大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測(cè)儀數(shù)字建模與仿真

江澄 陶東興 何紅艷

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大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測(cè)儀數(shù)字建模與仿真

江澄1,2陶東興3何紅艷1,2

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（2 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）（3 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

“高分五號(hào)”衛(wèi)星是中國(guó)高分專項(xiàng)工程中的唯一一顆實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率的遙感衛(wèi)星，其中搭載的大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測(cè)儀（Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder，AIUS）是中國(guó)第一個(gè)星載超高光譜掩星探測(cè)載荷，是中國(guó)目前光譜分辨率最高的星載傅里葉變換光譜儀。文章基于AIUS的探測(cè)原理，以掩星觀測(cè)路徑的能量傳輸為線索，研究探測(cè)儀數(shù)據(jù)獲取鏈路中各個(gè)環(huán)節(jié)的輻射傳輸過程，建立了包括大氣紅外輻射傳輸仿真和探測(cè)器仿真的數(shù)字化建模與仿真模型，并對(duì)仿真模型進(jìn)行了精度驗(yàn)證，充分驗(yàn)證了數(shù)字仿真模型的有效性和準(zhǔn)確性。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：數(shù)字仿真模型具有高精度的數(shù)據(jù)仿真能力，所有通道仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)相比，相對(duì)誤差小于2%，數(shù)據(jù)相似度優(yōu)于0.99。因此，數(shù)字仿真模型能夠?yàn)椤案叻治逄?hào)”衛(wèi)星大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測(cè)儀在軌成像質(zhì)量預(yù)測(cè)、指標(biāo)參數(shù)優(yōu)化和應(yīng)用能力評(píng)價(jià)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

掩星測(cè)量 傅里葉變換光譜儀 建模與仿真 高光譜 “高分五號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

隨著人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響越來越不容忽視，大氣成分及濃度隨著人類活動(dòng)的發(fā)展發(fā)生了巨大的變化。大氣中的痕量氣體和氣溶膠不僅具有化學(xué)活性，還具有輻射活性，對(duì)太陽(yáng)輻射和地表紅外輻射有很強(qiáng)的吸收作用，它們的濃度雖低，但對(duì)地氣系統(tǒng)的能量收支及生物圈與大氣的相互作用過程卻有著不容忽視的作用，同時(shí)痕量氣體還間接對(duì)全球的生態(tài)環(huán)境以及氣候變化造成嚴(yán)重影響[1-3]。大氣痕量氣體的研究日益受到重視，其總量和高度分布的變化成為了國(guó)際上大力發(fā)展的研究方向。

采用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的方法，可以快速、經(jīng)濟(jì)、可重復(fù)地獲取宏觀尺度上大氣痕量氣體的信息。紅外光譜區(qū)是大氣痕量氣體的“指紋區(qū)”，富含痕量氣體豐富的診斷性光譜特征[4-5]。因此利用星載高光譜紅外探測(cè)儀研究大氣痕量氣體具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

“高分五號(hào)”衛(wèi)星是高分重大專項(xiàng)中唯一一顆實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率對(duì)地觀測(cè)的衛(wèi)星，是國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)能力的重要標(biāo)志。作為“高分五號(hào)”衛(wèi)星的主要載荷之一，大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測(cè)儀（Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder，AIUS）是我國(guó)第一個(gè)星載高光譜掩星探測(cè)載荷，是國(guó)內(nèi)目前光譜分辨率最高的星載傅里葉變換光譜儀。其采用太陽(yáng)掩星的探測(cè)方式，利用干涉傅立葉變換光譜探測(cè)技術(shù)對(duì)大氣進(jìn)行高光譜分辨率、高信噪比和寬波段范圍的精細(xì)光譜探測(cè)，獲取不同高度大氣的成分和濃度分布，為氣候變化研究和大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)[6-8]。

國(guó)際上首次采用掩星模式進(jìn)行大氣成分探測(cè)的載荷是加拿大SCISAT-1衛(wèi)星上搭載的ACE-FTS（Atmospheric Chemistry Experiment-Fourier Transform Spectrometer），它能夠提供10~100km的大氣溫度、壓強(qiáng)的高程廓線以及35種分子的體積混合比廓線。在ACE-FTS發(fā)射之前，SCISAT-1衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)開展了載荷性能仿真分析，但是其研究重點(diǎn)是載荷關(guān)鍵指標(biāo)的滿足度，并沒有從輻射傳輸角度分析太陽(yáng)—大氣—載荷鏈路的能量傳遞模型[9-10]。本文針對(duì)大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測(cè)儀的探測(cè)過程，通過建立太陽(yáng)、大氣、衛(wèi)星和探測(cè)儀等環(huán)節(jié)的仿真模型，開展探測(cè)儀的全鏈路數(shù)據(jù)仿真，為“高分五號(hào)”衛(wèi)星在軌成像品質(zhì)預(yù)測(cè)、指標(biāo)參數(shù)優(yōu)化和應(yīng)用能力評(píng)價(jià)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

