紅外甚高光譜分辨率探測儀反演系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

羅琪 李小英 程天海 張興贏 葛曙樂 張玉貴

紅外甚高光譜分辨率探測儀反演系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

羅琪1,2李小英1程天海1張興贏3葛曙樂4張玉貴5

（1 遙感科學(xué)國家重點實驗室，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094）（2 電子電氣與通信學(xué)院，中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）（3 國家衛(wèi)星氣象中心，中國氣象局，北京 100081）（4 中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094）（5 北京空間機電研究所，北京 100094）

文章基于“高分五號”衛(wèi)星大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀（AIUS）數(shù)據(jù)，采用最優(yōu)化反演算法，建立了大氣成分廓線反演的業(yè)務(wù)化處理系統(tǒng)，并對反演結(jié)果進行了精度驗證。該系統(tǒng)采用分層設(shè)計思想和模塊化設(shè)計思路，具有手動和自動業(yè)務(wù)化處理的功能。將系統(tǒng)反演結(jié)果與微波臨邊探測儀（MLS）的2級官方產(chǎn)品和先驗數(shù)據(jù)進行對比分析，O3反演產(chǎn)品在14~50km范圍與MLS產(chǎn)品的相對偏差小于15%；H2O反演產(chǎn)品在18~70km范圍與MLS產(chǎn)品的相對偏差小于15%；HCl反演產(chǎn)品在14~40km范圍與MLS產(chǎn)品的相對偏差小于10%；N2O反演產(chǎn)品在10~35km范圍與MLS產(chǎn)品的相對偏差小于10%；CO反演產(chǎn)品在14~55km范圍與先驗廓線的相對偏差小于15%。上述結(jié)果表明，反演系統(tǒng)具有良好的準確性和穩(wěn)定性，能夠為中國進行大氣環(huán)境監(jiān)測和全球氣候變化研究提供算法和技術(shù)支持。

掩星觀測 大氣成分廓線 反演系統(tǒng) “高分五號”衛(wèi)星 最優(yōu)估計算法

0 引言

隨著科技的發(fā)展，大氣環(huán)境問題日益凸顯。CFCs等鹵素化合物大量排放導(dǎo)致平流層O3濃度減少，使得地球表面的太陽紫外輻射增加，加劇了溫室效應(yīng)[1]。對流層NOx經(jīng)過一系列光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生O3，使得對流層O3濃度增加，嚴重影響地球生態(tài)系統(tǒng)和人類的健康[2]。同時，CO2、H2O等溫室氣體的過量排放，造成溫室效應(yīng)增強，導(dǎo)致全球變暖[3]。為了應(yīng)對全球氣候變化和大氣污染問題，世界各國越來越重視對大氣痕量氣體的監(jiān)測。目前國際上的大氣成分探測儀呈現(xiàn)高光譜覆蓋、高光譜分辨率、高時空分辨率、探測方式多樣的特點[4]，如：ERS-2衛(wèi)星上的全球臭氧檢測儀（GOME），Aura衛(wèi)星上的微波臨邊探測儀（MLS）和對流層發(fā)射光譜儀（TES），ENVISAT衛(wèi)星上的被動式大氣探測邁克爾遜干涉儀（MIPAS）等，都已經(jīng)實現(xiàn)了大氣探測的業(yè)務(wù)化運行[5-6]?！帮L(fēng)云三號”氣象衛(wèi)星上搭載的紫外臭氧總量探測儀（TOU），是我國自主研制的首臺用于全球臭氧總量監(jiān)測的儀器[7]。

