CN111721734B - 一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法，与现有技术相比解决了难以对AIUS进行高精度在轨光谱定标的缺陷。本发明包括以下步骤：观测定标光谱的选取与计算；参考谱线的筛选与标记；参考谱线的多普勒频移修正；谱峰位置的精确计算；红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标系数的计算。本发明实现了高分五号卫星红外甚高分辨率探测仪的高精度在轨光谱定标，并获取了有效的光谱定标系数。
Description
技术领域
本发明涉及高分五号卫星技术领域，具体来说是一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法。
背景技术
人类活动对大气化学成分和全球气候变暖的影响已成为人们所关注的全球性问题，高光谱遥感可以获取地表目标或大气分子的精细光谱信息，在大气成分和浓度反演方面具有无可比拟的优势。世界各国研制了多种星载大气环境高光谱分辨率探测仪，用以快速、经济、可重复地获取全球尺度上大气痕量气体和气溶胶的浓度及时空分布信息。
对于星载大气环境高光谱分辨率探测仪而言，光谱数据的辐射精度和光谱精度是影响大气成分反演的重要因素。其中，光谱精度主要是谱线的位置精度，是影响大气吸收谱线精确定位的主要因素，需要通过精确的光谱定标来保证。光谱定标就是测量光谱仪随入射辐射波长变化的响应，其主要目的是确定每个光谱通道的中心波长等光谱特征。
发射前实验室光谱定标虽然能够获取高精度的光谱定标系数，但发射过程中的机械振动和形变、运行环境的变化、光学或电子器件老化等一系列原因，导致仪器响应发生变化，进而导致各光谱通道中心波长发生漂移，因此，对星载高光谱分辨率探测仪进行发射后在轨光谱定标，监测其性能衰减情况并实时进行修正，是保证其定量化数据可靠性的关键。
高分五号卫星上的大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪(Atmospheric InfraredUltra-spectral Sounder，AIUS)是我国目前光谱分辨率最高的星载红外超光谱探测载荷，可反演获取大气痕量气体垂直分布信息，为气候变化研究和大气环境监测提供科学依据。
由于使用大气透射光谱进行反演，高精度的光谱定标对实现AIUS数据应用目标起着决定性作用。然而超高的光谱分辨率以及受星上空间及功耗等因素限制，AIUS未配备星上光谱定标装置等问题，给AIUS高精度在轨光谱定标带来了一定的困难。而AIUS为时间调制型干涉光谱仪，虽然理论上只要确定了计量激光器的波长即可实现光谱定标，但实践中发现，简单地确定计量激光器波长还是无法满足超高光谱数据反演应用的需要。
因此，如何针对于高分五号卫星上的AIUS进行高精度在轨光谱定标已经成为急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中难以对AIUS进行高精度在轨光谱定标的缺陷，提供一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法，包括以下步骤：
11)观测定标光谱的选取与计算：获取高分五号卫星上红外甚高光谱分辨率探测仪的掩星观测数据，通过观测的复原后的太阳光谱、不同切高的大气透射光谱和暗电流数据，求得观测的不同切高的大气透过率光谱，其计算表达式如下：
其中，Tt(ν)表示切高为t的大气透过率光谱，St(ν)表示切高为t的复原后的大气透射光谱，Ss(ν)表示复原后的大气层外太阳光谱，D(ν)表示地球阴影区测得暗电流数据，ν表示各数据点对应初始波数值；
12)参考谱线的筛选与标记：通过大气辐射传输模型SCIATRAN计算得到模拟的不同切高的大气透过率光谱，从谱线库HITRAN的在线数据库下载大气分子的谱线信息，结合该谱线信息逐段比较观测的大气透过率光谱Tt(ν)和模拟的不同切高的大气透过率光谱，人工筛选出若干个均匀分布的、独立的、特征明显、信噪比高且易于识别的谱线作为参考谱线，并在模拟大气透过率光谱中对参考谱线的位置、理论波数值进行标记；
