在观测数据信息量少、数据差异大的观测瓶颈,已无法满足目前众多应用科学研究领域对太阳光谱辐射精细化观测的需求,具有高光谱分辨率的精密光谱辐射计的仪器研制及观测方法与技术已成为太阳辐射观测的前沿科技问题。在此背景下,为解决气象领域太阳辐射的精细化观测问题,开展了深入的科学研究与技术开发工作。重点阐述了仪器开发成果和数据观测分析方法,首先介绍了开发研制的用于地基太阳光谱辐照度观测的光谱辐射计系统。光谱辐射计的分光系统采用了平场凹面光栅结构,具有低杂散光、高收光效率和高可靠性的特点,尤其适用于长期无人值守的户外观测。系统所采用的平场凹面光栅的像差校正特性对于300～1 100 nm这种宽谱段的应用来讲更为合适,在整个谱段范围内光谱分辨率变化很小,不同波长通道的带宽基本一致,使用25 μm狭缝时光谱分辨率(FWHM)约为2 nm,像素采样间隔小于0.5 nm。对于太阳辐射观测来讲,这是一种谱段范围和分辨率都与需求十分匹配的专用光谱辐照度观测仪器。其次,在观测数据的基础上,阐述和分析了气象等领域的光谱应用观测方法。太阳辐射照度分布的能量通过不同参数化模型约束的接收系统收集,将太阳光谱辐射在半球天穹中的变化及分布进行约束并划分为水平总辐照度(GHI),法向直接辐照度(DNI)和水平散射辐照度(DHI)三种光谱辐照度辐射分量,阐述了基于GHI,DNI和DHI三种观测形式下的数据特征与用途。其中,GHI是地表实际辐照度水平,适用于太阳能资源评估;DHI反映大气和云态;DNI作为直接透射形式,可用于计算日照时数和分析大气参量。并且,进一步分析了观测形式、光谱特征与地理(经度、纬度、海拔高度、大气质量)及气象参数(云量、大气吸收)之间的互易演算关系。与传统的波长积分式辐射观测相比,太阳光谱辐射计为辐射能量观测增加了波长信息维度。从DNI形式的光谱辐照度数据中可以看出,不同波长之间的辐射能量变化显著,而这些变化与大气变化密切相关。因此,太阳光谱辐照度数据不仅仅是为业务观测提供更精细化的太阳辐射信息,更提供了丰富的辐射能量的变化信息通道,利用特征波长维度的辐射信息,可进一步通过模型反演计算气溶胶光学厚度、臭氧、水汽等大气参数。通过精密太阳光谱辐射计,可将纳米分辨率水平的太阳光谱辐照度作为基础业务运行数据,提供精细化的太阳辐射分布及变化信息用于气象与气候模型、光伏资源评估与生态环境等研究;同时也为辐射波长分布中所蕴含的气候、农业、生态等领域关心的各种通量监测和演化关系研究提供了有力的数据信息及观测工具。     

Hyperion高光谱遥感器的在轨自动化定标

利用布设在敦煌辐射校正场的自动化观测设备,对Hyperion高光谱遥感器开展定标试验;详细描述自动化定标的原理和方法,明确定标流程;针对高光谱遥感器的特点建立参考反射率数据库,以解决通道反射率与参考反射率光谱形状不匹配的问题;在2016年10月至2017年4月期间,对Hyperion高光谱遥感器共完成4次有效的自动化定标试验,并将试验结果与Hyperion高光谱遥感器观测的表观辐亮度进行比对验证。结果表明:在420～1044nm光谱范围内,场地自动化定标得到的表观辐亮度与卫星观测的表观辐亮度的相对偏差小于5%,标准方差小于2.3%;场地自动化定标结果与高光谱星上观测结果具有较高的一致性和稳定性。所提方法可以应用于高光谱遥感器的高频次在轨辐射定标。     

近紫外到近红外光谱辐射计及定标方法研究

为实现目标光谱辐射亮度的高精度测量，研制了一种小视场近紫外到近红外光谱辐射计，光谱范围为300 nm~2 000 nm，光谱辐射亮度测量范围为50μW/cm2·nm·sr~1 000μW/cm2·nm·sr。阐述了近紫外到近红外光谱辐射计设计原理及关键部件，使用基于钨带灯的直接定标法实现了光谱辐射计光谱辐射亮度绝对定标，测量了标准积分球光源的光谱辐射亮度，测量值与积分球光源标准值偏差优于0.5%。     

氧气吸收通道的高光谱传感器在轨光谱定标

通过对760nm氧气吸收特征的分析,构建波段半高宽分别为15、10、5和2.5nm的高光谱传感器模型,提出了四种光谱匹配类型和六种光谱匹配算法.基于MODTRAN辐射传输模型模拟出包含光谱偏移信息的测量光谱与参考光谱,计算出不同匹配类型和匹配算法的在轨光谱定标精度.结果表明,采用测量表观辐亮度和参考表观辐亮度作为光谱匹配类型,以相关系数作为光谱匹配算法的光谱定标精度最高.     