為了進一步促進我國在大氣痕量氣體探測上的研究，我國第一顆高光譜綜合探測衛(wèi)星“高分五號”于2018年5月9日成功發(fā)射，衛(wèi)星搭載了我國研發(fā)的首臺紅外掩星觀測儀——大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀（atmospheric infrared ultra-spectral sounder，AIUS）。該探測儀的光譜范圍為2.4~13.3μm，光譜分辨率為0.02cm–1，主要用來探測高層大氣中O3、H2O、NOx等痕量氣體的化學(xué)過程[8]。因此，開展基于AIUS的大氣成分反演技術(shù)研究，獲得地球大氣中O3以及其他痕量氣體廓線的全球分布，將為大氣環(huán)境監(jiān)測提供重要參數(shù)，具有重大意義[9]。本文基于大氣紅外甚高光譜分辨率探測儀探測數(shù)據(jù)，采用最優(yōu)化反演算法建立了痕量氣體廓線反演系統(tǒng)，并利用Aura衛(wèi)星的MLS產(chǎn)品初步驗證了系統(tǒng)反演結(jié)果的準確性。結(jié)果表明，通過該系統(tǒng)反演得到的O3、H2O、HCl、N2O和CO廓線產(chǎn)品都具有較高的精度，為后續(xù)開展研究提供了系統(tǒng)支持。

1 反演原理及方法

1.1 AIUS探測原理

掩星模式的星載傳感器通過跟蹤太陽、月亮或恒星等進行觀測，AIUS的探測方式是太陽掩星模式。AIUS在掩星工作模式下觀測時，載荷鏡頭對準太陽，并以太陽為背景，探測在日出日落期間衛(wèi)星進出太陽陰影區(qū)域時不同切向高度的太陽吸收光譜序列。觀測時間從目標到達地平線上方開始到觀測視線達最大切線高度時結(jié)束[10-11]。圖1為AIUS觀測示意，表1是AIUS的主要技術(shù)指標。

星下點觀測方式可以用來探測氣體總量，掩星探測方式可進行大氣成分廓線的探測。掩星探測的優(yōu)勢主要是垂直分辨率高、廓線的精度高，不足之處是采樣頻率低、數(shù)據(jù)量少。將天底和掩星觀測結(jié)合，可以獲取高空間分辨率和高垂直分辨率的大氣信息。

圖1 AIUS觀測示意

表1 AIUS主要性能指標

Table.1 Key parameters of AIUS

1.2 最優(yōu)估計算法原理

AIUS反演系統(tǒng)中大氣成分反演算法采用最優(yōu)估計算法（OEM）。最優(yōu)估計算法具有很強的普適性，且誤差可定量估計，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種大氣成分反演系統(tǒng)中。最優(yōu)化估計算法是在先驗知識的約束下，將大氣廓線的先驗信息與觀測值進行聯(lián)系，使得正向模型的模擬值與傳感器實測值的差值最小，從而得到真實大氣參數(shù)的最優(yōu)估計和誤差協(xié)方差[12]。根據(jù)輻射傳輸方程，考慮儀器噪聲和系統(tǒng)誤差時，實測的觀測向量可以表示為

2 反演系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

大氣成分廓線反演系統(tǒng)是“高分五號”衛(wèi)星AIUS處理軟件中的一個環(huán)節(jié)，大氣成分廓線反演系統(tǒng)的所有功能均由地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)業(yè)務(wù)管理分系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)管、調(diào)度和控制。紅外甚高光譜分辨率探測儀處理軟件包括1級（L1）產(chǎn)品生產(chǎn)、2級（L2）產(chǎn)品生產(chǎn)和接口交互三個部分，主要工作流程是：1）1級產(chǎn)品處理系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)管理分系統(tǒng)分發(fā)的訂單完成1級產(chǎn)品生產(chǎn)，并啟動2級產(chǎn)品生產(chǎn)流程；2）大氣成分廓線反演系統(tǒng)根據(jù)訂單要求進行反演任務(wù)，并在作業(yè)完成后通知業(yè)務(wù)管理分系統(tǒng)結(jié)束任務(wù)；3）將1級和2級結(jié)果產(chǎn)品存儲到數(shù)據(jù)歸檔管理分系統(tǒng)中。具體業(yè)務(wù)處理流程如圖2所示。

