一种星载传感器“偏振交火”探测大气气溶胶参数的方法
【专利摘要】本发明涉及一种星载传感器“偏振交火”探测大气气溶胶参数的方法，组合使用POLDER类型传感器和APS类型传感器，搭载在同一卫星平台上并通过设计其扫描方式、通道配置、视场形状等关键参数，实现两个传感器的有机协同观测，获得气溶胶综合参数的高精度探测。本发明的设计方案能够取得如下效果：（1）在已有气溶胶参数探测能力的基础上，提供覆盖整个画幅的气溶胶层高和吸收性气溶胶指数的探测能力；（2）将APS的高精度星上定标传递给POLDER，有效提高POLDER传感器偏振成像CCD的定标精度；（3）将APS近红外波段（2250nm）的观测传递到POLDER传感器，解决气溶胶综合参数反演中的地-气解耦合问题。
【专利说明】一种星载传感器"偏振交火"探测大气气溶胶参数的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种星载传感器偏振探测大气气溶胶综合参数的方法，具体涉及基于 法国 POLDER (Polarization and Directionality of the Earth's Reflectances)类型偏 振传感器和美国APS (Aerosol Polarimetry Sensor)类型偏振传感器的"偏振交火"配置 方案。
【背景技术】
[0002] 气溶胶是悬浮在空气中的微小颗粒物质，其来源多种多样，它通过影响太阳辐射 以及云，对全球气候变化产生重要影响（IPCC，2007)，通过传输、扩散和沉降对大气环境等 产生重要影响。其中，小于2.5微米的气溶胶粒子（PM2. 5)可被吸入人体肺部，是我国目前 最主要的大气污染物，已经成为环境监测最重要的监测对象。随着探测方法的快速发展， 遥感技术已成为气溶胶监测的重要手段，星载气溶胶遥感技术在近20年得到了快速发展。 然而由于气溶胶微观和宏观特性十分复杂，包括多变的形状、粒子大小、辐射吸收和散射特 性、时空分布特性和垂直分布等，对星载气溶胶传感器的探测方案设计提出了很大的挑战， 国际上已经设计了多种探测方案（见下），本发明综合国际前沿的技术发展方向，提出了一 种目前气溶胶综合探测能力最强的星载传感器配置方案。
[0003] 现有技术1
[0004] 卫星遥感气溶胶的技术到目前为止主要发展了多光谱、多角度、激光、偏振等四类 手段，分别发射了具有代表性的传感器。利用多光谱信息测量气溶胶的典型代表是美国 NASA 于 1999 年发射的 MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)传感 器，该传感器具有36个光谱波段，基于暗目标法（Kaufman et al.，1997)可测量气溶胶光 学厚度（AOD)等信息。多角度测量气溶胶的典型代表是欧洲的ATSR(Along-Track Scanning Radiometer)/AATSR(Advanced Along Track Scanning Radiometer)传感器和美国的 MISR(Multi-angle Imaging SpectroRadiometer)传感器，前者具有两个角度，后者的观测 角度数目达到9个。激光探测气溶胶的代表是美国发射的CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)传感器，在532nm和1064nm波段主动发射激光探测气溶 胶。偏振测量气溶胶参数的代表是法国的POLDER传感器和美国的APS传感器。前者由法国 CNES自1999年起到目前共发射了三颗，后者于2011年由于火箭问题发射失败，但是NASA 已提出了 PEACE计划准备再次发射此类传感器。
[0005] 上述这些星载传感器的探测手段具有各自的优势，但均存在某些难以获取或无 法探测的气溶胶参数，例如：M0DIS难以获得气溶胶粒子大小信息，其气溶胶细粒子比结 果至今在陆地上空验证较差，官方不推荐使用；MISR通过多角度观测改进了对粒子尺寸 参数的反演效果，但地-气解耦合能力较弱；CALIOP除了垂直分布信息外，对于颗粒物总 量、粒子大小等信息的探测能力均很弱；搭载于PARASOL(Polarization&Anisotropy of Reflectances for Atmospheric Sciences coupled with Observations from a Lidar) 卫星上的最新版本POLDER，借助多光谱（9波段）、多角度（16角度）和偏振（3分量）三种 探测手段，具有探测参数多的优势，但仍难以提供气溶胶垂直分布的相关产品。因此，从气 溶胶观测应用的技术发展需求角度看，这些传感器的组合使用非常有必要。
[0006] 现有技术2
