CN111398179B - 针对gf-aius掩星探测基于查找表的切高校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及针对GF‑AIUS掩星探测基于查找表的切高校正方法，包括以下步骤：获取初始数据，对初始数据进行处理得到一级数据，在GF5‑AIUS的探测光谱范围内，分析大气成份中的多种痕量气体的敏感性特征；通过敏感性及光谱特征的分析，在光谱范围基础上，选取包含N2与O3吸收的两个连续的光谱范围，利用正向模型ARTS，模拟两个连续光谱范围上的不同切高上的光谱透过率数据；通过计算不同切高上N2波段与O3波段实际的光谱透过率与模拟光谱透过率的最小方差，确定查找表校正的最小半径范围；在选取的两个N2波段与O3波段连续的探测光谱范围内，分析不同切高上的光谱特征，利用查找表切高校正方法对一级数据中的低层切高与高层切高分别进行校正，合并得到校正后的切高。
Description
技术领域
本发明涉及切高校正领域，尤其是一种针对高分五号大气环境红外甚高分辨率GF5-AIUS的切高校正方法。
背景技术
在卫星掩星观测模式中切高的准确性起着至关重要的作用。切高(TangentHeight)指的是观测点与大气层的切点到地球表面的垂直距离。在反演大气中气体成分的过程中，切高的高度影响着大气成分反演的精确程度。由于红外GF5-AIUS一级切高序列是根据卫星星历表与星地与太阳的相对位置确定，并不准确，因此在后续反演之前需要对其进行校正。目前国外的红外掩星传感器如ACE-FTS等进行切高的方法需要如CO2先验知识等信息，而且反演速率较慢。一级产品切高的误差来源主要有仪器系统误差，大气折射影响和随机误差三部分。针对GF5-AIUS的仪器特征与观测光谱数据及N2在大气低层含量稳定且其吸收通道受其它大气成分的扰动较小与O3在高层含量相对较大且吸收线变化较明显的特点，针对切高校正建立了一种新的基于查找表的快速切高校正方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的一级切高不准确的不足，提供了提供一种更简便、快速、准确的基于GF5-AIUS掩星传感器特征的切高校正方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种针对GF-AIUS掩星探测基于查找表的校正切高值的方法，该方法包括以下步骤：
通过红外掩星传感器获取初始数据，对所述初始数据进行处理得到一级数据，所述一级数据包括多个一级切高和透过率数据；
在GF5-AIUS的探测光谱范围内，分析大气成份中的多种痕量气体的敏感性特征；通过所述敏感性及光谱特征的分析，在所述光谱范围基础上，选取包含N2与O3吸收的两个连续的光谱范围，根据辐射传输方程，利用正向模型ARTS，模拟两个连续光谱范围上的不同切高上的光谱透过率数据；
通过计算不同切高上N2波段与O3波段实际的光谱透过率与模拟光谱透过率的最小均方根，确定查找表校正的最小半径范围；
在选取的两个N2波段与O3波段连续的探测光谱范围内，分析不同切高上的光谱特征，利用查找表切高校正方法对所述一级数据中的低层切高与高层切高分别进行校正，合并得到校正后的切高。
本发明提供的快速切高校正方法更简便、快速、准确的基于GF5-AIUS掩星传感器特征的切高校正。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于GF5-AIUS校正切高值的方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的GF5-AIUS在两个光谱上的透过率示意图；
图3为本发明实施例提供的GF5-AIUS切高校正结果与模拟透过率相关性示意图；
图4为本发明实施例提供的GF5-AIUS切高校正结果精度示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本申请实施例提供的一种基于红外掩星传感器校正切高值的方法示意图，如图1所示，包括步骤S101-步骤S104。
步骤S101，通过红外掩星传感器获取初始数据，对所述初始数据进行处理得到一级数据，所述一级数据包括多个一级切高和透过率数据。如公式1所示，为探测光谱转换成透过率的公式。
其中，τ(h,λ)指的是在切高h，波长λ处的透过率；D是在切高h，波长λ处的观测光谱；B是传感器指向深空时观测光谱；S是传感器在外太空的观测光谱。
步骤S102，在GF5-AIUS的探测光谱范围内，分析大气成份中的多种痕量气体的敏感性特征；通过所述敏感性及光谱特征的分析，在所述光谱范围基础上，选取包含N2与O3吸收的两个连续的光谱范围，根据辐射传输方程，如公式(2)-(6)所示，利用正向模型ARTS，模拟两个连续光谱范围上的不同切高上的光谱透过率数据，如图2所示，分别为包含N2吸收波段与包含O3吸收波段的两个连续的不同切高上的光谱透过率。
式子中，l既表示辐射方向及沿该方向的几何位置，ρ为吸收体密度，Iv(l)波数为v的辐射强度，kv为质量吸收系数，εv(l)辐射系数。
若大气时水平均匀的，且温度一定，即大气处于热力学平衡状态，根据基尔霍夫定律：kv只是波数、压力和绝对温度T的函数，即有：
其中，Bv(T)为黑体辐射强度，由普朗克公式得：
式中，h为普朗克常数，值为6.626×10-34焦.秒，k是玻尔兹曼常数，1.3806×10-23焦/开，c为真空中光速，值为2.998×10-8米/秒。
在掩星观测模式下，大气辐射传输方程为：
透过率计算方程为：
方程中左侧代表透过率，是波数为v时，大气吸收光谱I(v)与大气外层光谱I0(v)的比值。右侧S代表线强，f代表线型函数，χi代表体积混合比，Ui代表在大气层i对应的传输路径li上大气分子的柱总量，其值取决于大气层的温度、压强与光学路径的长度。
