高光谱分辨率与高信噪比的光谱探测技术与光谱辐射定标方法的研究

高光谱分辨率与高信噪比的光谱探测技术与光谱辐射定标方法

的研究

近年来,由CO₂等温室气体排放导致的全球气候问题越来越严重,也越来越受到世界各国的关注。传统的方式利用地面气体监测站观测大气中温室气体含量,具有一些无法避免的缺点:只能获取空间维度很小区域的数据,无法获得大尺寸的气体分布情况,且温室气体观测站分布严重不平均,主要集中在欧美发达地区,全球绝大多数地区一片空白,无法获得全球尺度的温室气体排放与吸收情况。同时地面观测法无法得到痕量气体的垂直分布信息。随着卫星遥感技术的发展,它已经越来越多的应用到环境保护与监测的方面,并且已经成功用于反演大气气压、湿度和温度,测量大气中不同气体的浓度与分布。

相对于地面监测方法,卫星遥感技术在获取大尺度大气温室气体浓度与分布信息方面,具有迅速、价格低、可多次重复等特点。欧美等航天发达国家均开展了针对温室气体监测的星载红外高光谱技术的研究。我国目前已实施《中国应对气候变化国家方案》,提出发展自己的温室气体遥感监测仪器。大气痕量气体遥感探测是基于气体吸收光谱探测来实现的。

本文围绕高光谱分辨率与高信噪比的光谱探测技术展开研究。主要包括典型照度下信噪比的提高以及光谱辐射参数的实验室标定与在轨校正。具体研究内容如下:1).首先从CO₂探测仪的主要性能参数入手,介绍仪器光学系统和成像系统的详细设计,重点关注光谱分辨率、空间分辨率以及信噪比等指标,为后面的“像元复用合并”模型的建立以及光谱辐射定标建立理论基础。2).阐述仪器偏振态机理,建立耀斑观测模式下大气辐射传输模型,讨论分析仪器入射能量,给出海洋耀斑模式下入射能量弱的解决方案。

同时针对典型照度下,仪器两个CO₂通道信噪比不满足任务指标要求的情况,建立“光谱维像元复用合并”模型,在不减少光谱采样率的前提下,通过提高单个通道的入射能量从而提高信噪比。并定量分析由此带来的光谱展宽对气体吸收谱线的影响。3).针对CO₂探测仪的仪器特点,建立一套完整的实验室光谱辐射定标系统。光谱定标采用单色仪+气体吸收池法和可调谐激光器法测量每个光谱通道的仪器线形函数、中心波长以及带宽,两种方法相互比对验证,提高实验室光谱定标精度。

实验室辐射定标采用国家辐射度标准灯、标准白板等标准仪器,确定仪器输出量与输入辐射亮度之间的关系。4).针对CO₂探测仪在轨工作模式,建立一套在轨光谱辐射定标方法,用于校正仪器在轨由于环境变化、发射振动以及空间辐射等因素造成的性能偏差,并以0.76μm谱段通道为例,验证在轨光谱校正方法的有效性,满足优于△λ/10的光谱定标精度。本文深入研究了高光谱分辨率与高信噪比的光谱探测技术,解决CO₂探测仪研制过程中出

现的精细光谱探测以及信噪比提高等问题。为大气中二氧化碳浓度反演奠定科学理论基础,提供工程技术支撑。