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云与气溶胶光学遥感仪器发展现状及趋势

张军强 薛闯 高志良 颜昌翔

张军强, 薛闯, 高志良, 颜昌翔. 云与气溶胶光学遥感仪器发展现状及趋势[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 679-698. doi: 10.3788/CO.20150805.0699
引用本文: 张军强, 薛闯, 高志良, 颜昌翔. 云与气溶胶光学遥感仪器发展现状及趋势[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 679-698. doi: 10.3788/CO.20150805.0699
ZHANG Jun-qiang, XUE Chuang, GAO Zhi-liang, YAN Chang-xiang. Optical remote sensor for cloud and aerosol from space:past, present and future[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 679-698. doi: 10.3788/CO.20150805.0699
Citation: ZHANG Jun-qiang, XUE Chuang, GAO Zhi-liang, YAN Chang-xiang. Optical remote sensor for cloud and aerosol from space:past, present and future[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 679-698. doi: 10.3788/CO.20150805.0699

云与气溶胶光学遥感仪器发展现状及趋势

doi: 10.3788/CO.20150805.0699
基金项目: 国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(No.2011AA12A103);中科院长春光机所航天航空技术领域2014年度创新资助项目(No.2014ciomp001)
详细信息
    通讯作者: 张军强(1981—),男,江苏泰兴人,博士,副研究员,2004年、2007年于吉林大学分别获得学士、硕士学位,2012年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事航空航天光学遥感仪器研制、光机系统整体性能评价等方面的研究。E-mail:zhangjq@ciomp.ac.cn
  • 中图分类号: P407.1;P407.4;P412.27

Optical remote sensor for cloud and aerosol from space:past, present and future

  • 摘要: 气溶胶是影响地球气候和环境的不确定因素之一,星载被动光学遥感具有大视场、宽波段、高时空分辨率等优势,已成为云与气溶胶探测的有效手段之一。本文简述了云与气溶胶光学遥感探测的必要性和可行性,详细介绍了国内外典型云与气溶胶光学遥感仪器的系统组成、主要技术参数和方案特点,并基于现有仪器的不足和气溶胶反演需求,指出了云与气溶胶光学遥感仪器的发展趋势,给出了新一代云与气溶胶光学遥感仪器的方案设计结果。集成大视场、中等分辨率、多角度、多光谱、宽谱段、长寿命的高精度偏振测量是新一代星载云与气溶胶光学遥感探测仪的首选方案和发展趋势。
  • 图  1  TOMS光路简图

    Figure  1.  Optical schematic of TOMS

    图  2  OMI光路简图

    Figure  2.  Optical schematic of OMI

    图  3  OMI偏振扰频器图示

    Figure  3.  Drawing of OMI polarization scrambler

    图  4  AVHRR 1、2通道光学构成

    Figure  4.  AVHRR optical configurations(channels 1 and 2)

    图  5  MODIS仪器组成

    Figure  5.  Structure of MODIS instrument

    图  6  MODIS光学系统

    Figure  6.  Optical system of MODIS

    图  7  CAI结构图及仪器照片

    Figure  7.  Schematic view and photograph of proto-flight modelof CAI

    图  8  MSI的仪器组成及分光方式

    Figure  8.  Instrument structure and beam splitter of MSI

    图  9  MISR的观测模式

    Figure  9.  Measurement concept of MISR

    图  10  MISR的光学镜头

    Figure  10.  Lens of MISR

    图  11  AATSR、SLSTR的观测模式和光学系统

    Figure  11.  Observation and telescope principle of AATSRand SLSTR

    图  12  POLDER的光机结构布局

    Figure  12.  Opto-mechanical design of POLDER

    图  13  POLDER的观测模式

    Figure  13.  Observation pattern of POLDER

    图  14  POLDER某一偏振通道的滤光片轮

    Figure  14.  Wheel elements included in one channel

    图  15  OSIRIS的系统布局

    Figure  15.  Camera system and optical design of OSIRIS

    图  16  MAUVE/SWIPE的系统布局及光学系统

    Figure  16.  Camera system and optical design of MAUVE/SWIPE

    图  17  APS的发展历程

    Figure  17.  Timeline of legacy polarimeters leading up to the 2008 launch of APS

    图  18  APS的仪器组成

    Figure  18.  Instrument structure of APS

    图  19  APS的光学系统

    Figure  19.  Optical configurations of APS

    图  20  POLDER与APS组合方案

    Figure  20.  Aerosol detecting system with combination of POLDER and APS

    图  21  MMPI的信息流及接口关系

    Figure  21.  Information flow and interfaces of MMPI

    图  22  MMPI的系统组成

    Figure  22.  Configuration of MMPI

    表  1  典型云与气溶胶光学遥感仪器参数对比

    Table  1.   Parameter contrast of main cloud and aerosol remote sensing instruments

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    表  2  OMI仪器技术参数

    Table  2.   Technical parameters of OMI instrument

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    表  3  AVHRR/3光谱通道参数

    Table  3.   Summary of AVHRR/3 spectral channel characteristics

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    表  4  MODIS光谱特性

    Table  4.   Spectral properties of MODIS

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    表  5  CAI四个波段选择说明

    Table  5.   Spectral band choice illumination

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    表  6  MSI主要技术指标

    Table  6.   Instrument properties of MSI

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    表  7  POLDER波段设置

    Table  7.   Spectral properties of POLDER

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    表  8  APS主要技术指标

    Table  8.   Instrument properties of APS

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出版历程
  • 收稿日期:  2015-07-12
  • 录用日期:  2015-09-19
  • 刊出日期:  2015-01-25

