基于氧气A波段发射谱线临近空间大气温度的反演及分析

基于氧气A波段的临边辐射强度模拟数据对临近空间高度(60~110 km)的大气温度反演进行了研究及结果分析。首先,基于正演模型分别模拟了无噪声和加入噪声情况下的临边辐射强度模拟值,基于这两种模拟数据分别进行了临近空间大气温度反演,并对氧气A波段中的所有谱线的反演结果进行了分析,确定了氧气A波段各谱线权函数变化规律可作为温度观测的判断依据。温度通过影响线强和自吸收两部分来影响辐射强度,且温度对它们的影响正好相反,权函数就是用来表示温度对辐射强度影响大小的函数,而反演结果的差距可从其权函数中得到规律。在无噪声情况下,当温度对自吸收的影响小于对线强的影响时,权函数未发生正负翻转,温度反演精度较高,平均反演偏差为4.1 K;当温度对自吸收的影响大于对线强的影响时(主要位于60~80 km高度),权函数发生正负翻转,原因是自吸收降低了辐射强度对温度的灵敏度,此时温度的反演精度较差,平均反演偏差达到34.9 K。此外,在有噪声的情况下,强线比弱线的抗干扰能力更强,反演精度更高,在实际观测中也更适合用于温度的反演,所以线强的强弱也是谱线选择的另一个重要的依据。基于辐射弱线,进一步通过人为提高信噪比来分析辐射强度对反演精度的影响,结果表明:辐射越强,信噪比越大,温度的反演精度越高,反之则越低。当气辉谱线线强达到10-26时,也可以用于80 km以上的温度反演并获得较好的反演结果,反演精度<5 K。

基于FY-3D电离层光度计数据开展夜间135.6nm辉光辐射强度对赤道环电流指数Dst的响应特性研究

远紫外气辉探测仪小型电离层光度计IPM于2017年11月15日随FY-3D卫星发射升空.IPM通过对地测量夜间O+和电子辐射复合产生的135.6 nm辉光辐射、白天光电子激发产生的OI 135.6 nm和N2LBH波段的辉光辐射,可以得到夜间电离层峰值电子密度、电子总含量以及白天大气氧原子和氮分子的柱密度比O/N2等参数.本文基于IPM夜侧数据研究了在非极光区的中低纬度上,135.6 nm波段辐射强度在磁暴时与磁平静时的相对变化.研究表明,135.6 nm波段辐射强度极易受到磁暴影响发生扰动,对Dst指数响应十分敏感,即使是较弱的磁暴,135.6 nm波段辐射强度也会出现增强,辐射增强出现的时间与磁暴的主相与恢复相有很好的对应性;通过与IGS(International GNSS Service)提供的TEC比对研究表明,磁暴期间135.6 nm辐射增强并非仅由与电离层电子密度信息正相关的O+和电子辐射复合机制产生的辐射贡献引起;多个不同强度的磁暴事件研究表明,135.6 nm辐射强度在磁暴时相对平静时的增加量与Dst指数呈反比,即Dst指数越低,135.6 nm辐射强度的增加量越大,且纬度越高,135.6 nm辐射强度的增加量越大.

FY-3C卫星紫外臭氧总量探测仪的在轨替代定标

风云三号气象卫星C星(FY-3C)搭载的紫外臭氧总量探测仪因太阳辐照度观测值异常而无法进行常规在轨星上定标,导致臭氧总量产品无法正常生成。在研究了风云三号气象卫星B星(FY-3B)TOU辐照度观测数据的特点以及仪器衰减规律后,结合FY-3C/TOU辐照度和辐亮度实测数据,探索了基于晴空海洋像元观测值计算仪器的衰减系数法。本文选取受陆地气溶胶影响较小的热带太平洋海区,用矢量辐射传输模式模拟云量较小的像元对应的晴空辐亮度,比较观测值与模拟计算值,通过统计筛选晴空像元,估算FY-3C/TOU探测器随时间的衰减系数。在确定仪器衰减系数后对FY-3C/TOU历史数据进行处理,反演获得了全球臭氧总量并与WMO/WOUDC地基观测数据进行对比。结果表明,基于晴空辐亮度估算的仪器衰减系数进行的臭氧总量反演的均方根误差在5%以内。在星载紫外探测器星上辐射定标失败的时候,可以利用晴空海洋像元确定仪器的定标系数。

GNSS-R/IR监测地表冻融状态对延迟多普勒波形和多路径数据影响分析

将GNSS-R/IR技术的应用领域拓展到地表冻融状态的监测中,本文利用冻融土混合介质介电常数模型计算土壤介电常数,采用双站全极化相干反射率模型和随机粗糙面散射模型,分别计算了经冻融土反射的GPS相干反射量的镜像反射率,以及GPS非相干反射分量的漫散射特性。模拟分析了冻融转换时,GPS多路径信息(GNSS-IR)以及包含漫散射信号的延迟多普勒图(GNSS-R)的变化特征。理论研究表明冻融转换过程中,地表介电常数的变化导致GPS多路径信息和延迟多普勒图的明显变化。本文从散射机理上揭示了利用GNSS-R和GNSS-IR遥感进行地表冻融特性监测的理论依据。