太阳光谱辐射计的信号传递与性能表征模型研究

太阳光谱辐射计作为一种专用光谱辐射测量仪器,对于其宽谱段和大动态范围的测量特点,准确完整地表征分光性能是十分重要的。研究内容旨在为太阳光谱辐射计的研制与验证提供明确的理论依据和测试方法,给出清晰而准确的机理模型和指标模型对光谱仪器系统的设计和评估提供指导。因此,重点阐述了光谱仪器系统的信号传递模型到性能指标模型的推导和建立过程。线谱扩展函数这种串联卷积模型能够综合反映仪器的各个元件对系统的影响,而且很容易通过窄带线谱光源测试而得到,并且线谱扩展函数矩阵能够清晰完整地给出光谱仪器的分光性能细节特性。而在线谱扩展函数的基础上再进一步提取关键几何特征,通过简单的算法定义即可得到半高全宽(FWHM),带外抑制和带外辐射这三项示性函数指标,可以很好地对分光系统的性能进行定量表征,是十分有效的光谱仪器系统性能评估的指标模型。     

高光谱遥感器的光谱定标

高光谱遥感器光谱性能参数的准确定标是高光谱遥感器数据定量应用的基本前提。本文基于单色准直光标定法对高光谱遥感器进行了光谱性能参数定标,通过数据采集软件及数据处理软件对高光谱遥感器光谱性能参数定标数据进行了分析。分析结果显示:定标测试的重复性在1 h内小于0.2 nm,在20 h内小于0.35 nm。光谱定标结果表明:高光谱遥感器的平均光谱分辨率为4.94 nm,且各高光谱遥感器空间维光谱分辨率均小于5 nm,典型谱段的平均带宽均在6 nm左右。     

太阳光谱辐照度绝对测量及其定标单色仪

为满足高精度太阳光谱辐照度绝对测量的需求,研制了太阳光谱辐照度绝对测量系统及其定标单色仪。介绍了太阳光谱辐照度绝对测量的现状,并着重介绍了太阳定标单色仪和积分球太阳光谱仪的设计方案,以及高精度辐射定标传递链路。设计用于太阳光谱辐照度绝对测量的太阳定标单色仪和积分球太阳光谱仪,通过低温绝对辐射计和太阳定标单色仪实现绝对定标,使积分球太阳光谱仪测量数据可溯源至国际基本单位(SI)。结果表明:太阳定标单色仪的光谱范围覆盖300~2 400 nm,光谱分辨率为3~10 nm,输出单色太阳光功率的不确定度为0.2%~0.5%;积分球太阳光谱仪的光谱范围覆盖300~2 500 nm,光谱分辨率为1~8 nm,太阳光谱辐照度绝对测量精度最高可达0.5%。用低温绝对辐射计和太阳定标单色仪绝对定标积分球太阳光谱仪,可以实现高精度太阳光谱辐照度的绝对测量。     

大气/真空环境紫外臭氧垂直探测仪光谱辐照度定标研究

为进一步提高紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)在轨探测及数据反演精度,提出了SBUS地面定标的一系列改进方案,其中为实现地面定标与在轨工作环境一致的全波段真空辐射定标是改进的第一项。通过构建SBUS大气/真空光谱辐照度响应度比对测试装置,实测了两种环境下SBUS整机对同一光源的光谱辐照度响应。结果显示,在250～300nm波段,真空/大气相对偏差约0.8%;在300～400nm波段,真空/大气比对结果随波长变化,最大偏差略高于15%。而仪器250～400nm波段定标环境引入的单项不确定度,真空定标比以往大气定标减小了1.8%。理论分析及实验验证后发现SBUS反射元件Al+MgF2膜层在真空/大气下光谱反射率会发生变化,从而证实了SBUS在真空环境下定标的必要性。     

一种用于UV-A、UV-B波段地基观测的光谱辐射计

研制了一台可以在250 nm~400 nm波段测量绝对光谱辐亮度和绝对光谱辐照度的扫描式光谱辐射计,辐亮度辐照度相对定标准确度2％,可用于UV-A、UV-B紫外波段地基观测.通过在云南丽江地区(26°52＇N,100°13＇E)开展的大气散射光谱辐亮度和地面太阳直射紫外光谱辐照度观测试验,进一步检验了仪器的性能.观测数据与利用MODTRAN模式模拟计算值存在约8％的偏差,分析了产生偏差的相关因素.     