云与气溶胶光学遥感仪器发展现状及趋势

doi: 10.3788/CO.20150805.0699
    基金项目:  国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(No.2011AA12A103);中科院长春光机所航天航空技术领域2014年度创新资助项目(No.2014ciomp001)
    通讯作者: 张军强(1981—),男,江苏泰兴人,博士,副研究员,2004年、2007年于吉林大学分别获得学士、硕士学位,2012年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事航空航天光学遥感仪器研制、光机系统整体性能评价等方面的研究。E-mail:zhangjq@ciomp.ac.cn
  • 中图分类号: P407.1;P407.4;P412.27

摘要: 气溶胶是影响地球气候和环境的不确定因素之一,星载被动光学遥感具有大视场、宽波段、高时空分辨率等优势,已成为云与气溶胶探测的有效手段之一。本文简述了云与气溶胶光学遥感探测的必要性和可行性,详细介绍了国内外典型云与气溶胶光学遥感仪器的系统组成、主要技术参数和方案特点,并基于现有仪器的不足和气溶胶反演需求,指出了云与气溶胶光学遥感仪器的发展趋势,给出了新一代云与气溶胶光学遥感仪器的方案设计结果。集成大视场、中等分辨率、多角度、多光谱、宽谱段、长寿命的高精度偏振测量是新一代星载云与气溶胶光学遥感探测仪的首选方案和发展趋势。

English Abstract

张军强, 薛闯, 高志良, 颜昌翔. 云与气溶胶光学遥感仪器发展现状及趋势[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 679-698. doi: 10.3788/CO.20150805.0699
引用本文: 张军强, 薛闯, 高志良, 颜昌翔. 云与气溶胶光学遥感仪器发展现状及趋势[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 679-698. doi: 10.3788/CO.20150805.0699
ZHANG Jun-qiang, XUE Chuang, GAO Zhi-liang, YAN Chang-xiang. Optical remote sensor for cloud and aerosol from space:past, present and future[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 679-698. doi: 10.3788/CO.20150805.0699
Citation: ZHANG Jun-qiang, XUE Chuang, GAO Zhi-liang, YAN Chang-xiang. Optical remote sensor for cloud and aerosol from space:past, present and future[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 679-698. doi: 10.3788/CO.20150805.0699
    • 大气气溶胶是指悬浮在地球大气中沉降速度小、尺度范围为10-3~20 μm的液态或固态粒子,大部分来自于火山喷发、沙漠风暴等自然因素,矿物燃烧、森林砍伐等人为因素也是气溶胶的来源之一,其主要清除机制是干沉降和湿沉降[1, 2]。气溶胶本身质量在整个大气质量中也仅占到十亿分之一,但它却是大气辐射平衡和气候变化研究中不确定性的一个关键因素,与云相互作用对地球气候、能量/水循环、空气质量产生重要的影响。

      气溶胶对气候的影响主要表现为直接辐射强迫、间接辐射强迫、气溶胶粒子对大气化学反应的间接影响[3]。IPCC第四次评估报告[4]指出,在众多气候变化影响因子中,最不确定的是气溶胶因子。为了减小大气气溶胶气候效应的不确定性,国际上已经实施了数个较大气溶胶研究计划[5, 6, 7, 8],我国科学家也在国家863、973等基金的资助下对气溶胶的观测、辐射特性以及气溶胶气候效应估算等方面开展了许多基础研究工作[2, 9, 10]

      要深入研究大气气溶胶的辐射与气候效应,为气候和环境方面的科研和政府决策提供有效的气溶胶数据,就必须通过精测测量来建立可靠的气溶胶模型。由于气溶胶在大气中分布不均匀且寿命较短,能实现大范围、高时空分辨率、多光谱通道的被动光学遥感探测技术(相对于雷达等主动遥感技术而言,以下简称“光学遥感”)已成为云与气溶胶探测的有效手段之一。此外,气溶胶对云层的影响是其影响全球气候的重要表现形式之一,所以实现云与气溶胶的同步观测有利于提高气溶胶的反演精度和效率。

    • 星载光学遥感仪器探测到的短波辐射包括地表反射的太阳辐射、大气散射和大气顶层反射三方面,即使是地表反射在上行、下行路径中也受到大气中气溶胶的吸收、散射等影响,所以,通过对地光学遥感观测可以实现气溶胶的探测。当前,气溶胶光学遥感主要包括紫外至短波红外多光谱探测、多角度探测和偏振测量3种技术途径[11];典型的遥感仪器有TOMS(Total Ozone Mapping Spectrometer)[12]、OMI(Ozone Monitoring Instrument)[13]、AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)[14, 15]、MODIS(Moderate resolution Imaging Spectroradiometer)[16]、CAI(Cloud and Aerosol Imager)[17]、MSI(Multi-Spectral Imager)[18]、MISR(Multi-angle Imaging SpectroRadiometer)[19]、SLSTR(Sea Land Surface Temperature Radiometer)[20]、POLDER (Polarization and Directionality of Earth′s Reflectances)[21]、APS (Aerosol Polarimeter Sensor)[22]等;主要反演方法包括单通道反射比法(SCR,Single-Channel Reflectance)、多通道反射比法(MR,Multichannel Reflectance)、浓密植被暗背景法(DDV,Dark targets over dense,Dark vegetation)、陆地上空的对比法(RCL,Reduction in Contrast Land)、热红外对比法(TC,Thermal Contrast)、陆地-海洋对比法(LOC,Land-Ocean Contrast)、多角度法(ADR,Angular Distribution of Reflectance)、偏振法(Polarization)等[23]

