Absorption lookup tables in the radiative transfer model ARTS

We describe the lookup table approach that is used to store pre-calculated absorption data in the radiative transfer model ARTS. The table stores absorption cross sections as a function of frequency, pressure, temperature, and the water vapor volume mixing ratio, where the last dimension is only included for those gas species that require it. The table is used together with an extraction strategy, which uses polynomial interpolation, with recommended interpolation orders between five and seven. We also derived recommended default settings for grid spacings and interpolation orders, and verified that the approach gives very accurate results with these default settings. The tested instrument setups were for AMSU-B, HIRS, and Odin, three well-known satellite remote sensing instruments covering a wide range of frequencies and viewing geometries. Errors introduced by the lookup table were found to be always below a few millikelvin, in terms of the simulated brightness temperature.     

平均分布差异最小化的NIR标定迁移方法研究

凭借高效、无损和环保的优点,近红外光谱在多个领域广泛用作物质快速分析方法的同时,仍面临着光谱标定模型生命周期短,构建仪器标定迁移方法的标准样品难以获得和保存等问题。在化学计量学文献中,迁移方法通常能够矫正主从仪器之间的光谱差异,但绝大多数方法都需要在两台仪器相同条件下测量一组迁移标准样品。虽然样品数目不必过多,但总体上表明,必须对其进行很好的选择才能保证成功迁移。对于在主从仪器中选择代表性的样本子集,现有Kennard-Stone算法作为样本选择的主要算法。在标准样本的确定问题中,假设主仪器已找到标准样本,选择的样本集需要在从仪器中进行测量,仅当迁移样本足够稳定时才有可能,但现有近红外光谱技术无法保证这一点。如果假设使用从仪器的样本作为标准样本,考虑到新工业应用中光谱光源的变更,主仪器被从仪器代替,因此不再可用。基于目前存在的这些问题,提出了一种平均分布差异最小化的NIR标定迁移方法（MCT）, 此方法可以在不考虑从仪器标准样本（即标准样本自由）的情况下,针对近红外光谱数据的多重共线性,首先假设存在一个主从仪器光谱的共同偏最小二乘子空间,并将主从仪器光谱数据分别投影到该公共子空间;然后,引入平均分布差异最小化算法,即分别给出主从光谱数据在子空间的平均分布中心表示函数,在最小化两个光谱平均分布（中心点）的差异的同时,最大化投影后主仪器光谱的协方差,推导求解出最佳子空间;最后,将主光谱样本和从光谱预测样本分别投影到该偏最小二乘子空间中,利用主光谱数据得到回归模型,该模型可用于预测从光谱浓度。通过对玉米数据集和小麦数据集的测试研究,证明的预测效果与SBC,PDS,CCACT,TCR和MSC相比有所改善,该方法可以实现更低的预测误差。     

EQUINOX55型遥感傅里叶变换红外光谱系统的校正

利用遥感傅 里叶变换红外发射光谱，对红外辐射源的绝对光谱能量分布和热气体浓度进行测量时，首先必须对测得的红外辐射源的发射光谱强度进行校正，为此，需用已知温度的标准绝对黑体对系统进行校正，本文考察了黑体温度对EQUINOX55型遥感傅里叶变换红外光谱的响应函数的影响。结果表明，仪器响应函数随着温度的升高而增加，但当温度比较高时，仪器响应函数曲线变化趋小。     

基于正交信号回归法对中试在线近红外定量模型的模型传递研究

模型传递使在特定条件下建立的模型能够应用于新的样品状态、环境条件或仪器状态。本研究在中药金银花中试在线水提过程中,以水提液中的绿原酸含量为研究对象,建立绿原酸含量的近红外定量模型。针对由金银花来源不同带来的模型失效问题,从光谱背景校正的角度出发,提出以KS算法挑选待传递样本中的代表性样本,结合正交信号回归(OSR)光谱背景校正方法,对不同来源样本的近红外光谱进行光谱背景校正,并深入探讨OSR方法实现近红外定量模型在不同来源中试样本间传递的应用原理。经模型传递后,模型对新批次样本预测的RSEP由14.91%下降到7.11%,RPD由2.95上升到5.36,预测准确度明显提高。实验证明,选择代表性样本的KS算法结合OSR光谱背景校正的模型传递方法不仅能减小不同来源原料药之间的偶然误差,同时消除了中试制剂过程和算法本身的系统误差,因此能够有效地改善因样本来源差异而造成的模型失效现象。该研究充分阐释了OSR模型传递方法的应用原理,以光谱背景校正与挑选代表性样本回归的方法实现了近红外定量模型在不同来源原料药中试样本之间的模型传递,增强了模型应对原料药批次间变动的能力,提高了模型的稳健性,为多来源原料药中试在线制剂过程中有效成分含量的快速实时监测提供了有效方法。     

