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。     

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。     

星载石英漫反射板双向反射分布函数实验测量研究

石英漫反射板用于星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测量太阳参考谱的观测系统中,太阳光谱的测量精度将会直接影响痕量气体反演的精度,为保证载荷全视场太阳光谱的测量精度,石英漫反射板需具有良好的朗伯特性,在仪器观测视场内能够提供均匀的光源。为此,在实验室利用双向反射分布函数(BRDF)测量仪,选取F4(聚四氟乙烯)粉压制板作为标准板,采用相对测量法对研制的四种石英漫反射板样品进行了朗伯特性测量,得出了四种样品在波长180～880 nm、观测角度-70°～+70°范围内的BRDF。通过对样品BRDF的分析,筛选出了两种工艺下的朗伯特性较好的石英漫反射板作为初选样品,并测量比较了石英漫反射板和F4标准板对太阳光的漫反射光谱,石英漫反射板对太阳光的反射特性较好,可以作为测量用漫反射板获取太阳参考谱。为进一步的紫外辐照、原子氧侵蚀等试验以及对比试验提供了数据支持。     

紫外光谱辐射定标中的漫反射板反射特性研究

建立了紫外波段漫反射板双向反射分布函数的测量装置,研究了在特定接收条件下铝漫反射板双向反射分布函数(BRDF)随入射角的变化,并对测量误差作了相应的分析,漫反射板定标的相对精度小于2.5％。测量了铝漫反射板从250～650 nm的半球反射比。随着波长的增加,铝漫反射板的半球反射比略呈上升趋势,在紫外探测仪的探测波段300～360 nm之间变化约6%。监测了铝漫反射板的半球反射比随时间的长期变化。铝漫反射板在制备一年后,其半球反射比基本保持稳定,在紫外探测仪的探测波段300～360 nm范围内,其半球反射比平均下降约0.9％。     

星载痕量气体差分吸收光谱仪1级数据质量评价

星载痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)是我国第一台用于监测对流层和平流层痕量气体的高光谱分辨率成像光谱仪。为了充分了解载荷的特点,更好地利用1级数据进行痕量气体反演,本研究对EMI实测的辐照度和辐亮度数据进行了综合评价。研究表明EMI紫外2波段（UV2）和可见光1波段（VIS1）的狭缝函数都表现出明显的行依赖性,其随行波动的标准差是OMI和TROPOMI的6倍以上。对不同行采用不同的狭缝函数,可以提高辐照度光谱的定标精度,进而提高痕量气体反演精度。EMI辐照度和辐亮度数据都有波长漂移现象,平均漂移量分别为0.015和0.03 nm,有明显的行依赖性。目前的波长漂移量满足设计指标(0.05 nm)的要求,但在痕量气体反演过程中仍需进行波长精校准。EMI辐照度数据与OMI和TROPOMI同一天测量的辐照度以及参考太阳光谱高度一致(r>0.95),绝对偏差小于4.3%;通过对比在洁净太平洋地区无云像元的平均辐亮度数据发现,EMI与OMI和TROPOMI也有很好的一致性(r>0.93),平均偏差小于13.2%;说明EMI数据辐射定标精度较高。研究表明当前EMI载荷数据质量能够满足痕量气体反演的要求,可为后续国产载荷的研制和数据质量评估方案提供参考。     

铝漫反射板200～300 nm相对双向反射分布函数的实验研究

选择了合适的测量方式．建立了铝漫反射板的相对双向反射向反射分布函数的测量装置。通过实验研究铝漫反射板的相对双向反射分布函数在不同情况下的性质表明：不同表面粗糙度的铝漫反射板相对双向反射分布函数随入射角度的变化趋势有所不同;表面镀A1 MgF2膜反射率可增大约1．5到3倍;相对双向反射分布函数在200～280nm之间不随波长改变,波长大于280nm时,随波长略有增加,最大13％。根据实验数据绘出的二维等值线图反映了光辐射以不同角度入射、观测角度固定情况下的铝漫反射板的相对双向反射分布函数的变化,对实验数据拟合得到在该情况下的铝漫反射板的相对双向反射分布函数的较精确的数学表达式。     

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(EM I)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.EM I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...     

