风云三号A星紫外臭氧垂直探测仪反演产品的比较和评估

为了考察和评估我国首次自主研制并由新一代极地轨道气象卫星风云三号携带的紫外臭氧垂直探测仪SBUS的观测数据和反演产品的精度和稳定性,利用SBUS在轨观测数据开展了臭氧垂直氧廓线反演试验,并将反演产品与NO-AA卫星同类仪器SBUV/2产品数据进行了系统比较。首先使用自主研发的风云三号紫外臭氧垂直廓线反演算法FY_V1.0开展臭氧廓线反演试验,输入数据为SBUS2008年7月17日～8月30日在轨观测数据。然后,采用3种方法,即匹配像元数据直接比较,赤道地区平均反演廓线比较以及反演廓线与先验廓线残差比较,将反演结果与SBUV/2产品进行了比较。最后,基于各种比较结果进行分析和评估。结果显示,与NOAA-16和17卫星SBUV/2反演产品相比,SBUS反演产品多数高度层相对偏差百分率在±10%之间,部分层相对偏差达到±15%;在20°N～20°S比较平均反演臭氧垂直廓线,最大差异为5.4DU,最小差异为0,多数在±0.3DU之间;比较反演廓线与先验廓线的残差表明,较大残差发生的高度以及残差正负性等方面存在明显差异。结论认为,在未对数据做任何订正的条件下,SBUS反演臭氧垂直廓线产品在多数高度层精度尚可,但是,与SBUV/2产品相比,SBUS获取的臭氧垂直廓线存在较大的系统性偏差,需要通过与SBUV/2的交叉定标进行订正。

风云四号大气垂直探测仪在气象预报中应用（英文）

发射于2016 年12 月11 日的风云四号卫星上搭载了国际上首台工作于静止轨道的高光谱红外大气垂直探测仪( GIIRS),该仪器主要用于探测地球大气的温度和湿度的垂直分布和变化,观测的数据实时同化到GRAPES 全球预报系统,首次实现了大范围、高频次针对敏感区的卫星高光谱探测和实时资料同化应用,对目前的气象预报能力产生显著影响,尤其对台风强度和路径的预报更加精准.本文简要介绍了风四大气垂直探测仪的测量原理和在天气预报中的应用情况,并对未来的发展趋势给予了展望.

干涉式大气垂直探测仪中面弹簧的有限元分析

面弹簧是干涉式大气垂直探测仪中的精密部件,系统要求其在工作过程中具有较大刚度比和足够的轴向行程。利用有限元分析方法对面弹簧进行了优化设计。通过对比不同缝形面弹簧在轴向拉伸过程中的轴向刚度、径向刚度、刚度比,确定了螺旋缝形是相对最优缝形。进一步对螺旋缝形面弹簧做了系统分析,得到了螺旋缝形面弹簧中的基圆半径、螺距、旋转角度、指数、直径、开缝数、簧片厚度、材料的杨氏模量等参数在面弹簧轴向拉伸过程中,对其轴向刚度、径向刚度、刚度比的影响规律。根据有限元分析结果最终确定一组最优参数值r0=20 mm,a=20/π2mm/rad,θ1=πrad,b=2,=200 mm,n=3,t=0.2 mm,E=1.3 e11 Pa,并据此加工成实物。对实物的实测结果表明,螺旋缝形面弹簧具有的轴向行程和较大的刚度比达到了设计目标,验证了有限元分析结果的准确性和合理性。

FY-3A紫外臭氧垂直探测仪程控设计与实现

描述了FY-3A气象卫星紫外臭氧垂直探测仪的组成和4种主要工作模式,即大气测量模式、太阳连续测量模式、太阳分立测量模式及标准灯测量模式。在此基础上对在轨运行的任务进行了分析说明。针对仪器运行参数多、测量模式转换复杂等特点,提出了合理的在轨运行控制方案,介绍了其程控设计要点与实现。给出了FY-3A星紫外臭氧垂直探测仪在轨测量的太阳模式和大气模式紫外辐射遥感数据,其太阳分立模式波长重复性为±0.03nm,自动增益转换功能使系统的动态范围达到106量级。实验结果表明,FY-3A星紫外臭氧垂直探测仪在轨工作正常,测量模式转换和执行准确,其运控方案完备,数据获取有效,仪器在轨工作处于最佳性能状态。