大氣成分廓線反演系統(tǒng)是以探測儀的1級產(chǎn)品作為輸入數(shù)據(jù)，結(jié)合外部參量數(shù)據(jù)和正向傳輸模型，利用最優(yōu)化算法，將1級產(chǎn)品透過率數(shù)據(jù)處理成2級廓線產(chǎn)品。反演系統(tǒng)基于CentOS操作系統(tǒng)，利用C++編程語言，采用分層的設(shè)計框架，對AIUS的1級產(chǎn)品進行快速處理。系統(tǒng)框架可分為數(shù)據(jù)輸入層、反演層和數(shù)據(jù)輸出層。

2.1 數(shù)據(jù)輸入層

數(shù)據(jù)輸入層與1級產(chǎn)品進行對接，同時將構(gòu)建的大氣背景數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、模擬透過率查找表和MLS溫度壓強（下文簡稱溫壓）數(shù)據(jù)作為外部依賴數(shù)據(jù)進行導(dǎo)入，為后續(xù)反演提供必要的數(shù)據(jù)支撐。1級產(chǎn)品數(shù)據(jù)格式為HDF5格式，主要數(shù)據(jù)屬性如表2所示。1級產(chǎn)品數(shù)據(jù)可以提供衛(wèi)星載荷名、生產(chǎn)時間和經(jīng)緯度等全局輔助數(shù)據(jù)，也可以提供切高、定標系數(shù)和透過率等反演所需的計算數(shù)據(jù)。1級產(chǎn)品說明文件為xml格式，提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品說明信息，主要包括觀測時間、觀測模式、成像時間、衛(wèi)星高度等。

表2 1級產(chǎn)品主要數(shù)據(jù)屬性

由于先驗知識在最優(yōu)化估計算法中非常重要，反演的初始值對反演算法的收斂速度以及反演精度影響甚大，因此需要建立反演成分的初始數(shù)據(jù)庫[15]。研究中使用的大氣背景庫是以全球多年MLS、ACE-FTS廓線產(chǎn)品為數(shù)據(jù)來源，建立了具有區(qū)域和季節(jié)代表性的大氣成分廓線庫，時間間隔為1個月，經(jīng)緯度間隔分別為30°和5°。精確地切高和溫壓數(shù)據(jù)對于大氣成分廓線反演具有非常重要的作用。利用O3和N2的吸收通道，可以建立掩星探測模擬透過率查找表，在進行反演之前對1級切高數(shù)據(jù)進行快速精校正。同時，根據(jù)AIUS數(shù)據(jù)的實際觀測時間和經(jīng)緯度可以匹配到對應(yīng)的MLS溫壓廓線，將其作為反演過程中的原始溫壓，能夠減少大氣溫壓造成的反演誤差。

2.2 反演層

反演層一共分為5個模塊，可以單獨對O3、N2O、H2O、HCl和CO廓線進行反演。反演系統(tǒng)由正演過程和反演過程組成，正演過程是在給定大氣狀態(tài)參數(shù)與儀器參數(shù)的情況下，利用正向傳輸模型計算得到模擬輻射值。本反演系統(tǒng)中用到的是ARTS（Atmospheric Radiative Transfer Simulator）模型[16]，ARTS通過代碼編譯調(diào)用控制文件的方式實現(xiàn)輻射傳輸過程的計算，并提供了有關(guān)頻率范圍、切高、大氣背景及傳感器等參數(shù)的設(shè)置[17-18]。反演過程是在正演模型得到模擬值后，通過不斷迭代計算得到大氣廓線的精確值，反演流程如圖3所示。

