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
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大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
3 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
卫星遥感能够获取全球范围的大气环境参数，主要包括主动和被动两类探测技术。星载激光雷达作为典型的主动光学遥感载荷可以用于探测全球大气气溶胶、云、大气风场和温室气体等，并可以反演垂直廓线信息。本文概述了星载激光雷达探测技术的发展历程，较为全面地总结了星载激光雷达载荷轨道及技术参数，并与被动光学遥感载荷进行了比较，探讨了主被动星载大气探测载荷各自的优劣势和未来发展趋势。通过对比分析，为未来不同应用场景的大气探测载荷选择提供参考，有助于更好地利用卫星数据反演全球大气参数。
星载激光雷达 主被动遥感 光学载荷 大气环境参数 大气探测 光学学报
2023, 43(18): 1899902
1 空军装备部信息保障室, 北京
2 空军装备部驻北京地区军事代表局驻天津地区第三军事代表室, 天津
3 中国电子科技集团公司光电研究院, 天津
激光雷达自问世以来, 在各个领域都展现出重要的作用。首先, 回顾了激光雷达技术的发展历程。随后, 阐述了激光雷达的基本工作原理, 并列举了在大气探测中的应用现状。最后, 指出了当前激光雷达技术的存在问题并展望了未来发展。
激光雷达 大气探测 应用 laser radar atmospheric sounding application
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 山东科技大学测绘与空间信息学院，山东 青岛 266590
2 自然资源部国土卫星遥感应用中心，北京 100048
3 首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048
4 河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 211100
5 防灾科技学院生态环境学院，河北 廊坊 065201
6 自然资源部第一地形测量队，陕西 西安 710054
作为新一代激光测高卫星，光子体制激光测高卫星具备更高的数据覆盖密度、测高精度。云气溶胶、吹雪效应引起的前向散射，对最终测高数据精度有较大的影响。而光子体制激光测高卫星大气探测算法与传统激光测高卫星有较大区别，聚焦光子体制激光测高卫星大气探测相关技术，主要梳理了云气溶胶传输系统、冰星2两颗光子体制卫星关于系统参数、大气探测技术、大气相关参数反演算法等方面内容，分析现有光子体制激光测高卫星在大气探测技术上面临的难点。关于光子体制卫星大气探测技术的调研分析，对我国光子计数激光雷达相关研究可起到一定的推动作用。
遥感 光子体制 激光测高卫星 大气探测 多波束 ICESat-2 云气溶胶传输系统 激光与光电子学进展
2022, 59(22): 2228002
1 合肥中科光博量子科技有限公司, 安徽 合肥 230088
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
拉曼-米气溶胶激光雷达因无需假设雷达比, 而在准确测量气溶胶消光系数方面较传统米散射雷达更具优势。 在合肥市的外场探空比对实验结果表明, 2.5 km以下拉曼-米激光雷达反演的消光系数更为准确, 相差可达0.04 km-1, 且获取的水汽混合比廓线与探空数据一致性良好。 利用该技术获得了2019年—2020年秋、 冬季期间淮南市的气溶胶消光系数廓线和边界层高度等数据, 进而对空气质量污染期间的污染类型(本地污染排放、 传输型污染、 传输型污染叠加本地污染累积)和颗粒物的时空演变特征进行了统计分析。 结果显示该市在此期间受到20次细颗粒传输和8次沙尘传输影响。 其中沙尘传输主要来自西北方向, 由高空沉降至近地面(厚度达2 km以上), 平均大气边界层高度达1.23 km以上。 在典型细颗粒传输过程中, 边界层高度基本维持在1.1~1.2 km左右, 近地面风向以西北风为主, 少量东南风主导。 在细颗粒传输叠加本地累积的复合污染过程中, 边界层高度略低(平均高度在1.0 km左右), 近地面风向以偏北风为主, 污染气团自低空出现后, 其下沿高度持续降低并最终与近地面污染耦合。 在细颗粒导致的重污染过程中, 近地面水汽混合比及相对湿度数据与PM2.5的浓度变化趋势一致性良好, 说明颗粒物的吸湿性增长和气态污染物二次转化过程可能助推了PM2.5的生成, 加重污染形势。 对边界层的统计结果表明, 其高度变化对污染气团的沉降和近地面污染累积有十分明显的正相关性。 秋冬季期间, 该市的小时边界层高度大部分分布在1.6 km以下, 平均为1.0 km左右, 小时空气质量达重度污染期间, 边界层高度普遍不足0.6 km。 从气团后向轨迹模拟结果来看, 该市空气质量为中度及以上污染期间的气流主要来自偏北方向, 少量来自东南沿线, 因而污染期间需要加强市区偏北方向污染源的管控, 防止叠加影响。
拉曼-米气溶胶激光雷达 灰霾 沙尘气溶胶 淮南 大气探测 Raman-mie aerosol lidar Haze Dust aerosol Huainan city Atmospheric detection 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2484
1 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 国家卫星气象中心中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室, 北京 100081
精确的风场数据对提高数值天气预报准确性具有重要意义, 对流层风是改进天气预报的要素之一。 虽然利用气象卫星成像仪对连续云图追踪特征目标进行导风是一种有效的风场观测方法, 且在区域和全球尺度上改善了数值天气预报, 但仍存在风场高度分配模糊问题而产生误差。 星基红外高光谱探测仪具备大气温湿度廓线垂直探测能力, 通过分析各个垂直分层内的大气参数运动得到三维风场, 能够提升风场垂直高度的准确性, 改进风场高度分配模糊问题。 提出了利用跨平台极轨气象卫星FY-3D星红外高光谱大气探测仪HIRAS和NOAA-20星跨轨红外探测仪CrIS交叉观测对流层三维风场的创新方法, 根据两仪器近重叠轨道星下点交叉观测辐射数据匹配水汽通道图像, 通过稠密光流法分析目标运动变化并计算风场, 对风矢量进行质量控制后同ERA-Interim再分析资料作定量化比较, 分析风速均值绝对偏差、 均方根误差和风向均值绝对偏差。 分别对2019年2月20日UTC世界时00:00, 06:00, 12:00的HIRAS和CrIS交叉数据计算200, 300, 400, 600, 650和1 000 hPa六组垂直高度风场, 结果表明, 风速范围的变化趋势与再分析资料表现一致, 风速范围随高度降低而减小, 高层对20 m·s-1以上风速更敏感, 地表附近测得风速集中在10 m·s-1以内。 风速均值绝对偏差多数小于3 m·s-1, 最大不超过4 m·s-1, 风速均方根误差多数小于3.5 m·s-1, 最大不超过4.5 m·s-1, 风向均值绝对偏差多数小于30°, 最大不超过40°。 风场误差主要来自仪器自身设计参数不同引入辐射数据的观测偏差, 以及因数据空间分辨率不同导致在图像重投影处理过程中引入的定位偏差。
红外高光谱大气探测仪 对流层三维风场 水汽通道 HIRAS Tropospheric 3D winds Vapor channels 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1131
