光子学报
2023, 52(11): 1111001
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
利用差分吸收光谱技术（DOAS）反演了我国第二代星载大气痕量气体差分吸收光谱仪（EMI-Ⅱ）的SO2斜柱浓度（SCD），并通过辐射传输模型SCIATRAN建立了SO2大气质量因子（AMF）的查找表，经去条带处理后获得SO2的垂直柱浓度（VCD）。以2021年10月底拉帕尔马岛火山区域为研究对象，基于EMI-Ⅱ数据反演的SO2 VCD与国外同类型载荷TROPOMI的结果一致，相关性系数R分别为0.89、0.90、0.92。此外，还将汤加海底火山的SO2反演结果与TROPOMI的监测数据进行对比，结果表明，EMI-Ⅱ观测结果与TROPOMI一致，都观测到此次SO2羽流的自东向西的传输过程。结合风场数据，计算了2022年1月14—15日汤加海底火山爆发产生的SO2排放通量，结果表明，利用EMI-Ⅱ载荷反演的火山区域SO2 VCD可靠性高，可实现全球火山爆发预警。
大气光学 差分吸收光谱 EMI-Ⅱ SO2垂直柱浓度 汤加海底火山
1 合肥学院生物食品与环境学院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
4 安徽工程大学机械工程学院, 安徽 芜湖 241000
星载大气成分临边探测光谱仪在采集高度方向上光信息时需要借助反射镜的反射, 为满足光谱仪扫描需求, 设计了一款扫描摆镜驱动控制系统, 并在地面模拟验证了扫描方向上的光谱数据采集。设计的驱动控制系统基于 STM32 微控制器, 采用 DRV8833C 电机驱动电路和闭环数字 PID 调节器, 利用有限转角直流无刷力矩电机作为光谱仪摆镜控制系统的执行机构, 并使用 18 位单圈绝对值光电编码器作为位置传感器。进而搭建了摆镜控制系统和试验平台, 利用光电自准直仪对摆镜系统性能进行试验验证, 测试了系统的指向精度。结果显示平均指向精度小于 12.15'rime, 最大偏差小于 19.6'', 最小偏差小于 7.46'', 满足工程预研阶段的主要指标要求。
大气成分 临边探测 光谱仪 扫描摆镜 atmospheric composition limb detection spectrometer scanning swing mirror 大气与环境光学学报
2022, 17(5): 570
光学 精密工程
2022, 30(13): 1542
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
为研究星载设备在复杂力学环境下的振动响应特性, 利用有限元分析软件对光谱仪光路切换组件进行仿真分析。首先根据星上载荷的力学环境试验条件, 通过谱形参数计算方法建立星上载荷输入谱密度激励曲线图。随后, 对光路切换组件进行模态分析和随机振动分析, 得到激励谱条件下组件的振动响应结果和最大等效应力。强度校核计算结果显示组件安全裕度为 1.57, 满足刚度和强度要求。最后, 对整机振动进行试验验证, 验证结果显示组件结构完好, 且光学性能比照试验结果显示振动前后, 三个通道的卤素灯图像的成像范围、光谱强度特性等基本一致, 光路切换组件无异常变化, 验证了仿真分析的可靠性。
光路切换组件 随机振动 谱密度响应 谱形参数 有限元法 optical path switching assembly random vibration spectral density response spectral shape parameters finite element method 大气与环境光学学报
2022, 17(3): 369
1 合肥学院生物食品与环境学院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
成像差分吸收光谱技术 (IDOAS) 能够显示污染物的空间分布, 目前已成功运用于地基扫描、机载与星载等多个平台, 为环境监测及治理提供了有力支撑, 其中地基 IDOAS 主要运用于对某一污染源的探测。分析了成像系统基于“推扫”方式的工作原理, 并将此技术应用于城市大气边界层污染物分布的探测。为更高效使用差分吸收光谱技术 (DOAS) 反演各种痕量气体成分, 更精确地分析污染气体的时空分布特征, 对 QDoas 软件进行了源码级分析和优化。在 Windows 平台上, 使用 C++ 和 QT 对 QDoas 代码进行重组, 通过重新提取、整合、改写与优化代码, 实现了更快速便捷的反演功能模块。为检验模块的反演效果, 以大气中常见的污染物 NO2 和 SO2 为例, 于 2019 年 11 月 6 日在铜陵富鑫钢铁厂开展了现场观测实验。使用新编软件对观测数据进行数据反演后成功获得污染气体的二维分布信息图, 证实了该软件在实际大气环境监测中的适用性。
差分吸收光谱技术 数据反演 二维分布成像 软件研发 differential absorption spectroscopy data inversion two-dimensional distribution imaging software development 大气与环境光学学报
2022, 17(2): 249