13)参考谱线的多普勒频移修正：获取卫星运行速度、运行方向与太阳光方向夹角，计算卫星在观测方向的速度分量，并采用多普勒频移公式，对各参考谱线对应的理论波数值进行修正，得到红外甚高光谱分辨率探测仪探测到的各参考谱线对应的波数值；
14)谱峰位置的精确计算：根据模拟光谱中参考谱线的标记结果，提取观测的大气透过率光谱Tt(ν)中各参考谱线附近数据，利用高斯函数对观测光谱中各参考谱线附近数据进行拟合，精确计算出各参考谱线峰值位置对应的数据点序号；
15)红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标系数的计算：获取多个参考谱线修正后的波数值和其对应的谱峰位置数据点序号后，采用一元线性回归方法计算出红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标系数，完成红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标。
所述参考谱线的筛选与标记包括以下步骤：
21)利用大气辐射传输模型SCIATRAN，模拟默认气体和温压廓线下，红外甚高光谱分辨率探测仪观测南极区，不同切高下的大气透过率光谱曲线；
22)从谱线库HITRAN的在线数据库，选取并下载大气分子及其同位素在探测仪观测谱段范围内的谱线信息，其中，大气分子包括H2O、CO2、O3、N2O、CO、CH4和O2，谱线信息包括谱线强度、谱线对应理论波数；
23)将观测谱段划分为若干个单元，逐单元比较模拟的和观测的不同切高大气透过率光谱Tt(ν)，并结合下载的谱线强度信息，人工筛选出若干个均匀分布的、独立的、特征明显、信噪比高且易于识别的谱线作为参考谱线，并在模拟的大气透过率光谱中对参考谱线的位置、理论波数值进行标记。
所述参考谱线的多普勒频移修正包括以下步骤：
31)从卫星辅助数据中提取卫星的运行速度、卫星运行方向与太阳光方向夹角，采用以下公式计算出仪器观测方向具有的速度分量：
V＝Vs×cos(θ)，
其中，Vs表示卫星的运行速度，θ表示卫星运行方向与太阳光方向夹角，V表示仪器观测方向具有的速度分量；
32)根据多普勒频移原理，采用以下公式计算出参考谱线被探测仪观测到的波数值：
其中，c表示光速，取值299792458m/s，ν0,i表示第i个参考谱线的理论波数值，νi表示第i个参考谱线被探测仪观测到的波数值。
所述谱峰位置的精确计算包括以下步骤：
41)根据模拟不同切高大气透过率光谱中参考谱线的标记结果，在观测的切高为15～30km的大气透过率光谱中，人工选取第1个参考谱线附近光谱数据，其中，选取的光谱数据覆盖参考谱线且两侧尾翼至少有2个数据点；
42)采用以下公式对参考谱线附近光谱数据点进行拟合，计算得到细化到小数位的谱峰位置对应的数据点序号，其表达式如下：
其中，g(k)表示序号为k的数据点对应的大气透过率，kc表示谱峰位置对应的数据点序号，g0表示参考谱线基底位置对应的大气透过率，A表示谱线的深度，A为负数，w表示谱线的宽度；
43)重复执行步骤41)、步骤42)，直至得到所有参考谱线峰值位置各自对应的数据点序号。
所述红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标系数的计算包括以下步骤：
51)根据傅立叶变换光谱学原理，采用下式所示的一元线性回归模型来表征红外甚高光谱分辨率探测仪复原后光谱的数据点序号与其波数之间的关系：
v＝a×k+b+ε,ε～N(0,σ2)，
其中，ν为波数，k表示数据点序号，a、b表示光谱定标系数，ε表示随机误差，假设其服从方差为σ的正态分布，N表示服从正态分布；
52)根据各参考谱线的数据点序号和波数数据对(νi,,ki)，i＝1,...n，采用下式求得a的估计值
和b的估计值
其中，
和
分别是νi、ki的平均值；
53)得到a和b的估计值
和