REFIR/BB initial observations in the water vapour rotational band: Results from a field campaign

There is a growing interest in the far infrared spectral region 17-50 μm as a remote sensing tool in atmospheric sciences, since this portion of the spectrum contains the characteristic molecular rotational band for water vapour. Much of the Earth energy lost to space is radiated through this spectral region. The Radiation Explorer in the Far InfraRed Breadboard (REFIR/BB) spectrometer was born because of the quest to make observations in the far infrared. REFIR/BB is a Fourier Transform Spectrometer with a sampling resolution of 0.5 cm⁻¹ and it was tested for the first time in the field to check its reliability and radiometric performance. The field campaign was held at Toppo di Castelgrande (40° 49′ N, 15° 27′ E, 1258 m a. s. l.), a mountain site in South Italy. The spectral and radiometric performance of the instrument and initial observations are shown in this paper. Comparisons to both (1) BOMEM MR100 Fourier Transform spectrometer observations and (2) line-by-line radiative transfer calculations for selected clear sky are presented and discussed. These comparisons (1) show a very nice agreement between radiance measured by REFIR/BB and by BOMEM MR100 and (2) demonstrate that REFIR/BB accurately observes the very fine spectral structure in the water vapour rotational band.     

基于低空成像信息的热红外成像仿真研究

提出了一种由低空飞行获取的以红外图像为数据源的中远红外仿真方法。首先通过大气辐射传输模型计算出测量条件下的程辐射和大气透过率,反演出地面温度,然后再由大气传输模型计算出仿真条件下的程辐射和大气透过率,并仿真卫星高度下的红外图像。以飞艇为平台,并搭载中远红外成像系统进行飞行,对获取的数据进行仿真模拟。试验结果表明,这种利用大气辐射传输模型和基于低空成像信息的遥感图像仿真方法可以用于模拟相同地区相同波段范围的卫星图像。     

Adjoint problem of radiative transfer for a pseudo-spherical atmosphere and general viewing geometries

We formulate the adjoint radiative transfer for a pseudo-spherical atmosphere and various retrieval scenarios. The single scattering radiance is computed in a spherical atmosphere by using the source integration technique, while for the multiple scattering radiance we formulate an one-dimensional adjoint radiative transfer equation in a plane-parallel atmosphere. The adjoint solution of the radiative transfer equation is obtained by employing the discrete ordinate method with matrix exponential. We provide an abbreviated derivation of our formalism as well as a discussion of the numerical implementation of the theory.     

双通道红外光谱辐射计的研制及标定

研制了一台双通道(1.40±0.02μm,4.50±0.03μm)光谱辐射亮度计(以下简称辐射计),并进行了光谱辐亮度定标[1]。该辐射计主要由前置光学系统、精密机械调制器、双路单元红外探测器、锁相放大器、A/D转换器和单片机等组成。在短波红外波段,由InGaAs探测器和积分球光源传递国家光谱辐照度标准灯的标准[15],对辐射计进行标定[7];在中波红外波段,用大面积标准黑体辐射源和腔型黑体辐射源,标定辐射计的光谱辐亮度。由数据统计分析,得出辐射计的光谱辐亮度响应度的不确定度[12,14]。     