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 安徽理工大学电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)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。 EMI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值和标准差, 实现CCD(charge-coupled device detectors)暗背景噪声随时间变化趋势监测, 进一步评估空间粒子对CCD像素点的损伤; 利用多次在轨测量的内部白光光源在CCD上的响应, 评估CCD探测器在轨像素性能和辐射通量的变化; 使用EMI在轨测量的0级太阳光谱数据, 结合发射前实验室测试得到的二阶高斯函数模型, 用最小二乘法反演在轨仪器光谱响应函数(ISRF), 实现仪器光谱响应函数的在轨实时更新; 利用石英漫反射板(QVD)、 备用漫反射板(RSD)多次测量的太阳光谱, 计算石英漫反射板在轨相对衰变因子, 修正辐射定标系数, 实现漫反射板在轨衰变校正。 研究表明, EMI载荷在轨两年以来, 温度稳定, 各通道暗背景均值年增加率约0.25%~1%, 暗背景标准差震荡幅度在1.5%以内; 在轨ISRF函数变化幅度约2.3%; 内部白光源光路响应变化小于1%, 石英漫反射板年衰变率UV2通道小于1.75%, VIS1通道小于1%, VIS2 通道小于0.5%。
大气痕量气体差分吸收光谱仪 0级数据 在轨衰变 监测 Environmental trace gases monitoring instrument Level 0 data On-orbit degradation Monitoring
中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
成像差分吸收光谱技术是成像光谱技术和差分吸收光谱技术的结合, 能够采集图谱合一的数据立方, 并通过光谱反演得到痕量气体浓度的二维分布信息。 地基IDOAS仪器通过安装平台的水平旋转实现摆扫成像, 可用于识别污染气体的排放源和监测气体的扩散情况。 然而和所有的成像光谱技术相类似, 地基IDOAS也容易出现条带噪声的问题, 会产生相应的伪结构, 影响后续的信息提取和数据分析。 目前星载和机载IDOAS中常见的条带噪声去除算法有均匀区域校正法、 传输模型模拟法、 傅里叶变换频域滤波法、 多项式拟合法等, 应用到地基仪器中均存在不适用的问题。 介绍了一种基于权重变分模型的条带噪声去除算法, 该算法首先通过分块自适应阈值分割得出表征遮挡区域的权重矩阵, 然后利用条带噪声的方向性和稀疏性建立各向异性的变分模型, 最后通过交替方向乘子算法迭代求解。 为检验去条带算法的可靠性, 使用稀疏、 稠密、 周期、 随机、 整行、 部分、 单行、 多行等多种模拟噪声进行了性能测试。 测试结果证明权重变分算法能够有效去除各种常见的条带噪声, 目视效果和四种全参考评价指标均有良好的表现。 地基IDOAS于2018年夏季在四川乐山进行了外场实验, 实验中仪器的水平扫描范围覆盖360°全方位角, 扫描间隔为1°, 垂直方向仪器同时采集0°~30°仰角内的光谱。 仪器的积分时间设置为500 ms, 每组全景扫描的工作时间约为15 min。 利用DOAS技术对采集到的太阳散射光谱进行反演, 最终得到的NO2和SO2气体的二维浓度分布图的像素大小为360×48。 从反演结果来看, 条带噪声对不同时间和不同气体的观测结果的影响大小均不同。 经权重变分算法处理后, 多组NO2和SO2浓度分布中的条带噪声情况得到极大的改善, 并且没有出现过度平滑的情况。 结果表明, 该算法适用于地基IDOAS数据的条带噪声去除。
成像差分吸收光谱 条带噪声 变分法 光学遥感 Imaging differential optical absorption spectroscopy Stripe noise Variation Optical remote sensing
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽理工大学电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
为保障大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)二级反演数据的有效性和可靠性,需长期监测仪器在轨辐射定标准确性和稳定性。首先,根据EMI在轨测量的太阳光谱和星下点辐亮度,计算了南极洲和格陵兰岛永久冰雪地面选定数据区域的表观反射率时间序列,并建立了太阳天顶角和表观反射率的4阶双向反射分布函数(BRDF)模型。然后,利用4阶BRDF模型对2018~2020年的表观反射率数据序列进行归一化处理,得到了表征EMI定标准确性和稳定性的指标。结果表明,基于BRDF模型得到的表观反射率预测值与实测值相关系数高于0.9;用BRDF模型对表观反射率进行归一化处理后,得到的仪器辐射定标不确定度范围为2%~5%;UV2、VIS1通道两年总衰减的范围为-0.5%~0.5%,VIS2通道的两年总衰减约为1.9%,即EMI在轨运行两年间的辐射响应稳定性较高。
大气光学 大气痕量气体差分吸收光谱仪 大气表观反射率 双向反射函数分布模型 辐射定标精度 辐射定标稳定性
中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
云参数是痕量气体反演过程中重要的输入参数, 对其准确反演具有重要意义。基于 2019 年 3 月大气痕量气体差分吸收光谱仪 EMI 的观测数据, 利用 O4 在 477 nm 处的吸收特性进行有效云量的反演。为验证 EMI 云量反演的准确性, 将 EMI 与 TROPOMI 的反演结果进行对比分析, 并对 2019 年 3 月 2 日、6 日、9 日和 10 日 EMI 和 TROPOMI 整天的云量进行了相关性分析, 相关性 R 分别为 0.752、0.712、0.764 和 0.762, 表明二者具有良好的相关性。进一步选取了沙漠、海洋、陆地三个不同区域的云量分析了不同下垫面情况云量的分布特征, 发现在这三个区域, EMI 和 TROPOMI 的云量都具有较好的一致性, 并且海洋上空云量较低, 陆地上空云量较高, 而沙漠上空云量变化频繁。
云 大气痕量气体差分吸收光谱仪 有效云量 cloud environmental trace gas monitoring instrument effective cloud fraction TROPOMI TROPOMI 大气与环境光学学报
2021, 16(3): 223
