太阳-天空偏振辐射计传递定标方法研究

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气溶胶信息定量化是气溶胶遥感发展的必然趋势,而气溶胶信息定量化的基础和前提是遥感观测设备高精度定标。定标是建立遥感器探测信号与观测目标特性参数联系的纽带。遥感器在长时间观测中,由于受到外在条件及内部器件磨损影响,导致探测器老化、电子及光学系统性能下降,遥感器探测能力也随之降低。遥感器只有经过严格、高精度的定标,才能有效获取观测目标物的特性。同时,定期对遥感器进行定标还可以监测仪器观测特性的变化,增加有效观测信息量。  地基气溶胶遥感观测是目前精度最高、获取气溶胶参数较多的一种遥感手段。太阳-天空辐射计由于其高度的自动化程度及较高的观测精度,是目前使用最广泛的地基观测设备。太阳-天空辐射计的主要定标方法,如Langley定标法、对比定标法和绝对辐亮度定标方法等,对实验场地及定标设备都有一定要求,如Langley法和对比定标法要求定标场地具有干洁、稳定大气条件等,同时这些主要定标方法定标耗时较长。发展不依赖场地和设备条件的传递定标方法可提高定标效率,减少由于定标引起的观测中断,增加有效观测数据量。  论文利用中国科学院遥感与数字地球研究所组建的太阳-天空辐射计观测网络SONET(Sun-sky radiometer Observation NETwork)中太阳-天空偏振辐射计,在深入了解仪器光学及电子原理基础上,研究了太阳-天空辐射计在太阳直射光观测通道、天空散射光观测通道及偏振探测的传递定标方法,扩展了太阳直射光通道的紫外波段传递定标方法;建立了一种基于高精度定标系数的归一化辐亮度传递定标方法;并对传递定标中涉及的立体角参数进行了讨论,改进了基于移动激光光源测量仪器立体角的方法;最后对辐射计偏振片透光轴夹角进行分析,研究了一种基于旋转偏振盒测量太阳-天空辐射计偏振片透光轴夹角的技术方案,完善了偏振片透光轴夹角误差的检测方法。论文在已有基础上形成一套结合传统定标方法和传递方法的定标方案,减少了室外定标的强度及室内积分球的维护,提高了定标效率。  论文的主要研究结果有以下几点:  (1)将Li et al.(2013)发展的基于实验室积分球的太阳直射光观测通道的传递定标方法扩展应用到紫外波段,从而提高了传递定标方法的实用性。计算得到的紫外波段传递定标结果与对比定标结果差异在6%之内。  (2)提出一种计算归一化天空散射辐亮度的传递方法。该方法使用定标精度更高的太阳直射通道定标系数和仪器立体角参数代替辐亮度定标系数和大气外界太阳辐照度数据来计算归一化天空散射辐亮度,该方法得到的归一化辐亮度误差约为2~2.4%,优于传统方法。使用此方法得到的归一化辐亮度数据反演获得的气溶胶参数精度更高。传递方法同时兼顾了仪器在进行天空不同部分扫描时的连续性。  (3)改进了基于移动激光光源测量太阳-天空辐射计立体角参数的方案,利用SONET观测网仪器进行了实验验证,结果表明使用此方法获得的立体角与仪器设计值差异在2%之内。  (4)在深入了解太阳-天空辐射计偏振片的基础上,设计了一种基于旋转偏振盒测量太阳-天空辐射计偏振片透光轴间夹角的方案。该方案根据旋转偏振盒所测信号来拟合三组偏振片的响应曲线,通过求解曲线极值点所在旋转角度之差来判断偏振片透光轴间的夹角,该方法可以用于检测偏振片透光轴夹角误差。同时,该方法还可用于对偏振片完好程度的定性检验。
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