即得到了光谱定标系数，进而求得复原光谱每个数据点对应波数的估计值
完成红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标。
有益效果
本发明的一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法，与现有技术相比，针对AIUS超高的光谱分辨率、无星上光谱定标装置带来的难以高精度在轨光谱定标的问题，利用其可掩星观测获取不同切高的高光谱分辨率大气透过率光谱的特点，采用多谱线线性拟合算法，通过参考谱线筛选、多普勒频移修正、谱峰位置确定、最小二乘回归分析等实现了AIUS高精度在轨光谱定标。
本发明专用于高分五号卫星红外甚高分辨率探测仪，实现了高分五号卫星红外甚高分辨率探测仪的高精度在轨光谱定标，并获取了有效的光谱定标系数。
附图说明
图1为本发明的方法顺序图；
图2为AIUS在轨太阳掩星观测示意图；
图3a为探测仪Mct通道15.5km大气透过率光谱；
图3b为探测仪InSb通道15.5km大气透过率光谱；
图4为部分参考谱线位置及其波数值标记图；
图5为多普勒频移对1805.14cm-1水汽微窗光谱的影响；
图6为高斯拟合确定谱峰精确位置；
图7为Mct、InSb两个通道谱峰数据点序号与波数值的回归关系；
图8a为初次在轨光谱定标前Mct通道最后50cm-1观测与理论大气透过率曲线对比图
图8b为初次在轨光谱定标后Mct通道最后50cm-1观测与理论大气透过率曲线对比图
图8c为初次在轨光谱定标前InSb通道最后50cm-1观测与理论大气透过率曲线对比图
图8d为初次在轨光谱定标后InSb通道最后50cm-1观测与理论大气透过率曲线对比图。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
AIUS搭载于“高分五号”卫星，运行于705km的地球太阳同步轨道。其采用如图2所示太阳掩星观测方式，在日出过程中，通过视场扫描实现对各层大气透射信号的观测，从而获取8～100km内一系列不同切高的大气吸收光谱，实现南极附近区域大气痕量气体的垂直分布测量。
AIUS主要由高精度太阳跟踪组件、双角镜摆臂式干涉仪组件、杜瓦探测器组件构成。太阳跟踪组件由太阳跟踪器、分色片及太阳跟踪相机组成，用于在观测过程中实时捕获并自动跟踪太阳，将太阳红外光稳定地引入干涉仪组件；干涉仪组件由分束器、补偿器、角镜、端镜和计量激光器组成，前者通过大光程差、高效率傅立叶变换干涉分光技术对入射红外光束进行调制，后者出射的单色稳频激光与红外光束共光路，产生的激光干涉信号作为光程差计量信号用于扫描控制；探测器组件由分色片、光伏型锑化铟(InSb)和碲镉汞(Mct)单元探测器组成，用于将干涉调制后的干涉光束转换为干涉信号。AIUS主要技术指标如表1所示。
表1 AIUS主要技术指标
根据探测原理知，AIUS是一个时间调制型傅立叶变换光谱仪，一个扫描周期输出的干涉图I(x)，需按下式经过反傅立叶变换才能得到反映大气吸收特性的光谱B(ν)。
式中：ν为复原光谱的波数值；x为干涉图采样点对应光程差，从零光程差开始计数，是计量激光器出射稳频激光波长Sl的线性函数，即
x＝kI×Sl,kI＝0,…N，
式中：N为干涉图采样数据点数，kI为干涉图采样数据点序号。当kI取值N时的光程差为最大光程差，根据傅立叶变换光谱学基本原理，AIUS的理论光谱分辨率可表示为
复原光谱的波数一般从0开始取值，为理论光谱分辨率的线性函数，即
式中：M为复原光谱数据点数，ks为复原光谱数据点序号。
理论上，如果获取了计量激光器激光的准确波长，即可确定复原光谱各数据点对应的波数。然而，受干涉仪装调误差、零光程差位置偏差、干涉数据切趾等因素影响，复原光谱波数ν与其数据点序号k间的定量关系需用下式所示一元线性回归模型来表征。
v＝a×k+b+ε,ε～N(0,σ2)，
其中，ν为波数，k表示数据点序号，a、b表示光谱定标系数，ε表示随机误差，假设其服从方差为σ的正态分布，N表示服从正态分布；
