大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀數字建模與仿真

江澄 陶東興 何紅艷

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大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀數字建模與仿真

江澄1,2陶東興3何紅艷1,2

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）（2 先進光學遙感技術北京市重點實驗室，北京 100094）（3 北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

“高分五號”衛星是中國高分專項工程中的唯一一顆實現高光譜分辨率的遙感衛星，其中搭載的大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀（Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder，AIUS）是中國第一個星載超高光譜掩星探測載荷，是中國目前光譜分辨率最高的星載傅里葉變換光譜儀。文章基于AIUS的探測原理，以掩星觀測路徑的能量傳輸為線索，研究探測儀數據獲取鏈路中各個環節的輻射傳輸過程，建立了包括大氣紅外輻射傳輸仿真和探測器仿真的數字化建模與仿真模型，并對仿真模型進行了精度驗證，充分驗證了數字仿真模型的有效性和準確性。驗證試驗結果表明：數字仿真模型具有高精度的數據仿真能力，所有通道仿真數據與實際測量數據相比，相對誤差小于2%，數據相似度優于0.99。因此，數字仿真模型能夠為“高分五號”衛星大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀在軌成像質量預測、指標參數優化和應用能力評價提供重要的數據支撐。

掩星測量 傅里葉變換光譜儀 建模與仿真 高光譜 “高分五號”衛星

0 引言

隨著人類活動對環境的影響越來越不容忽視，大氣成分及濃度隨著人類活動的發展發生了巨大的變化。大氣中的痕量氣體和氣溶膠不僅具有化學活性，還具有輻射活性，對太陽輻射和地表紅外輻射有很強的吸收作用，它們的濃度雖低，但對地氣系統的能量收支及生物圈與大氣的相互作用過程卻有著不容忽視的作用，同時痕量氣體還間接對全球的生態環境以及氣候變化造成嚴重影響[1-3]。大氣痕量氣體的研究日益受到重視，其總量和高度分布的變化成為了國際上大力發展的研究方向。

采用衛星遙感監測的方法，可以快速、經濟、可重復地獲取宏觀尺度上大氣痕量氣體的信息。紅外光譜區是大氣痕量氣體的“指紋區”，富含痕量氣體豐富的診斷性光譜特征[4-5]。因此利用星載高光譜紅外探測儀研究大氣痕量氣體具有不可比擬的優勢。

“高分五號”衛星是高分重大專項中唯一一顆實現高光譜分辨率對地觀測的衛星，是國家高分辨率對地觀測能力的重要標志。作為“高分五號”衛星的主要載荷之一，大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀（Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder，AIUS）是我國第一個星載高光譜掩星探測載荷，是國內目前光譜分辨率最高的星載傅里葉變換光譜儀。其采用太陽掩星的探測方式，利用干涉傅立葉變換光譜探測技術對大氣進行高光譜分辨率、高信噪比和寬波段范圍的精細光譜探測，獲取不同高度大氣的成分和濃度分布，為氣候變化研究和大氣環境監測提供科學依據[6-8]。

國際上首次采用掩星模式進行大氣成分探測的載荷是加拿大SCISAT-1衛星上搭載的ACE-FTS（Atmospheric Chemistry Experiment-Fourier Transform Spectrometer），它能夠提供10~100km的大氣溫度、壓強的高程廓線以及35種分子的體積混合比廓線。在ACE-FTS發射之前，SCISAT-1衛星研制團隊開展了載荷性能仿真分析，但是其研究重點是載荷關鍵指標的滿足度，并沒有從輻射傳輸角度分析太陽—大氣—載荷鏈路的能量傳遞模型[9-10]。本文針對大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀的探測過程，通過建立太陽、大氣、衛星和探測儀等環節的仿真模型，開展探測儀的全鏈路數據仿真，為“高分五號”衛星在軌成像品質預測、指標參數優化和應用能力評價提供重要的數據支撐。

1 探測儀原理

太陽光到達探測儀入瞳處后，探測儀內部的能量傳遞過程為：太陽光由跟蹤反射鏡引入探測儀輸入光學系統，經前光學壓束后進入干涉儀，經干涉調制后的干涉光束被輸出光學系統匯聚引入銻化銦探測器（InSb）和碲鎘汞探測器（Mct），并最終轉換為干涉信號。AIUS還包括一臺太陽跟蹤器，其功能是自動跟蹤太陽運動，將太陽光穩定引入輸入光學組件中。AIUS的主要技術指標如表1所示。

圖1 掩星模式測量的幾何光路示意圖

表1 AIUS主要技術指標

Tab.1 Key parameters of AIUS

2 數字建模與仿真

2.1 總體流程

根據掩星模式下太陽—大氣—遙感器路徑的大氣輻射傳輸機制，以輻射能量計算為線索，分析到達AIUS入瞳處的輻亮度構成以及輻射在AIUS內部的傳輸過程，建立全鏈路仿真模型，模擬大氣對輻射的衰減、遙感器能量衰減以及光電轉換等環節，從而仿真生成高精度的干涉數據。全鏈路數字建模與仿真流程如圖2所示。

