大气二氧化碳空间外差光谱探测的正演研究

As an important greenhouse gas, carbon dioxide has been receiving more and more attention. Space-based remote sensing is an effective approach to achieve global carbon dioxide concentration monitoring. Spatial heterodyne spectroscopy (SHS) is a new remote sensing technique with high-throughput and super spectral resolution capability. SHS is one of the most important technologies for carbon dioxide monitoring satellite payload. However there are still a lot of problems in the application of atmospheric carbon dioxide detection with spatial heterodyne spectroscopy, because inadequate understanding of the whole link process of atmospheric carbon dioxide spatial heterodyne spectroscopy detection has influenced the inversion algorithm of spatial heterodyne spectroscopy for atmospheric carbon dioxide detection, especially without integrated instrument model and forward model. According to the problems, this project presents a research on spatial heterodyne spectroscopy for atmospheric carbon dioxide detection with forward simulation. The main purposes of this study work are to explore the whole link process of atmospheric carbon dioxide spatial heterodyne spectroscopy detection, and establish the basic theoretical model. These works can provide scientific reference for the design of payload system of atmospheric carbon dioxide spatial heterodyne spectrometer and the inversion algorithm study on spatial heterodyne spectroscopy for atmospheric carbon dioxide detection.

二氧化碳作为重要的温室气体，对气候的影响正受到人们越来越多的重视。天基二氧化碳探测技术是实现全球范围浓度监测的重要方法。具有高通量、超光谱分辨的空间外差光谱技术是发展二氧化碳探测卫星载荷的重要技术之一。然而，由于目前对于大气二氧化碳空间外差光谱探测的全链路过程把握、理解程度还不够，缺乏完整的仪器模型和正演模型，影响了大气二氧化碳空间外差光谱探测数据的反演研究，限制了我国大气二氧化碳空间外差光谱遥感探测的发展及应用。针对以上问题，本项目提出了大气二氧化碳空间外差光谱探测的正演研究，探索大气二氧化碳空间外差光谱探测的全链路过程，并建立基本数学理论模型。本项目的研究成果可为我国大气二氧化碳空间外差光谱仪载荷系统的设计以及大气二氧化碳空间外差光谱探测反演算法研究的开展提供科学的参考依据。

空间外差光谱技术是一种超高光谱分辨遥感技术。该技术可在某一特定的窄带光谱范围内获得极高的光谱分辨率，能有效应用于大气二氧化碳的超光谱遥感探测，为实现天基二氧化碳探测提供有效途径。本项目旨在开展大气二氧化碳空间外差光谱探测正演研究，建立正演模型，为大气二氧化碳空间外差光谱探测及其反演算法提供参考。围绕着这一研究目标，我们开展了以下研究工作：. （1）结合大气主要温室气体监测仪（GMI）观测模式及仪器参数开展光源模型研究，研究太阳辐射通量、太阳天顶角、太阳方位角等参数对大气二氧化碳探测的影响。研究发现太阳天顶角对正演结果的影响较大，最高可达185%，太阳方位角的影响不明显。. （2）利用SCIATRAN传输模型对大气辐射传输信号进行仿真，重点研究大气痕量气体、地表类型参数、气溶胶参数等因素对大气二氧化碳探测的影响。研究发现地表类型参数对大气二氧化碳探测的影响最大，其次是气溶胶参数，大气痕量气体影响可忽略。. （3）利用模块化的设计思路建立了空间外差光谱仪仪器模型，分析系统各模块误差对探测结果的影响，掌握仪器信号调制过程。在理想仪器模型中引入相位误差、光栅角度误差、振动偏移误差、噪声误差等，仿真干涉光谱数据，并进行误差分析。利用中科院安徽光机所研制的大气二氧化碳空间外差光谱仪实验室定标数据进行对比分析，验证了仪器模型的有效性。. （4）将光源模型、大气辐射传输模型、仪器模型串联构建完整的大气二氧化碳空间外差光谱探测正演模型，并通过正演模型仿真数据与实测数据进行对比分析，验证了正演模型的有效性。研究结果运用于高分五号卫星大气主要温室气体监测仪（GMI）载荷中大气二氧化碳空间外差光谱仪的数据处理工作，利用正演模型方法辅助数据校正，有效提高了大气二氧化碳的反演精度。. 总之，项目深入研究了大气二氧化碳空间外差光谱探测的正演模型与方法，为大气二氧化碳空间外差光谱仪载荷系统的设计及其反演算法提供了重要的参考。