星载大气痕量气体差分吸收光谱仪狭缝函数研究

摘要：

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪是一种新型光学遥感仪器,具有分辨率高(0.3～0.5 nm)、宽光谱范围(240～710 nm)、大视场角(114°视场对应地面2600 km)的特点,载荷采用推扫方式,可实现1日全球覆盖监测.载荷通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光,利用差分吸收光谱技术来获取全球大气痕量气体(NO2,SO2,O3等)分布和变化.定标是遥感数据定量应用的前提,同时为获取载荷光谱特性,需要在地面完成载荷的光谱定标.根据大气痕量气体差分吸收光谱仪视场角度大、谱段范围宽、空间和光谱分辨率高等特点,搭建了一套基于二维转台的光谱定标系统,此系统能够完成全视场光谱定标.光谱定标采用标准谱线法,光谱定标光源使用汞灯.光谱响应函数是描述光谱仪光谱响应特性的重要参数,根据光谱响应函数可以获取载荷的光谱分辨率,同时也是基于DOAS反演的关键输入参数,光谱响应函数的精度直接影响大气痕量气体的反演结果.根据载荷实际测试的光谱响应数据,选取了Gauss,Lorentz和Voigt三种函数作为待选的光谱响应函数.为对三种函数模型进行筛选,进行了两种筛选对比测试,首先分别用Gauss函数、Lorentz函数、Voigt函数对载荷的单色光响应数据进行拟合,以三种函数的拟合残差平方和作为评判标准,拟合结果表明Gauss函数作为狭缝函数拟合的残差平方和最小为0.01,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数拟合的残差平方和分别为0.033和0.021.从载荷单色光响应数据函数拟合的结果分析,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型.为了进一步验证这一结论,进行了DOAS反演NO2样气的实验,考察三种函数模型对反演的影响.在实验室开展了NO2样气测试,大气散射光通过30*40cm的石英窗口入射到载荷狭缝,将NO2样品池放置在载荷狭缝和石英窗口中间,获取的数据为NO2样气吸收谱,随后充入N2气体获取反演的参考谱,实验在晴朗天气下进行,并能够在较短时间内完成,可以减少外界天气条件对反演结果的影响.实验中NO2样气浓度为8.4812×1016 molec·cm-2,在利用DOAS进行反演时,设置仪器狭缝函数分别为Gauss,Lorentz和Voigt函数,分析三组不同的函数模型对应的NO2浓度结果,根据反演结果的相对偏差对函数模型进行评价.实验结果表明Gauss函数作为狭缝函数反演结果的相对偏差最小为5.6％,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数的反演相对偏差分别为28％ 和15.1％.由光谱响应数据的拟合结果及样气反演结果表明,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型.

关键词：星载大气痕量气体差分吸收光谱仪、光谱定标、狭缝函数、气体反演

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分类号：O433(光学)

资助基金：国家自然科学基金项目41705016,41605017;国家重点研发计划项目2016YFC0200400

在线出版日期：2019-07-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共5页

页码：2008-2012