[發(fā)明專利]一種星載超光譜成像儀氣體探測條帶效應(yīng)修正方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011467896.6
• 申請日: 2020-12-14
• 公開（公告）號: CN112630174B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周海金;司福祺
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31;G01N21/17;G06F18/2135
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明

本發(fā)明公開了一種星載超光譜成像儀氣體探測條帶效應(yīng)修正方法。首先基于光照幾何參數(shù)進行氣體產(chǎn)品的大氣傳輸光程校正；隨后使用氣體反演中均方根殘差作為氣體數(shù)據(jù)質(zhì)量篩選判據(jù)，消除云飽和、光照過弱等因素導(dǎo)致的無效數(shù)據(jù)；再利用主成分分析算法實現(xiàn)對多軌數(shù)據(jù)氣體濃度系統(tǒng)性條帶效應(yīng)結(jié)構(gòu)的提取，用于條帶效應(yīng)修正。使用本發(fā)明條帶效應(yīng)修正方法，可以在準(zhǔn)確的保留氣體區(qū)域分布細(xì)節(jié)的同時，有效去除條帶效應(yīng)，解決了星載超光譜成像光譜儀在大氣探測中的固有非均勻性問題，也有助于條帶效應(yīng)修正算法的自動業(yè)務(wù)化實現(xiàn)，實現(xiàn)星載超光譜成像光譜儀長壽命在軌期間的條帶效應(yīng)定期自動修正，最終實現(xiàn)高質(zhì)量NOsubgt;2/subgt;、SO2、O3、HCHO、BrO、OClO等多種大氣痕量氣體成分的遙感探測。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于大氣污染衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，具體涉及一種星載超光譜成像儀氣體探測條帶效應(yīng)修正方法。

背景技術(shù)

衛(wèi)星遙感技術(shù)以其獨特的全球覆蓋、快速、多光譜、大信息量的特點在大氣環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域占有無可比擬的優(yōu)勢。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有多顆星載超光譜成像儀在軌運行，用于地球大氣遙感，如歐洲的OMI、TROPOMI，中國的大氣痕量氣體差分吸收光譜儀(EMI)等。這些載荷設(shè)計視場大，面陣推掃工作方式工作，一天完成全球覆蓋。光譜范圍寬，覆蓋紫外可見波段，光譜分辨率通常優(yōu)于0.5nm。載荷通過探測地球大氣或地球表面反射、散射的紫外/可見光輻射來解析痕量污染氣體成分分布和變化。利用光譜數(shù)據(jù)，基于差分吸收光譜算法等手段，用戶實現(xiàn)O₃、NO₂等氣體的遙感定量反演。

星載超光譜成像儀應(yīng)用過程中，由于儀器本身非均勻性的存在，導(dǎo)致了最終氣體產(chǎn)品出現(xiàn)了系統(tǒng)性條帶效應(yīng)。以大氣痕量氣體差分吸收光譜儀(EMI)為例，在采用差分吸收光譜算法，反演NO₂、O₃、HCHO等氣體產(chǎn)品過程中，均發(fā)現(xiàn)氣體柱濃度呈現(xiàn)出異常的條帶效應(yīng)，在穿軌方向柱濃度存在系統(tǒng)性固定偏差，偏差的大小和位置基本固定。如圖1給出了一軌觀測的NO₂斜柱濃度分布。可以看出伴隨著升軌飛行軌跡，在橫向穿軌方向分布著大小不一的豎線。考慮大氣分布實際特質(zhì)，這些條帶是不應(yīng)該存在。如果不加處理，會干擾真實氣體濃度信息。

對于條帶效應(yīng)，目前現(xiàn)有的校正手段是基于潔凈區(qū)域氣體濃度均一的特點，通過統(tǒng)計學(xué)方法，分析條帶偏差的大小進行校正。存在的問題是，統(tǒng)計過程中原始數(shù)據(jù)受云、光照、污染源排放干擾，需要人工挑選潔凈區(qū)域的高質(zhì)量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，費時費力，難以實現(xiàn)業(yè)務(wù)化。考慮到星載儀器在軌壽命通常長于10年，由于儀器衰退，條帶效應(yīng)的校正系數(shù)也在持續(xù)變化，有必要開發(fā)一種新的氣體探測條帶效應(yīng)修正方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種星載超光譜成像儀氣體探測條帶效應(yīng)修正方法，來消除條帶效應(yīng)對真實大氣信息的干擾，獲得高精度氣體濃度數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并實現(xiàn)業(yè)務(wù)化校正。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種星載超光譜成像儀氣體探測條帶效應(yīng)修正方法，利用基于光照幾何參數(shù)進行氣體產(chǎn)品的大氣傳輸光程校正；隨后使用氣體反演中均方根殘差作為氣體數(shù)據(jù)質(zhì)量篩選判據(jù)，消除云飽和、光照過弱等因素導(dǎo)致的無效數(shù)據(jù)；再利用主成分分析算法實現(xiàn)對多軌數(shù)據(jù)氣體濃度系統(tǒng)性條帶效應(yīng)結(jié)構(gòu)的提取，用于后續(xù)條帶效應(yīng)修正。如圖2描述了條帶效應(yīng)修正流程。具體實現(xiàn)方法如下：

步驟1、對氣體產(chǎn)品反演過程中的斜柱濃度進行大氣傳輸光程校正。氣體產(chǎn)品的生產(chǎn)過程包括斜柱濃度反演、垂直柱濃度轉(zhuǎn)化。其中垂直柱濃度同觀測幾何角度無關(guān)，而斜柱濃度代表光線傳輸路徑內(nèi)氣體積分濃度，二者轉(zhuǎn)化需要借助輻射傳輸模型。為避免繁瑣耗時的輻射傳輸模型計算過程，考慮到條帶效應(yīng)產(chǎn)生于斜柱濃度反演階段，因此選擇斜柱濃度數(shù)據(jù)進行后續(xù)分析。如圖3所示，可以采用簡化幾何模型消除斜柱濃度同天頂角、方位角的相關(guān)性。將一軌斜柱濃度按照如下形式進行組織：