[0007] 国际上，美国1999年发射的EOS首颗卫星Terra上就同时搭载了 MODIS和MISR 传感器，协同观测提供多光谱和多角度信息。之后，美/欧又联合发展了 A-Train计划，将 搭载CALIOP的CALIPS0卫星和搭载POLDER的PARASOL卫星等共同组成一个卫星阵列，在 大约1. 5小时的时间间隔内，连续通过同一目标上空，形成多星协同观测气溶胶的能力（如 表1所示）。由此可见，国际上非常重视传感器的配合使用，如何在方案设计阶段就结合各 种方案的优势和特点，发挥综合测量能力，是卫星气溶胶遥感技术重点关注的科学问题。
[0008] 表1当前国际上具有代表性的多传感器星载气溶胶遥感技术
【权利要求】
1. 一种星载传感器"偏振交火"探测大气气溶胶参数的方法，其特征在于，组合使用两 种类型的多角度偏振卫星载荷传感器，分别为POLDER类型传感器和APS类型传感器，两种 传感器搭载在同一卫星上，将APS类型传感器的沿轨扫描方式改为穿轨扫描方式，将APS类 型传感器的扫描视场从圆形改为方形，从而与POLDER类型传感器相匹配实现对地同步观 测； 在APS类型传感器上增加偏振UV波段380nm通道，在已有气溶胶参数探测能力的基础 上，增加覆盖整个画幅的气溶胶层高和吸收性气溶胶指数的探测能力； 将APS类型传感器的高精度星上定标传递给POLDER类型传感器的每一个像元，解决 POLDER类型传感器上偏振成像C⑶的定标精度问题； 将APS上近红外波段2250 nm通道的观测信号传递到POLDER传感器，解决气溶胶综合 参数反演中的地-气解耦合问题。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述APS类型传感器在其搭载卫星平台上 的装配方向进行旋转90°调整，则观测扫描平面在地面的投影将是垂直轨道方向，形成穿 轨扫描。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，删除所述APS类型传感器上已有的910nm通 道和565nm通道，增加380nm和490nm通道；其中，APS的490nm通道的光谱响应函数曲线 和POLDER的490nm通道的光谱响应函数曲线匹配。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述APS类型传感器的光路上增加方形光 阑装置，从而将圆形视场转变为方形视场。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述APS类型传感器具有380nm、410nm、 443nm、490nm、670nm、865nm、1378nm、1610nm和2250 nm波段的探测光谱，所有通道均偏振； 其中，380nm用于探测气溶胶层高，380nm和410nm用于获得吸收性气溶胶指数，1378nm用 于探测卷云，1610nm用于探测沙尘气溶胶，2250nm用于探测地表，443nm、490nm、670nm和 865nm用于APS向POLDER进行星上偏振定标传递。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述APS类型传感器通过紫外波段380nm的 强度和偏振联合观测反演气溶胶层高，利用380nm和410nm两个紫外波段的组合反演吸收 性气溶胶指数。
7. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述APS和POLDER两类型传感器的像元经 过几何配准，并将APS类型传感器上的443nm、490nm、670nm和865nm波段的高精度定标信 息传递到POLDER类型传感器。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述APS类型传感器上的2250nm的地表 观测信息传递到POLDER传感器的可见和近红外波段上使用，2250nm探测到的偏振反射率 可以线性地转换到可见和近红外波段的地表偏振反射率，用于可见和近红外波段的地-气 解耦合。
9. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述POLDER类型传感器具有443nm、490nm、 565nm、670nm、763nm、765nm、865nm、910nm 和 1020 nm 波段的探测光谱，其中，490、670 和 865nm为偏振波段；910nm和1020nm波段光谱用以大气水汽含量的反演。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述POLDER类型传感器通过490nm、 670nm、870nm波段光谱多角度偏振你测量气溶胶AOD、a，通过443nm波段光谱多角度标量
【文档编号】G01N15/00GK104316440SQ201410314843
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】李正强, 许华, 伽丽丽, 陈兴峰, 张莹 申请人:中国科学院遥感与数字地球研究所