1 中国科学院上海技术物理研究所红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
2 中国气象局国家卫星气象中心，北京 100081
基于仪器的光学视场特性进行有限视场和离轴效应的光谱模拟，研究针对面阵傅里叶光谱仪光谱校正的方法。首先，开展仪器线型函数（ILS）影响分析，确定不同影响因素（有限光程差、有限视场、离轴效应等）的分析方法；其次，以面阵型圆形探测器为例，结合仪器自身光学特性，构建仪器线型函数模型；然后，利用气体吸收光谱模拟离轴效应产生的光谱定标误差和光谱敏感性；最后，基于FY-3F/HIRAS-Ⅱ发射前光谱定标数据，进行光谱校正和定标精度验证。实验结果表明：有限视场和离轴效应使得光谱存在展宽，并向低波数方向偏移。经过光谱定标和校正，中心最差像元光谱定标精度由-24.69×10-6减小到0.54×10-6，边缘最差像元由-513.38×10-6减小到-0.15×10-6，且3个波段内所有像元均满足小于7×10-6的指标要求。
光谱学 光谱定标 仪器线型函数 离轴效应 红外高光谱大气探测仪 光学学报
2024, 44(12): 1230001
南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044
星载红外高光谱垂直探测仪GIIRS （Geostationary Interferometric Infrared Sounder）能够实现大气温度和湿度参数高垂直分辨率的观测，为数值天气预报提供精度更高的初始场。基于GIIRS观测辐射值采用BP神经网络（Back Propagation Neural Network）法和深度学习的卷积神经网络（Convolutional Neural Networks, CNN）法反演大气温度、湿度垂直廓线，重点在于CNN法模型的构建与参数的优化，得到反演精度最高的网络模型配置。将训练样本根据不同地表类型和是否有云的影响分为三种方案（方案一：不分类、方案二：陆地/洋面分类、方案三：晴空/有云分类），分别进行建模、反演和检验。结果表明两种反演算法都有较好的反演精度，相对而言CNN法在所有高度层上反演偏差、均方根误差和平均相对误差均较小，反演精度更高。CNN法温度反演在高层10~200 hPa改进较大，三种分类方案改进的最大值分别为1.15 K、1.06 K和1.02 K；湿度反演在对流层低层500~1000 hPa改进较大，三种分类方案分别平均改进了0.43 g/kg、0.41 g/kg和0.34 g/kg。BP神经网络法方案三时（即分晴空和云时）温度和水汽混合比廓线反演精度最好；CNN算法方案一时（即不对样本数据进行任何分类）反演精度最高。
GIIRS 大气温湿度廓线 BP神经网络 卷积神经网络 反演 GIIRS (Geostationary Interferometric Infrared Sounder) atmospheric temperature and humidity profile BP neural network CNN (Convolutional Neural Networks) retrieval 红外与激光工程
2022, 51(8): 20210707
南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044
评估星载红外高光谱仪器观测资料的质量可以推进其在数值天气预报中的应用。使用2020 年 7 月 FY-4A 红外高光谱干涉式大气垂直探测仪 (Geostationary Interferometric Infrared Sounder, GIIRS)观测数据，分析GIIRS所有通道观测噪声随视场和纬度的变化、偏差 (观测亮温与辐射传输模式模拟亮温的差) 随时间、视场、纬度和天顶角的分布来评估 GIIRS 观测资料质量。研究结果表明：波段727.5~733.8 cm−1、1107.5~1130 cm−1和1650~1776.9 cm−1的观测噪声超出仪器灵敏度设计指标，且这些通道的偏差和偏差标准差明显大于其他通道；除了长波观测噪声大的通道外，其余通道噪声等效温差NEdT在32×4阵列上均呈“中间小，两边大”的特征，且NEdT的分布不随纬度带和FOR阵列而改变，在进行GIIRS资料同化或变分反演时，其观测误差只用考虑不同通道在32×4阵列内的NEdT分布；由于数值预报模式的地表温度在白天时值偏低，使得模拟辐射量偏低，造成偏差绝对值减小，使偏差有明显的日变化；中波通道偏差特征基本不随32×4面阵的列而改变，主要与阵列中的行有关，在中波通道进行偏差订正时可以针对32×4面阵中行开展，基本不需要纬度带和卫星天顶角的订正。
红外高光谱大气探测仪 噪声等效温差 偏差 Geostationary Interferometric Infrared Sounder (GIIRS) NEdT bias characteristics 红外与激光工程
2022, 51(9): 20210838
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室，国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心），北京 100081
3 许健民气象卫星创新中心，北京 100081