干涉式大气垂直探测仪光学基板的轻量化设计

采取在光学基板背面挖减轻孔的方法来实现对干涉式大气垂直探测仪的光学基板进行了轻量化设计。通过有限元分析的方法首先确定最合理的减轻孔个数,然后采用有限元参数优化的方法对减轻孔的长、宽两个设计参数进行了优化,从而获得光学基板的最佳设计方案。轻量化后光学基板的质量减少到了原来的25%,因此光学基板的轻量化设计为今后航天仪器光学基板结构的设计提供了理论依据。

FY-4A干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)资料云检测技术

目前FY-4A/GIIRS资料同化中直接采用多通道扫描成像辐射计(AGRI)的云检测结果,云污染视场内全部通道被剔除,部分可用通道信息丢失。为了获得这些可用通道信息,基于McNally给出的云检测原理,利用GIIRS观测和RTTOV模拟晴空结果,结合GIIRS灵敏度等辐射特性,提出了自主的GIIRS云检测方法。结果表明:GIIRS与AGRI的云检测结果一致性较好,当GIIRS视场中存在细云或碎云时,二者存在一定差异;利用得到的云顶高度,可获得云污染视场中的可用通道,通道使用率增加13.76%。该云检测方法为GIIRS资料同化提供了重要参考。

紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)辐射定标和反演臭氧垂直廓线验证

风云三号卫星（FY-3）是中国第二代极轨气象卫星，紫外臭氧垂直探测仪（SBUS）是该卫星11个主要星载遥感仪器之一。阐述了卫星发射前和发射后紫外臭氧垂直探测仪定标、数据及产品验证的结果。主要内容包括仪器发射前的定标和特性描述、在轨监测、臭氧垂直廓线反演产品检验，以及其产品在2011年北极严重臭氧损耗中的监测应用。紫外臭氧垂直探测仪发射前定标，实验室定标不确定性估计大约为4.7%，在轨监测表明漫反射板反射率252nm通道大约衰减15%，其他11个通道大约衰减3%～5%。与美国NOAA卫星同类载荷SBUV/2s反演产品进行比较，FY-3A SBUS反演产品相对差异百分率大约为±7%，而FY-3B SBUS产品相对偏差百分率大约为±6%。利用FY-3 SBUS臭氧垂直廓线监测2011年春季北极严重臭氧损耗，表明从对流层上层到平流层下部的臭氧损耗占臭氧总量损耗的70%～80%。

紫外臭氧垂直探测仪波长精度分析与波长定标新方法的研究

对紫外臭氧垂直探测仪波长扫描机构中的凸轮廓线、摆杆长度和齿轮组传动等误差,及受温度因素对波长精度影响进行分析,得出理论波长精度为±0.035nm。地面采用C-T型1.5m单色仪和标准氘灯相结合的新方法,对大气臭氧吸收12条波长及160～400nm光谱进行波长定标,分析定标的不确定度为±0.026nm。通过在轨波长测试的结果表明:仪器的波长精度为±0.023nm,与理论分析值相符,验证了波长精度的理论分析、定标方法和不确定度计算的正确性。

紫外臭氧垂直探测仪波长定标研究(英文)

介绍了一种新的紫外臭氧垂直探测仪波长定标方法。结合连续光谱和单色仪产生特征谱线克服了一些特殊波段内离散线谱的缺失。紫外臭氧垂直探测仪的波长定标系统主要由高稳定氙灯光源、1.5 m车尔尼-特纳型单色仪以及前置、后置光学系统构成。该新方法的基本原理主要是一个相互定标校准的过程。紫外臭氧垂直探测仪自带汞灯在紫外波段给波长定标系统提供参考标准光谱,波长定标系统则反过来给紫外臭氧垂直探测仪提供12个更高线性精度的臭氧吸收特征光谱。该波长定标结果完全满足臭氧反演所需要的波长准确度及光谱带宽精度要求。

