一種星載傳感器「偏振交火」探測大氣氣溶膠參數的方法
2023-12-02 21:18:36 1
一種星載傳感器「偏振交火」探測大氣氣溶膠參數的方法
【專利摘要】本發明涉及一種星載傳感器「偏振交火」探測大氣氣溶膠參數的方法，組合使用POLDER類型傳感器和APS類型傳感器，搭載在同一衛星平臺上並通過設計其掃描方式、通道配置、視場形狀等關鍵參數，實現兩個傳感器的有機協同觀測，獲得氣溶膠綜合參數的高精度探測。本發明的設計方案能夠取得如下效果：（1）在已有氣溶膠參數探測能力的基礎上，提供覆蓋整個畫幅的氣溶膠層高和吸收性氣溶膠指數的探測能力；（2）將APS的高精度星上定標傳遞給POLDER，有效提高POLDER傳感器偏振成像CCD的定標精度；（3）將APS近紅外波段（2250nm）的觀測傳遞到POLDER傳感器，解決氣溶膠綜合參數反演中的地-氣解耦合問題。
【專利說明】一種星載傳感器"偏振交火"探測大氣氣溶膠參數的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種星載傳感器偏振探測大氣氣溶膠綜合參數的方法，具體涉及基於 法國 POLDER (Polarization and Directionality of the Earth's Reflectances)類型偏 振傳感器和美國APS (Aerosol Polarimetry Sensor)類型偏振傳感器的"偏振交火"配置 方案。
【背景技術】
[0002] 氣溶膠是懸浮在空氣中的微小顆粒物質，其來源多種多樣，它通過影響太陽輻射 以及雲，對全球氣候變化產生重要影響（IPCC，2007)，通過傳輸、擴散和沉降對大氣環境等 產生重要影響。其中，小於2.5微米的氣溶膠粒子（PM2. 5)可被吸入人體肺部，是我國目前 最主要的大氣汙染物，已經成為環境監測最重要的監測對象。隨著探測方法的快速發展， 遙感技術已成為氣溶膠監測的重要手段，星載氣溶膠遙感技術在近20年得到了快速發展。 然而由於氣溶膠微觀和宏觀特性十分複雜，包括多變的形狀、粒子大小、輻射吸收和散射特 性、時空分布特性和垂直分布等，對星載氣溶膠傳感器的探測方案設計提出了很大的挑戰， 國際上已經設計了多種探測方案（見下），本發明綜合國際前沿的技術發展方向，提出了一 種目前氣溶膠綜合探測能力最強的星載傳感器配置方案。
[0003] 現有技術1
[0004] 衛星遙感氣溶膠的技術到目前為止主要發展了多光譜、多角度、雷射、偏振等四類 手段，分別發射了具有代表性的傳感器。利用多光譜信息測量氣溶膠的典型代表是美國 NASA 於 1999 年發射的 MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)傳感 器，該傳感器具有36個光譜波段，基於暗目標法（Kaufman et al.，1997)可測量氣溶膠光 學厚度（AOD)等信息。多角度測量氣溶膠的典型代表是歐洲的ATSR(Along-Track Scanning Radiometer)/AATSR(Advanced Along Track Scanning Radiometer)傳感器和美國的 MISR(Multi-angle Imaging SpectroRadiometer)傳感器，前者具有兩個角度，後者的觀測 角度數目達到9個。雷射探測氣溶膠的代表是美國發射的CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)傳感器，在532nm和1064nm波段主動發射雷射探測氣溶 膠。偏振測量氣溶膠參數的代表是法國的POLDER傳感器和美國的APS傳感器。前者由法國 CNES自1999年起到目前共發射了三顆，後者於2011年由於火箭問題發射失敗，但是NASA 已提出了 PEACE計劃準備再次發射此類傳感器。
[0005] 上述這些星載傳感器的探測手段具有各自的優勢，但均存在某些難以獲取或無 法探測的氣溶膠參數，例如：M0DIS難以獲得氣溶膠粒子大小信息，其氣溶膠細粒子比結 果至今在陸地上空驗證較差，官方不推薦使用；MISR通過多角度觀測改進了對粒子尺寸 參數的反演效果，但地-氣解耦合能力較弱；CALIOP除了垂直分布信息外，對於顆粒物總 量、粒子大小等信息的探測能力均很弱；搭載於PARASOL(Polarization&Anisotropy of Reflectances for Atmospheric Sciences coupled with Observations from a Lidar) 衛星上的最新版本POLDER，藉助多光譜（9波段）、多角度（16角度）和偏振（3分量）三種 探測手段，具有探測參數多的優勢，但仍難以提供氣溶膠垂直分布的相關產品。因此，從氣 溶膠觀測應用的技術發展需求角度看，這些傳感器的組合使用非常有必要。
[0006] 現有技術2
