一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法技术

本发明专利技术涉及一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法，与现有技术相比解决了难以对AIUS进行高精度在轨光谱定标的缺陷。本发明专利技术包括以下步骤：观测定标光谱的选取与计算；参考谱线的筛选与标记；参考谱线的多普勒频移修正；谱峰位置的精确计算；红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标系数的计算。本发明专利技术实现了高分五号卫星红外甚高分辨率探测仪的高精度在轨光谱定标，并获取了有效的光谱定标系数。

【技术实现步骤摘要】
一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法
本专利技术涉及高分五号卫星
，具体来说是一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法。
技术介绍
人类活动对大气化学成分和全球气候变暖的影响已成为人们所关注的全球性问题，高光谱遥感可以获取地表目标或大气分子的精细光谱信息，在大气成分和浓度反演方面具有无可比拟的优势。世界各国研制了多种星载大气环境高光谱分辨率探测仪，用以快速、经济、可重复地获取全球尺度上大气痕量气体和气溶胶的浓度及时空分布信息。对于星载大气环境高光谱分辨率探测仪而言，光谱数据的辐射精度和光谱精度是影响大气成分反演的重要因素。其中，光谱精度主要是谱线的位置精度，是影响大气吸收谱线精确定位的主要因素，需要通过精确的光谱定标来保证。光谱定标就是测量光谱仪随入射辐射波长变化的响应，其主要目的是确定每个光谱通道的中心波长等光谱特征。发射前实验室光谱定标虽然能够获取高精度的光谱定标系数，但发射过程中的机械振动和形变、运行环境的变化、光学或电子器件老化等一系列原因，导致仪器响应发生变化，进而导致各光谱通道中心波长发生漂移，因此，对星载高光谱分辨率探测仪进行发射后在轨光谱定标，监测其性能衰减情况并实时进行修正，是保证其定量化数据可靠性的关键。高分五号卫星上的大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪(AtmosphericInfraredUltra-spectralSounder，AIUS)是我国目前光谱分辨率最高的星载红外超光谱探测载荷，可反演获取大气痕量气体垂直分布信息，为气候变化研究和大气环境监测提供科学依据。由于使用大气透射光谱进行反演，高精度的光谱定标对实现AIUS数据应用目标起着决定性作用。然而超高的光谱分辨率以及受星上空间及功耗等因素限制，AIUS未配备星上光谱定标装置等问题，给AIUS高精度在轨光谱定标带来了一定的困难。而AIUS为时间调制型干涉光谱仪，虽然理论上只要确定了计量激光器的波长即可实现光谱定标，但实践中发现，简单地确定计量激光器波长还是无法满足超高光谱数据反演应用的需要。因此，如何针对于高分五号卫星上的AIUS进行高精度在轨光谱定标已经成为急需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中难以对AIUS进行高精度在轨光谱定标的缺陷，提供一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法来解决上述问题。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法，包括以下步骤：11)观测定标光谱的选取与计算：获取高分五号卫星上红外甚高光谱分辨率探测仪的掩星观测数据，通过观测的复原后的太阳光谱、不同切高的大气透射光谱和暗电流数据，求得观测的不同切高的大气透过率光谱，其计算表达式如下：其中，Tt(ν)表示切高为t的大气透过率光谱，St(ν)表示切高为t的复原后的大气透射光谱，Ss(ν)表示复原后的大气层外太阳光谱，D(ν)表示地球阴影区测得暗电流数据，ν表示各数据点对应初始波数值；12)参考谱线的筛选与标记：通过大气辐射传输模型SCIATRAN计算得到模拟的不同切高的大气透过率光谱，从谱线库HITRAN的在线数据库下载大气分子的谱线信息，结合该谱线信息逐段比较观测的大气透过率光谱Tt(ν)和模拟的不同切高的大气透过率光谱，人工筛选出若干个均匀分布的、独立的、特征明显、信噪比高且易于识别的谱线作为参考谱线，并在模拟大气透过率光谱中对参考谱线的位置、理论波数值进行标记；13)参考谱线的多普勒频移修正：获取卫星运行速度、运行方向与太阳光方向夹角，计算卫星在观测方向的速度分量，并采用多普勒频移公式，对各参考谱线对应的理论波数值进行修正，得到红外甚高光谱分辨率探测仪探测到的各参考谱线对应的波数值；14)谱峰位置的精确计算：根据模拟光谱中参考谱线的标记结果，提取观测的大气透过率光谱Tt(ν)中各参考谱线附近数据，利用高斯函数对观测光谱中各参考谱线附近数据进行拟合，精确计算出各参考谱线峰值位置对应的数据点序号；15)红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标系数的计算：获取多个参考谱线修正后的波数值和其对应的谱峰位置数据点序号后，采用一元线性回归方法计算出红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标系数，完成红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标。所述参考谱线的筛选与标记包括以下步骤：21)利用大气辐射传输模型SCIATRAN，模拟默认气体和温压廓线下，红外甚高光谱分辨率探测仪观测南极区，不同切高下的大气透过率光谱曲线；22)从谱线库HITRAN的在线数据库，选取并下载大气分子及其同位素在探测仪观测谱段范围内的谱线信息，其中，大气分子包括H2O、CO2、O3、N2O、CO、CH4和O2，谱线信息包括谱线强度、谱线对应理论波数；23)将观测谱段划分为若干个单元，逐单元比较模拟的和观测的不同切高大气透过率光谱Tt(ν)，并结合下载的谱线强度信息，人工筛选出若干个均匀分布的、独立的、特征明显、信噪比高且易于识别的谱线作为参考谱线，并在模拟的大气透过率光谱中对参考谱线的位置、理论波数值进行标记。所述参考谱线的多普勒频移修正包括以下步骤：31)从卫星辅助数据中提取卫星的运行速度、卫星运行方向与太阳光方向夹角，采用以下公式计算出仪器观测方向具有的速度分量：V＝Vs×cos(θ)，其中，Vs表示卫星的运行速度，θ表示卫星运行方向与太阳光方向夹角，V表示仪器观测方向具有的速度分量；32)根据多普勒频移原理，采用以下公式计算出参考谱线被探测仪观测到的波数值：其中，c表示光速，取值299792458m/s，ν0,i表示第i个参考谱线的理论波数值，νi表示第i个参考谱线被探测仪观测到的波数值。所述谱峰位置的精确计算包括以下步骤：41)根据模拟不同切高大气透过率光谱中参考谱线的标记结果，在观测的切高为15～30km的大气透过率光谱中，人工选取第1个参考谱线附近光谱数据，其中，选取的光谱数据覆盖参考谱线且两侧尾翼至少有2个数据点；42)采用以下公式对参考谱线附近光谱数据点进行拟合，计算得到细化到小数位的谱峰位置对应的数据点序号，其表达式如下：其中，g(k)表示序号为k的数据点对应的大气透过率，kc表示谱峰位置对应的数据点序号，g0表示参考谱线基底位置对应的大气透过率，A表示谱线的深度，A为负数，w表示谱线的宽度；43)重复执行步骤41)、步骤42)，直至得到所有参考谱线峰值位置各自对应的数据点序号。所述红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标系数的计算包括以下步骤：51)根据傅立叶变换光谱学原理，采用下式所示的一元线性回归模型来表征红外甚高光谱分辨率探测仪复原后光谱的数据点序号与其波数之间的关系：v＝a×k+b+ε,ε～N(0,σ2)，其中，ν为波数，k表示数据点序号，a、b表示光谱定标系数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法，其特征在于，包括以下步骤：/n11)观测定标光谱的选取与计算：获取高分五号卫星上红外甚高光谱分辨率探测仪的掩星观测数据，通过观测的复原后的太阳光谱、不同切高的大气透射光谱和暗电流数据，求得观测的不同切高的大气透过率光谱，其计算表达式如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
11)观测定标光谱的选取与计算：获取高分五号卫星上红外甚高光谱分辨率探测仪的掩星观测数据，通过观测的复原后的太阳光谱、不同切高的大气透射光谱和暗电流数据，求得观测的不同切高的大气透过率光谱，其计算表达式如下：