FY-3紫外臭氧垂直探测仪10~6动态范围线性测量及修正

基于对FY-3紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)106动态范围线性测量的需求,提出了一种将中性减光片法和双光阑法相结合的思路,两者相互弥补,得出了SBUS整个动态范围的线性度,并进行了非线性修正。不确定度分析得出该方法的合成标准不确定度为0.44%,而传统的距离平方反比定律法对于103-104动态范围的合成标准不确定度为0.62%,证明了该方法对于大动态范围光电探测器系统线性测量的有效性和优越性。

风云四号A星干涉式大气垂直探测仪在轨定标及性能评价

干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)是风云四号A星(FY-4A)的三大主载荷之一,其主要功能是实现大气温度和湿度参数的垂直结构观测.为了满足卫星数据定量化应用的要求,FY-4A星成功发射之后,围绕GIIRS开展了一系列的在轨定标和性能评价工作.评价结果表明:除部分通道受到有机挥发物的影响,85%的通道灵敏度优于设计指标;利用大气辐射传输模式,通过比较观测光谱与模拟光谱的均方根误差来确定激光有效采样频率,实现了GIIRS在轨光谱定标,精度达到10 ppm;利用星上面源黑体,考虑到非理想干涉图的相位影响,采用改进后的两点式外黑体定标法,实现了星上在轨辐射定标,长波和中波的平均亮温偏差均小于1 K,优于设计指标.

FY-4A大气垂直探测仪(GIIRS)温度探测通道优选

针对中国第二代静止气象卫星风云四号(FY-4A)的干涉式大气垂直探测仪(GIIRS),从信息容量的角度,运用分步迭代法,以及精确型辐射传输模式LBLRTM,进行温度探测通道优选试验。计算得到在全球范围反演温度廓线的56个优选通道以及FY-4A探测范围的58个优选通道,所选通道自身信息容量较高,相互之间相关性小,可应用于大气温度廓线反演和数据同化研究。

FY-4大气垂直探测仪扫描镜的太阳入侵研究

针对FY-4三轴稳定静止卫星上遥感器的夜间太阳入侵问题,建立了星上遥感器的太阳辐照模型,由此计算了星上任意面元的太阳入射角系数和太阳辐射.针对其上的大气垂直探测仪结合遮光罩实际设计参数,分析了扫描镜的每日太阳入射角系数、太阳辐射、太阳入侵的时刻、入侵持续时间以及接受的太阳辐照的年变化曲线,并与GOES-8(地球静止轨道环境卫星8号)实测数据作比较,验证了计算的合理性和正确性.

干涉式大气垂直探测仪读出电路研究

干涉式大气垂直探测仪是风云4号气象卫星的重要有效载荷,用于获取大气的多种三维信息。成功设计了一款适用于干涉式大气垂直探测仪的红外焦平面读出电路。电路采用CTIA注入级结构,积分电容4档可选。并且工作方式灵活,同时采用相关双采样结构有效地降低了电路输出噪声。电路使用CSMC 0.5μm 2P3M 5 V工艺流片,电路测试结果符合理论设计预期,噪声小于0.14 mV,动态范围达到85.6 dB。耦合中波HgCdTe探测器测试正常,噪声小于0.43 mV,动态范围达到75.6 dB,符合干涉式大气垂直探测仪红外焦平面要求。

卫星干涉式垂直探测仪图像导航配准成像试验方法

干涉式垂直探测仪(GIIRS)是气象观测的重要有效载荷,对卫星平台的稳定性要求很高,采用图像导航配准技术可解决星上活动部件运动、卫星平台姿态抖动对GIIRS成像的影响。为了在地面验证GIIRS的成像性能,文章提出图像导航配准成像试验方法。利用3轴气浮台模拟3轴稳定卫星零重力下的自由转动,利用GIIRS样机模拟GIIRS的成像特性和在轨扰动,验证了动力学补偿特性和图像运动补偿特性。试验结果表明:采用图像导航配准成像试验方法,卫星特定频率下的姿态稳定度提升了80.8%,图像运动补偿精度优于13.78μrad,满足GIIRS成像需求。