CO_2探测仪星上定标铝漫反射板的制备与试验

为了研制CO2探测仪定标漫反射板,采用物理研磨和化学腐蚀相结合的工艺方法制作了铝漫反射板试验样块,搭建了相对双向反射分布函数和半球反射率的测试装置。在0°和45°入射光的情况下,对可见近红外波段的测试结果表明：表面粗糙度影响铝漫反射板的朗伯特性,240#研磨砂制作的漫射板的朗伯特性最佳;化学腐蚀不仅能提高铝漫反射板的朗伯特性,也能提高铝漫反射板的半球反射率。当选取碱蚀温度为室温20℃、NaOH溶液浓度为52.6 g/L时,最佳腐蚀时间约为4 min;镀膜使铝漫反射板的半球反射率平均提高20%,但会使其朗伯特性稍变差;不同波长处铝漫反射板的相对双向反射分布函数略有不同,但变化趋势相同。实验确定了影响漫反射板漫反射特性的关键参数,并定量优化了这些工艺参数,为进一步研制CO2探测仪星上定标漫反射板提供了依据。     

星载痕量气体差分吸收光谱仪非均匀性校正研究

星载痕量气体差分吸收光谱仪是一种大视场天底观测方式的成像光谱仪,采用面阵CCD探测器。在成像光谱仪空间维的每列探测像元存在响应非均匀性,会在观测的遥感数据中引入仪器相关的高频光谱结构。星载痕量气体差分吸收光谱仪的像元响应非均匀性的校正需要考虑两个因素：光谱弯曲效应和大视场。基于此,提出来一种像元响应非均匀性校正方法。结果表明,光谱图像的光谱弯曲和像元响应的非均匀性得到了有效的校正,去除了光谱图像中的高频光谱结构。     

基于太阳漫射板的星上定标方法研究

基于太阳漫射板的星上定标方法是一种具有高精度、高频次、高效率等优点的独立定标方法,是目前提高我国遥感定标精度的重要手段之一。文章阐述了基于太阳漫射板的星上定标原理、方法及实现过程,建立了空间辐射标准,同时给出了星上反射率定标物理模型。分析定标物理模型发现,影响星上定标不确定度最主要的因素是太阳漫射板BRDF实时量值的确定。为此,首先介绍了星上定标时机的选择,根据所确定定标时机的太阳照明角度对太阳漫射板在实验室相应入射角度下的BRDF进行了测量。通过对太阳漫射板从制作完成到星上使用寿命终结整个过程中各阶段的BRDF量值的监测及修正,确保太阳漫射板定标时刻可为遥感器提供精确已知的辐射输入,实现遥感器全寿命期的高精度星上定标。最后,结合国内对定标模型中相关参数项测量的不确定度水平,按照测量不确定度B类评定的方法对基于太阳漫射板星上定标不确定度进行了预估,可实现星上反射率定标不确定度优于2.03%,绝对辐射定标方法不确定度优于2.04%。     

基于差分光学吸收光谱方法的OH自由基定标系统研究

介绍了一种基于差分光学吸收光谱(DOAS)方法的OH自由基定标系统, 该系统可产生一定浓度的OH自由基并同时进行精确测量. 系统采用紫外灯185 nm光线分解水汽产生OH自由基, 利用500 W氙灯准直光作为光源; 使用基长1.25 m、反射次数60次、总光程75.0 m的多次反射池来增加OH自由基的吸收光程; 以超高分辨率中阶梯光栅光谱仪(最高分辨率3.3 pm)作为光谱采集系统对光谱信号进行采集, 采用DOAS测量方法获得OH自由基的浓度. 通过改变腔内水汽的浓度, 系统准确测量了5×10⁸-1.8×10¹⁰ molecules/cm³浓度范围的OH自由基. 分析了OH自由基测量过程中受到的吸收截面偏差、气压等因素影响, 得到系统总测量误差小于7.3%. 在实验的浓度范围内, 系统可用于大气OH自由基气体扩张激光诱导荧光测量技术的定标.     

