风云四号A星干涉式大气垂直探测仪在轨定标及性能评价

干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)是风云四号A星(FY-4A)的三大主载荷之一,其主要功能是实现大气温度和湿度参数的垂直结构观测.为了满足卫星数据定量化应用的要求,FY-4A星成功发射之后,围绕GIIRS开展了一系列的在轨定标和性能评价工作.评价结果表明:除部分通道受到有机挥发物的影响,85%的通道灵敏度优于设计指标;利用大气辐射传输模式,通过比较观测光谱与模拟光谱的均方根误差来确定激光有效采样频率,实现了GIIRS在轨光谱定标,精度达到10 ppm;利用星上面源黑体,考虑到非理想干涉图的相位影响,采用改进后的两点式外黑体定标法,实现了星上在轨辐射定标,长波和中波的平均亮温偏差均小于1 K,优于设计指标.     

傅里叶光谱仪高精度光谱定标研究

为了提高傅里叶光谱仪光谱定标精度,减小光谱定标误差,基于风云四号大气垂直探测仪实验室气体池光谱定标数据,进行傅里叶光谱仪高精度光谱定标算法研究。首先,分析了傅里叶光谱仪的分光原理,并在对参考激光波数漂移、光线离轴、以及有限视场引起光谱波数偏移的原理进行分析后,得出傅里叶光谱仪光谱定标公式及定标参数的计算方法;接着分析了快速傅里叶变换(FFT)的栅栏效应和干涉图截断产生的sinc函数造成的光谱定标误差较大的原因;然后通过对比几种不同的光谱细化方法,选择高效的快速Chirp Z-transform(CZT)进行光谱细化,解决FFT光谱分辨率较低导致光谱误差较大的问题;通过对气体池参考气体在HITRAN数据库中的理论谱线,用Gaussian线型展宽并卷积sinc函数处理后作为光谱定标参考谱线的方式,减小由sinc函数引起的谱线间串扰造成的光谱定标误差,从而提高光谱定标精度。最后,使用实验测得的数据对该光谱定标算法进行验证,对比使用CZT细化光谱前后定标误差,和参考谱线处理前后的定标误差,证明该算法可以有效提高光谱定标精度,最高可将光谱定标误差减小10倍以上。     

干涉图零光程差位置的确定方法

风云四号A星干涉式大气垂直探测仪在轨运行以来发现,受噪声、采样误差、条纹计数错误等影响,干涉图零光程点会发生定位偏差.干涉条纹平移引起的相位误差与波数成线性关系,对残余相位进行线性回归分析可以得到零光程差位置的偏移量.利用在轨实测数据,应用残余相位方法,分析了零光程点定位偏差校正前后对相位谱及辐射光谱的影响.该方法已经应用于风云四号A星干涉式大气垂直探测仪的在轨数据预处理中,并取得了很好的应用效果.     

红外傅里叶光谱仪在轨光谱定标算法研究

风云四号A星上搭载的干涉式大气垂直探测仪的核心是一台红外傅里叶光谱仪,为了提高探测仪观测资料的定量化应用水平,必须对其进行精确的在轨光谱定标。对于傅里叶光谱仪来说,光谱位置由干涉图的采样点数和参考激光频率共同决定,因此光谱定标的关键是确保参考激光频率的稳定性。本研究利用逐线积分辐射传输模式得到参考大气吸收谱线,通过比较探测仪观测光谱与参考光谱的均方根误差来确定激光的有效采样频率,从而实现探测仪的在轨高精度光谱定标。该方法已应用于风云四号A星上搭载的干涉式大气垂直探测仪的在轨光谱定标中,具有较高的应用价值。     

基于响应率修正的傅里叶变换光谱仪非线性校正算法研究

傅里叶变换高光谱仪器在定量化遥感领域展现出极大的优势,非线性校正是保证在轨辐射定标精度不可缺少的过程。针对搭载于风云四号静止轨道干涉式红外探测仪（FY-4/GIIRS）运行轨道受日晒分布不均匀、仪器环境温度日变化剧烈的特点,推导出一种基于仪器光谱响应率修正的非线性校正算法,通过测量一组标准参考辐射源光谱量化值和光谱响应率,拟合得到光谱响应率一次项修正系数。在仪器环境温度变化后,利用一次项修正系数、黑体观测光谱值和黑体观测光谱响应率重新计算光谱响应率常数项修正系数,就可以得到任意仪器环境温度下的仪器非线性校正系数。经仪器发射前地面热真空（TVAC）定标试验数据验证,该算法简单有效,在各试验环境温度工况下,对180～320 K观测范围内的辐射定标精度均有明显的提高。     

基于矢量量化与线性预测的干涉图分段无损压缩

经计算证明了风云四号气象卫星上的干涉仪所采集的三维数据立方体在时间维上更容易取得高无损压缩比,于是决定以时间维上的单帧干涉数据为单位进行无损压缩的探索.结合干涉数据在时间维上的相关性特点,提出一种新的无损压缩算法.该算法根据干涉数据的各段特点,分别进行矢量量化和线性预测以此来进行压缩,采用MATLAB对实际采集数据进行仿真试验后可得,新方法最终取得的无损压缩比比直接进行Huffman编码所得的压缩比提高了10％～20％.     

FY-4B GHI长波红外波段的发射前辐射表征和定标

静止轨道快速成像仪（GHI）是风云四号B星（FY-4B）的主要有效载荷之一。针对该仪器长波红外波段的大视场、高空间分辨率等特点,提出了相应的发射前辐射定标和表征方法。建立了一套定标系统装置,实现了长波红外波段的发射前辐射定标,定标不确定度优于0.67 K@300 K。测量并研究了长波红外波段的空间噪声特性。根据长波红外焦平面4个线阵的设计特点,提出了两种最佳成像探元选择方法,即基于信噪比最大化和响应信号固定图形噪声最小化的方法。测量并分析了这两种最佳成像探元组合线阵的温度探测灵敏度,均优于任务要求,平均水平达到了50～60 mK@300 K。评估了星上黑体参考标准的精度,星上黑体标称亮温比真实亮温偏低约0.42 K@300 K,该结果对黑体的在轨应用具有重要参考意义。     

傅里叶变换光谱仪探测器非线性的影响及其校正方法

针对傅里叶变换光谱仪探测器引起的非线性进行研究，阐述了非线性的产生、分析了非线性对光谱的影响以及介绍了两种校正二次项非线性的方法:卷积法和迭代法。并采用这两种方法对干涉图进行二次非线性校正，然后在卷积法与迭代法的基础上提出一种更适用于实际数据的新方法。最后采用这三种方法对模拟数据以及实际采集数据分别进行非线性校正，实验数据说明校正后非线性能得到抑制。并且通过对比发现，新的校正方法有较好的精度及更快的速度。     

红外傅里叶光谱仪光谱细化的高速并行实现

大气垂直探测仪在进行光谱定标或者光谱分析时,对局部光谱的光谱分辨率有较高的要求,这时需要对光谱进行细化处理.传统的光谱细化,多采用DTFT、DCT等方法,计算量非常大,即使采用优化的CZT算法,其计算量也是非常巨大的.随着市面上大量多核处理器的出现,使得利用多核处理器对CZT算法进行快速并行优化成为可能.本文介绍了一种基于多核并行实现CZT的算法并分析了算法运算量,在TMS320C6678多核DSP处理器上进行了验证.实验结果表明,该方法可以极大地缩短CZT的运行时间,同时可以通过调整参数控制对底层资源的使用,为实现大点数的频谱细化提供了一种全新的解决方案.