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。

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。

于 2018 年 5 月 9 日搭载高分五号卫星发射的大气痕量气体差分吸收光谱仪 (EMI) 为紫外可见波段高分辨率成像光谱仪。为考察其在轨光谱性能, 首先采用波长寻峰法即以太阳 Fraunhofer 线作为特征峰以快速获取载荷的光谱范围, 然后采用谱线匹配法获取载荷空间维度的光谱弯曲值, 最后采用光谱拟合法获取光谱分辨率的变化。寻峰法通过与标准 Fraunhofer 线进行比对找寻特征峰, 得到其标准波长及对应像元, 经二阶多项式拟合可得到像元-波长对应关系。谱线匹配法通过 Pearson 相关系数法作为判据, 即利用两谱线之间相关系数作为匹配结果的判断条件, 得到测量谱线与标准谱线间的偏移值, 定标结果满足定标精度高于 0.05 nm 的要求。光谱拟合法通过求解将测量谱与高分辨率太阳参考谱拟合, 可以分析光谱分辨率变化。对 2019 年 1 月 7 日全天 15 轨数据的分析结果表明, 光谱分辨率在一天内的变化一致, 其单行标准差不超过 0.01, 因此在之后仪器长时间运作或受到干扰情况下, 利用此方法对其性能衰变进行分析具有重要意义。

紫外高光谱探测仪在轨运行时通过地球光观测光路和太阳光观测光路获取辐射和光谱信息, 因此在发射前需对载荷进行实验室定标。定标后获取的辐照度定标系数将用于在轨计算获取反演所需的太阳参考谱, 定标精度直接影响仪器在轨探测及数据反演精度, 决定着获取的遥感信息的可靠性。采用直接发散光辐照度定标方法, 搭建二维定标平台对定标光路进行不同角度、距离的标准灯测试, 将三个距离下的实验值借助最小二乘法线性拟合得到辐照度定标系数, 并对系数进行角度等因素的校正。测试结果表明合成不确定度为 3.42%, 符合辐射定标要求, 表明了方法的可行性。

在星载大气痕量气体差分吸收光谱仪的研制过程中, 需要对其信噪比、光谱分辨率、光谱定标精度等性能指标进行测试, 为此需要设计专用二维转台以实现不同视场在不同角度下的测试。根据光谱仪参数测试要求, 提出转台设计方案, 设计转台结构, 建立三维模型, 并对主要零部件进行选型。转台的方位轴 ±180° 转动, 满足 114° 的主视场测试要求; 俯仰轴 ±20° 翻转, 实现太阳视场需求; 机械定位精度为 ±0.01°。 转台提供两种安装方式, 光谱仪竖立安装进行太阳视场测试, 水平安装进行主视场测试。转台支撑框架在不同的工况下承受载荷的作用, 利用有限元软件对框架结构进行仿真, 分析结果验证了框架设计的合理性。

主要讨论O2-O2在477 nm处吸收带反演的有效云量。首先通过差分吸收光谱(DOAS)算法反演460~490 nm内的O2-O2斜柱浓度,并对O2-O2斜柱浓度中出现的条带进行修正;然后通过SCIATRAN辐射传输模型设置太阳天顶角、观测天顶角、相对方位角、地表反照率、地面高度、云量、云压等参数的不同节点,创建O2-O2斜柱浓度和反射率的查找表,进一步对查找表进行转换得到云量的查找表;最后对O2-O2斜柱浓度、连续反射率及相关太阳几何信息进行多维插值,得到大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)有效云量。为验证所提算法的准确性,将EMI结果与OMI(ozone monitoring instrument)云量进行比较,两者均呈由低云量到高云量频数递减的趋势,其中云量为0和云量为1均出现频数高值现象,云量相关性R为0.82,相关性表现良好。