      以上仪器各具特点,AVHRR是最早进行气溶胶遥感探测,也是应用时间最长的多光谱仪器,主要使用单通道反射比法[14, 24]和多通道反射比法[15]反演气溶胶光学厚度和粒子分布等特性;TOMS使利用紫外波段反演气溶胶的光学厚度成为可能,OMI为其升级版,但空间分辨率有所提高;MODIS是经典的多光谱遥感仪器,具有完善的在轨定标机构,其多光谱数据在气溶胶反演领域应用最为广泛;MISR是首台多角度云与气溶胶探测仪,与MODIS搭载同一卫星平台Terra上,显示出被动多角度遥感在测量对流层气溶胶柱状分布和粒子物理学属性方面具有的独特优势[25];POLDER是最早对云与气溶胶开展多谱段偏振测量的星载仪器,也是目前为止唯一在轨运行过的云与气溶胶探测仪;APS的偏振测量精度最高(0.2%),是目前为止唯一能区分不同类型气溶胶的遥感设备,遗憾的是发射失败。表1列出了典型云与气溶胶光学遥感仪器的主要技术参数和气溶胶反演方法,其中多角度、多光谱偏振测量仪MMPI(Multi-angle Multi-spectral Polarimetric Imager)是理想云与气溶胶光学遥感探测仪的主要技术参数。

      表 1  典型云与气溶胶光学遥感仪器参数对比

      Table 1.  Parameter contrast of main cloud and aerosol remote sensing instruments

      为了进一步了解各仪器的技术参数,比较其技术方案以及在气溶胶反演方面的优缺点,为新一代云与气溶胶光学遥感仪器的研制提供依据,以下简要介绍各仪器的构成、工作方式,以及其在气溶胶反演方面的具体应用情况。

    • 对地光学遥感时,大多数下垫面在近紫外波段均为暗场,而气溶胶由于瑞利散射的作用在近紫外波段具有较强的吸收作用,这使得紫外波段在气溶胶探测领域具有独特的优势,可以用于反演气溶胶的光学厚度和粒子分布特性。

      当前,在气溶胶反演领域应用最多、最为广泛的紫外波段成像仪为TOMS和MOI。

    • 1978年10月,第一台TOMS搭载在Nimbus-7卫星上成功发射,随后的4台TOMS分别于1991年(Meteor-3)、1996年(Earth Probe)、1996年(ADEOS)、2001年(QuickTOMS)顺利升空[26]。TOMS是一台Ebert-Fastie型单光栅单色仪,F数为5,使用多出射狭缝实现308.6、312.5、317.5、322.3、331.2、360 nm共6个紫外通道的测量,标称带宽1.2 nm,瞬时视场(IFOV)3°×3°(对应地面50 km×50 km),采用扫描镜穿轨方向±17°摆扫(间隔3°)实现1 400 km的幅宽,光学系统如图1所示[27]

      图  1  TOMS光路简图

      Figure 1.  Optical schematic of TOMS

      TOMS的初始目的是用于长期监测全球臭氧分布的变化,后来被用于海洋和陆地上空气溶胶光学厚度和粒子分布的反演,但由于其空间分辨率较低,无法做高精度的定量分析[28]

    • OMI是另一台被用于气溶胶反演的紫外波段成像仪。2004年7月搭载在美国Aura卫星上,初始目的是延续TOMS近25年来对全球臭氧监测的科学任务,在气溶胶反演方面与TOMS一样使用紫外波段的多通道反射比法[23]

      作为TOMS的继任者和升级版,OMI的各项指标均有所提高,其中光谱范围增加到270~500 nm,空间分辨率提高到13 km×24 km,采用先进的推扫成像工作方式,幅宽2 600 km,全球覆盖周期1天,OMI的主要技术参数如表2所示[29, 30]

      表 2  OMI仪器技术参数

      Table 2.  Technical parameters of OMI instrument

      OMI是一台紫外-可见光栅色散型成像光谱仪,主光学系统分为前置望远系统、紫外通道1、紫外通道2和可见通道,如图2所示。地球辐射进入一个由两片铝球面反射镜组成的望远镜,成像在一个44 mm、宽300 μm的入射狭缝上,望远镜视场0.8°(沿轨)×115°(穿轨),在望远镜两片反射镜之间放置一个由4片楔形石英晶体组成的偏振扰频器(图3),降低系统的偏振灵敏度;在狭缝后面放置二向色性分色片,实现紫外(264~383 nm)、可见(349~504)分光,分色片反射的紫外波段经折叠镜反射进入融石英场镜并由闪耀全息光栅完成色散,光栅反射光再次由场镜准直后分别进入两个透射式成像透镜组264~311 nm、307~383 nm,最后成像在780(光谱)×576(空间)的面阵CCD探测器上;分色片透射的可见波段经90°放置的平面反射镜反射后进入可见通道,可见通道由准直镜、闪耀全息光栅、成像透镜组以及光路折转反射镜组成,最后成像在面阵CCD探测器上。

