陆地生态系统碳监测卫星多角度偏振成像仪细粒子气溶胶反演

细粒子气溶胶光学厚度是大气环境监测、气候变化评估所需的关键参数。对2022年8月发射的陆地生态系统碳监测卫星(CM-1)上搭载的多角度偏振成像仪(DPC)进行了较为系统的介绍。DPC/CM-1的主要改进是星下点空间分辨率从3.3 km提升到2.4 km。针对DPC/CM-1载荷及数据特点,发展了基于偏振与光谱特征和空间纹理特征的云检测方法,同时耦合了多角度信息实现较严格的云像元判识。该方法对于沙漠、植被、丘陵,以及海表耀光及非耀光区域等不同下垫面,均有较好的检测效果。发展了基于改进气溶胶模型的细粒子气溶胶光学厚度(FAOD)反演算法,利用全球地基气溶胶观测网(AERONET)数据对FAOD反演结果进行了验证,拟合直线斜率达到0.95以上,且有接近73%的数据分布于期望误差以内,说明了反演算法的可靠性。FAOD反演结果清晰显示出全球FAOD空间分布特征,其中,印度、非洲中部等地区受人口分布、工/农业排放、生物质燃烧等影响,FAOD高值达到0.7~0.9。DPC/CM-1在轨测试期间的初步反演结果表明其在大气环境监测、污染传输分析等方面的潜力,能够提供更精细尺度的大气参数反演结果。

风云三号降水卫星多角度偏振成像仪的观测特点和应用潜力

准确测量大气中云和气溶胶的辐射特性对数值天气预报和气候变化具有重要意义。搭载在风云三号降水卫星上的偏振载荷是国内首个具有短波红外通道的多角度偏振成像仪(Polarization and Multi-Angle Imager, PMAI),计划于2023年年初发射,为气溶胶-云-降水观测链条提供重要支撑。该仪器运行在非太阳同步的倾斜轨道,可提供3 km(星下点)空间分辨率和700 km幅宽的图像。PMAI的观测通道包括1030 nm、1370 nm、1640 nm的偏振通道和相应的非偏振通道,可提供14个角度的观测信息。PMAI将利用自然目标的在轨替代定标和同平台仪器的交叉定标,实现5%的辐射测量精度。观测和仿真数据表明PMAI拥有描述云和气溶胶特性的独特优势。全新的短波红外通道的多角度偏振测量可以优化云相态识别和云微物理参数反演、气溶胶的地气解耦以及地表方向反射特征的表述。处于非太阳同步轨道的PMAI具有独特观测几何,可以获得大气粒子辐射更宽的散射角分布信息。此外,PMAI可联合同平台中分辨率光谱成像仪的可见近红外和热红外通道的观测信息,进行云和气溶胶的协同反演。

高分五号02星多角度偏振成像仪在轨辐射性能初步评价

2021年9月我国成功发射的高分五号02星[GF-5(02)]上搭载有多角度偏振成像仪(DPC)和高精度偏振扫描仪(POSP),组成了“偏振交火”观测方案。为评价GF-5(02)卫星DPC传感器的在轨辐射性能,基于2022年1月DPC和POSP观测数据,采用海洋瑞利散射和“偏振交火”交叉定标两种方法,实现了DPC在轨绝对辐射定标和视场内相对辐射一致性检验。结果表明,DPC/GF-5(02)在轨后的绝对辐射和相对辐射响应较发射前的实验室定标结果均未发生明显改变,在轨前后各波段绝对辐射系数差异均小于5.3%,视场内相对辐射响应变化均小于2%。其中,443nm波段瑞利散射和“偏振交火”交叉两种方法获得的绝对辐射定标系数一致性较高,偏差约为2%;而490nm和670nm波段两方法定标结果偏差较大,偏差分别为7.4%和7.7%。整体上,DPC/GF-5(02)在轨后的辐射稳定性优于DPC/GF-5。

