[發明專利]一種用于高分五號衛星的紅外甚高光譜分辨率探測儀在軌光譜定標方法

有效

• 申請號: 202010601137.8
• 申請日: 2020-06-29
• 公開（公告）號: CN111721734B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發明（設計）人: 杜麗麗;劉李;葛曙樂;李志偉;丁國紳
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N21/3504
• 分類號: G01N21/3504;G01N21/27;G01S19/03
• 代理公司: 合肥國和專利代理事務所(普通合伙) 34131
• 代理人: 張祥騫

1.一種用于高分五號衛星的紅外甚高光譜分辨率探測儀在軌光譜定標方法，其特征在于，包括以下步驟：

11)觀測定標光譜的選取與計算：獲取高分五號衛星上紅外甚高光譜分辨率探測儀的掩星觀測數據，通過觀測的復原后的太陽光譜、不同切高的大氣透射光譜和暗電流數據，求得觀測的不同切高的大氣透過率光譜，其計算表達式如下：

其中，T_t(ν)表示切高為t的大氣透過率光譜，S_t(ν)表示切高為t的復原后的大氣透射光譜，S_s(ν)表示復原后的大氣層外太陽光譜，D(ν)表示地球陰影區測得暗電流數據，ν表示各數據點對應初始波數值；

12)參考譜線的篩選與標記：通過大氣輻射傳輸模型SCIATRAN計算得到模擬的不同切高的大氣透過率光譜，從譜線庫HITRAN的在線數據庫下載大氣分子的譜線信息，結合該譜線信息逐段比較觀測的大氣透過率光譜T_t(ν)和模擬的不同切高的大氣透過率光譜，人工篩選出若干個均勻分布的、獨立的、特征明顯、信噪比高且易于識別的譜線作為參考譜線，并在模擬大氣透過率光譜中對參考譜線的位置、理論波數值進行標記；

13)參考譜線的多普勒頻移修正：獲取衛星運行速度、運行方向與太陽光方向夾角，計算衛星在觀測方向的速度分量，并采用多普勒頻移公式，對各參考譜線對應的理論波數值進行修正，得到紅外甚高光譜分辨率探測儀探測到的各參考譜線對應的波數值；

所述參考譜線的多普勒頻移修正包括以下步驟：

131)從衛星輔助數據中提取衛星的運行速度、衛星運行方向與太陽光方向夾角，采用以下公式計算出儀器觀測方向具有的速度分量：

V＝V_s×cos(θ)，

其中，V_s表示衛星的運行速度，θ表示衛星運行方向與太陽光方向夾角，V表示儀器觀測方向具有的速度分量；

132)根據多普勒頻移原理，采用以下公式計算出參考譜線被探測儀觀測到的波數值：

其中，c表示光速，取值299792458m/s，ν_0,i表示第i個參考譜線的理論波數值，ν_i表示第i個參考譜線被探測儀觀測到的波數值；

14)譜峰位置的精確計算：根據模擬光譜中參考譜線的標記結果，提取觀測的大氣透過率光譜T_t(ν)中各參考譜線附近數據，利用高斯函數對觀測光譜中各參考譜線附近數據進行擬合，精確計算出各參考譜線峰值位置對應的數據點序號；

所述譜峰位置的精確計算包括以下步驟：

141)根據模擬不同切高大氣透過率光譜中參考譜線的標記結果，在觀測的切高為15～30km的大氣透過率光譜中，人工選取第1個參考譜線附近光譜數據，其中，選取的光譜數據覆蓋參考譜線且兩側尾翼至少有2個數據點；

142)采用以下公式對參考譜線附近光譜數據點進行擬合，計算得到細化到小數位的譜峰位置對應的數據點序號，其表達式如下：

其中，g(k)表示序號為k的數據點對應的大氣透過率，k_c表示譜峰位置對應的數據點序號，g₀表示參考譜線基底位置對應的大氣透過率，A表示譜線的深度，A為負數，w表示譜線的寬度；

143)重復執行步驟141)、步驟142)，直至得到所有參考譜線峰值位置各自對應的數據點序號；

15)紅外甚高光譜分辨率探測儀在軌光譜定標系數的計算：獲取多個參考譜線修正后的波數值和其對應的譜峰位置數據點序號后，采用一元線性回歸方法計算出紅外甚高光譜分辨率探測儀在軌光譜定標系數，完成紅外甚高光譜分辨率探測儀在軌光譜定標；

所述紅外甚高光譜分辨率探測儀在軌光譜定標系數的計算包括以下步驟：

151)根據傅立葉變換光譜學原理，采用下式所示的一元線性回歸模型來表征紅外甚高光譜分辨率探測儀復原后光譜的數據點序號與其波數之間的關系：

v＝a×k+b+ε,ε～N(0,σ²)，

其中，ν為波數，k表示數據點序號，a、b表示光譜定標系數，ε表示隨機誤差，假設其服從方差為σ的正態分布，N表示服從正態分布；

152)根據各參考譜線的數據點序號和波數數據對(ν_i,k_i)，i＝1,...n，采用下式求得a的估計值和b的估計值

其中，和分別是ν_i、k_i的平均值；

153)得到a和b的估計值和即得到了光譜定標系數，進而求得復原光譜每個數據點對應波數的估計值完成紅外甚高光譜分辨率探測儀在軌光譜定標。

2.根據權利要求1所述的一種用于高分五號衛星的紅外甚高光譜分辨率探測儀在軌光譜定標方法，其特征在于，所述參考譜線的篩選與標記包括以下步驟：

21)利用大氣輻射傳輸模型SCIATRAN，模擬默認氣體和溫壓廓線下，紅外甚高光譜分辨率探測儀觀測南極區，不同切高下的大氣透過率光譜曲線；

22)從譜線庫HITRAN的在線數據庫，選取并下載大氣分子及其同位素在探測儀觀測譜段范圍內的譜線信息，其中，大氣分子包括H₂O、CO₂、O₃、N₂O、CO、CH₄和O₂，譜線信息包括譜線強度、譜線對應理論波數；

23)將觀測譜段劃分為若干個單元，逐單元比較模擬的和觀測的不同切高大氣透過率光譜T_t(ν)，并結合下載的譜線強度信息，人工篩選出若干個均勻分布的、獨立的、特征明顯、信噪比高且易于識別的譜線作為參考譜線，并在模擬的大氣透過率光譜中對參考譜線的位置、理論波數值進行標記。