[發(fā)明專利]一種基于超高光譜遙感無盲區(qū)臭氧垂直分布的遙測(cè)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110758931.8
• 申請(qǐng)日: 2021-07-06
• 公開（公告）號(hào): CN113552081B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉誠;季祥光;李啟華;邢成志;胡啟后
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/31
• 分類號(hào): G01N21/31;G01N21/17;G06F17/15
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

1.一種基于超高光譜遙感無盲區(qū)臭氧垂直分布的遙測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括硬件部分和軟件部分；

硬件部分包括一高分辨率光譜儀、用于系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集的工控機(jī)、用于閉環(huán)控制恒定溫濕度工作環(huán)境的懸掛系統(tǒng)、水平偏擺旋轉(zhuǎn)的方位角單元、垂直俯仰旋轉(zhuǎn)的仰角單元、玻璃罩以及自動(dòng)清潔系統(tǒng)；儀器硬件整體搭建依賴于懸掛系統(tǒng)；其中：

所述高分辨率光譜儀，通過數(shù)據(jù)線與工控機(jī)連接；

所述懸掛系統(tǒng)，其內(nèi)部安裝有溫濕度傳感器和溫濕度調(diào)節(jié)器；溫濕度傳感器用于檢測(cè)系統(tǒng)的溫濕度情況；溫濕度調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫濕度；

所述水平偏擺旋轉(zhuǎn)的方位角單元，位于懸掛系統(tǒng)頂部，方位角單元底部設(shè)有直流驅(qū)動(dòng)的水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)，方位角電機(jī)與機(jī)頂連接轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)0-360度水平偏擺；

所述玻璃罩，為圓柱形，位于方位角單元一側(cè)；

所述垂直俯仰旋轉(zhuǎn)的仰角單元，設(shè)置于玻璃罩內(nèi)；仰角單元由兩個(gè)相互垂直放置的直角棱鏡和控制其俯仰旋轉(zhuǎn)的直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，直角棱鏡用于收集天空散射光并導(dǎo)入石英光纖，直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于控制直角棱鏡的俯仰旋轉(zhuǎn)，以便收集不同仰角下的天空散射光；石英光纖與高分辨率光譜儀相連；石英光纖與單元控制線組成總線進(jìn)入懸掛系統(tǒng)內(nèi)；

所述玻璃罩上，安裝有自動(dòng)清潔系統(tǒng)，用于去除玻璃罩上的浮灰、水霧；

所述工控機(jī)，用于控制系統(tǒng)工作與數(shù)據(jù)采集，包括：控制每條測(cè)量光譜曝光時(shí)間、采集記錄光譜數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)內(nèi)溫濕度傳感器檢測(cè)到的溫濕度信息；通過紅外信號(hào)控制溫濕度調(diào)節(jié)器預(yù)設(shè)溫濕度；閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)工作環(huán)境，保證系統(tǒng)開機(jī)自動(dòng)進(jìn)入預(yù)設(shè)環(huán)境與動(dòng)態(tài)平衡；通過數(shù)據(jù)線控制方位角單元與仰角單元的旋轉(zhuǎn)；控制自動(dòng)清潔系統(tǒng)去除玻璃罩上的浮灰、水霧；

軟件部分是一反演算法模塊；該反演算法模塊，將硬件系統(tǒng)獲得的天空散射光譜序列，經(jīng)過反演算法得到近地面以上大氣臭氧分布濃度；

所述反演算法，具體內(nèi)容如下：

(1)各第三方獨(dú)立臭氧廓線數(shù)據(jù)庫有各自時(shí)間分辨率，當(dāng)數(shù)據(jù)庫時(shí)間分辨率無法滿足算法使用要求情況下，通過時(shí)間加權(quán)的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析，獲取觀測(cè)地對(duì)流層臭氧尤其邊界層頂至平流層底即上對(duì)流層臭氧全時(shí)段的最優(yōu)估算下廓線結(jié)果：

首先，計(jì)算出觀測(cè)日前后逐月月平均結(jié)果，按照大氣分層，相應(yīng)獲得每一層月度平均濃度，其計(jì)算公式為：

con_i為第i層臭氧平均濃度，con_i,j為外部數(shù)據(jù)庫中獲得的第j條第i層臭氧濃度，n為外部數(shù)據(jù)庫中當(dāng)月臭氧廓線總數(shù)目；

當(dāng)日估計(jì)上對(duì)流層臭氧垂直分布狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)日日期a以及當(dāng)月總天數(shù)b按照時(shí)間加權(quán)獲得，其計(jì)算公式為：

con_i為估計(jì)上對(duì)流層臭氧第i層濃度，con_k,i為當(dāng)前第k月第i層平均臭氧濃度，con_k+1,i為次月即第k+1月第i層平均臭氧濃度；