1 探測(cè)儀原理

太陽(yáng)光到達(dá)探測(cè)儀入瞳處后，探測(cè)儀內(nèi)部的能量傳遞過程為：太陽(yáng)光由跟蹤反射鏡引入探測(cè)儀輸入光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)前光學(xué)壓束后進(jìn)入干涉儀，經(jīng)干涉調(diào)制后的干涉光束被輸出光學(xué)系統(tǒng)匯聚引入銻化銦探測(cè)器（InSb）和碲鎘汞探測(cè)器（Mct），并最終轉(zhuǎn)換為干涉信號(hào)。AIUS還包括一臺(tái)太陽(yáng)跟蹤器，其功能是自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，將太陽(yáng)光穩(wěn)定引入輸入光學(xué)組件中。AIUS的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖1 掩星模式測(cè)量的幾何光路示意圖

表1 AIUS主要技術(shù)指標(biāo)

Tab.1 Key parameters of AIUS

2 數(shù)字建模與仿真

2.1 總體流程

根據(jù)掩星模式下太陽(yáng)—大氣—遙感器路徑的大氣輻射傳輸機(jī)制，以輻射能量計(jì)算為線索，分析到達(dá)AIUS入瞳處的輻亮度構(gòu)成以及輻射在AIUS內(nèi)部的傳輸過程，建立全鏈路仿真模型，模擬大氣對(duì)輻射的衰減、遙感器能量衰減以及光電轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，從而仿真生成高精度的干涉數(shù)據(jù)。全鏈路數(shù)字建模與仿真流程如圖2所示。

圖2 數(shù)字建模與仿真流程

全鏈路數(shù)字建模與仿真主要包含以下兩個(gè)方面的仿真模型：

1）大氣輻射傳輸仿真：根據(jù)掩星模式的輻射傳輸路徑，計(jì)算太陽(yáng)光經(jīng)過大氣傳輸后在探測(cè)儀入瞳處形成的光譜輻亮度分布，為探測(cè)儀仿真提供輸入數(shù)據(jù)。

2）探測(cè)儀仿真：建立AIUS內(nèi)部的能量傳遞模型，利用光學(xué)系統(tǒng)、干涉儀模塊、探測(cè)器及電子學(xué)系統(tǒng)的真實(shí)參數(shù)，模擬AIUS對(duì)入射能量的響應(yīng)過程，生成高精度的仿真干涉數(shù)據(jù)。

2.2 大氣紅外輻射傳輸建模與仿真

基于圖1的幾何光路，對(duì)于處于局域熱力學(xué)平衡的大氣來說，大氣紅外輻射傳輸方程可以表示為[11]：

式中L為輻射強(qiáng)度；表示波數(shù)；B為溫度對(duì)應(yīng)的普朗克黑體發(fā)射強(qiáng)度；是沿光線路徑的距離坐標(biāo)，原點(diǎn)取在切點(diǎn)。為了獲得大氣痕量氣體的垂直廓線，考慮球面幾何學(xué)的知識(shí)，將變量改為，則太陽(yáng)掩星測(cè)量的輻亮度可以寫為：

式中 K（）表示權(quán)函數(shù)，它隨幾何因子以及相對(duì)于高度所采用的譜帶模式而變化。

大氣紅外輻射傳輸計(jì)算的核心問題是計(jì)算垂直分層大氣的透過率，而計(jì)算透過率的前提是高精度的輻亮度模擬。高精度的輻亮度模擬一般采用逐線積分（Line-By-Line，LBL）的方法，即對(duì)各種氣體的吸收譜線對(duì)輻射的貢獻(xiàn)值逐線積分[12-13]。

大氣輻射傳輸模型SCIATRAN是一種基于LBL的高光譜分辨率大氣輻射傳輸模型，用于地基以及大氣中任意高度觀測(cè)光譜的模擬[14-15]。通過考慮多種痕量氣體（O3、NO2、OCLO、SO2、NO3等）、氣溶膠及云的影響，根據(jù)HITRAN（HIgh-resolution TRANsmission molecular absorption database）的譜線資料（如吸收線中心波長(zhǎng)、線強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下增寬半寬以及低能態(tài)能量），SCIATRAN模型能夠精確模擬光譜范圍為175.44nm~40μm的大氣輻射傳輸，計(jì)算輻射率、權(quán)函數(shù)、大氣質(zhì)量因子、垂直光學(xué)厚度等多種參量[16-17]。