若有n组数据(νi,ki),(i＝1,...n)，则采用数理统计中常用的最小二乘法可得a和b的估计值
和
为
其中，
和
分别是νi、ki的平均值；
得到a和b的估计值
和
即得到了光谱定标系数，进而求得复原光谱每个数据点对应波数的估计值
完成红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标。
根据光谱定标原理，AIUS实验室光谱定标采用激光器定标方案，通过多个已知波长的单色激光及其复原光谱峰值对应的数据点位置，求解光谱定标方程系数。但是受星上空间、功耗等因素限制，AIUS未配备星上定标装置，给高精度在轨光谱定标带来了一定困难，本发明针对AIUS可通过掩星观测获取不同切高大气透过率光谱且具有很高光谱分辨率的特点，提出基于大气吸收特征谱线的多谱线线性拟合算法，通过参考谱线筛选、多谱勒频移修正、谱峰位置确定等关键技术来实现AIUS高精度在轨光谱定标。
如图1所示，本发明所述的一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法，包括以下步骤：
第一步，观测定标光谱的选取与计算。
AIUS通过掩星观测可获取太阳光谱和不同切高的大气透射光谱。太阳光谱中的夫琅禾费线是光谱定标中的优质参考谱线，但由于AIUS工作的2.4～13.3μm波段范围内，太阳光谱能量相对较弱，且AIUS无法进行绝对辐射定标，故太阳光谱及夫琅禾费线不适合用来对其进行在轨光谱定标；而利用观测的复原后的太阳光谱和不同切高的大气透射光谱可计算得到不同切高的大气透过率光谱，该光谱反应了大气分子对太阳光的吸收特性，可筛选一些大气吸收线作为参考谱线进行AIUS的在轨光谱定标。
获取高分五号卫星上红外甚高光谱分辨率探测仪的掩星观测数据，通过观测的复原后的太阳光谱、不同切高的大气透射光谱和暗电流数据，求得观测的不同切高的大气透过率光谱，其计算表达式如下：
其中，Tt(ν)表示切高为t的大气透过率光谱，St(ν)表示切高为t的复原后的大气透射光谱，Ss(ν)表示复原后的大气层外太阳光谱，D(ν)表示地球阴影区测得暗电流数据，ν表示各数据点对应初始波数值。
此外，地球大气是垂直分层结构，大气成分、含量、温度和压力随高度差异较大，导致大气透过率光谱中，分子吸收线的深度、宽度(碰撞增宽、多普勒增宽)随切高而发生变化，定标中需要选取合适切高的光谱，使得吸收线特征明显，且深度合理，既要与基底具有较强的对比度，又要保证一定的信噪比，避免吸收线附近出现负值或多个谷峰。
第二步，参考谱线的筛选与标记。
AIUS具有约0.03cm-1的甚高光谱分辨率，可准确分辨出大气透过率光谱中相当多种气体分子的特征吸收线，这些特征吸收线反映了大气分子的固有属性，波长位置不随外界条件发生变化，可作为参考谱线用于在轨光谱定标。
利用复原光谱计算得到AIUS切高为15.5km的大气透过率光谱如图3a和图3b所示。可以看到，由于超高的光谱分辨率，大气分子的吸收线密密麻麻分布在整个观测谱段范围内，虽然有利于在整个谱段范围内选取参考谱线，但却较难区分和识别，一旦选择错误，将会给光谱定标带来较大误差。
因此，本发明通过大气辐射传输模型SCIATRAN计算得到模拟的不同切高的大气透过率光谱，从谱线库HITRAN的在线数据库中下载大气分子的谱线信息，结合该谱线信息逐段比较观测的大气透过率光谱Tt(ν)和模拟的不同切高的大气透过率光谱，人工筛选出若干均匀分布的、独立的、特征明显、信噪比高且易于识别的谱线作为参考谱线，并在模拟大气透过率光谱中对参考谱线的位置、理论波数值进行标记。其具体步骤如下：
(1)利用大气辐射传输模型SCIATRAN，模拟默认气体和温压廓线下，红外甚高光谱分辨率探测仪观测南极区，不同切高下的大气透过率光谱曲线。
(2)从谱线库HITRAN的在线数据库，选取并下载主要大气分子及其同位素在探测仪观测谱段范围内的谱线信息，其中，主要大气分子可以包括H2O、CO2、O3、N2O、CO、CH4和O2，谱线信息包括谱线强度、谱线对应理论波数。