干涉式大气垂直探测仪主光学装置设计

介绍了干涉式大气垂直探测仪主光学装置光学系统和机械结构的设计,分析了光学系统的成像质量,利用有限元技术对机械结构进行了分析和计算,得到了满足仪器性能要求的设计结果。

风云四号干涉式大气垂直探测仪在台风监测中发挥重要作用

“玛莉亚”“安比”“云雀”“摩羯”……今夏台风一个接一个。你是否感觉到今年台风预报比往年更加精准、及时？这是因为2016年11月升空的风云四号气象卫星上，那些实现了技术代际提升、步入世界先进水平的“风云眼”.

大气/真空环境紫外臭氧垂直探测仪光谱辐照度定标研究

为进一步提高紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)在轨探测及数据反演精度,提出了SBUS地面定标的一系列改进方案,其中为实现地面定标与在轨工作环境一致的全波段真空辐射定标是改进的第一项。通过构建SBUS大气/真空光谱辐照度响应度比对测试装置,实测了两种环境下SBUS整机对同一光源的光谱辐照度响应。结果显示,在250～300nm波段,真空/大气相对偏差约0.8%;在300～400nm波段,真空/大气比对结果随波长变化,最大偏差略高于15%。而仪器250～400nm波段定标环境引入的单项不确定度,真空定标比以往大气定标减小了1.8%。理论分析及实验验证后发现SBUS反射元件Al+MgF2膜层在真空/大气下光谱反射率会发生变化,从而证实了SBUS在真空环境下定标的必要性。

面向资料同化的FY-4A卫星GIIRS探测仪偏差特征分析和偏差订正

干涉式大气垂直探测仪(Geostationary Interferometric Infrared Sounder,简称GIIRS)是国际上第一部对地静止卫星平台上的高光谱红外大气垂直探测仪,能为对流尺度区域模式预报提供所需的高时空和高光谱分辨率的大气状态信息。本文利用高分辨率区域模式WRF及其同化系统WRFDA对GIIRS观测的偏差(观测亮温减去模拟亮温,记为O-B)分布特征进行了全景分析,结果表明:长波通道O-B偏差和标准差普遍小于中波通道,且都存在一段受污染的通道。O-B偏差的日变化和偏差与卫星天顶角的关系相对较弱,而所有筛选通道的偏差都与亮温值及卫星的扫描阵列位置有关,偏差的水平分布主要表现出“阵列偏差”的特征。2020年重新定标后,GIIRS观测数据质量比2019年有明显提高。在此基础上进一步进行了偏差订正试验,试验发现选取扫描阵列作为偏差订正的主要因子,都能有效地改进2019年和2020年筛选出的GIIRS通道的偏差,订正后O-B和O-A的系统性误差(偏差)都变小。该研究结果可为全球/区域模式中同化GIIRS长波及中波通道的辐射资料提供参考。

风云三号卫星紫外臭氧垂直廓线反演算法及对比反演试验

从正演模型和反演计算两个方面,介绍风云三号卫星紫外臭氧垂直廓线反演算法FY-V1.0,并比较了与美国NOAA目前两种业务反演算法V6和V8的差异.利用美国NOAA/SBUV(/2)的L1b观测数据,开展FY-V1.0与V8的对比反演试验.对比反演试验结果表明:在全球低(纬度数<30°)、中(30°≤纬度数<60°)、高(60°≤纬度数<90°)3个纬度带,FY-V1.0反演廓线都与V8产品很好地吻合,FY-V1算法相对反演精度在±2以内.初步分析表明,卫星紫外臭氧垂直廓线反演算法的误差主要有3个来源:一是下垫面理想化假设,二是多次散射和反射辐射的辐射查算表插值计算,三是先验臭氧廓线X0缺乏对中国区域的代表性.分析认为,未来FY-V1.0算法反演精度改进主要在二个方面:一是利用TOMRAD模式开展多次散射和反射辐射的直接计算,代替目前的辐射查算表插值计算方法;二是通过增加臭氧廓线气候数据库中国区域廓线,或者改进中国区域先验臭氧廓线X0生成方法,改进其对中国区域的代表性.