基于ARTS的傅里叶红外高光谱计算模型研究及其影响因素分析

摘要：

在基于红外高光谱辐射数据进行大气遥感方面的研究中,准确模拟红外高光谱数据是很重要的一步.分析了红外高光谱辐射仪的测量原理,建立了基于 Atmospheric Radiation Transfer Simulator(ARTS)的考虑仪器干涉图截断与离散化处理过程的正向模型.在该正向模型中,首先采用高光谱辐射传输模式ARTS模拟得到离散化理想光谱,通过逆傅里叶变换将理想光谱转化为干涉图,对干涉图加窗截断处理,模拟仪器响应函数对干涉图的影响,最后采用傅里叶变换得到仪器测量光谱.在这一过程中,窗口函数的选择取决于仪器的干涉图截断方式.未经过切趾处理的仪器,其对应的窗口函数为矩形窗口;经过切趾函数处理,可以减少干涉图截断造成的能量泄露现象.逆傅里叶变换与傅里叶变换过程中必须满足 Nyquist采样定律.基于已建立的正向模型,模拟了 Atmospheric Emitted Radiance Interferometer (AERI)在 Southern Great Plains (SGP)站点的 1 08 组晴空辐射数据,并与 AERI的实测结果进行比较分析,结果发现理想光谱与 AERI实测光谱在吸收线上差异较大,最大残差达到 35 mW·sr-1·m-2·(cm-1 )-1 (简称 RU)以上,增加干涉图截断过程后,模拟光谱与实测光谱的最大残差减小到 1 0 RU 以内.截断过程的增加对模拟光谱的精度有明显提高,尤其在吸收线上,模拟光谱明显被平滑,模拟精度显著提高.进一步分析六种常用窗口函数截断处理的结果与 AERI实测数据的残差,结果发现,模拟过程中选择窗口函数为矩形窗口时,模拟光谱与 AERI实测数据残差最小,基本可以约束在5 RU以内,确定了AERI的干涉图截断方式可以近似看作矩形截断.另外,在理想光谱转换为干涉图的过程中,理想光谱分辨率的选择决定了干涉图信息的采样率以及 ARTS的计算效率,因此综合考虑模型计算精度和模型计算效率,确定最佳的理想光谱分辨率对于提高模型计算效能是非常必要的;基于此,本文模拟了不同理想光谱分辨率下的仪器测量光谱,对比分析了模拟光谱与 AERI实测光谱的残差分布,并讨论了光谱分辨率对模型计算耗时的影响.结果表明,对于 AERI,在对应的正向模型中设置理想光谱分辨率为0.241 1 cm-1时,可在保证模型准确度的前提下,最大化模型计算效率.

关键词：辐射传输模式、正向模型、切趾函数、分辨率

所属期刊栏目：39

分类号：P407.6(一般理论与方法)

资助基金：国家自然科学基金项目41575024

在线出版日期：2020-01-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共6页

页码：1711-1716