山区气溶胶多角度偏振遥感地气解耦方法评估

山区复杂的地形特征会导致地表反射率估算误差增加,降低地气解耦精度,进而影响气溶胶反演精度。当前应用较广泛的反演方法有基于波段关系估算地表反射的暗目标算法(DT)、基于区域地表反射率库的深蓝算法(DB)和基于双向反射分布函数(BRDF)、双向偏振分布函数(BPDF)模型估算地表反射率的GRASP(Generalized retrieval of atmosphere and surface properties)算法。为探究适合山区气溶胶遥感的地气解耦方法,利用地面气溶胶自动观测网(AERONET)气溶胶产品(AOD_A)对比分析了2005年至2013年间POLDER-3(Polarization and directionality of the earth's reflectances)的GRASP气溶胶产品(AOD_G)、中等分辨率成像光谱仪(MODIS)的DT气溶胶产品(AOD_DT)和DB气溶胶产品(AOD_DB)在中国区域的精度。结果显示,非山区站点处AOD_G与AOD_A整体相关性最高(R=0.921),AOD_DT和AOD_DB总体精度差异不大,但山区AOD_G高于期望误差的比例达79.87%,AOD_DT和AOD_DB高估程度分别增加了近30%和20%。在河北兴隆和兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)两个山区站点分季节验证显示,植被覆盖度低的秋冬季节三种卫星产品精度均存在下降趋势,表明除去地表植被对反射率的影响后,山区地形影响了地气解耦精度。进一步分析显示,山区起伏地形对基于BRDF、BPDF模型的地气解耦方法影响较大;在山区等起伏地表上空,多角度观测的地表波段关系更有利于精确估算地表反射,而在城区BRDF、BPDF模型与波段关系估算地表反射的误差水平接近。研究结果为进一步优化多角度观测(如高分五号DPC)的山区气溶胶反演算法提供了新的方向。

航空多角度偏振辐射计的偏振定标

研究了航空多角度偏振辐射计的辐射定标方法,以消除其自身引入的偏振效应,提高偏振辐射计的测量精度。首先,根据引入仪器偏振效应的主要因素推导了含定标系数的仪器探测方程,由仪器在0°和90°两个状态下对同一信号的探测方程求解了定标系数表达式,并设计了仪器分别处于两个状态下获取信号、求解定标系数的定标方法。最后,分别针对非偏振光源和完全线偏振光源的测试数据求解了所有的定标系数,使用可调偏振度光源验证了偏振定标结果。结果显示,该仪器偏振测量精度不低于0.5%,满足仪器精度指标要求。

不同污染水体的多角度偏振光谱研究

以长春市3个农业灌区水库的水体为实验样本,应用二向反射光度计实测了不同水体在2π空间的多角度偏振反射光谱数据,从探测方位角、光线入射角、探测天顶角、偏振角、波段等方面对所测水体的偏振反射数据进行了初步分析与研究。结果表明:偏振特性是水体的一个固有特征,不仅对污染水体物理性质的测试做出了新尝试,而且为未来污染水体的偏振光遥感研究提供了科学依据。

水云多角度偏振辐射特性研究

由球形水滴组成并分布在大气底层的水云,对全球辐射平衡和气候变化有重要的影响,其影响程度取决于水云本身的微物理特性和光学特性.在对近红外通道0.865μm波长处水云光学特性研究的基础上,采用矢量辐射传输方程模拟分析了大气层顶归一化辐射强度和归一化偏振辐射强度对水云微物理特征、光学特征和地表反照率的敏感性.模拟结果表明,光谱的多角度偏振遥感信息能够更有效地体现出水云微物理特征和光学特征,可以利用多角度偏振遥感信息反演各种云参数.为利用多角度偏振遥感数据反演水云各种微物理量提供了理论基础.

多角度偏振辐射计星上积分球结构设计及检测

为满足星载多角度偏振辐射计六孔径同时定标及全光路定标的要求,根据多角度偏振辐射计的光路特点和结构约束设计了六出孔椭球形积分球定标源,并对积分球辐射输出的一致性﹑均匀性及偏振特性进行了检测。其中,一致性的检测采用定标后的光谱辐射计直接测量;均匀性的检测考虑积分球出口小,采用了透镜加光阑扫描的方法;偏振度的检测使用了根据马吕斯消光定律设计的线偏振检测仪。实验和检测结果表明,采用的检测和数据处理方法提高了系统的信噪比和测量的准确性。积分球成对开孔输出一致性优于99.5%,面均匀性优于99%,偏振度低于1%,这些结果满足多角度偏振辐射计的辐射定标需求。