圖3 AIUS反演流程

首先，基于正向模型的掩星探測模擬數(shù)據(jù)，對不同切高上的透過率進行切高校正，得到校正后的精切高；然后根據(jù)不同反演成分的吸收特性，設(shè)置反演微窗口并提取對應(yīng)的透過率和切高數(shù)據(jù)；再結(jié)合大氣背景庫數(shù)據(jù)和MLS溫壓數(shù)據(jù)，利用ARTS正向模型，計算得到觀測協(xié)方差矩陣和先驗協(xié)方差矩陣，為最優(yōu)化算法提供先驗知識；最后利用最優(yōu)化算法進行計算，并結(jié)合牛頓迭代或者LM迭代算法得到反演廓線。反演的每個模塊步驟相同，但是要考慮到不同成分的特性，需要在正演過程和反演過程中修改參數(shù)設(shè)置，每一個模塊可以單獨運行，互不影響，形成了全自動迭代計算的反演系統(tǒng)。

2.3 數(shù)據(jù)輸出層

反演生成的2級產(chǎn)品格式為HDF5格式，保留了從1級產(chǎn)品中讀取的數(shù)據(jù)屬性，并增加了精校正后的切高和反演廓線數(shù)據(jù)。生成的2級產(chǎn)品說明文件為xml格式，主要存儲了2級產(chǎn)品生產(chǎn)時間、存儲位置和產(chǎn)品類型等信息。數(shù)據(jù)輸出層對接到數(shù)據(jù)歸檔與信息管理分系統(tǒng)，在該系統(tǒng)進行2級產(chǎn)品的歸檔存儲。

3 反演結(jié)果與分析

本文選取了2018年12月至2019年1月間的10軌數(shù)據(jù)進行了系統(tǒng)測試，并將反演結(jié)果與對應(yīng)時間和經(jīng)緯度的MLS 2級產(chǎn)品或先驗數(shù)據(jù)進行對比，以分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。測試選取的AIUS數(shù)據(jù)緯度范圍在63°S~70°S之間，衛(wèi)星高度在704~708 km之間，主要數(shù)據(jù)信息如表3所示。

表3 AIUS測試產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息

Table.3 Information of AIUS test products

在反演系統(tǒng)中對O3、HCl、H2O、N2O和CO進行反演，反演結(jié)果如圖4~8所示。

圖4 O3反演結(jié)果

圖4（a）展示了反演結(jié)果與MLS產(chǎn)品的O3平均廓線，兩者在14~65km具有很好的一致性，其中在35~45km范圍內(nèi)體積分數(shù)絕對偏差最大，偏差值不超過0.5×10?6。圖4（b）展示了O3反演結(jié)果與MLS產(chǎn)品的平均相對偏差，在14~20km內(nèi)相對偏差大于15%，在20~35km和50~60km內(nèi)相對偏差小于10%，在35~50km內(nèi)相對偏差為10%~15%。

圖5（a）展示了反演結(jié)果與MLS產(chǎn)品的HCl平均廓線，兩者在70km以下具有很好的一致性，其中14~25km范圍內(nèi)的體積分數(shù)絕對偏差最大，偏差值不超過0.4×10?9。圖5（b）展示了HCl反演結(jié)果與MLS產(chǎn)品的平均相對偏差，在14~18km和75~90km內(nèi)相對偏差大于15%，在25~70km內(nèi)相對偏差小于10%，在18~25km和70~75km內(nèi)相對偏差為10%~15%。

圖5 HCl反演結(jié)果

圖6（a）展示了反演結(jié)果與MLS產(chǎn)品的H2O平均廓線，兩者在18~55km內(nèi)具有很好的一致性，其中在18~22km范圍內(nèi)的體積分數(shù)絕對偏差最大，偏差值不超過0.7×10?6。圖6（b）展示了H2O反演結(jié)果與MLS產(chǎn)品的平均相對偏差，在14~18km內(nèi)相對偏差大于15%，在24~56km內(nèi)相對偏差小于10%，在18~24km和56~70km內(nèi)相對偏差為10%~15%。

