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。

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。

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。

红外高光谱探测仪的高精度辐射定标是其定量化应用的关键。基于欧洲气象卫星MetOp-A/B星红外大气探测干涉仪(IASI)与风云三号D星(FY-3D),采用瞬时星下点交叉比对方法,评估FY-3D搭载的红外高光谱大气探测仪(HIRAS)辐射定标的相对偏差。根据两个仪器严格的空间和时间匹配观测数据,采用与FY-3D同一平台但空间分辨率更高的中分辨率光谱成像仪MERSI-II的数据,筛选匹配样本的均匀背景。在交叉比对前,将IASI数据光谱分辨率用傅里叶正逆变换转换为与HIRAS相同的光谱分辨率。由于满足匹配规则的比对样本基本分布在目标温度较低的南北极区域,因此用光谱亮温的平均偏差和偏差标准差评价交叉比对结果。结果表明,HIRAS与MetOp-A/B星的IASI比对结果相似,在相对温度较高的北极区域的一致性整体优于南极区域。低温目标环境下,长波、中波红外的亮温平均偏差小于1 K,多数通道小于0.5 K,一致性良好,各通道无明显温度依赖,偏差标准差小于2 K,且随光谱通道而变,在吸收线剧烈的位置处稍大。短波红外HIRAS光谱的亮温整体低于IASI光谱,多数通道的平均偏差小于1.5 K,偏差对温度的依赖较明显,偏差标准差随目标温度升高而减小。亮温偏差长期趋势(2018年4—12月)的分析表明,其长期整体稳定,短波偏差在较低目标温度下稍大。

风云三号D星(FY-3D)于2017年11月15日成功发射, 是我国第二代极轨气象卫星, 其上搭载了红外高光谱大气探测仪(HIRAS), 实现了地气系统的高光谱分辨率红外高精度观测, 由于光谱频率的精确性会直接影响辐射精度, 红外干涉仪器必须进行逐通道的光谱定标。首先对干涉图数据进行傅里叶变换获得粗定标结果, 再基于仪器参数计算仪器线型函数, 进行光谱精校正, 开发了风云三号D星HIRAS的光谱定标技术, 并用发射前和在轨数据进行了精度验证。光谱定标方法能有效订正由于仪器离轴探元设计引起的光谱位置偏差, 基于地面单色激光测量数据验证, 长波4个探元20×10-6左右的偏差可订正到0.5×10-6(1和2探元)和7×10-6(3和4探元)以内; 中波1四个探元50×10-6左右的偏差可分别订正到6×10-6(1和3探元)、8×10-6(2探元)和13×10-6(4探元)以内; 基于在轨数据验证三个波段光谱订正后光谱精度偏差和标准差均可达到5×10-6以内。三个波段光谱定标结果均满足卫星使用技术指标10×10-6的要求, 有效保证了辐射精度评估和后端遥感产品开发应用的要求。