航空多角度偏振辐射计信噪比估算与测量

为精确评估航空多角度偏振辐射计的性能,分析了航空多角度偏振辐射计的信号与噪声,给出了估算其探测器信噪比的过程。介绍了航空多角度偏振辐射计的工作原理,推导了探测器信噪比与系统信噪比的估算表达式。结果显示:系统信噪比与强度信噪比成正比,探测器信噪比需求与偏振探测精度成反比,航空多角度偏振辐射计的探测器信噪比应不小于245,得到的结果弥补了一直以来偏振遥感仪器只计算探测器信噪比的不足。最后,根据推导的表达式,通过矢量传输模拟估算了用航空多角度偏振辐射计探测典型场景时的探测器信噪比与系统信噪比,并在暗室中利用积分球与偏振盒进行了测量。结果表明,航空多角度偏振辐射计各个探测器的信噪比均满足偏振探测的需求。

GF-5卫星多角度偏振成像仪在轨偏振定标

2018年5月,我国成功发射了高分5号卫星,其上搭载了多角度偏振成像仪。卫星载荷受发射时的振动、在轨空间环境变化以及元器件电路系统老化等因素的影响,各种辐射特性发生变化,从而导致整个载荷辐射性能与在轨前的实验室定标结果之间存在一定偏差。基于海洋耀光对高分5号卫星多角度偏振成像仪的偏振测量定标的方法,并利用在轨测试期间数据,对载荷进行了初步的偏振辐射定标测试。测试结果表明,3个偏振波段(490, 670, 865 nm)线偏振度测量值与理论值有很好的一致性,平均偏差分别约为-0.03、-0.04、-0.01,载荷发射前后偏振测量状态未发生明显改变。基于自然目标的在轨替代定标方法,还可用于多角度偏振成像仪偏振辐射性能随时间变化情况的长期监测。

多角度偏振辐射计的光机设计

介绍了多角度偏振辐射计的光机系统组成及其工作原理。根据仪器的工作原理,进行了光学系统的设计,从保证偏振测量精度和满足光学设计要求出发,重点解决了集束系统光轴平行性、视场对准的一致性问题,给出了多角度偏振辐射计的光机设计结果。

海洋上空云多角度偏振辐射阈值检测方法研究

云是海洋遥感的一项重要研究内容,云检测精度对于海洋上空云微物理特性的反演和海洋水体观测具有重要意义。以高分五号卫星搭载的大气气溶胶多角度偏振探测仪(Directional polarimetric camera,DPC)在轨成像数据为研究对象,提出了一种基于多角度偏振辐射信息的海洋上空云检测方法。首先用耀光角判别法区分出海洋耀光区域和非耀光区域,然后利用多角度偏振信息对耀光区域进行云检测,并基于反射率阈值、可见近红外反射率比值和偏振信息检验等方法对非耀光像元进行云检测。以印度洋和大西洋海域为例,基于DPC数据进行了海洋上空云检测,经过时空匹配后,其结果与MODIS(Moderate-resolution imaging spectroradiometer)云掩膜数据一致性分别为91.39%和94.73%。此外,用法国POLDER3(Polarization and directionality of the earth′s reflectances)数据验证了文中算法的有效性,将云检测结果和POLDER3官方云检测产品对比,一致性达到90.40%。文中提出的多角度偏振辐射阈值云检测算法,可为卫星观测的海洋上空云特性研究和海洋水体观测提供有效云检测数据。

航空多角度偏振观测京津唐地区大气气溶胶

航空大气多角度偏振辐射计(AMPR)可以获取多角度、多波段和偏振辐射观测数据,将AMPR装载于遥感飞机对京津唐地区(工业发达、人口集中)的气溶胶进行观测,经过数据处理和反演,得到该地区的气溶胶光学厚度。反演过程中,以大气校正后的1640 nm波段观测数据作为下垫面的地表偏振信息,结合查找表的方法,综合利用多角度光谱偏振辐射信息,反演得到气溶胶的光学厚度。反演结果与同步地基观测数据对比,结果表明AMPR具备观测典型区域大气气溶胶的能力。

大气气溶胶航空多角度偏振观测实验及数据分析

鉴于多角度偏振辐射数据可以有效提升大气气溶胶参数的反演精度,设计了多角度偏振探测航空实验及数据处理流程。将我国自主研制的多角度偏振成像仪DPC搭载在航空平台上,同时在地面布设太阳辐射计CE318观测站点,设计航线串联地面观测站点,开展了航空飞行实验。对实验获得的数据进行分析处理,结果表明,多角度偏振探测航空实验可获取高精度的偏振、辐射数据;使用该数据反演大气气溶胶光学厚度,反演误差小于3%,初步验证了多角度偏振成像仪可为大气气溶胶多参数反演提供有效的数据。