基于ARTS的傅里叶红外高光谱计算模型研究及其影响因素分析

在基于红外高光谱辐射数据进行大气遥感方面的研究中,准确模拟红外高光谱数据是很重要的一步。分析了红外高光谱辐射仪的测量原理,建立了基于Atmospheric Radiation Transfer Simulator(ARTS）的考虑仪器干涉图截断与离散化处理过程的正向模型。在该正向模型中,首先采用高光谱辐射传输模式ARTS模拟得到离散化理想光谱,通过逆傅里叶变换将理想光谱转化为干涉图,对干涉图加窗截断处理,模拟仪器响应函数对干涉图的影响,最后采用傅里叶变换得到仪器测量光谱。在这一过程中,窗口函数的选择取决于仪器的干涉图截断方式。未经过切趾处理的仪器,其对应的窗口函数为矩形窗口;经过切趾函数处理,可以减少干涉图截断造成的能量泄露现象。逆傅里叶变换与傅里叶变换过程中必须满足Nyquist采样定律。基于已建立的正向模型,模拟了Atmospheric Emitted Radiance Interferometer (AERI)在Southern Great Plains (SGP)站点的108组晴空辐射数据,并与AERI的实测结果进行比较分析,结果发现理想光谱与AERI实测光谱在吸收线上差异较大,最大残差达到35 mW·sr-1·m-2·(cm-1)-1（简称RU）以上,增加干涉图截断过程后,模拟光谱与实测光谱的最大残差减小到10 RU以内。截断过程的增加对模拟光谱的精度有明显提高,尤其在吸收线上,模拟光谱明显被平滑,模拟精度显著提高。进一步分析六种常用窗口函数截断处理的结果与AERI实测数据的残差,结果发现,模拟过程中选择窗口函数为矩形窗口时,模拟光谱与AERI实测数据残差最小,基本可以约束在5 RU以内,确定了AERI的干涉图截断方式可以近似看作矩形截断。另外,在理想光谱转换为干涉图的过程中,理想光谱分辨率的选择决定了干涉图信息的采样率以及ARTS的计算效率,因此综合考虑模型计算精度和模型计算效率,确定最佳的理想光谱分辨率对于提高模型计算效能是非常必要的;基于此,本文模拟了不同理想光谱分辨率下的仪器测量光谱,对比分析了模拟光谱与AERI实测光谱的残差分布,并讨论了光谱分辨率对模型计算耗时的影响。结果表明,对于AERI,在对应的正向模型中设置理想光谱分辨率为0.241 1 cm-1时,可在保证模型准确度的前提下,最大化模型计算效率。     

A vector radiative transfer model of coupled ocean-atmosphere system using matrix-operator method for rough sea-surface

A vector radiative transfer model termed PCOART has been developed for the coupled ocean-atmosphere system, using the matrix-operator (or adding-doubling) method, which considers the rough sea-surface. The theoretical formulations of the solution of the vector radiative transfer equation of the coupled ocean-atmosphere system, and the reflection-transmission matrices and internal radiation sources for rough sea surface are described. The model intercomparison is performed for several radiative transfer problems in the atmosphere and ocean, and the results show that PCOART can exactly predict the radiance fields for both flat and rough sea surface. Also, the polarizing remote sensing data from POLDER is used to test the capacity of PCOART to simulate the polarization radiance at the top-of-atmosphere, which shows that PCOART can perfectly reproduce the linear polarization reflectance measured by POLDER. PCOART can not only simulate the total radiance field in the coupled ocean-atmosphere system with wind-induced rough sea surface but also predict the polarization radiance field both in the atmosphere and in the ocean, which can serve as a good tool for the ocean optics and ocean color remote sensing communities.     

Design of broadband beamformers based on an expected response interpolation technique

A method for designing broadband beamformers based on an expected response interpolation technique was proposed, with the aim of reducing the heavy optimization burden in the broadband beamformer design problem. In the method, some typical frequencies in the designing frequency band are selected and the optimal array weights are designed on these typical frequencies, based on which a broadband expected response function is constructed. Then, FIR filters are designed to realize the broadband beamforming over the whole designing frequency band, via the interpolation technique which is utilized to the expected responses of the FIR filters. Broadband beamforming can be fulfilled by applying these filters to each of the sensors in the array. By using the proposed method, designers need not to divide the whole designing frequency band into narrow subbands so as to make the narrow band assumption valid, which not only reduces the heavy designing burden, but also releases the requirement for measurements at fine frequency grids in the robust beamformer design. Results of both computer simulations and watertank experiments verify the effectiveness of the proposed method.     