2.3 探測(cè)儀建模與仿真

根據(jù)AIUS成像機(jī)理及輻射傳遞機(jī)制，入瞳輻亮度經(jīng)前置光學(xué)系統(tǒng)后，由干涉儀調(diào)制得到干涉條紋，最終通過探測(cè)器及電子學(xué)系統(tǒng)對(duì)能量進(jìn)行采樣、光電轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到量化后的干涉數(shù)據(jù)。在建模與仿真過程中同時(shí)考慮了上述各個(gè)環(huán)節(jié)引入的噪聲影響。

（1）能量傳輸

入瞳輻射強(qiáng)度L經(jīng)前置光學(xué)系統(tǒng)衰減后，到達(dá)干涉儀光學(xué)子系統(tǒng)的輻照度E為：

干涉儀光學(xué)子系統(tǒng)為折疊式光路結(jié)構(gòu)，由于實(shí)際系統(tǒng)并非一個(gè)零視場(chǎng)系統(tǒng)，考慮到視線偏轉(zhuǎn)角的影響（如圖3所示），光程差要乘以因子cos，干涉光信號(hào)的輻照度E（）可以表示為：

式中M為干涉儀調(diào)制效率；為光程差；FOV為視場(chǎng)角。

探測(cè)器及電子學(xué)系統(tǒng)將輸入的光譜輻照度進(jìn)行采樣、光電轉(zhuǎn)換及模數(shù)轉(zhuǎn)換后，得到電信號(hào)′，考慮系統(tǒng)的量化位數(shù)為bit，系統(tǒng)的最大電流為，得到干涉量化信息Dn：

（2）探測(cè)儀噪聲

系統(tǒng)噪聲決定了輻射度測(cè)量的基本極限。能量在探測(cè)儀光學(xué)系統(tǒng)中傳遞時(shí)，將引入背景噪聲，在探測(cè)器及電子學(xué)系統(tǒng)中傳遞時(shí)，將引入探測(cè)器相關(guān)的一系列噪聲（如光子噪聲、熱噪聲、暗電流噪聲等）和由采樣過程導(dǎo)致的量化噪聲、采樣噪聲等[18-20]。對(duì)于種不同的噪聲來源noise，其滿足平方和疊加關(guān)系，則探測(cè)儀的全部系統(tǒng)噪聲noise表示為：

為了便于評(píng)估系統(tǒng)噪聲，一般用噪聲等效輻亮度NESR（Noise Equivalent Spectral Radiance）來表示探測(cè)儀噪聲：

式中 為光譜分辨率；為儀器光通量；儀器效率；t為干涉圖采集周期；R(v)為探測(cè)器響應(yīng)率。

3 仿真精度驗(yàn)證

利用建立的數(shù)字化仿真模型，對(duì)AIUS探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。在仿真過程中，輸入數(shù)據(jù)為待探測(cè)區(qū)域的大氣狀況、成像時(shí)間以及切高位置，還需設(shè)定光學(xué)系統(tǒng)透過率、視場(chǎng)角、光程差、探測(cè)器尺寸等探測(cè)儀參數(shù)，詳細(xì)的參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 仿真主要輸入?yún)?shù)

Tab.2 Key input parameters for simulation

為了仿真探測(cè)儀每一次掩星觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)，參數(shù)設(shè)置中將切高位置設(shè)置為10~100km，并以5km為間隔，因此，利用大氣紅外輻射傳輸模塊可以仿真得到共計(jì)19次的掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)。為了更直觀的表現(xiàn)各層大氣內(nèi)氣體的吸收特征，將每次掩星觀測(cè)的輻亮度與大氣層外的太陽(yáng)輻亮度相比，則可以得到各層大氣的透過率曲線。圖4、圖5分別為2 000~2 240cm–1范圍內(nèi)、700~940cm–1范圍內(nèi)的一系列大氣透過率光譜。

圖4 2 000~2 240cm–1譜段范圍內(nèi)不同切高位置的仿真輻亮度

圖5 700~940cm–1譜段范圍內(nèi)不同切高位置的仿真輻亮度

仿真得到的大氣吸收光譜中包含了不同痕量氣體的特征光譜，選擇如表3所示的兩個(gè)光譜微窗（Micro-Window，MW），相應(yīng)的特征光譜如圖6所示，通過比較主要吸收氣體CO2和O3的中心波長(zhǎng)位置，仿真光譜的中心波長(zhǎng)位置與HITRAN標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中特征譜線位置一致，驗(yàn)證了大氣輻射傳輸建模與仿真模型的精度。