多角度偏振成像仪鬼像校正方法

根据多角度偏振成像仪光学系统特点,分析了仪器的鬼像分布特性,结合光学设计软件CodeV与ZEMAX确定了产生严重鬼像的光学工作面,并对实验测得的鬼像图像进行了标记.在此基础上,利用鬼像畸变与视场的关系,采用多项式拟合的方法得到仪器全视场鬼像位置和形变,并通过实测图像确定了原像和鬼像图像之间的能量衰减比,建立了仪器全视场的鬼像校正模型.最后分别对未饱和及过饱和图像进行了校正,结果表明,此校正方法可以消除至少90%的鬼像杂光.

基于多角度偏振载荷数据的中国典型地物偏振特性研究

相对于传统的光学遥感,多角度偏振遥感不仅可以获取辐射强度信息,而且可以获取偏振强度信息.基于多角度偏振卫星载荷观测的中国典型地物的偏振反射率数据,获取了地表偏振双向反射模型——Nadal模型的中国区域模型参数值.在此基础上,基于修正的Nadal模型研究了中国区域森林、草地、沙漠三种典型地物的多角度偏振特性.研究表明:1)各地物的偏振反射率均随着散射角的增大而减小,随着太阳天顶角和卫星观测天顶角的增大而增大;2)森林、草地和沙漠三种典型地表偏振反射率存在明显差别,森林的偏振反射率最低,草地的偏振反射率次之,沙漠的偏振反射率大约为森林的两倍;3)不同地物之间的偏振反射率差值均随着卫星观测天顶角和太阳天顶角的增大而增大.研究结果可为基于多角度偏振遥感数据探测地表偏振特性和反演气溶胶参数提供先验知识.

多角度偏振成像仪在轨图像配准及性能评估

高精度的图像配准是保证多角度偏振成像仪在轨数据有效性的关键.介绍了多角度偏振成像仪基于光楔的偏振图像配准方法和基于地球参考网格的多角度、多光谱图像配准方法.系统地分析了影响多角度偏振成像仪多角度、多光谱图像配准性能的误差,并提出通过相对几何定标提高多角度、多光谱图像配准性能.对比误差校正前后多角度偏振成像仪的多角度、多光谱图像配准性能,证明所提方法有效地提高了多角度、多光谱图像配准精度.多角度偏振成像仪在轨多角度、多光谱和偏振图像配准精度分别优于0.26 pixel、0.14 pixel和0.1 pixel.

多角度偏振成像仪杂散光仿真分析

杂散光仿真分析是保证多角度偏振成像仪获取高精度偏振辐射数据的关键手段之一。根据仪器光学系统的自身特点,分析了杂散光的主要来源。针对采用点源透过率法难以适用于大视场光学系统杂散光分析的问题,介绍了基于黑斑法原理进行杂散光仿真分析的方法。借助杂散光分析软件LightTools,建立仪器的三维几何模型及光学属性,采用选定视场点反向光线追迹的方法仿真分析得到光机系统的视场外和视场内杂散光系数。分析结果表明,杂散光主要来源于成像视场范围内,且中心视场受到的杂散光影响最大,杂散光系数为3.27%,达到了设计指标要求。此外,采用近轴光线和实际光线正向追迹,模拟得到局部杂光和全局杂光的能量分布,为后期的图像杂散光校正研究提供了理论依据与指导.

利用多角度偏振数据反演华北地区灰霾气溶胶

针对灰霾气溶胶,利用多角度偏振数据进行了反演研究.在地面观测数据的基础上,模拟了卫星观测的灰霾多角度偏振信号,发现利用近红外波段偏振信息能更好地区分灰霾的轻重程度.在此基础上,针对POLDER3的多角度偏振数据,考虑灰霾气溶胶的组分构成,采用偏振反射率最优拟合的方法,建立了华北地区灰霾气溶胶的反演算法.2010年2月23日的算法实验表明,本算法在重霾发生时能较好地区分灰霾的轻重程度.而2009~2010年的反演结果与地面观测结果有较好的相关性(相关系数在0.9左右),灰霾时AOD的反演误差大约在10%左右.但本算法反演结果要整体低于地面观测结果,原因可能是偏振信号对粗粒子不敏感以及地表类型数据更新较慢、灰霾各气溶胶组分的线性组合假定.