圖7（a）展示了反演結(jié)果與MLS產(chǎn)品的N2O平均廓線，兩者在10~50km內(nèi)具有很好的一致性，體積分數(shù)絕對偏差在14~17km范圍內(nèi)最大，偏差值不超過40×10?9。圖7（b）展示了N2O反演結(jié)果與MLS產(chǎn)品的平均相對偏差，在35~50km內(nèi)相對偏差大于15%，在14~25km內(nèi)相對偏差小于10%，在25~35km內(nèi)相對偏差為10%~15%。

經(jīng)過實驗，近期發(fā)布的MLS CO廓線產(chǎn)品內(nèi)部存在明顯的異常值，精度不具有參考性，故用先驗廓線對反演結(jié)果進行對比分析。先驗廓線是通過近幾年MLS和ACE-FTS廓線產(chǎn)品得到，具有較高精度。圖8（a）展示了反演的CO平均廓線與先驗平均廓線，兩者在10~70km內(nèi)具有很好的一致性，其中在50~70km范圍內(nèi)體積分數(shù)絕對偏差最大，偏差值不超過0.1×10?6。圖8（b）展示了CO反演結(jié)果與先驗廓線的平均相對偏差，在55~70km內(nèi)相對偏差大于15%，在17~55km內(nèi)相對偏差小于10%，在14~17km內(nèi)相對偏差為10%~15%。

圖7 N2O反演結(jié)果

MLS目前發(fā)布的數(shù)據(jù)產(chǎn)品為V4.2版本，產(chǎn)品精度已由其他衛(wèi)星產(chǎn)品進行驗證[19-20]。其中O3廓線產(chǎn)品在10~40km精度小于10%，在平流層頂精度小于20%。根據(jù)圖4，O3反演結(jié)果在14~50km內(nèi)與MLS產(chǎn)品的相對偏差小于15%，具有較高的反演精度。MLS的 HCl廓線產(chǎn)品在10~40km精度小于10%，而在平流層上層和下層精度較差。根據(jù)圖5，HCl反演結(jié)果在14~40km內(nèi)與MLS產(chǎn)品的相對偏差小于10%，具有較高的反演精度。MLS的H2O廓線產(chǎn)品在平流層及以上精度小于10%，對流層反演精度小于20%。根據(jù)圖6，H2O反演結(jié)果在18~70km內(nèi)與MLS產(chǎn)品的相對偏差小于15%，具有較高的反演精度。MLS的N2O廓線產(chǎn)品在平流層中部10~35km范圍反演精度小于10%，其他高度精度低具有很大不準確性，參考價值低。根據(jù)圖7，N2O反演結(jié)果在16~35km內(nèi)MLS產(chǎn)品的相對偏差小于15%，具有較高的反演精度。N2O在35km以上濃度較低，精度需要進一步進行驗證，但驗證難度較大。根據(jù)圖8，CO反演結(jié)果在14~55km內(nèi)與先驗廓線的相對偏差小于15%，具有較高的反演精度，后續(xù)工作可以利用其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行進一步的交叉驗證。

綜上所述，AIUS反演系統(tǒng)反演得到的O3、H2O、N2O、HCl和CO廓線結(jié)果與MLS產(chǎn)品或先驗廓線相比，均具有較高的一致性，系統(tǒng)反演精度較高。對反演誤差進一步分析發(fā)現(xiàn)，其產(chǎn)生的可能原因主要有：1）反演先驗知識的影響，實際大氣狀態(tài)與先驗背景庫存在一定差別，當差別過大時會嚴重影響反演精度；2）探測儀的噪聲信息剔除不夠，尤其在低切高（15km以下）和高切高（65km以上）范圍內(nèi)，噪聲影響較大；3）AIUS 1級產(chǎn)品得到的透過率數(shù)據(jù)，存在一些負值與無限小值，影響切高校正精度和反演精度。