用于光谱基准定标传递技术的传递辐射计研究综述

传递辐射计是实现卫星遥感仪器在轨光谱辐射定标传递的核心设备,也是地面实验室高精度光谱定标系统的关键。介绍了不同机构研制的覆盖350～700, 700～2 500 nm谱段的多个传递辐射计的结构组成、工作原理及辐射定标基准传递方式,及其异同点的比对,再通过它们在不同谱段的定标过程中所应用的关键技术的分析,说明每种技术的优缺点和所能达到的精度,及其应用条件。文中通过对国际上标准计量机构采用的光谱辐亮度基准定标传递过程的介绍,突出了传递辐射计系统的重要作用,再结合其对光谱仪等遥感器定标光源的定标监测应用,说明了传递辐射计在航天辐射定标领域的不可或缺性。最后,通过国内设计的新型传递辐射计的介绍,对传递辐射计未来研究的发展方向和关键问题进行了展望,并对传递辐射计搭配低温辐射计组成的未来实现可溯源国际单位制在轨基准定标传递系统所存在的研究难点予以预测分析。     

紫外臭氧垂直探测仪高精度在轨光谱定标方法研究

为监测及修正紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)在发射以及在轨运行过程中的光谱位置的偏移,采用了一种全新的高精度在轨光谱定标方法。利用高分辨率参考光谱与仪器狭缝函数进行卷积,并将卷积结果与修正后的测量光谱进行匹配,建立了相关评价函数,计算参考光谱和测量光谱误差最小时的光谱偏移量。对于SBUS,利用此方法定标得出的光谱偏移量为0.10 nm。利用SBUS星上汞灯光谱验证了定标结果的最大误差为0.01 nm,满足仪器指标要求。实验结果证明了高精度在轨光谱定标方法的可行性及精度。     

超高分辨光谱仪的分辨率检测方法研究

光谱分辨率是光谱仪最重要的指标之一,依据瑞利判据、基于光外差的基本原理,提出了一种可实现光谱仪超高分辨率检测的方法,并对该方法的测量不确定度进行了详细分析。搭建了实验光路,对某型号光谱仪的分辨率进行了检测,实验结果表明该光谱仪的分辨率优于18.9 pm,测量标准不确定度为2.3 pm;采用波数表示时,该光谱仪的分辨率优于0.078 8 cm-1,测量标准不确定度为0.009 6 cm-1。     

宽谱高分辨平场凹面全息光栅光谱仪设计

为了获得宽谱、高分辨的平场凹面全息光栅,将全息凹面光栅理论、遗传算法、衍射级次空间共用和同时消像差思想融合在一起,提出设计宽谱、高分辨平场凹面全息光栅的方法,给出了实际设计步骤。通过Zemax软件光线追迹仿真具体实例,给出了200～800nm波段的点列图变化曲线[均方根(RMS)约为11μm],以10μm×1mm狭缝入射,其光照度光谱图显示光谱分辨率在200～400nm波段为0.25nm,在400～800nm波段为0.5nm。该方法可以用于设计小型化、实用化的宽谱和高分辨平场凹面全息光栅光谱仪光学系统。     

提高大气吸收光谱测量分辨率的新方法

在仪器函数和吸收线型已知的情况下 ,提出了一种非线性拟合退卷积法 ,用于提高气体吸收测量的光谱分辨率。数值模拟和实际应用都表明 :该方法用于室内气体吸收光谱的测量 ,在保持吸收线型不变的情况下 ,可以显著地提高测量的光谱分辨率 ,降低测量噪声。将该方法用于怀特池中模拟大气吸收光谱测量 ,减小了激光线宽对测量结果的影响 ,获得了比较理想的结果。     

Simultaneous Measurement of Wind and Aerosol Backscattering in the Troposphere by High Spectral Resolution Lidar with Iodine Filter

We propose a high spectral resolution lidar system which is capable of measuring aerosol backscattering and line-of-sight wind velocity in the troposphere. An iodine vapor filter is used to separate the aerosol and Rayleigh scattering components as well as to discriminate the Doppler shift frequency. The performance of the lidar system is estimated with reasonable parameters. The error of horizontal wind velocity below an altitude of 6 km is less than 0.5 m/s, and accuracy of the aerosol backscattering coefficient is better than 40% below 10 km. This system is particularly suitable for the study of aerosol transportation in the troposphere.