表3 典型痕量氣體的特征吸收譜段

為了驗(yàn)證探測(cè)儀仿真模塊的精度，將探測(cè)儀于2017年6月1日采集的太陽(yáng)光譜作為仿真模型的輸入信號(hào)，利用建立的仿真模型進(jìn)行探測(cè)儀數(shù)據(jù)仿真。探測(cè)儀InSb通道和Mct通道測(cè)量得到的干涉數(shù)據(jù)和仿真干涉數(shù)據(jù)分別如圖7、圖8所示。

為了評(píng)價(jià)干涉數(shù)據(jù)的仿真精度，采用相對(duì)均方根誤差RRMSE（Relative Root Mean Square Error）和Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析。Q和P分別表示仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，表示參與計(jì)算的干涉數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)（=1，2，3，······，），則計(jì)算公式如式（8）和式（9）所示。

其中，RRMSE表示數(shù)據(jù)間的相對(duì)誤差，其值越小，相對(duì)誤差越?。籔earson相關(guān)系數(shù)表示數(shù)據(jù)間的平均相似度，其值越大，數(shù)據(jù)之間的相似度越大。計(jì)算結(jié)果如表3所示，對(duì)于InSb通道，仿真干涉數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)干涉數(shù)據(jù)的RRMSE為1.94%，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.997 2；對(duì)于Mct通道，仿真干涉數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)干涉數(shù)據(jù)的RRMSE為1.26%，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.998 3。由結(jié)果可見，無(wú)論是InSb通道還是Mct通道，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差都較小，數(shù)據(jù)相似性都極高，說明針對(duì)AIUS的數(shù)字仿真模型具有高精度的數(shù)據(jù)仿真能力。

圖7 InSb通道仿真干涉數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)干涉數(shù)據(jù)的比較

圖8 Mct通道仿真干涉數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)干涉數(shù)據(jù)的比較

表4 仿真精度評(píng)價(jià)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于AIUS的探測(cè)原理，以掩星觀測(cè)路徑的能量傳輸為線索，研究探測(cè)儀數(shù)據(jù)獲取鏈路中各個(gè)環(huán)節(jié)的輻射傳輸過程，建立了包括大氣紅外輻射傳輸仿真和探測(cè)器仿真的數(shù)字化建模與仿真模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了建立的數(shù)字化仿真模型的有效性和準(zhǔn)確性。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：數(shù)字仿真模型具有高精度的數(shù)據(jù)仿真能力，所有通道仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)相比，相對(duì)誤差小于2%，數(shù)據(jù)相似度優(yōu)于0.99。因此，數(shù)字仿真模型能夠?yàn)椤案叻治逄?hào)”衛(wèi)星大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測(cè)儀在軌成像品質(zhì)預(yù)測(cè)、指標(biāo)參數(shù)優(yōu)化和應(yīng)用能力評(píng)價(jià)提供重要的數(shù)據(jù)支撐?；谠摲抡鏀?shù)據(jù)開展光譜復(fù)原、氣體成分反演等工作，并通過獲取其他數(shù)據(jù)源的氣體成分探測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合反演結(jié)果對(duì)仿真精度進(jìn)行評(píng)價(jià)是下一步的工作重點(diǎn)。

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Digital Modeling and Simulation of AIUS

JIANG Cheng1,2TAO Dongxing3HE Hongyan1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Beijing Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology, Beijing 100094, China）（3 Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China）

GF-5 is a Hyperspectral remote sensing satellite in the GF series of satellites. The key payload, the Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder (AIUS), is the first spaceborne occultation sensor with ultra-spectral resolution, as well as the spaceborne fourier transform spectrometer with finest spectral resolution. A digital simulation model is established based on the sounding theory of AIUS. This paper takes the energy transmission of the occultation path as a clue and then simulates the radiative transfer process of each link in chain approach of AIUS. Then an experiment for accuracy evaluation is accomplished by applying the digital simulation model to an in-situ measurement. Experimental results indicate that the overall relative error is below 2% and the similarity is better than 0.99, which prove that the digital model can simulate the AIUS data with good accuracy and perfect performance in subsequent application.

occultation measurement; fourier transform spectrometer; modeling and simulation; hyperspectral; GF-5 satellite

TP79

A

1009-8518(2018)03-0094-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.011

江澄，男，1985年生，2013年獲北京航空航天大學(xué)視覺測(cè)量與影像遙感專業(yè)博士學(xué)位，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)楦吖庾V遙感建模與仿真、遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理及定量應(yīng)用等。E-mail：jiangchengzi@yahoo.com。

2018-04-12

國(guó)家高分重大專項(xiàng)應(yīng)用共性項(xiàng)目（No.50-Y20A38-0509-15/16）

（編輯：龐冰）