圖2 數字建模與仿真流程

全鏈路數字建模與仿真主要包含以下兩個方面的仿真模型：

1）大氣輻射傳輸仿真：根據掩星模式的輻射傳輸路徑，計算太陽光經過大氣傳輸后在探測儀入瞳處形成的光譜輻亮度分布，為探測儀仿真提供輸入數據。

2）探測儀仿真：建立AIUS內部的能量傳遞模型，利用光學系統、干涉儀模塊、探測器及電子學系統的真實參數，模擬AIUS對入射能量的響應過程，生成高精度的仿真干涉數據。

2.2 大氣紅外輻射傳輸建模與仿真

基于圖1的幾何光路，對于處于局域熱力學平衡的大氣來說，大氣紅外輻射傳輸方程可以表示為[11]：

式中L為輻射強度；表示波數；B為溫度對應的普朗克黑體發射強度；是沿光線路徑的距離坐標，原點取在切點。為了獲得大氣痕量氣體的垂直廓線，考慮球面幾何學的知識，將變量改為，則太陽掩星測量的輻亮度可以寫為：

式中 K（）表示權函數，它隨幾何因子以及相對于高度所采用的譜帶模式而變化。

大氣紅外輻射傳輸計算的核心問題是計算垂直分層大氣的透過率，而計算透過率的前提是高精度的輻亮度模擬。高精度的輻亮度模擬一般采用逐線積分（Line-By-Line，LBL）的方法，即對各種氣體的吸收譜線對輻射的貢獻值逐線積分[12-13]。

大氣輻射傳輸模型SCIATRAN是一種基于LBL的高光譜分辨率大氣輻射傳輸模型，用于地基以及大氣中任意高度觀測光譜的模擬[14-15]。通過考慮多種痕量氣體（O3、NO2、OCLO、SO2、NO3等）、氣溶膠及云的影響，根據HITRAN（HIgh-resolution TRANsmission molecular absorption database）的譜線資料（如吸收線中心波長、線強、標準狀態下增寬半寬以及低能態能量），SCIATRAN模型能夠精確模擬光譜范圍為175.44nm~40μm的大氣輻射傳輸，計算輻射率、權函數、大氣質量因子、垂直光學厚度等多種參量[16-17]。

2.3 探測儀建模與仿真

根據AIUS成像機理及輻射傳遞機制，入瞳輻亮度經前置光學系統后，由干涉儀調制得到干涉條紋，最終通過探測器及電子學系統對能量進行采樣、光電轉換和模數轉換，得到量化后的干涉數據。在建模與仿真過程中同時考慮了上述各個環節引入的噪聲影響。

（1）能量傳輸

入瞳輻射強度L經前置光學系統衰減后，到達干涉儀光學子系統的輻照度E為：

干涉儀光學子系統為折疊式光路結構，由于實際系統并非一個零視場系統，考慮到視線偏轉角的影響（如圖3所示），光程差要乘以因子cos，干涉光信號的輻照度E（）可以表示為：

式中M為干涉儀調制效率；為光程差；FOV為視場角。

探測器及電子學系統將輸入的光譜輻照度進行采樣、光電轉換及模數轉換后，得到電信號′，考慮系統的量化位數為bit，系統的最大電流為，得到干涉量化信息Dn：

（2）探測儀噪聲

系統噪聲決定了輻射度測量的基本極限。能量在探測儀光學系統中傳遞時，將引入背景噪聲，在探測器及電子學系統中傳遞時，將引入探測器相關的一系列噪聲（如光子噪聲、熱噪聲、暗電流噪聲等）和由采樣過程導致的量化噪聲、采樣噪聲等[18-20]。對于種不同的噪聲來源noise，其滿足平方和疊加關系，則探測儀的全部系統噪聲noise表示為：

為了便于評估系統噪聲，一般用噪聲等效輻亮度NESR（Noise Equivalent Spectral Radiance）來表示探測儀噪聲：

式中 為光譜分辨率；為儀器光通量；儀器效率；t為干涉圖采集周期；R(v)為探測器響應率。

3 仿真精度驗證

利用建立的數字化仿真模型，對AIUS探測數據進行仿真。在仿真過程中，輸入數據為待探測區域的大氣狀況、成像時間以及切高位置，還需設定光學系統透過率、視場角、光程差、探測器尺寸等探測儀參數，詳細的參數設置見表2。