宽谱段高光谱成像仪星上波长定标方法

高光谱成像探测仪在轨波长漂移和性能衰变是有效载荷在轨长期工作必须解决的问题。利用太阳辐射光谱和大气后向散射辐射光谱中特有的Fraunhofer吸收线可作为星上波长定标的基准。针对波长定标精度需求,优选出高精度的太阳参考光谱,用仪器狭缝函数卷积后初选出87条Fraunhofer吸收线,并分析了由Fraunhofer吸收线分布非均匀性引起的系统误差,以及由仪器探测能力不同而产生的随机误差。综合最大偏差和RMS,确定了在满足定标精度优于0.01 nm的条件下,可用的76条太阳Fraunhofer线的精确位置。该研究为高光谱成像探测载荷在轨高精度波长定标奠定了基础。

观测路径和光谱分辨率对吸收性气溶胶指数的影响

吸收性气溶胶指数(AAI)在监测污染物方面有较好的应用,其反演结果受边界层高度、云高、相对湿度以及仪器指标和观测几何路径等因素影响.利用大气辐射传输模型MODTRAN,对辐射传输方程中多次散射计算的不同近似方法和不同观测几何角度下的AAI进行模拟,研究这些因素对AAI结果的作用,并分析仪器光谱分辨率对AAI探测结果的影响.结果表明,折衷考虑计算效率与精度的情况下,应选择8流近似的离散坐标法进行带有多次散射计算的辐射方程解析.AAI在不同浓度和不同类型气溶胶下随观测角度变化的趋势相同:相对方位角<120°时,AAI误差在太阳天顶角和卫星方位角均为40°～60°时最大;相对方位角在120°～180°时误差均较小;光谱分辨率对AAI反演结果无明显影响.

GNSS-R DDM波形仿真的时延与多普勒间隔研究

DDM波形是GNSS-R技术用于反演地球物理参量的基本观测量,其仿真结果的可靠性直接影响GNSS-R的理论研究及项目工程参数设计。利用GREEPS仿真软件分析了时延间隔与多普勒间隔对DDM波形仿真结果可靠性的影响,得到了用于获取可靠DDM仿真波形的时延与多普勒间隔参数。研究表明,时延和多普勒间隔越小,DDM仿真波形与理论波形吻合度越高;当时延间隔取1/16个GPS L1 C/A码元、多普勒间隔取50Hz时,DDM仿真波形与理论波形几乎完全吻合,二者的相关系数大于0.99;时延间隔对DDM仿真波形峰值位置的影响远大于对峰值信噪比的影响;而多普勒间隔对DDM仿真波形峰值位置与信噪比的影响相当。

星载成像光谱仪退偏器的设计及测试

为保证星载成像光谱仪测量结果的准确性,设计了双巴比涅退偏器。首先利用电磁波理论及光波传输理论分析了双巴比涅退偏器的工作原理,接着根据偏振光在双折射晶体中的传播公式设计出适当的该退偏器的楔角,最后搭建一套偏振测试装置,对研制完成的双巴比涅退偏器的退偏性能进行测试。测试结果表明:该双巴比涅退偏器在-15~15℃入射角范围内具有较好的退偏性能。退偏器楔角选择6°时,能在不影响成像质量的前提下较好地对探测波段退偏,且退偏度不受方位角及频率的影响,退偏度优于99%。该退偏器具有退偏度高、透射比高、性能稳定、体积小等优点。由于测量系统误差,测量不确定度为0.00290。

两分两至点热层大气密度变化

热层大气受太阳辐射的影响,其变化与光照时间长短密切相关,在春分、秋分、夏至、冬至期间呈现出不同的特点。通过在中国低轨道航天器上装载大气密度探测器,获得在轨原位探测数据,分析大气密度在两分两至点时的变化关系。结果表明,春分和秋分(两分点)期间全球热层大气密度随纬度对称性变化,但夏至和冬至(两至点)期间则呈现出全球热层大气密度的南北半球不对称性变化;两至点期间南北半球分别处于夏半球和冬半球,在南北高纬地区(纬度80°附近)670 km上空热层大气密度存在显著差异,探测值表示出3～3.6倍的差异,而在560 km高度上探测到两者差异可高达13倍左右,不对称程度与高度和纬度有关;探测值与模式值比较表明,模式值对冬夏半球上空热层大气密度差异变化显著响应不足。

地磁亚暴期间低高度ENA辐射事件的抵近观测与反演

2004年11月12日的系列地磁亚暴期间, TC-2卫星上的中性原子成像仪(NUADU)在飞临近地点附近的南、北极上空观测到低高度能量中性原子(ENA)辐射.通过对高时空分辨探测数据的反演,我们首次给出亚暴期间环电流能量离子沉降和注入过程的全球视场展示,展示的时间分辨率高达1min.探测结果表明,观测到的ENA辐射主要来自低高度、高纬极区.由于沉降能量离子沿磁力线运动,在该区域通过电荷交换产生ENA的几率更大.因此,利用低轨道卫星探测高时间和高空间分辨率的ENA成像数据是监测地磁活动期间环电流离子动力学过程演化的最佳方法.