(3)将观测谱段划分为若干个单元，逐单元比较模拟的和观测的不同切高大气透过率光谱Tt(ν)，并结合下载的谱线强度信息，按现有传统方式，人工筛选出若干个均匀分布的、独立的、特征明显、信噪比高且易于识别的谱线作为参考谱线，并在模拟的大气透过率谱中对参考谱线的位置、理论波数值进行标记。
均匀分布的谱线指筛选出的谱线要在AIUS观测谱段的前段、中段和后段都有分布，不能集中；独立的谱线指谱线的两侧尾翼不受临近谱线影响；特征明显、信噪比高的谱线指谱线要具有一定的深度，既要与基底具有较强的对比度，又不能太深导致吸收峰被淹没在仪器噪声中，出现多峰的情况；易于识别的谱线指谱线在模拟和观测光谱中具有一定的特征，如出现在宽大的吸收峰旁边、具有连续等间隔的分布等。
在实验室中利用谱线灯或可调谐激光器进行光谱定标，谱线灯和激光器的波长或波数值是已知的，且谱线间隔较宽，没有重叠，不需要进行人工筛选，只需要直接使用已知波数值的参考谱线即可。但AIUS在轨光谱定标使用的是超高分辨率的大气透过率光谱，该光谱中吸收线密密麻麻且互相叠加，每个吸收线的理论波数值在HITRAN中都可获取，问题的关键是选取哪些用于定标，选错的话，结果会受影响的。因此，逐段比较模拟的和观测的光谱，按照上述规则，和现有技术一样在初期人工进行筛选，筛选出一批谱线并在模拟的不同切高的大气透过率光谱中将其标记出，这些谱线筛选标记出后，后续的每次光谱定标就不用再筛选了，直接使用即可。
第三步，参考谱线的多普勒频移修正。
多普勒效应造成的发射和接收频率之差称为多普勒频移，它揭示了波的属性在运动中发生变化的规律。多普勒频移表现为：在运动的波源前面时，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高(蓝移)；在运动的波源后边时，会产生相反的效应，波长变得较长，频率变得较低(红移)；波源的速度越高，所产生的效应越大。
从图2可以看到，在轨太阳掩星观测时，AIUS与太阳间有相对运动，相当于在运动的波源前面，导致其观测到的太阳光的波长变短，波数变大(频率增高)。对于光谱分辨率在nm级的高光谱载荷，多普勒频移对数据应用影响可忽略，但对于AIUS，其光谱分辩率为0.03cm-1，多普勒频移对大气痕量气体垂直分布的反演影响很大。
在此，本发明获取卫星运行速度、运行方向与太阳光方向夹角，计算卫星在观测方向的速度分量，并采用多普勒频移公式，对各参考谱线对应的理论波数值进行修正，得到红外甚高光谱分辨率探测仪探测到的各参考谱线对应的波数值。其具体步骤如下：
(1)从卫星辅助数据中提取卫星的运行速度、卫星运行方向与太阳光方向夹角，采用以下公式计算出仪器观测方向具有的速度分量：
V＝Vs×cos(θ)，
其中，Vs表示卫星的运行速度，θ表示卫星运行方向与太阳光方向夹角，V表示仪器观测方向具有的速度分量；
(2)根据多普勒频移原理，采用以下公式计算出参考谱线被探测仪观测到的波数值：
其中，c表示光速，取值299792458m/s，ν0,i表示第i个参考谱线的理论波数值，νi表示第i个参考谱线被探测仪观测到的波数值。
第四步，谱峰位置的精确计算。
根据AIUS光谱定标的原理知，要进行高精度光谱定标，不仅要确定一定数量、分布均匀的参考谱线，而且要准确确定参考谱线峰值位置对应的数据点序号，而数据点实质上是光谱的采样点。对干涉型光谱仪而言，受光程差的限制，其光谱分辨率不可能无限增高，这样参考谱线的峰值位置，很大概率不是正好落在采样点上。
在此，本发明根据模拟光谱中参考谱线的标记结果，提取观测的大气透过率光谱Tt(ν)中各参考谱线附近数据，利用高斯函数对观测光谱中各参考谱线附近数据进行拟合，精确计算出各参考谱线峰值位置对应的数据点序号。其具体步骤如下：
(1)根据模拟不同切高大气透过率光谱中参考谱线的标记结果，在观测的切高为15～30km的大气透过率光谱中，人工选取第1个参考谱线附近光谱数据，其中，附近光谱数据覆盖参考谱线且两侧尾翼至少有2个数据点。