我国晨昏轨道气象卫星风云三号E星（FY-3E）上搭载了红外高光谱大气探测仪II型（HIRAS-II），该仪器的高地理定位精度和辐射定标精度是其观测资料定量化应用的关键。采用交叉比对方法，基于同卫星平台搭载的中分辨率光谱成像仪-微光型（MERSI-LL），评估HIRAS-II的地理定位和辐射定标相对偏差。两台仪器的观测数据样本经空间匹配后，采用MERSI-LL数据评估匹配样本的观测背景均匀性，用海陆或云体边界的非均匀背景观测样本评估HIRAS-II的地理定位精度，用晴空海洋等场景的均匀背景观测样本评估HIRAS-II的辐射定标精度。在交叉比对前，将HIRAS-II观测辐射光谱与MERSI-LL各红外通道光谱响应函数积分得到MERSI-LL各红外通道的高光谱模拟观测数据。结果表明：星下点处HIRAS-II地理定位沿轨道方向偏离3.53 km，沿跨轨道方向偏离2.01 km；在辐射定标精度方面，HIRAS-II与MERSI-LL多数通道的辐射亮温（BT）偏差均值小于0.50 K，偏差标准差小于0.40 K，仅4.05 μm通道对低温目标的偏差较大，且该通道温度依赖明显；4.05 μm通道BT偏差随扫描角度呈现波动性变化，8.55 μm通道BT偏差随扫描角度变化不明显，其他通道BT偏差随扫描角度的变化规律与目标温度有关；偏差长时间序列分析表明，BT偏差整体保持稳定。
光谱学 红外高光谱大气探测仪II型 中分辨率光谱成像仪-微光型 地理定位 辐射定标 光学学报
2022, 42(24): 2430002
1 中国地质大学（北京） 地球科学与资源学院，北京00083
2 中国气象局 国家卫星气象中心，北京100081
3 中国气象局 中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室，北京100081
为了定量评估像元下垫面反射率等要素对青藏高原卫星臭氧遥感数据精度的影响，设计了青藏高原卫星太阳紫外后向散射辐射的正演仿真计算。首先提取NOAA卫星SBUV/2青藏高原像元下垫面的观测数据，结合提取的臭氧垂直廓线数据，设计青藏高原正演仿真计算的输入参数，最后输入风云三号卫星紫外臭氧垂直探测仪正演仿真计算系统开展正演仿真计算，利用计算结果，考察卫星紫外臭氧垂直探测仪通道辐射观测值随下垫面特征参数的变化特征。结果表明：当太阳天顶角在30°~88°内变化时，仪器各个通道的辐亮度观测值都随太阳天顶角增大而减小，变率在-0.002%~-46.24%，变率随着波长的增大而增大，其中第12通道的最大达到-46.24%；当像元下垫面反射率在0~0.8内变化时，仪器通道辐亮度观测值的变化特征随波长不同而有显著差异，其中短波长的第1~6通道，对观测值的影响几乎可以忽略不计，而长波长的第7~12通道，观测值随着下垫面反射率的增大而增大，而且这种变率随着波长的增大而快速增加，第12通道的最大变率达到2 903.2%；像元下垫面有效气压的改变，对仪器通道辐亮度观测值的影响可以忽略不计。
卫星遥感 青藏高原 紫外臭氧垂直探测仪 正演计算 辐射传输 satellite remote sensing Tibetan plateau solar backscatter ultraviolet sounder forward calculation radiation transmission
1 中国科学院上海技术物理研究所红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
2 国家卫星气象中心，北京 100081
3 中国科学院大学，北京 100049
云污染容易造成星基红外高光谱观测精度下降，导致大量观测信息损失。针对有云情况下的干涉式大气垂直探测仪（FY-4A/GIIRS）的观测数据，提出一种云上温度廓线反演方法。利用辐射传输模型分别开展晴空和有云情况下的观测亮温模拟实验，统计分析不同通道的模拟亮温变化特征，根据云顶气压确定通道优选方案，通过神经网络算法实现云上的温度廓线反演，温度廓线反演的精度评估采用ERA5再分析数据作为参照标准。实验结果表明均方根误差（RMSE）整体优于1.5 K，反演的温度廓线具有较高的精度，有效地提高了FY-4A/GIIRS在云污染情况下的观测资料使用率。
大气光学 风云四号气象卫星 干涉式大气垂直探测仪 云污染 温度廓线 大气遥感 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1701002
为了对大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪进行全谱段高精度光谱定标，通过分析干涉型光谱仪的工作原理，对光谱漂移因子进行理论推导，发现通过有限光谱位置校正能实现全谱段光谱定标。采用了以波长计为基准，通过连续可调谐激光作为测试光源的光谱定标方法，并以高精度气体池系统进行交叉定标来验证定标精度。试验结果表明，通过测量光谱漂移因子来进行光谱定标的测试精度优于0.004 cm?1，满足高精度光谱仪定标需求，漂移因子能够应用于干涉型光谱仪光谱定标。
探测仪 光谱仪 波长计 气体池 sounder FTIR wavemeter gas cell
1 空间电子信息技术研究院, 陕西 西安 710100
2 国家卫星气象中心, 北京 100081
利用主成分分析法(Principal Components Analysis，PCA)分析了风云三号D星微波温度计(Microwave Temperature Sounder，MWTS)观测数据中条带噪声的分布特征，描述了存在条带噪声的主要模态。基于集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD)方法对存在条带噪声的模态所对应的时间系数进行了分解并滤波。通过重构观测亮温实现了对条带噪声的抑制。在定性验证条带噪声抑制效果的基础上，通过将观测亮温与模态亮温进行比较来定量评估条带噪声抑制后的数据精度。统计结果表明，经过条带噪声抑制后，观测亮温与模态亮温的标准差减小约0.018 K，进一步提升了MWTS的数据精度。
风云三号D星 微波辐射测量 温度探测仪 大气温度廓线 条带噪声 FY-3D microwave radiation measurement temperature sounder atmospheric temperature profile stripe noise