表2 仿真主要輸入參數

Tab.2 Key input parameters for simulation

為了仿真探測儀每一次掩星觀測得到的數據，參數設置中將切高位置設置為10~100km，并以5km為間隔，因此，利用大氣紅外輻射傳輸模塊可以仿真得到共計19次的掩星觀測數據。為了更直觀的表現各層大氣內氣體的吸收特征，將每次掩星觀測的輻亮度與大氣層外的太陽輻亮度相比，則可以得到各層大氣的透過率曲線。圖4、圖5分別為2 000~2 240cm–1范圍內、700~940cm–1范圍內的一系列大氣透過率光譜。

圖4 2 000~2 240cm–1譜段范圍內不同切高位置的仿真輻亮度

圖5 700~940cm–1譜段范圍內不同切高位置的仿真輻亮度

仿真得到的大氣吸收光譜中包含了不同痕量氣體的特征光譜，選擇如表3所示的兩個光譜微窗（Micro-Window，MW），相應的特征光譜如圖6所示，通過比較主要吸收氣體CO2和O3的中心波長位置，仿真光譜的中心波長位置與HITRAN標準庫中特征譜線位置一致，驗證了大氣輻射傳輸建模與仿真模型的精度。

表3 典型痕量氣體的特征吸收譜段

為了驗證探測儀仿真模塊的精度，將探測儀于2017年6月1日采集的太陽光譜作為仿真模型的輸入信號，利用建立的仿真模型進行探測儀數據仿真。探測儀InSb通道和Mct通道測量得到的干涉數據和仿真干涉數據分別如圖7、圖8所示。

為了評價干涉數據的仿真精度，采用相對均方根誤差RRMSE（Relative Root Mean Square Error）和Pearson相關系數進行分析。Q和P分別表示仿真數據和實測數據，表示參與計算的干涉數據點數（=1，2，3，······，），則計算公式如式（8）和式（9）所示。

其中，RRMSE表示數據間的相對誤差，其值越小，相對誤差越小；Pearson相關系數表示數據間的平均相似度，其值越大，數據之間的相似度越大。計算結果如表3所示，對于InSb通道，仿真干涉數據與實測干涉數據的RRMSE為1.94%，Pearson相關系數為0.997 2；對于Mct通道，仿真干涉數據與實測干涉數據的RRMSE為1.26%，Pearson相關系數為0.998 3。由結果可見，無論是InSb通道還是Mct通道，仿真數據與實測數據的誤差都較小，數據相似性都極高，說明針對AIUS的數字仿真模型具有高精度的數據仿真能力。

圖7 InSb通道仿真干涉數據與實測干涉數據的比較

圖8 Mct通道仿真干涉數據與實測干涉數據的比較

表4 仿真精度評價

3 結束語

本文基于AIUS的探測原理，以掩星觀測路徑的能量傳輸為線索，研究探測儀數據獲取鏈路中各個環節的輻射傳輸過程，建立了包括大氣紅外輻射傳輸仿真和探測器仿真的數字化建模與仿真模型，并通過試驗驗證了建立的數字化仿真模型的有效性和準確性。驗證試驗結果表明：數字仿真模型具有高精度的數據仿真能力，所有通道仿真數據與實際測量數據相比，相對誤差小于2%，數據相似度優于0.99。因此，數字仿真模型能夠為“高分五號”衛星大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀在軌成像品質預測、指標參數優化和應用能力評價提供重要的數據支撐。基于該仿真數據開展光譜復原、氣體成分反演等工作，并通過獲取其他數據源的氣體成分探測數據，結合反演結果對仿真精度進行評價是下一步的工作重點。

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Digital Modeling and Simulation of AIUS

JIANG Cheng1,2TAO Dongxing3HE Hongyan1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Beijing Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology, Beijing 100094, China）（3 Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China）

GF-5 is a Hyperspectral remote sensing satellite in the GF series of satellites. The key payload, the Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder (AIUS), is the first spaceborne occultation sensor with ultra-spectral resolution, as well as the spaceborne fourier transform spectrometer with finest spectral resolution. A digital simulation model is established based on the sounding theory of AIUS. This paper takes the energy transmission of the occultation path as a clue and then simulates the radiative transfer process of each link in chain approach of AIUS. Then an experiment for accuracy evaluation is accomplished by applying the digital simulation model to an in-situ measurement. Experimental results indicate that the overall relative error is below 2% and the similarity is better than 0.99, which prove that the digital model can simulate the AIUS data with good accuracy and perfect performance in subsequent application.

occultation measurement; fourier transform spectrometer; modeling and simulation; hyperspectral; GF-5 satellite

TP79

A

1009-8518(2018)03-0094-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.011

江澄，男，1985年生，2013年獲北京航空航天大學視覺測量與影像遙感專業博士學位，高級工程師。研究方向為高光譜遙感建模與仿真、遙感數據預處理及定量應用等。E-mail：jiangchengzi@yahoo.com。

2018-04-12

國家高分重大專項應用共性項目（No.50-Y20A38-0509-15/16）

（編輯：龐冰）