步骤S103，确定查找表校正的最小半径范围，即一级切高校正时的波动范围。通过计算不同切高上N2波段与O3波段实际的光谱透过率与模拟光谱透过率的最小均方根，最小均方根计算公式如公式(7)所示，其中Ti′表示模拟透过率，Ti表示实际透过率。
步骤S104，在选取的两个N2波段与O3波段连续的探测光谱范围内，分析不同切高上的光谱特征，利用查找表切高校正方法对所述一级数据中的低层切高与高层切高分别进行校正，合并得到校正后的切高，校正后的切高上的透过率与原始透过率对比如图3所示。
具体地，通过对所述多个一级切高采用光谱差最小方差法，将一级切高分成上下两层切高，所述上层切高为高层切高，下层切高为低层切高。低层切高的理论范围为观测切高序列中的第16-22个切高，此范围内切高利用N2所在的吸收通道范围进行切高校正；高层切高为观测切高序列中的第23-36个切高，此范围内的切高利用O3所在的吸收通道进行切高校正。
利用查找表切高校正方法的步骤包括：通过计算不同切高上实际的光谱透过率与模拟光谱透过率的最小方差，确定查找表校正的最小半径范围，即一级切高校正时的波动范围；针对低层切高，利用N2吸收线所在的光谱范围，在最小半径范围内，计算此光谱范围内的光谱透过率与模拟的光谱透过率的最小方差，获取校正后的低层的最佳切高值。针对高层切高，利用O3吸收线所在的光谱范围，在最小半径范围内，计算此光谱范围内的光谱透过率与模拟的光谱透过率的最小方差，获取校正后的高层的最佳切高值。合并校正后的低层切高序列与高层切高序列，得到校正后的全序列。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.针对GF-AIUS掩星探测基于查找表的切高校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过红外掩星传感器获取初始数据，对所述初始数据进行处理得到一级数据，所述一级数据包括多个一级切高和透过率数据；
在GF5-AIUS的探测光谱范围内，分析大气成份中的多种痕量气体的敏感性特征；通过所述敏感性及光谱特征的分析，在所述光谱范围基础上，选取包含N2与O3吸收的两个连续的光谱范围，根据辐射传输方程，利用正向模型ARTS，模拟两个连续光谱范围上的不同切高上的光谱透过率数据；
通过计算不同切高上N2波段与O3波段实际的光谱透过率与模拟光谱透过率的最小均方根，确定查找表校正的最小半径范围；
在选取的两个N2波段与O3波段连续的探测光谱范围内，分析不同切高上的光谱特征，利用查找表切高校正方法对所述一级数据中的低层切高与高层切高分别进行校正，合并得到校正后的切高；
所述利用查找表切高校正方法步骤包括：
通过计算不同切高上实际的光谱透过率与模拟光谱透过率的最小方差，确定查找表校正的最小半径范围，即一级切高校正时的波动范围；
针对低层切高，利用N2吸收线所在的光谱范围，在最小半径范围内，计算此光谱范围内的光谱透过率与模拟的光谱透过率的最小方差，获取校正后的低层的最佳切高值；
针对高层切高，利用O3吸收线所在的光谱范围，在最小半径范围内，计算此光谱范围内的光谱透过率与模拟的光谱透过率的最小方差，获取校正后的高层的最佳切高值；
合并校正后的低层切高序列与高层切高序列，得到校正后的全序列。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过利用最小方差的办法，确定切高序列进行校正的最小半径范围。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，低层切高的理论范围为观测切高序列中的第16-22个切高，此范围内切高利用N2所在的吸收通道范围进行切高校正；高层切高为观测切高序列中的第23-36个切高，此范围内的切高利用O3所在的吸收通道进行切高校正。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，探测光谱转换成透过率的公式为：
其中，τ(h,λ)指的是在切高h，波长λ处的透过率；D是在切高h，波长λ处的观测光谱；B是传感器指向深空时观测光谱；S是传感器在外太空的观测光谱。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辐射传输方程，如公式(2)-(6)：
式子中，l既表示辐射方向及沿该方向的几何位置，ρ为吸收体密度，Iv(l)波数为v的辐射强度，kv为质量吸收系数，εv(l)辐射系数；
若大气时水平均匀的，且温度一定，即大气处于热力学平衡状态，根据基尔霍夫定律：kv只是波数、压力和绝对温度T的函数，即有：
εv＝kvBv(T) (公式3)
其中，Bv(T)为黑体辐射强度，由普朗克公式得：
式中，h为普朗克常数，值为6.626×10-34焦.秒，k是玻尔兹曼常数，1.3806×10-23焦/开，c为真空中光速，值为2.998×10-8米/秒；
在掩星观测模式下，大气辐射传输方程为：
透过率计算方程为：
方程中左侧代表透过率，是波数为v时，大气吸收光谱I(v)与大气外层光谱I0(v)的比值；右侧S代表线强，f代表线型函数，χi代表体积混合比，Ui代表在大气层i对应的传输路径li上大气分子的柱总量，其值取决于大气层的温度、压强与光学路径的长度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最小均方根计算公式如公式(7)所示，
其中T′i表示模拟透过率，Ti表示实际透过率。
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| 红外甚高光谱分辨率探测仪反演系统的设计与实现;罗琪等;《航天返回与遥感》;20191215(第06期);68-71 * |
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