4 結(jié)束語

本文針對“高分五號”衛(wèi)星大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀，以大氣成分反演系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)為研究內(nèi)容，利用C++編程語言，建立了AIUS大氣成分廓線反演系統(tǒng)，并取得了良好的成果。該系統(tǒng)采用分層的設(shè)計框架和模塊化的設(shè)計思路。分層使得數(shù)據(jù)通過接口互通，方便調(diào)取和存儲；模塊化使得在反演過程中，每一個成分模塊能夠單獨運行互不影響。系統(tǒng)從1級產(chǎn)品輸入開始，經(jīng)過切高校正和反演計算，最終得到完整的2級產(chǎn)品。

通過對系統(tǒng)反演結(jié)果和MLS的2級官方產(chǎn)品進行比較分析發(fā)現(xiàn)，反演結(jié)果具有較高的精度，說明系統(tǒng)具有良好的精確性。操作上既可以手動選取特定數(shù)據(jù)運行，又可以全自動運行，滿足了不同業(yè)務(wù)需求，為我國后續(xù)紅外掩星探測儀反演系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考。該系統(tǒng)設(shè)計的主要創(chuàng)新點如下：

1）先驗背景庫和最優(yōu)化算法。由于最優(yōu)化算法高度依賴先驗知識，所以利用國際上的衛(wèi)星產(chǎn)品建立了O3、HCl、H2O、N2O和CO的廓線背景庫，保證了先驗知識的準確性，提高了反演精度和計算效率。

2）基于全新衛(wèi)星載荷的大氣成分廓線反演系統(tǒng)。本文針對最新的大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀特性和數(shù)據(jù)特性，建立了大氣成分廓線反演系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)業(yè)務(wù)化運行，并驗證了系統(tǒng)的準確性。這為我國利用“高分五號”衛(wèi)星定量了解全球大氣痕量氣體分布和變化提供了新的方法和手段。

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Design and Implementation of Atmospheric Retrieval System for AIUS

LUO Qi1,2LI Xiaoying1CHENG Tianhai1ZHANG Xingying3GE Shule4ZHANG Yugui5

（1 State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China）（2 School of Electronic, Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）（3 National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China）（4 China Centre for Resources Satellite Data and Application, Beijing 100094, China）（5 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Based on GF-5/AIUS measurement data and Optimal Estimation Method(OEM), this paper established a processing system to retrieve the atmospheric component profile operationally and verified the accuracy of the retrieval results. The system can process manually or automatically by adopting a layered design method and modular design ideas. Comparing the retrieval results with MLS official products or the priori profiles, the relative difference of O3profiles is within 15% between 14km and 50km. The relative difference of H2O profiles is also with 15% at 18~70km. The relative difference of HCl and N2O profiles are within 10% at 14~40km, 10% at 10~35km, respectively. The relative difference between retrieval CO and the priori profiles is within 15% at 14~55km. Therefore, the retrieval system has high precision and reliability, which can provide algorithmic and technical supports for atmospheric environmental monitoring and global climate change research in China.

occultation observation; atmospheric component profile; retrieval system; GF-5 satellite; Optimal Estimation Method

P414

A

1009-8518(2019)06-0067-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.06.009

羅琪，女，1997年生，現(xiàn)在中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院電子與通信工程專業(yè)攻讀碩士學(xué)位，研究方向為大氣遙感監(jiān)測工程。E-mail：luoqi17@mails.ucas.ac.cn。

李小英，女，1975年生，博士，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院副研究員，研究方向為定量遙感、大氣遙感。E-mail：lixy01@radi.ac.cn。

2019-07-25

國家自然科學(xué)基金（41571345），國家重點研發(fā)計劃（2016YFB0500705，2018YFB050490303）

羅琪, 李小英, 程天海, 等. 紅外甚高光譜分辨率探測儀反演系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 航天返回與遙感, 2019, 40(6): 67-76.

LUO Qi, LI Xiaoying, CHENG Tianhai, et al. Design and Implementation of Atmospheric Retrieval System for AIUS[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2019, 40(6): 67-76. (in Chinese)

（編輯：夏淑密）