其中，Tt(ν)表示切高为t的大气透过率光谱，St(ν)表示切高为t的复原后的大气透射光谱，Ss(ν)表示复原后的大气层外太阳光谱，D(ν)表示地球阴影区测得暗电流数据，ν表示各数据点对应初始波数值；
12)参考谱线的筛选与标记：通过大气辐射传输模型SCIATRAN计算得到模拟的不同切高的大气透过率光谱，从谱线库HITRAN的在线数据库下载大气分子的谱线信息，结合该谱线信息逐段比较观测的大气透过率光谱Tt(ν)和模拟的不同切高的大气透过率光谱，人工筛选出若干个均匀分布的、独立的、特征明显、信噪比高且易于识别的谱线作为参考谱线，并在模拟大气透过率光谱中对参考谱线的位置、理论波数值进行标记；
13)参考谱线的多普勒频移修正：获取卫星运行速度、运行方向与太阳光方向夹角，计算卫星在观测方向的速度分量，并采用多普勒频移公式，对各参考谱线对应的理论波数值进行修正，得到红外甚高光谱分辨率探测仪探测到的各参考谱线对应的波数值；
14)谱峰位置的精确计算：根据模拟光谱中参考谱线的标记结果，提取观测的大气透过率光谱Tt(ν)中各参考谱线附近数据，利用高斯函数对观测光谱中各参考谱线附近数据进行拟合，精确计算出各参考谱线峰值位置对应的数据点序号；
15)红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标系数的计算：获取多个参考谱线修正后的波数值和其对应的谱峰位置数据点序号后，采用一元线性回归方法计算出红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标系数，完成红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标。


2.根据权利要求1所述的一种用于高分五号卫星的红外甚高光谱分辨率探测仪在轨光谱定标方法，其特征在于，所述参考谱线的筛选与标记包括以下步骤：
21)利用大气辐射传输模型SCIATRAN，模拟默认气体和温压廓线下，红外甚高光谱分辨率探测仪观测南极区，不同切高下的大气透过率光谱曲线；
22)从谱线库HITRAN的在线数据库，选取并下载大气分子及其同位素在探测仪观测谱段范围内的谱线信息，其中，大气分子包括H2O、CO2、O3、N2O、CO、CH4和O2，谱线信息包括谱线强度、谱线对应理论波数；
23)将观测谱段划分为若干个单元，逐单元比较模拟的和观测的不同切高大气透过率光谱Tt(ν)，并结合下载的谱线强度信息，人工筛选出若干个均匀分布的、独立的、特征明显、信噪比高且易于识别的谱线作为参考谱线，并在...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜丽丽，刘李，葛曙乐，李志伟，丁国绅，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34