对于星载高光谱传感器而言，其光谱定标中，均需在定标光谱中选取参考谱线附近的数据，如在实验室利用谱线灯、可调谐激光器进行定标，成像光谱仪在轨利用氧气吸收峰进行定标，光谱辐射计利用夫郎禾费线进行在轨定标，均需要选取参考谱线附近数据，用于确定峰值位置。在光谱分辨率较低或可用参考谱线只有一两个的情况下，可通过设置搜索范围初值，自动搜索并获取参考谱线附近数据，但对AIUS而言，因为超高的光谱分辨率，大气吸收线很密集，因此，只能和现有技术一样采用人工识别提取，识别提取出参考谱线附近数据。
(2)采用以下公式对参考谱线附近光谱数据点进行拟合，计算得到细化到小数位的谱峰位置对应的数据点序号，其表达式如下：
其中，g(k)表示序号为k的数据点对应的大气透过率，kc表示谱峰位置对应的数据点序号，g0表示参考谱线基底位置对应的大气透过率，A表示谱线的深度，A为负数，w表示谱线的宽度；
(3)重复执行上述步骤(1)、步骤(2)，直至得到所有参考谱线峰值位置各自对应的数据点序号。
第五步，红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标系数的计算。获取多个参考谱线修正后的波数值和其对应的谱峰位置数据点序号后，采用一元线性回归方法计算出红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标系数，完成红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标。其具体步骤如下：
(1)根据傅立叶变换光谱学原理，采用下式所示的一元线性回归模型来表征红外甚高光谱分辨率探测仪复原后光谱的数据点序号与其波数之间的关系：
v＝a×k+b+ε,ε～N(0,σ2)，
其中，ν为波数，k表示数据点序号，a、b表示光谱定标系数，ε表示随机误差，假设其服从方差为σ的正态分布，N表示服从正态分布；
(2)根据各参考谱线的数据点序号和波数数据对(νi,,ki)，i＝1,...n，采用下式求得a的估计值
和b的估计值
其中，
和
分别是νi、ki的平均值；
(3)得到a和b的估计值
和
即得到了光谱定标系数，进而求得复原光谱每个数据点对应波数的估计值
完成红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标。
以高分五号卫星大气环境红外甚高分辨率探测仪2018年掩星观测数据为例说明本发明如何实现高精度在轨光谱定标。
利用复原太阳光谱、大气散射光谱和暗电流计算得到探测仪Mct、InSb波段15.5km切高的大气透过率光谱如图3a和图3b所示，该光谱将被用于在轨光谱定标。从图3a和图3b可以看到，由于超高的光谱分辨率，大气分子的吸收线密密麻麻分布在整个观测波段范围内，虽然有利于在整个波段范围内选取特征谱线，但却较难区分和识别，一旦选择错误，将会给光谱定标带来较大误差。
为此，本发明利用HITRAN谱线库、SCIATRAN模拟的不同切高超高分辨率大气透过率光谱，并结合探测仪观测大气透过率光谱，筛选出了53个参考谱线如表2、表3所示。为定标时更好地根据切高识别和选取特征谱线，还在模拟的不同切高(15、30、45、60、80km)的大气透过率光谱中，标记出了参考谱线的位置及其对应波数值，部分波段标记结果如图4所示。
表2 MCT通道参考谱线列表
表3 InSb通道参考谱线表列表
AIUS在轨太阳掩星观测时，与太阳间有相对运动，相当于在运动的波源前面，导致其观测到的光的波长变短，波数变大。对于光谱分辨率在nm级的高光谱载荷，多普勒频移对数据应用影响可忽略，但对于AIUS，其光谱分辩率为0.03cm-1，多普勒频移对大气痕量气体垂直分布的反演影响很大。AIUS观测谱段中间位置的一个水汽微窗附近，小范围内理论大气透过率光谱和存在多普勒频移的大气透过率光谱如图5，从图5可以看到，多普勒频移导致谱峰已经完全错位，这在大气痕量气体反演中是无法容忍的，同样在光谱定标中需要首先对参考谱线进行多普勒频移修正，以准确标定因仪器固有衰变导致的光谱漂移量。
为了准确计算观测光谱中参考谱线峰值位置对应的数据点序号，本发明采用高斯函数对参考谱线附近光谱点进行拟合，得到细化到小数位的谱峰位置对应的数据点序号，以提高谱峰定位精度。
