1 中国科学院空天信息创新研究院, 国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海卫星工程研究所, 上海 201109
4 吉林大学地球探测科学与技术学院, 吉林 长春 130026
5 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
2021年9月我国成功发射的高分五号 02 星［GF-5(02)] 上搭载有多角度偏振成像仪 (DPC) 和高精度偏振扫描仪 (POSP), 组成了“偏振交火”观测方案。为评价GF-5(02)卫星DPC传感器的在轨辐射性能, 基于2022年1月DPC和POSP观测数据, 采用海洋瑞利散射和“偏振交火”交叉定标两种方法, 实现了DPC在轨绝对辐射定标和视场内相对辐射一致性检验。结果表明, DPC/GF-5(02)在轨后的绝对辐射和相对辐射响应较发射前的实验室定标结果均未发生明显改变, 在轨前后各波段绝对辐射系数差异均小于5.3%, 视场内相对辐射响应变化均小于2%。其中, 443 nm波段瑞利散射和“偏振交火”交叉两种方法获得的绝对辐射定标系数一致性较高, 偏差约为2%；而490 nm和670 nm波段两方法定标结果偏差较大, 偏差分别为7.4%和7.7%。整体上, DPC/GF-5(02) 在轨后的辐射稳定性优于DPC/GF-5。
高分五号 02 星 多角度偏振成像仪 绝对辐射系数 相对辐射系数 瑞利散射定标 “偏振交火”定标 Gaofen-5(02) satellite directional polarimetric camera absolute radiometric coefficient relative radiometric coefficient Rayleigh scattering calibration "polarization crossfire" cross calibration 大气与环境光学学报
2023, 18(4): 310
1 安徽师范大学地理与旅游学院，安徽 芜湖 241000
2 中国科学院空天信息创新研究院国家环境保护卫星遥感重点实验室，北京 100101
3 中国科学院大学，北京 100049
4 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
5 昆明学院信息工程学院，云南 昆明 650214
为探究高精度偏振扫描仪（POSP）在偏振交火模式下紫外波段对气溶胶层高（ALH）的探测能力，基于最优估计理论和信息量分析方法，分析了紫外和近紫外波段模拟仿真数据对ALH的灵敏度，并进一步讨论了不同观测组合对ALH信息量和后验误差的影响。研究结果表明：拓展的紫外波段是卫星遥感ALH反演的重要信息源，进一步增加380 nm偏振探测后，ALH的信息自由度（DFS）提高了0.06~0.26，同时后验误差降低了5~30个百分点；联合近紫外410 nm探测信息后，ALH反演后验误差额外降低了7~10个百分点，尤其增加了标高H较低时ALH的反演信息量；观测信息对标高的敏感度随着卫星观测散射角的增大而逐渐降低；粗模态主导的气溶胶、裸土地表相较细模态主导的气溶胶、植被地表来说提供的ALH信息量更少。总体来说，虽然ALH信息量受到气溶胶类型影响表现出了一些差异，但是不同气溶胶类型间ALH信息量受地表类型和偏振测量等的影响通常是相似的。
大气光学 偏振扫描仪 气溶胶层高 偏振遥感 信息量分析
1 安徽师范大学地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241003
2 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100101
3 中国科学院大学, 北京 100049
臭氧是大气中一种重要的微量气体, 是影响对流层与平流层大气运动的重要成分之一, 臭氧的高精度探测对于环境和气候具有重要的意义。OMI 传感器是目前具备探测全球臭氧含量的主要遥感传感器之一。利用地基 Pandora 观测网全球范围内 44 个臭氧观测站点数据对 OMI 卫星数据产品进行了精度验证。结果表明: OMI 臭氧产品与 Pandora 地基测量结果之间具有很好的线性相关性, 相关系数达到 0.948, 但精度结果存在区域差异。在南半球地区, 相关系数为 0.915; 在北半球低纬度地区, 其相关系数为 0.932, 中纬度地区相关系数为 0.948, 而在高纬度地区, 相关系数达到了 0.957。 此外, 验证精度还与臭氧柱总量存在相关性, 在臭氧柱总量低于 220 Du (对应臭氧空洞条件) 时, OMI 卫星产品存在高估现象, 高估约 13%; 而在臭氧柱总量高于 400 Du 时, OMI 的臭氧产品低于 Pandora 地基测量结果, 且随着臭氧柱总量增加, 低估情况也越严重, 在臭氧柱总量达到 500 Du 时, OMI 臭氧产品低估约 4%。
地基验证 臭氧分布 相对误差 Pandora 太阳光度计 ground-based verification ozone distribution relative error Pandora sun photometer 大气与环境光学学报
2022, 17(6): 640
1 中国科学院空天信息创新研究院遥感卫星应用国家工程实验室，北京 100101
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院空天信息研究院海南研究院海南省地球观测重点实验室，海南 三亚 572000