      图  2  OMI光路简图

      Figure 2.  Optical schematic of OMI

      图  3  OMI偏振扰频器图示

      Figure 3.  Drawing of OMI polarization scrambler

      现有研究表明,紫外波段在气溶胶探测领域具有独特的优势,覆盖紫外波段的多光谱探测技术必将成为未来气溶胶光学遥感仪器的基本技术特征之一。

    • 气溶胶光学遥感探测采用最多的是可见-近红外-短波红外多光谱成像仪[31],AVHRR、MODIS、CAI、MSI等是当前国际上典型的用于云与气溶胶反演的多光谱探测仪。

    • 1978年10月13日,美国发射的TIROS-N卫星上AVHRR(4通道)开启了气溶胶遥感探测的时代,并于1981年、1998年发射了改进型的AVHRR/2(5通道)和AVHRR/3(6通道)。AVHRR/3是一种6光谱通道的扫描辐射仪,用于气溶胶反演的通道,各光谱通道参数见表3。AVHRR星上探测器扫描角为±55.4°,相当于探测地面2 800 km宽的带状区域,星下点分辨率为1.1 km。由于扫描角大,图像边缘部分变形较大,实际上最有用的部分在±15°范围内(15°处地面分辨率为1.5 km)。

      表 3  AVHRR/3光谱通道参数

      Table 3.  Summary of AVHRR/3 spectral channel characteristics

      AVHRR的1、2通道光谱数据被用于反演气溶胶的光学参数[32],光学系统构成如图4所示[33],扫描镜将入射光导入望远镜的抛物面主镜,经次镜反射后经由主镜中心孔入射到分色片上,长波谱段反射进入红外通道,用于气溶胶反演的可见-近红外波段透过分色片,并由第二片分色片实现1、2通道的分光,进入各自的透射式成像子光路,AVHRR采用带通滤光片实现光谱分光。

      图  4  AVHRR 1、2通道光学构成

      Figure 4.  AVHRR optical configurations(channels 1 and 2)

      AVHRR的初始目的是用于测量海面温度和植被,并无在轨定标功能,只能通过其他仪器进行交叉标定,加之扫描镜的腐蚀,导致其辐射测量精度有限[33]。尽管AVHRR缺点较多,但是早期的海洋上空的气溶胶遥感数据主要还是基于AVHRR数据使用单通道反射比法反演得到的[34, 35]

    • MODIS是NASA发射的Terra(1999年)和Aqua(2002年)卫星搭载的中分辨率多光谱成像仪,覆盖了36个可见至中波红外光谱通道,空间分辨率为200~1 000 m,具有精密在轨定标装置,是多光谱成像仪中最具代表性的仪器,为反演气溶胶和地表特征提供了丰富的信息,应用及其广泛[36]

      MODIS的需求论证早在1983年就已经开始,当时是NASA为了满足EOS(Earth Observing System)在低轨实现全球高时间分辨率(大幅宽)、高空间分辨率、高光谱分辨率(多光谱)遥感的需求而提出的。MODIS方案阶段主要对科学需求、成像模式、仪器参数等方面进行了论证,历经多次方案修改,最终于1993年确定了最终的设计方案,仪器组成如图5所示,各通道的光谱特性如表4所示[16]

      图  5  MODIS仪器组成

      Figure 5.  Structure of MODIS instrument

      表 4  MODIS光谱特性

      Table 4.  Spectral properties of MODIS

      MODIS是一台摆扫型成像仪,光学系统包括双面扫面反射镜、无焦望远镜、分色片以及后继4个谱段的成像光路,如图6所示[37]。光线经扫描镜、折转镜后进入一个由两片离轴共焦抛物面组成的无焦望远镜,在望远镜两反射镜之间放置一个视场光阑,降低后续光路的杂散光;望远镜出射光经分色片分别进入可见-近红外、短波红外以及热红外透射式成像支路,最后由焦面组件(FPA)实现数字化输出。

      图  6  MODIS光学系统

      Figure 6.  Optical system of MODIS

      MODIS具备完备、高精度的在轨定标系统,包括太阳漫反射板(SD)、漫反射板稳定性检测器(SDSM)、光谱-辐射定标装置(SRCA)、以及黑体(BB),这使得MODIS的遥感数据具有较高的光谱、辐射定标精度[36, 38]

      MODIS在海洋上空使用6个波段、陆地上空使用6个波段反演气溶胶,多个光谱通道使其具备区分云、阴影、浓密气溶胶以及烟雾的能力,并通过1.38 μm波段探测卷积云,在气溶胶光学厚度、粒子大小等反演方面得到了广泛的应用[23]

    • CAI与MSI属于同一类仪器,都采用透射式望远物镜实现能量采集,采用分色片和滤光片实现谱段分离,且都是以探测云与气溶胶为主要任务的多光谱成像仪[39, 40]

      CAI是日本温室气体探测卫星GOAST(Greenhouse gases Observing Satellite)的有效载荷之一,2009年1月21日在日本鹿儿岛县种子岛宇宙中心发射升空,与另一台傅里叶变换光谱仪(FTS)仪器监测全球大气中CO2和CH4等温室气体的含量,如图7所示。

      图  7  CAI结构图及仪器照片

      Figure 7.  Schematic view and photograph of proto-flight modelof CAI

      CAI是探测FTS扫描区域的云层厚度和空间悬浮物密度的一个多光谱成像仪,由于这两种物质会对CO2和CH4的探测造成影响,因此通过CAI对探测结果进行修正或者在云层很厚的情况下将数据丢弃。由于CAI所探测的波段是云层、空间悬浮物等吸收较小的波段,因此选用了4个波段,波长及选择依据如表5所示。