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪是一种新型光学遥感仪器, 具有分辨率高(0.3～0.5 nm)、 宽光谱范围(240～710 nm)、 大视场角(114°视场对应地面2 600 km)的特点, 载荷采用推扫方式, 可实现1日全球覆盖监测。 载荷通过探测地球大气或地表反射、 散射的紫外/可见光, 利用差分吸收光谱技术来获取全球大气痕量气体(NO2, SO2, O3等)分布和变化。 定标是遥感数据定量应用的前提, 同时为获取载荷光谱特性, 需要在地面完成载荷的光谱定标。 根据大气痕量气体差分吸收光谱仪视场角度大、 谱段范围宽、 空间和光谱分辨率高等特点, 搭建了一套基于二维转台的光谱定标系统, 此系统能够完成全视场光谱定标。 光谱定标采用标准谱线法, 光谱定标光源使用汞灯。 光谱响应函数是描述光谱仪光谱响应特性的重要参数, 根据光谱响应函数可以获取载荷的光谱分辨率, 同时也是基于DOAS反演的关键输入参数, 光谱响应函数的精度直接影响大气痕量气体的反演结果。 根据载荷实际测试的光谱响应数据, 选取了Gauss, Lorentz和Voigt三种函数作为待选的光谱响应函数。 为对三种函数模型进行筛选, 进行了两种筛选对比测试, 首先分别用Gauss函数、 Lorentz函数、 Voigt函数对载荷的单色光响应数据进行拟合, 以三种函数的拟合残差平方和作为评判标准, 拟合结果表明Gauss函数作为狭缝函数拟合的残差平方和最小为0.01, Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数拟合的残差平方和分别为0.033和0.021。 从载荷单色光响应数据函数拟合的结果分析, Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。 为了进一步验证这一结论, 进行了DOAS反演NO2样气的实验, 考察三种函数模型对反演的影响。 在实验室开展了NO2样气测试, 大气散射光通过30*40cm的石英窗口入射到载荷狭缝, 将NO2样品池放置在载荷狭缝和石英窗口中间, 获取的数据为NO2样气吸收谱, 随后充入N2气体获取反演的参考谱, 实验在晴朗天气下进行, 并能够在较短时间内完成, 可以减少外界天气条件对反演结果的影响。 实验中NO2样气浓度为8.481 2×1016 molec·cm-2, 在利用DOAS进行反演时, 设置仪器狭缝函数分别为Gauss, Lorentz和Voigt函数, 分析三组不同的函数模型对应的NO2浓度结果, 根据反演结果的相对偏差对函数模型进行评价。 实验结果表明Gauss函数作为狭缝函数反演结果的相对偏差最小为5.6%, Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数的反演相对偏差分别为28%和15.1%。 由光谱响应数据的拟合结果及样气反演结果表明, Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。

大气痕量气体差分吸收光谱仪通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光,利用差分吸收光谱技术来反演大气 中痕量气体的分布和变化。在地面对大气痕量气体差分吸收光谱仪完成实验室定标以验证其性能和可靠性,为大气痕量 气体差分吸收光谱仪的数据处理提供支持。为快速处理光谱仪定标数据,研制了相关的光谱辐射定标软件。定标软件基 于C++语言,在Windows平台上开发,实现数据定标和多维度展示定标数据。 其中光谱定标采用多项式拟合算法,光谱分辨 率采用Gauss拟合算法。辐射定标包括绝对辐射定标和相对辐射定标,绝对辐射定标求取辐射定标非稳定性和非线性, 相对辐射定标求取相对辐射校正系数和不确定度。结果表明软件运行良好,能够完成大气痕量气体差分吸收光 谱仪地面光谱定标、辐射定标数据的处理。

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪具备对地观测、太阳光光谱定标、卤素灯探测器自检三种工作模式, 所以需要三条相应的光学系统光路。为了使得光路得到充分利用,三条光学系统光路共用一部分光路,故设计太阳挡板活动部件、 光路切换活动部件和漫射板定标活动部件用于切换三条光路。 三个活动部件进行了部件寿命试验,而且整机进行了热真 空和热平衡试验,实验结果表明活动部件运行正常,活动部件满足寿命要求和环境适应要求。