锚链式水下多光谱辐射计的设计

研发了一种向下光谱辐照度和向上光谱辐亮度的锚链式水下多光谱辐射计,主要用于深层海水的测量。解决了水下光学窗口的污染问题。采用高灵敏度光电探测器与高精度ADC相结合的方法探测了深层海水的微弱光信号。电池的使用采用了时钟控制和间断供电方式。通过电感式Modem实现了数据的实时传输。     

基于多层感知器网络的FTIR高光谱数据温度和发射率光谱同步反演

文章以土壤为例,首先指出了典型的温度反射率分离算法由高光谱FTIR数据反演温度和发射率的局限; 当地物出射能量的真值和地物真实温度对应的黑体辐射在数值上的差别与仪器的噪声等效光谱辐射亮度在相同的数量级上时,产生奇异发射率的概率很大, 野外测量时这种现象在714和1 250 cm-1附近经常发生。针对这个局限,构建了一个三层的感知器(MLP)网络,利用ASTER光谱库中的土壤发射率光谱生成训练样本,MODIS光谱库中的土壤发射率光谱生成测试样本,对网络进行训练和测试,取得了比较好的结果。同时利用光谱平滑迭代算法(ISSTES)由测试样本反演土壤的温度和发射率,并与MLP方法的结果进行比较,MLP方法反演的土壤发射率精度在可接受的范围之内,略低于ISSTES算法,MLP方法的优点在于,它能够克服典型的温度发射率算法的局限,可以作为典型的温度发射率分离算法有益的补充。     

归一化差异植被指数仪的研制与应用

介绍了一种测量归一化差异植被指数(NDVI)的方法及仪器,利用日光作光源,通过四个具有特殊光谱响应特性的光电探测器,在植被近红外反射率平台和红光叶绿素吸收谷两个特征波段,分别对入射光和植被的反射光进行探测,经模拟—数字转换后,求出NDVI值。通过与ASDFieldSpec型便携式光谱仪测得的NDVI数据进行对比、标定,表明NDVI仪测定数据十分可靠。利用NDVI仪的数据,成功反演了小麦植株的叶面积、叶绿素密度,展示了NDVI仪在作物长势、营养诊断方面的应用前景。     

被动式遥感FTIR测量时的仪器响应函数校正

在应用红外发射光谱来获得某些红外源的绝对光谱能量数据,如辐射源光谱辐射通量密度、辐射源光谱辐射强度、辐射源光谱辐射亮度及光谱辐射照度等时,需要得知不同条件下的仪器响应函数。文章对被动式遥感FTIR测量时的仪器响应函数进行了校正,实验结果表明：在不同的实验条件下,仪器响应函数的变化规律是不同的,它不仅和校正时所采用的绝对黑体温度有关,而且和校正中仪器接收到的信号大小有直接关系。因此,在被动式测量时,要密切注意发射源温度以及发射源发射信号大小,以便获得最佳仪器响应函数校正结果。     

大气下行长波辐射快速实验测量方法研究

采用辐射传输模式模拟了特殊角度随气溶胶光学厚度及大气温湿度的变化情况,结果显示晴空下该角度不受气溶胶影响,受大气温度影响小,但受大气水汽含量影响显著,因此晴空下热红外光谱仪测量下行辐射时特殊天顶角可只根据大气水汽含量确定。西部荒漠地区下行辐射测量实验结果表明,据大气水汽含量确定的特殊角度值与实验结果一致,且该角度处辐射作为积分辐射符合精度要求。特殊角度值可用研究区大气水汽含量确定,该快速测量法可广泛用于野外实验,方便快捷测量准确瞬时下行辐射。     

基于青海湖辐射校正场的FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外波段在轨辐射定标

2018年8月在青海湖辐射校正场开展了针对FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外通道的在轨绝对辐射定标试验.采用走航式测量的方式获取了青海湖水表光谱辐亮度数据,结合探空数据,并基于辐射传输模型计算出卫星过境时刻的入瞳辐亮度和亮温,实现了对FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外通道24(10.26~11.26μm)和通道25(11.50~12.50μm)的在轨辐射定标.利用国际公认精度的AQUA/MODIS和NPP/VⅡRS卫星遥感器对在轨辐射定标方法进行精度评估,在10.26~11.26μm和11.50~12.50μm波段范围,通道亮温的平均偏差分别小于0.5K和1.0K,表明基于青海湖辐射定标场的在轨辐射定标方法具有较好的定标精度,获得的定标结果合理可靠.将利用青海湖进行的在轨定标结果与星上定标结果进行比较,在10.26~11.26μm和11.50~12.50μm波段范围,通道亮温的平均偏差分别小于0.5K和1.25K,表明FY3D/MERSI-Ⅱ在轨运行稳定.本次试验检验了FY3D/MERSI-Ⅱ星上定标结果,也为FY3D/MERSI-Ⅱ遥感数据的定量化应用提供了保障.     