      表 5  CAI四个波段选择说明

      Table 5.  Spectral band choice illumination

      CAI的4个通道主要由3个镜头组成,重量为40 kg,功率为100 W,采用对月成像和海洋暗背景实现在轨辐射定标,无在轨定标功能。

      MSI是欧洲与日本的合作项目EarthCARE(The Earth Clouds,Aerosols and Radiation Explorer)卫星的主要载荷之一,计划于2015年发射,该卫星旨在研究云、太阳辐射、气溶胶之间的相互作用在气候变化中起到的作用。

      MSI是一台推扫型的光谱成像仪,将用于测量气溶胶的水平分布,共有VNIR、SWIR和TIR三个光谱段,每个光谱段使用独立的光机系统,通道1通过分色片分为0.659和0.865 μm两个光谱通道,通道2通过分色片分为1.61和2.2 μm 两个光谱通道,通道3通过两片分色片分为8.8、10.8和12.0 μm三个光谱通道,如图8所示[18, 41]

      图  8  MSI的仪器组成及分光方式

      Figure 8.  Instrument structure and beam splitter of MSI

      VNIR和SWIR通过漫反射板进行星上定标,TIR通过冷黑空间或者300K的黑体进行标定,MSI的主要技术参数如表6所示。

      表 6  MSI主要技术指标

      Table 6.  Instrument properties of MSI

      CAI和MSI均属于多光谱成像仪,多通道反射比法是常用的气溶胶反演方法[40]。其中,CAI的380 nm近紫外波段在区分气溶胶吸收(生物燃烧等)、非吸收(硅酸盐等)特性时具有独特的优势,与Aqua/MODIS的近红外数据、Parasol/POLDER的偏振数据联合使用,实现了陆地生物燃烧所致气溶胶粒子属性的高精度反演[17, 42]。 此外,我国静止卫星FY-2C和日本静止气象卫星MTSAT搭载的多光谱相机获取的可见光通道资料也被用于反演气溶胶的光学厚度[43, 44]

      虽然单纯基于气溶胶散射光强度信息反演气溶胶的方法得到了长期、广泛的应用,但其存在一定的局限性:

      (1)强度反演方法仅能实现气溶胶光学厚度和粒子大小等参数的反演,不能满足全球气候研究对气溶胶折射率、单次散射率、粒子形状和大小分布等环境数据高精度反演的需要[45]

      (2)强度反演方法不仅对下垫面属性要求较严格,且对气溶胶的类型比较敏感,容易受到地面反射率的影响[46, 47]

    • 常见的多光谱遥感是单一角度的对地遥感,单角度遥感存在内在缺陷,而多角度由于其能获取地表较为丰富的信息量,基于多角度卫星数据的气溶胶光学厚度反演算法逐渐受到大家的广泛关注[23, 48]

      MISR、SLSTR等是当前国际上典型的用于云与气溶胶反演的多角度成像仪。

    • MISR是美国用于研究阳光散射、大气气溶胶的总量及类型、云层的类型及高度等关于地球生态和气候的星载遥感器,1999年12月由Terra卫星发射至705 km高度的太阳同步轨道,轨道倾角为98.3°,周期为98.88 min,全球覆盖时间16天。

      图  9  MISR的观测模式

      Figure 9.  Measurement concept of MISR

      MISR采用9台相机实现±70.5°、±60.0°、±45.6°、±26.1°和0°共9个角度的多光谱测量。光学系统方面,MISR使用7片消色差透射式系统,相对孔径5.5,使用里奥消偏器降低偏振灵敏度;空间分辨率方面,根据不同观测角度焦距59~124 mm不等(如图10所示),全球观测模式下,星下点所有波段以及672 nm波段的所有观测角度的空间分辨率为275 m,其他通道的平均空间分辨率为1.1 km[49, 50];探测器方面,MISR使用4线阵CCD探测器,像元大小为21 μm,感光面前放置微型窄带滤光片实现446、558、672、866 nm共4个波段的谱段分离[37]

      图  10  MISR的光学镜头

      Figure 10.  Lens of MISR

      采用多台相机实现多角度测量的方法使不同角度下的空间分辨率匹配成为可能,欧洲哨兵3卫星的有效载荷海陆水色仪OLCI(Ocean and Land Color Radiometer)、EarthCARE上的宽波段辐射计BBR(Broad-Band Radiometer)均采用了这一技术方案[51, 52]。该技术方案对体积、重量、功耗等资源需求较大,且存在交叉定标的问题[53, 54]

      MISR与MODIS搭载在同一卫星平台上,MODIS具有扫描宽度宽、光谱范围广、光谱通道多等特点,而MISR最大的特点是同时以9个角度探测地球,可以获取多角度和多光谱的信息,对于陆地与海面气溶胶的光学厚度及气溶胶粒子类型等的观测和获取有较好的效果,MISR 多角度反演气溶胶光学厚度(AOD)产品和 MODIS的 AOD 产品一样被公认为最为准确[49]

    • 欧洲的ENVISAT卫星于2000年发射,2012年ENVISAT脱离轨道,AATSR停止工作,搭载在哨兵3卫星的有效载荷SLSTR将是AATSR的继任者,计划于2014年4月发射。SLSTR在充分继承AATSR现有技术的基础上进行了改进设计,以满足地球环境监测的需要:增加了1.3、2.2 μm波段,提高了云的探测能力;前向斜视幅宽由500 km增加到740 km,星下点正视幅宽1 400 km[20]