如图6所示，为AIUS初次光谱定标时，对Mct通道中心波数为1404.98cm-1的参考谱线，进行高斯拟合的结果。从图6可以看出：本发明通过高斯拟合得到该谱线对应数据点序号为70834.366，提高了谱峰定位精度；在初次光谱定标时，AIUS的Mct通道向短波数方向发生了漂移，在该参考谱线位置，漂移量约为2.46cm-1。
在得到各参考谱线数据点序号和多普勒频移修正后的波数值后，使用一元线性表达式通过最小二乘回归分析法，对AIUS两个通道进行回归分析，求解在轨光谱定标系数，结果如图7所示。
利用在轨光谱定标系数可得到大气透过率光谱中每个数据点对应的波数值，称为光谱定标后大气透过率光谱曲线。将光谱定标前后的大气透过率光谱曲线进行多普勒频移修正后，与SCIATRAN模拟的相同切高的大气透过率光谱曲线进行比较，Mct和InSb通道最后50cm-1波段范围的对比结果如图8所示。其中，图8(a)和图8(c)为定标前观测光谱曲线与模拟光谱曲线的比较结果；图8(b)和图8(d)为定标后观测光谱曲线与模拟光谱曲线的比较结果。从图8可以看到：定标前参考谱线的位置明显发生了漂移(箭头位置)，InSb通道漂移量要大于Mct通道；定标后观测和模拟光谱曲线中参考谱线的位置已经对准。
为评价光谱定标精度，本发明将定标后光谱进行多普勒频移反修正，确定参考谱线谱峰对应的波数值，并与参考谱线理论波数值进行比较，计算两者的绝对偏差，并统计所有参考谱线的绝对偏差的均值，作为光谱定标精度，AIUS两个通道光谱定标精度评价结果如表4、表5所示。由表4和表5可以看出，两个通道经光谱定标后，参考特征谱线谱峰波数值与理论值相差较小，平均绝对偏差分别为0.00437cm-1和0.00389cm-1，小于痕量气体反演应用要求的0.008cm-1。获取的光谱定标系数经验证和精度评价后，自2018年8月开始用于AIUS的1级数据产品生产，在南极区域大气痕量气体反演中发挥了重要作用。
表4 MCT通道光谱定标精度分析
表5 InSb波段光谱定标精度分析
本发明通过有效利用红外甚高光谱分辨率探测仪可通过掩星观测获取不同切高大气透过率光谱的特点，使用基于大气吸收线的多普线线性拟合算法，通过定标光谱的选择与计算、参考谱线筛选与标记、多普勒频移修正、谱峰位置准确计算、最小二乘回归分析等步骤，实现了其高精度在轨光谱定标，满足了大气环境痕量气体垂直分布信息反演对在轨光谱定标精度的要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (2)
1.一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
11)观测定标光谱的选取与计算：获取高分五号卫星上红外甚高光谱分辨率探测仪的掩星观测数据，通过观测的复原后的太阳光谱、不同切高的大气透射光谱和暗电流数据，求得观测的不同切高的大气透过率光谱，其计算表达式如下：
其中，Tt(ν)表示切高为t的大气透过率光谱，St(ν)表示切高为t的复原后的大气透射光谱，Ss(ν)表示复原后的大气层外太阳光谱，D(ν)表示地球阴影区测得暗电流数据，ν表示各数据点对应初始波数值；
12)参考谱线的筛选与标记：通过大气辐射传输模型SCIATRAN计算得到模拟的不同切高的大气透过率光谱，从谱线库HITRAN的在线数据库下载大气分子的谱线信息，结合该谱线信息逐段比较观测的大气透过率光谱Tt(ν)和模拟的不同切高的大气透过率光谱，人工筛选出若干个均匀分布的、独立的、特征明显、信噪比高且易于识别的谱线作为参考谱线，并在模拟大气透过率光谱中对参考谱线的位置、理论波数值进行标记；
13)参考谱线的多普勒频移修正：获取卫星运行速度、运行方向与太阳光方向夹角，计算卫星在观测方向的速度分量，并采用多普勒频移公式，对各参考谱线对应的理论波数值进行修正，得到红外甚高光谱分辨率探测仪探测到的各参考谱线对应的波数值；
所述参考谱线的多普勒频移修正包括以下步骤：