[0007] 國際上，美國1999年發射的EOS首顆衛星Terra上就同時搭載了 MODIS和MISR 傳感器，協同觀測提供多光譜和多角度信息。之後，美/歐又聯合發展了 A-Train計劃，將 搭載CALIOP的CALIPS0衛星和搭載POLDER的PARASOL衛星等共同組成一個衛星陣列，在 大約1. 5小時的時間間隔內，連續通過同一目標上空，形成多星協同觀測氣溶膠的能力（如 表1所示）。由此可見，國際上非常重視傳感器的配合使用，如何在方案設計階段就結合各 種方案的優勢和特點，發揮綜合測量能力，是衛星氣溶膠遙感技術重點關注的科學問題。
[0008] 表1當前國際上具有代表性的多傳感器星載氣溶膠遙感技術
【權利要求】
1. 一種星載傳感器"偏振交火"探測大氣氣溶膠參數的方法，其特徵在於，組合使用兩 種類型的多角度偏振衛星載荷傳感器，分別為POLDER類型傳感器和APS類型傳感器，兩種 傳感器搭載在同一衛星上，將APS類型傳感器的沿軌掃描方式改為穿軌掃描方式，將APS類 型傳感器的掃描視場從圓形改為方形，從而與POLDER類型傳感器相匹配實現對地同步觀 測； 在APS類型傳感器上增加偏振UV波段380nm通道，在已有氣溶膠參數探測能力的基礎 上，增加覆蓋整個畫幅的氣溶膠層高和吸收性氣溶膠指數的探測能力； 將APS類型傳感器的高精度星上定標傳遞給POLDER類型傳感器的每一個像元，解決 POLDER類型傳感器上偏振成像C⑶的定標精度問題； 將APS上近紅外波段2250 nm通道的觀測信號傳遞到POLDER傳感器，解決氣溶膠綜合 參數反演中的地-氣解耦合問題。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，對所述APS類型傳感器在其搭載衛星平臺上 的裝配方向進行旋轉90°調整，則觀測掃描平面在地面的投影將是垂直軌道方向，形成穿 軌掃描。
3. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，刪除所述APS類型傳感器上已有的910nm通 道和565nm通道，增加380nm和490nm通道；其中，APS的490nm通道的光譜響應函數曲線 和POLDER的490nm通道的光譜響應函數曲線匹配。
4. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在所述APS類型傳感器的光路上增加方形光 闌裝置，從而將圓形視場轉變為方形視場。
5. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述APS類型傳感器具有380nm、410nm、 443nm、490nm、670nm、865nm、1378nm、1610nm和2250 nm波段的探測光譜，所有通道均偏振； 其中，380nm用於探測氣溶膠層高，380nm和410nm用於獲得吸收性氣溶膠指數，1378nm用 於探測捲雲，1610nm用於探測沙塵氣溶膠，2250nm用於探測地表，443nm、490nm、670nm和 865nm用於APS向POLDER進行星上偏振定標傳遞。
6. 如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述APS類型傳感器通過紫外波段380nm的 強度和偏振聯合觀測反演氣溶膠層高，利用380nm和410nm兩個紫外波段的組合反演吸收 性氣溶膠指數。
7. 如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述APS和POLDER兩類型傳感器的像元經 過幾何配準，並將APS類型傳感器上的443nm、490nm、670nm和865nm波段的高精度定標信 息傳遞到POLDER類型傳感器。
8. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，將所述APS類型傳感器上的2250nm的地表 觀測信息傳遞到POLDER傳感器的可見和近紅外波段上使用，2250nm探測到的偏振反射率 可以線性地轉換到可見和近紅外波段的地表偏振反射率，用於可見和近紅外波段的地-氣 解耦合。
9. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述POLDER類型傳感器具有443nm、490nm、 565nm、670nm、763nm、765nm、865nm、910nm 和 1020 nm 波段的探測光譜，其中，490、670 和 865nm為偏振波段；910nm和1020nm波段光譜用以大氣水汽含量的反演。
10. 如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述POLDER類型傳感器通過490nm、 670nm、870nm波段光譜多角度偏振你測量氣溶膠AOD、a，通過443nm波段光譜多角度標量
【文檔編號】G01N15/00GK104316440SQ201410314843
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年7月3日 優先權日:2014年7月3日
【發明者】李正強, 許華, 伽麗麗, 陳興峰, 張瑩 申請人:中國科學院遙感與數字地球研究所