高分五号（GaoFen-5）卫星搭载的多角度偏振成像仪（DPC）未装备星上定标器，需依赖不同替代方法进行在轨辐射定标。为此，发展了一种在轨交叉辐射定标方法，考虑实时地表方向反射及仪器光谱响应差异，实现了DPC/GaoFen-5与中分辨率成像光谱仪（MODIS）/Aqua的在轨交叉辐射定标。该方法选用具备高精度星上定标的MODIS/Aqua卫星为参考传感器，选择北非沙漠准不变定标场观测数据，通过输入卫星同步地表双向反射率产品和大气辐射传输计算，精确校正两传感器间太阳-观测几何和光谱响应差异带来的表观辐射量偏差，最终得到待定标传感器在轨交叉辐射定标系数。理论分析结果表明，该方法在DPC非吸收波段的定标不确定度为2.41%~3.70%。DPC/GaoFen-5与MODIS/Aqua的交叉辐射定标初步结果表明，两者辐射一致性较高，各波段表观辐射量差异均小于4%。
遥感 交叉定标 大气辐射传输 地表双向反射率分布函数 多角度偏振成像仪 中分辨率成像光谱仪 光学学报
2022, 42(18): 1828008
1 自然资源部信息中心, 北京 100812
2 中国科学院空天信息创新研究院, 国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
对国际上双角度、多角度及偏振卫星气溶胶遥感反演算法的最新研究进展进行了综述。双角度遥感作为多角度遥感的一种典型情况, 算法的核心思想同样适用于两个传感器在几乎同时对同一地区进行观测的情况。以双角度观测的沿轨扫描辐射计 (ATSR) 系列传感器为例, 总结了 ADV (ATSR dual view)、SU (Swansea University) 和 ORAC (Oxford-RAL aerosol and cloud) 最优估计等典型的气溶胶反演算法原理及最新研究进展。在此基础上, 以当前国际上采用多角度观测的星载和机载传感器为例, 介绍并总结了星载多角度标量反演算法、星载和机载多角度偏振反演方法的最新研究进展。通过系统发掘双角度和多角度传感器在气溶胶卫星及机载遥感研究中的优势和潜力, 为我国多角度及偏振遥感反演算法的设计和发展提供了有效参考和关键支撑。
气溶胶遥感 双角度 多角度 偏振 反演算法 aerosol remote sensing dual-angle multi-angle polarization inversion algorithms 大气与环境光学学报
2021, 16(4): 283
1 中国科学院空天信息创新研究院, 国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 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, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 上海卫星工程研究所, 上海 201109
5 安徽师范大学地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241000
云顶压强可用于估计云高, 对气象观测和云特性研究等具有重要的作用。基于高分五号卫星搭载的多角度偏振探测仪 (DPC) 在氧气 A 吸收带设置的 763 nm 和 765 nm 两个波段进行了云顶压强反演方法的研究。首先, 通过辐射传输模拟和多项式拟合得到了大气压强的计算公式, 并对拟合公式进行了误差分析和校正。然后, 分析了气溶胶、大气廓线等因素对云顶压强反演结果的影响, 并进一步利用晴空地表对反演方法进行了稳定性测试和原理性验证。测试结果表明氧气 A 带方法稳定性较好, 可以适用于不同天气状况和观测角度; 验证结果表明 DPC 反演压强与 DEM 估算压强有很好的一致性, 地表压强的平均偏差约为 47.6 hPa。最后, 将 DPC 反演的云顶压强与 MODIS 云顶压强产品 (MYD06) 进行了对比, 结果表明两颗卫星的云顶压强观测结果具有较好的空间一致性。
云顶压强 差分吸收光谱技术 氧气 A 吸收带 反演 cloud top pressure differential optical absorption spectroscopy oxygen A-band retrieval 大气与环境光学学报
2021, 16(3): 256
1 中国科学院遥感与数字地球研究所国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
2 Leipzig Institute for Meteorology, Leipzig University, Leipzig 04103, Germany
偏振相函数是气溶胶重要的光学参数之一, 它对气溶胶复折射指数、 粒子尺度和形状都十分敏感。 多角度多光谱偏振遥感可以有效获取气溶胶偏振相函数信息。 新一代CIMEL太阳-天空偏振辐射计CE318-DP作为高精度地基气溶胶偏振遥感仪器已被引入全球气溶胶自动观测网AERONET(AErosol RObotic NETwork), 并作为扩展多波长偏振测量的太阳-天空辐射计观测网SONET(Sun/sky-radiometer Observation NETwork)的主要仪器, 已在不同类型气溶胶观测站点积累了多年的偏振数据。 但目前偏振反演仅能利用线偏振度或偏振辐亮度。 与线偏振度和偏振辐亮度相比, Stokes参数Q和U不仅包含天空光线偏振强度信息还包含偏振方向信息。 利用CE318-DP多光谱多角度测量的天空光Stokes参数Q和U反演气溶胶偏振相函数的方法。 针对CE318-DP标准主平面偏振观测模式PPP(Polarized Principal Plane)下Stokes参数U对气溶胶特性变化不敏感、 信息难以利用的不足, 测试了新的平纬圈偏振扫描模式ALMP(ALMucantar Polarization)获取Stokes参数Q和U, 并成功应用于偏振相函数的反演。 系统分析了340～1 640 nm多光谱通道上典型生物质燃烧型气溶胶和水溶性气溶胶的-P12/P11反演结果并测试了反演方法在晴朗和灰霾不同大气条件下的适用性。 无论在主平面还是平纬圈观测几何下, 反演结果在可见光和近红外通道上均与真实值具有较好的一致性。 进一步讨论了模型中基于气溶胶参数初始值和大气气溶胶参数真实值计算的“大气单次散射/大气散射”的比值近似相等的假设条件在短波通道不能很好地满足是造成紫外波段反演结果偏差较大的原因之一。 后续有待进一步提高反演模型在短波通道的适用性, 为利用不同光谱通道上-P12/P11的变化特征改进气溶胶微物理参数反演奠定了基础。