結(jié)合上述式(1)、式(2)結(jié)果，耦合多大氣參數(shù)反演獲得對(duì)流層臭氧廓線結(jié)果，構(gòu)建無盲區(qū)臭氧垂直分布算法，具體步驟為：

第一步，將外部數(shù)據(jù)庫觀測(cè)地當(dāng)日臭氧垂直分布信息按照反演算法要求的分層格點(diǎn)插值計(jì)算出逐層臭氧濃度；

第二步，構(gòu)建反演的目標(biāo)函數(shù)，由于地基遙感對(duì)于不同高度層臭氧信息敏感性不同，在反演中固定平流層臭氧濃度，將估計(jì)上對(duì)流層臭氧垂直分布濃度以及恒定的邊界層內(nèi)臭氧濃度作為先驗(yàn)信息，結(jié)合相應(yīng)的系統(tǒng)觀測(cè)仰角、太陽觀測(cè)幾何角度、大氣溫度壓力廓線和邊界層內(nèi)氣溶膠光學(xué)參數(shù)，包括氣溶膠消光系數(shù)、單次光學(xué)反照率、氣溶膠非對(duì)稱因子這些已知邊界條件，構(gòu)建反演目標(biāo)函數(shù)如下：

式中，m為觀測(cè)仰角索引，M為觀測(cè)仰角的總個(gè)數(shù)；n，k分別為設(shè)定反演的邊界層與上對(duì)流層臭氧廓線的總層數(shù)的索引，N，K分別為設(shè)定反演邊界層內(nèi)與上對(duì)流層臭氧總層數(shù)；x，x'和x”分別為邊界層內(nèi)、上對(duì)流層、平流層臭氧濃度，x_n與x_k分別為第n層的邊界層臭氧濃度與第k層的上對(duì)流層臭氧濃度，x_a,n與x_a,k分別為第n層的邊界層內(nèi)與第k層的上對(duì)流層臭氧濃度的先驗(yàn)值；F_m(x)為觀測(cè)仰角為m時(shí)的臭氧光路總濃度的模擬值，y_m為觀測(cè)仰角為m時(shí)的臭氧光路總濃度的觀測(cè)值；σ_ε,m為觀測(cè)仰角為m時(shí)的臭氧光路總濃度的誤差，選取超光譜擬合算法計(jì)算的臭氧光路總濃度誤差的兩倍數(shù)值；σ_a,n與σ_a,k分別為邊界層內(nèi)第n層與上對(duì)流層第k層的臭氧濃度先驗(yàn)誤差，兩分層誤差均設(shè)定為隨分層海拔高度線性降低曲線，邊界層內(nèi)近地面層誤差為100％，誤差降低率隨層數(shù)按照5％線性降低，上對(duì)流層內(nèi)最底層誤差為50％，誤差降低率隨層數(shù)按照2％線性降低；

在一個(gè)觀測(cè)序列中將反演目標(biāo)函數(shù)也稱價(jià)值函數(shù)，轉(zhuǎn)化為矩陣形式：

其中，χ²(x)為反演目標(biāo)函數(shù)，F(xiàn)(x,x',x”)為邊界層內(nèi)、上對(duì)流層、平流層臭氧濃度分別為向量x,x’,x”狀態(tài)下前向模擬的臭氧光路總濃度，y為臭氧光路總濃度觀測(cè)值，為觀測(cè)誤差協(xié)方差矩陣的逆矩陣，x_a，x'_a分別為邊界層內(nèi)、上對(duì)流層的臭氧先驗(yàn)廓線狀態(tài)向量；分別為邊界層內(nèi)和上對(duì)流層的先驗(yàn)誤差協(xié)方差矩陣的逆矩陣；在構(gòu)建該反演目標(biāo)函數(shù)后，通過非線性最優(yōu)估計(jì)反演，獲得邊界層內(nèi)以及上對(duì)流層臭氧濃度信息；

反演算法是一個(gè)迭代過程，在每一步迭代過程中，分別對(duì)邊界層與上對(duì)流層迭代計(jì)算如下公式：

其中，i為迭代次數(shù)，為第i次迭代時(shí)權(quán)重矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣，V(x_i)為臭氧狀態(tài)量為X_i的前向模擬的臭氧光路總濃度；

權(quán)重函數(shù)為臭氧光路總濃度對(duì)各層濃度的偏導(dǎo)數(shù)；

在迭代過程中，當(dāng)總價(jià)值函數(shù)小于預(yù)設(shè)價(jià)值函數(shù)閾值，或累計(jì)迭代次數(shù)大于最大設(shè)定次數(shù)后，將迭代當(dāng)次狀態(tài)量輸出為最終反演的臭氧廓線結(jié)果，并同步輸出獲得逐層臭氧濃度誤差；將對(duì)流層臭氧濃度對(duì)高度積分獲得對(duì)流層臭氧垂直柱總量、反演誤差均方根參數(shù)。