131)从卫星辅助数据中提取卫星的运行速度、卫星运行方向与太阳光方向夹角，采用以下公式计算出仪器观测方向具有的速度分量：
V＝Vs×cos(θ)，
其中，Vs表示卫星的运行速度，θ表示卫星运行方向与太阳光方向夹角，V表示仪器观测方向具有的速度分量；
132)根据多普勒频移原理，采用以下公式计算出参考谱线被探测仪观测到的波数值：
其中，c表示光速，取值299792458m/s，ν0,i表示第i个参考谱线的理论波数值，νi表示第i个参考谱线被探测仪观测到的波数值；
14)谱峰位置的精确计算：根据模拟光谱中参考谱线的标记结果，提取观测的大气透过率光谱Tt(ν)中各参考谱线附近数据，利用高斯函数对观测光谱中各参考谱线附近数据进行拟合，精确计算出各参考谱线峰值位置对应的数据点序号；
所述谱峰位置的精确计算包括以下步骤：
141)根据模拟不同切高大气透过率光谱中参考谱线的标记结果，在观测的切高为15～30km的大气透过率光谱中，人工选取第1个参考谱线附近光谱数据，其中，选取的光谱数据覆盖参考谱线且两侧尾翼至少有2个数据点；
142)采用以下公式对参考谱线附近光谱数据点进行拟合，计算得到细化到小数位的谱峰位置对应的数据点序号，其表达式如下：
其中，g(k)表示序号为k的数据点对应的大气透过率，kc表示谱峰位置对应的数据点序号，g0表示参考谱线基底位置对应的大气透过率，A表示谱线的深度，A为负数，w表示谱线的宽度；
143)重复执行步骤141)、步骤142)，直至得到所有参考谱线峰值位置各自对应的数据点序号；
15)红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标系数的计算：获取多个参考谱线修正后的波数值和其对应的谱峰位置数据点序号后，采用一元线性回归方法计算出红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标系数，完成红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标；
所述红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标系数的计算包括以下步骤：
151)根据傅立叶变换光谱学原理，采用下式所示的一元线性回归模型来表征红外甚高光谱分辨率探测仪复原后光谱的数据点序号与其波数之间的关系：
v＝a×k+b+ε,ε～N(0,σ2)，
其中，ν为波数，k表示数据点序号，a、b表示光谱定标系数，ε表示随机误差，假设其服从方差为σ的正态分布，N表示服从正态分布；
152)根据各参考谱线的数据点序号和波数数据对(νi,ki)，i＝1,...n，采用下式求得a的估计值
和b的估计值
其中，
和
分别是νi、ki的平均值；
153)得到a和b的估计值
和
即得到了光谱定标系数，进而求得复原光谱每个数据点对应波数的估计值
完成红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标。
2.根据权利要求1所述的一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法，其特征在于，所述参考谱线的筛选与标记包括以下步骤：
21)利用大气辐射传输模型SCIATRAN，模拟默认气体和温压廓线下，红外甚高光谱分辨率探测仪观测南极区，不同切高下的大气透过率光谱曲线；
22)从谱线库HITRAN的在线数据库，选取并下载大气分子及其同位素在探测仪观测谱段范围内的谱线信息，其中，大气分子包括H2O、CO2、O3、N2O、CO、CH4和O2，谱线信息包括谱线强度、谱线对应理论波数；
23)将观测谱段划分为若干个单元，逐单元比较模拟的和观测的不同切高大气透过率光谱Tt(ν)，并结合下载的谱线强度信息，人工筛选出若干个均匀分布的、独立的、特征明显、信噪比高且易于识别的谱线作为参考谱线，并在模拟的大气透过率光谱中对参考谱线的位置、理论波数值进行标记。
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