      AATSR通过扫描镜穿轨扫面实现宽幅成像,沿轨扫描实现双角度成像,而SLSTR为了增加星下点的幅宽,前向斜视和星下点正视采用独立的望远镜系统,扫面镜仅穿轨扫描,使用振镜实现斜视和正视视场的选择,如图11所示。

      图  11  AATSR、SLSTR的观测模式和光学系统

      Figure 11.  Observation and telescope principle of AATSRand SLSTR

      AATSR、SLSTR以及MISR均属于多角度成像仪,多角度强度数据能提供气溶胶粒子大小和光学厚度信息,特别是在沙漠、城市等地表反射率较高的地区,能利用气溶胶多角度强度数据对地表、大气的空间尺寸和角度反射率差异反演气溶胶属性。譬如,不仅能利用不同角度下云的反射率差异反演云的大光学厚度[55],还能利用亚千米垂直分辨率数据,实现云顶高信息的自动反演,高度不确定度±300 m[56, 57]

      综上所述,具备多角度测量的功能必将成为未来气溶胶光学遥感仪器的基本技术特征之一。

    • 卫星接收到的辐射受到地球大气散射以及地表反射的复杂相互影响,卫星遥感陆地气溶胶长期以来存在地表反射率和气溶胶光学特征两方面同时未知的难题,而偏振反射只对大气气溶胶敏感,对地表不敏感,所以偏振测量在云与气溶胶光学厚度反演方面具有显著优势,可以避免由于气溶胶模式选择不适当造成的反演误差[22, 58, 59, 60, 61]

      POLDER和APS是当前国际上典型的用于云与气溶胶探测的偏振测量仪。

    • POLDER是一台专门观测被地球大气系统反射具有偏振化和指向性的太阳辐射的仪器,由法国国家空间研究中心负责仪器的设计、组装、定标和测试,POLDER最早搭载在日本国家空间发展局1996年发射的高级地球观测卫星ADEOS上,轨道高度797 km,设计寿命3年[62, 63]

      POLDER是一台基于CCD矩阵列阵探测器、旋转滤光片轮和宽视场透射式光学系统的多光谱偏振测量仪,如图12所示。POLDER能够从13个不同的视角观测一个目标,穿轨视场角 102°(地面像元分辨率7.1 km)、沿轨视场角86°(地面像元分辨率6.0 km),幅宽2 400 km,如图13所示。

      图  12  POLDER的光机结构布局

      Figure 12.  Opto-mechanical design of POLDER

      图  13  POLDER的观测模式

      Figure 13.  Observation pattern of POLDER

      POLDER通过滤光片轮切换实现15个通道的探测,其中在443、670、865 nm为偏振通道,如表7所示;选用窄带滤光片分光,使用楔形棱镜实现光学图像拼接,670、870 nm偏振通道选用康宁公司的8612玻璃偏振片,443 nm偏振通道选用HN38偏振片,如图14所示。

      表 7  POLDER波段设置

      Table 7.  Spectral properties of POLDER

      图  14  POLDER某一偏振通道的滤光片轮

      Figure 14.  Wheel elements included in one channel

      POLDER是最早对云与气溶胶开展多谱段偏振测量的星载仪器,也是目前为止唯一一台在轨运行过的云与气溶胶偏振探测仪,开启了云与气溶胶偏振遥感的时代。因为POLDER偏振测量精度较低(偏振测量不确定度为2%),且不能实现偏振和强度的同步测量,所以近年来国内外学者对POLDER进行了一定的扩展、改进设计,遗憾的是仪器性能特别是偏振测量精度没有本质的改进:

      (1)顾行发等人[64]介绍了我国高分辨率多角度偏振遥感相机DPC(Directional Polarized Camera)的研制情况,除空间分辨率有所提高外(4 km高度空间分辨率为4 m×4 m),DPC其余技术方案和技术指标与POLDER基本相同。

      (2)Auriol等人[65]介绍的欧洲机载太阳红外光谱偏振观测系统OSIRIS(ObservingSystem Including PolaRisation in the Solar Infrared Spectrum)也基于POLDER仪器研制,分为可见和红外两台单机,每台单机都包括大视场望远物镜、滤光片轮组件、偏振片轮组件、面阵探测器组成。可见单机对角线视场114°,在440~940 nm波长范围共有8个波段,其中4个偏振通道;红外单机对角线视场105°,在940~2 200 m波长范围共有6个波段,其中4个偏振通道。OSIRIS通过旋转滤光片轮组件实现不同谱段的测量,通过旋转偏振片轮组件实现偏振通道3个方向(间隔60°)偏振测量和非偏振测量。相对于POLDER,OSIRIS将滤光片和偏振片独立控制,增加谱段选择和偏振选择的灵活性,如图15所示。

      图  15  OSIRIS的系统布局

      Figure 15.  Camera system and optical design of OSIRIS

      (3)Frouina等人[66]给出的紫外-可见近红外-短波红外气溶胶偏振测量仪(MAUVE/SWIPE)也是基于POLDER的原理。紫外-可见-近红外波段与短波红外波段采用独立的透射式镜头,焦距24.5 mm、视场角±31°,MAUVE在350~1 040 nm波长范围内共有13个波段,SWIPE有1 240、1 600、2130 nm共3个波段。MAUVE/SWIPE采用4台相机圆周均布,实现了多角度同步观测,其圆形分布的滤光片/偏振片轮布局实现光谱、偏振通道的快速切换,图16为MAUVE/SWIPE的系统布局及光学系统。