板结构的声辐射模态分析及其高分辨率法向振动速度重建

提出了一种基于声辐射模态的速度基向量构建方法,该速度基向量不受网格划分的影响,可用于高分辨率的板结构法向振动速度重建。首先对板表面稀疏网格的声辐射模态进行计算,再以声辐射模态和模态系数构建板法向振动速度分布的基向量,然后由声场测量声压求解基向量系数,最后由该系数和加密网格的速度基向量重建高分辨率的板法向振动速度分布。以简支板声源进行仿真计算,当测量声压信噪比为30 dB时,低频的法向振动速度重建误差最低可达3.7%;以固支板声源在消声室中进行实验验证,131.5 Hz振动频率下的重建误差低于7%。该方法实现了只需要少量声压测量点即可精确重建板声源更高分辨率的法向振动速度分布。      

联合特征子空间分布对齐的标定迁移方法

近红外光谱分析技术近年来在各种领域的定性、定量分析等方面得到广泛的应用。多元标定技术则是光谱分析领域中最先进的技术,而环境条件、测量仪器或测量物质自身的变化,都可能导致多元标定模型不再适用于新样本的预测。重新标定和重新建模必然会浪费大量时间和资源。一种解决方案是标定迁移,将源域已有的标定模型扩展到目标域中,避免重复建模的代价。在化学计量学的相关文献中,绝大多数迁移方法都需要在两台仪器相同条件下都测量一组迁移标准样品,但在近红外光谱测量技术中,由于标准样品具有挥发等特性,使得构建仪器标定迁移方法的标准样品难以获得和保存。针对这些问题,提出了一种联合特征子空间分布对齐（JSDA）的标定迁移方法,此方法可以在从仪器没有标准样本的情况下建立标定迁移模型。JSDA首先建立源域和目标域数据特征的联合主成分分析（PCA）子空间;然后通过对齐映射在联合特征子空间中的源域特征分布和目标域特征分布来校正标定模型;最后,应用最小二乘模型构建校正后源域上的标定模型,该模型可直接用于目标域的标定。实验结果表明与已有成熟的标定迁移方法相比,JSDA在公开的真实数据集上的预测性能比较有优势,验证了该模型在实际应用中的有效性和优越性。     

蛋白饲料原料粗蛋白含量近红外光谱模型转移研究

建立良好的蛋白饲料近红外光谱定量分析模型及实现在不同仪器间的模型共享,能极大提高模型的利用效率,满足饲料行业快速发展的需要。针对蛋白饲料原料粗蛋白含量近红外分析模型适用性问题,首次采用光谱差值转移、直接校正和分段直接校正法进行了三台不同类型的近红外光谱仪之间的模型转移研究。实验样品为四种蛋白饲料原料：玉米蛋白粉、菜粕、酒糟和鱼粉。实验仪器包括MATRIX-Ⅰ傅里叶变换型近红外光谱仪(主仪器),Spectrum 400傅里叶变换型近红外光谱仪(从仪器1)和SupNIR-2750光栅扫描型近红外光谱仪(从仪器2)。研究表明,同一样品体系在主仪器和从仪器2上所得光谱数据的差异性相对较小,且均与从仪器1所得光谱数据的差异性相对较大。除分段直接校正法对玉米蛋白粉从仪器2的预测结果无促进作用之外,其他模型的预测均方根误差和系统偏差均明显低于转移前。玉米蛋白粉、菜粕和酒糟样品采用三种方法转移后的模型预测相对分析误差(RPD)均大于3.0,预测效果良好。鱼粉样品模型转移后的预测RPD均大于2.5,预测效果较好。三种方法对于蛋白饲料原料不同仪器间的光谱差异进行了有效校正。该研究结果对于蛋白饲料品质近红外快速分析模型的广泛应用具有重要意义。