气溶胶遥感 偏振 Stokes参数 偏振相函数 Aerosol remote sensing Polarization Stokes parameters Polarized phase function CE318-DP CE318-DP 光谱学与光谱分析
2018, 38(12): 3699
1 中国海洋大学, 物理海洋教育部重点实验室, 山东 青岛 266100
2 中国科学院遥感与数字地球研究所, 遥感科学国家重点实验室, 国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
3 中国航空综合技术研究所, 北京 100028
4 中国资源卫星应用中心, 北京 100094
临近空间（20~50 km）航空活动是全世界航空大国竞相研究的热点。 太阳辐射环境研究是开展该高度层航空活动的必要前提, 然而临近空间辐射观测资料空白对其开发利用造成了障碍。 臭氧是影响高空辐射环境的关键因子, 基于欧洲中尺度预报中心再分析资料对中国区临近空间臭氧的空间分布、 季节变化特征进行了分析, 发现其时空分布及演变具备区域性特点, 同时根据平流层大气数据及地表特征等将中国临近空间划分为5个区域, 确定不同区域关键参数值, 利用SBDART辐射传输模型对临近空间全波段太阳辐射及紫外辐射分别进行模拟。 模拟结果显示受纬度、 臭氧总量、 垂直分布等影响, 辐射值变化规律较为复杂。 全波段太阳辐射年均和逐月值随纬度降低而增大, 年较差则相反; 大气的吸收作用与纬度、 海陆差异有关, 表现出不同的强度和季节变化特征; 在紫外波段, 南海上空辐射最强, 年较差小, 月较差很小且夏强冬弱, 其他区域辐射值夏强冬弱, 月较差呈双峰特征, 春秋强, 冬夏弱; 大气的吸收作用受多因子影响, 除南海外, 各区域夏季辐射垂向差异更大; 大气吸收引起的月较差垂向变化均表现为6、 7月高低空月振幅一致, 其它月份辐射值在高层月较差更大。
临近空间 太阳辐射 紫外辐射 Near space Solar radiation Ultraviolet radiation SBDART SBDART
1 山西大同大学 固体物理研究所,山西 大同037009
2 新型微结构功能材料山西省高校重点实验室,山西 大同037009
将损耗型负介电常数材料-光子晶体匹配的异质结构作为基本单元排列成周期性结构，组成一种新型的光栅结构，利用有限元分析方法计算了该结构的透射特性。通过分别对比不同的光栅周期长度以及异质结构在光栅结构中不同占比对透射率的影响，确定了光栅结构的透射率与单独的异质结构相比有显著的提高。同时，通过对电磁场的分析，解释了该光栅结构透射率提高的物理原因，这是由光栅结构对电磁场的周期性调制作用导致的。
透射特性 有限元分析 光栅结构 负介电常数材料 transmission characteristics finite element analysis grating structures negative permittivity materials
Author Affiliations
Abstract
1 State Environmental Protection Key Laboratory of Satellite Remote Sensing, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
4 University of Lille 1, Lille 59655, France
A transfer method is introduced to derive the normalized radiance for CE318 Sun/sky radiometer using viewing solid angles and extraterrestrial calibration constants. The new transfer method has a good consistency at different parts of the sky scanning. Error analysis suggests that the uncertainty of the transferred method is about 2.0%–2.4%. The normalized radiances are used as input of the aerosol inversion to test the performance of the new transfer method. The residuals of the inversion (e.g., difference between fitted and measured radiance) are chosen as the index of the radiance calibration accuracy. Analyses of one year’s measurements in Beijing suggest an average sky residual of 3.3% for almucantar scanning (while 3.7% for the AERONET method), which suggest a better accuracy of the transfer method when used in aerosol retrieval.
010.0280 Remote sensing and sensors 010.1310 Atmospheric scattering 010.3920 Meteorology 120.5630 Radiometry Chinese Optics Letters
2015, 13(4): 041001