      图  16  MAUVE/SWIPE的系统布局及光学系统

      Figure 16.  Camera system and optical design of MAUVE/SWIPE

    • 自1972年以来,NASA地球观测计划(EOS)对气溶胶的偏振测量进行了长期规划,研制了多台云与气溶胶偏振测量仪,APS是其最新的星载云与气溶胶偏振测量仪,如图17所示。APS是一台专用的云与气溶胶探测仪,是美国Glory地球观测的系列卫星有效载荷之一,轨道高度为705 km,在3年的设计寿命期限内,将提供高精度稳定的沿轨云层和气溶胶测量数据[45]

      图  17  APS的发展历程

      Figure 17.  Timeline of legacy polarimeters leading up to the 2008 launch of APS

      APS能在0.4~2.4 μm太阳反射谱段内利用9个太阳反射光谱波段、36个独立的测量通道(其中9个冗余)对气溶胶进行偏振测量,扫描镜扫描速度与卫星飞行速度同步,实现对同一目标的多角度测量,主要用于收集关于气溶胶形状、成份以及不同类型气溶胶颗粒反射率等信息,是目前为止唯一能区分不同类型气溶胶的遥感设备,仪器组成如图18所示。

      图  18  APS的仪器组成

      Figure 18.  Instrument structure of APS

      APS采用透射式光学系统,分色片/滤光片组合实现光谱分离,Wollaston棱镜实现偏振分光,两维扫描镜实现沿轨扫描的同时消除反射镜对线偏振光偏振态的影响,光学系统包括扫描镜、VNIR望远镜(4个)、SWIR望远镜(2)以及多达18个通道的成像支路和36探测器,光学系统如图19所示,仪器主要技术参数如表8所示[45, 67]

      图  19  APS的光学系统

      Figure 19.  Optical configurations of APS

      表 8  APS主要技术指标

      Table 8.  Instrument properties of APS

      APS的特点是实现了9个波段的高精度偏振测量,线偏振角度(DOLP)不确定度为0.2%,但是,APS为非成像仪器,仅能实现沿轨像元的扫描,这在一定程度上会影响数据使用范围。

      偏振信息不仅能解决陆地气溶胶反演时地表反射率和气溶胶光学特征两方面同时未知的难题,在反演海洋上空的气溶胶时,将偏振信息和辐射强度信息联合利用比单独利用其中一种信息进行反演的结果精度要高很多,在气溶胶探测领域具有重要的应用前景。需要指出的是,偏振测量精度对气溶胶偏振反演至关重要,当偏振测量精度低于2%时,强度加偏振约束的反演结果与仅用强度信息得到的反演结果基本一样[68]

      所以,具备高精度偏振测量功能必将成为未来气溶胶光学遥感仪器的基本技术特征之一。

    • 云与气溶胶光学遥感探测的根本任务是为气溶胶反演提供全球尺度、高时空分辨率、高精度的原始数据,纵观当前国内外相关仪器的技术特点可以发现,现有设备尚不能满足气溶胶反演的需求,主要表现在以下几方面:

      (1)任务目标不明确,资源浪费严重。虽然当前气溶胶光学遥感仪器相对较多,但是在仪器初始设计时就将云与气溶胶探测作为主要科学任务的较少,这导致了仪器过于复杂,资源浪费、利用率较低。譬如,虽然TOMS、OMI覆盖波段为270~500 nm,但初始目的是用于地球臭氧层探测,实际用于气溶胶反演的只有340、380 nm两个波长;虽然MODIS覆盖可见至中波红外光谱共36个光谱通道,但初始目的是对地表、生物圈、固态地球、大气和海洋进行长期全球观测,实际用于气溶胶反演的仅有可见-近红外波段的12个波长。显然,不可能为了探测气溶胶而单独发射一台MOI或MODIS。所以,在仪器方案设计阶段就应该针对气溶胶反演的实际需求,优化设计波段、带宽等参数,避免仪器过于“大而全”,导致资源浪费。

      (2)参数设置不完善,数据可比性差。虽然针对多光谱、多角度、偏振测量等不同类型的遥感数据开发了不同的反演算法,但尚无一台仪器完全实现多光谱、多角度和偏振同步测量,这导致当前对气溶胶的全球尺寸的反演都是基于单一载荷在某一时间段的数据。譬如,即使是在同一卫星平台Terra上的MODIS和MISR也是独立反演气溶胶光学厚度的。现有气溶胶不同反演方法之间相对孤立,缺乏相互比对试验,数据可比性差,不能提供高长期、精度、可信的气溶胶数据。所以,在仪器方案设计阶段就应该针对气溶胶反演的实际需求,将多光谱、多角度、偏振测量等技术手段集成到一台仪器上,全面描述云与气溶胶的粒子属性,降低由于交叉定标引起的标定误差,实现气溶胶高精度、多手段的立体反演。此外,集成设计也将大大降低仪器的成本、增强仪器对不同卫星平台的适应性、提高仪器的应用范围。

      (3)科学观测不系统,无法提供全球范围内气溶胶长期变化趋势。虽然气溶胶对气候的影响已经得到全世界气象科学家的高度重视,且已经实施了AERONET、EARLINET、ADNet、A-Train等数个较大气溶胶研究计划,但是,气溶胶光学遥感探测这一有效手段尚未像地基探测一样形成系统体系和统一标准,单一国家、单一仪器、单一轨道、单一时间段的离散观测数据不能满足气溶胶全球尺度、长期监测的科学需要。所以,有必要建立长期科学规划,将目标明确、指标完善、高度集成的云与气溶胶光学遥感探测仪作为主要载荷或标配载荷,为气象科学家在气溶胶直接和间接辐射效应、气溶胶气候效应等方面的研究提供丰富、长期、高精度的参考数据。