Pulsed differential optical absorption spectroscopy applied to air pollution measurement in urban troposphere

Differential optical absorption spectroscopy (DOAS) is useful for various types of trace gas measurements in the lower troposphere. In this paper, we report the DOAS measurement conducted in Chiba, Japan during 2009 and 2010. An optical path length of 5.5 km is employed to measure the average concentration of NO₂ using a xenon aviation obstruction light that flashes every 1.5 s. By virtue of the high stability of the light source intensity, the intensity measurement enables the retrieval of aerosol extinction coefficient averaged over the optical path. The results are compared with the concurrent results of ground sampling and sunphotometer measurements.     

车载多轴差分吸收光谱探测对流层NO2分布研究

对流层NO₂垂直柱浓度在水平分布上具有较大不均匀性, 研究对流层NO₂分布特征对于研究污染的形成具有重要作用. 本文在国内首次采用车载多轴差分吸收光谱技术探测对流层NO₂的水平分布, 着重研究了基于车载移动平台上的多轴差分吸收光谱技术反演对流层NO₂垂直柱浓度的方法. 采用低阶多项式拟合扣除夫琅禾费参考谱和平流层对对流层NO₂的贡献, 反演得到移动平台上对流层NO₂垂直柱浓度. 结合大气辐射传输模型, 通过设置不同气溶胶光学厚度及层高、NO₂层高、方位角等对反演误差进行分析, 得出对流层NO₂垂直柱浓度的总误差小于25%. 在合肥开展观测实验, 获取观测时间段内合肥市对流层NO₂垂直柱浓度的水平分布特征. 并将观测结果与OMI卫星过顶数据比对, 在洁净和车载观测点较多的像元内, 两者结果符合较好; 在污染区域, 两者结果有一定差别. 研究显示, 采用车载多轴差分吸收光谱技术能较好的探测区域对流层NO₂的分布特征, 这对模型验证、卫星校验及研究输送过程具有重要意义.     

夫琅禾费线对差分光学吸收光谱法测量大气污染气体影响的研究

使用差分光学吸收光谱仪进行大气环境测量，白天强烈的太阳散射光会叠加到测量光谱中，其中的夫琅禾费结构会对二氧化氮，甲醛，亚硝酸等的测量带来较大的影响.通过分析夫琅禾费结构，并且将其作为一种大气“成分”，数据反演时与其他大气成分一同拟合可以有效地影响降低其影响. 关键词： 太阳散射光 夫琅禾费结构 差分光学吸收光谱技术 大气污染     

Multiwavelength procedure for determining the concentration of near-ground ozone by an optical open-path measurement system

We present a theoretical basis and develop a convenient mathematical formalism for carrying out a multiwavelength procedure for measuring the concentration of near-ground ozone by the differential optical absorption spectroscopy (DOAS) open-path method. We have analyzed the effect on the measurement results from the difference between the spectra of the probing radiation traveling on the measurement path and the reference path. __________ Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 75, No. 2, pp. 256–261, March–April, 2008.     

双能级系统中的光场驱动吸收特性和粒子布居调控

摘要：原子系统中的相干效应一直是当前科学研究的热点。本文在典型的双能级系统中引入光场激发能级之间粒子的相干跃迁,通过讨论光场开启后直到系统达到稳定的量子相干过程,分析系统从瞬态到达稳态的吸收特性和粒子布居特性,并进一步讨论通过改变光场强度对其特性进行的调控。     

双能级系统中的光场驱动吸收特性和粒子布居调控

摘要：原子系统中的相干效应一直是当前科学研究的热点。本文在典型的双能级系统中引入光场激发能级之间粒子的相干跃迁,通过讨论光场开启后直到系统达到稳定的量子相干过程,分析系统从瞬态到达稳态的吸收特性和粒子布居特性,并进一步讨论通过改变光场强度对其特性进行的调控。     

双能级系统中的光场驱动吸收特性和粒子布居调控

摘要：原子系统中的相干效应一直是当前科学研究的热点。本文在典型的双能级系统中引入光场激发能级之间粒子的相干跃迁,通过讨论光场开启后直到系统达到稳定的量子相干过程,分析系统从瞬态到达稳态的吸收特性和粒子布居特性,并进一步讨论通过改变光场强度对其特性进行的调控。