    • 随着人类活动对自然生态影响的加剧,其导致的环境和气候问题越来越引起人们的关注,气溶胶对地球气候和环境的影响已成为科学界和普通人关心的热点问题,新一代云与气溶胶光学遥感探测仪的研究迫在眉睫。基于探测仪的发展现状和气溶胶反演需求,未来云与气溶胶遥感探测仪的发展趋势如下:

      (1)大视场。幅宽1 000 km左右,实现全球短周期覆盖,提高时间分辨率;

      (2)中等分辨率。亚公里级空间分辨率,满足云筛选和气溶胶反演对空间分辨率的需求,提高数据有效性;

      (3)覆盖紫外波段的多光谱探测。充分利用紫外波段下垫面暗场、气溶胶吸收强烈的特点,结合可见-近红外波段在气溶胶粒子大小和光学厚度信息反演方面成熟的算法,提高反演精度;

      (4)多角度探测。利用地表和大气反射信号的空间和角度差异反演不同类型地表的气溶胶光学厚度信息,多角度辐射信息还能利用粒子散射函数提供气溶胶粒子大小和形状信息。此外,倾斜测量路径增强了测量结果对气溶胶和薄层卷云的敏感性,足够多的立体观测数据易于使用模板匹配算法反演气溶胶卷云云顶高的几何信息;

      (5)高精度偏振测量。偏振测量精度优于0.5%的可见和短波红外的偏振测量数据较单纯强度测量数据具有更高的灵敏度,提高由于气溶胶模式(粒子尺度、折射指数、单次散射反照率和球形度)的不确定性导致的反演误差。

      (6)多种观测手段集成优化设计。一体化设计有利于减少资源、降低成本、提高标定精度,进而提高气溶胶的反演精度。

      综上所述,将大视场、中等分辨率、多角度、多光谱、宽谱段、长寿命的高精度偏振测量技术集成到一台遥感仪器上,是未来云与气溶胶光学遥感仪器的发展趋势。

    • 当前,为了满足大视场、多角度、多光谱、宽谱段、高精度的气溶胶偏振测量,国内外学者已经进行了相关的研究,其中一种方案是将POLDER与APS两台仪器安装在一个平台上,如图20所示。由于引入了交叉标定误差、数据处理误差等因素,组合方案的偏振测量精度很难满足新一代云与气溶胶光学遥感仪对高精度偏振测量的要求。

      图  20  POLDER与APS组合方案

      Figure 20.  Aerosol detecting system with combination of POLDER and APS

      新一代云与气溶胶光学遥感探测仪将是一台任务明确、功能强大、指标清晰、方案先进、技术途径合理可行、资源优化配置的多角度、多光谱偏振测量仪(MMPI,Multi-angle Multi-spectral Polarimetric Imager),设计方案时应立足现有典型仪器的技术参数和技术方案,针对仪器新的需求进行创新性规划和设计。

      MMPI的技术指标如表1所示,系统组成、信息流及接口关系如图21图22所示。

      图  21  MMPI的信息流及接口关系

      Figure 21.  Information flow and interfaces of MMPI

      图  22  MMPI的系统组成

      Figure 22.  Configuration of MMPI

      新一代云与气溶胶光学遥感探测仪的研制是一个系统工程,有许多关键技术有待攻关,特别是高精度偏振测量及标定技术,需要深入分析影响偏振测量精度的各种因素,选择合理的被动设计和主动补偿措施,国外的一些研究经验值得我们借鉴[69, 70]。中科院长春光机所已经开展了相关的研究工作,完成了技术指标体系的论证和技术方案的设计,正在进行工程样机的详细设计阶段。

    • 当前,我国的气溶胶观测主要基于地基光学探测,尚不能满足气溶胶研究的科学需求[71, 72, 73]

      云与气溶胶光学遥感探测具有显著的技术优势和广泛的应用前景,是地基探测和主动遥感不可替代的,已成为云与气溶胶探测的有效手段之一,国内外都在该领域依据开展了相关的研究工作。

      在国内,中科院安徽光机所研制的DPC相机属于POLDER同类型的仪器,已研制了原理样机并进行了相关的标定工作[64, 74];中科院长春光机所在国家863计划支持下,开展了我国首颗“碳卫星”载荷多谱段云与气溶胶探测仪CAPI(Cloud and Aerosol Polarimetric Imager)的研制工作,CAPI充分借鉴了CAI和POLDER的技术特点,立足满足温室气体的反演需要,设置380、670、870、1 375、1 640 nm共5个光谱通道,其中670、1 640 nm波段设置0°、60°、120°三个方向的偏振测量,是当前资源条件下的最佳配置[75]

      在国外,以美国为代表的西方国家在气溶胶探测领域一直领先国内,其新一代云与气溶胶光学遥感仪器方面的研究也已经起步,技术方案和技术手段都较现有水平有较大的提升[11, 76, 77]

      随着各领域对气溶胶研究重视程度的逐渐提高,相信我国科学家和工程技术人员在气溶胶综合探测方面也将进行更为深入的研究探索,缩短我国在气溶胶光学遥感探测领域与世界先进水平的差距。

参考文献 (1)

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