微光云图成像仪在轨和替代定标方法研究

Developing imagers with low-level light at night and monitoring the clouds at all time have become inevitable developing trends and objective application needs.The onboard and vicarious calibration on low-level light imager is researched.(1)Considering the multiple scattering effect of atmospheric molecules,the absorption effect of greenhouse gases and the refraction effect of atmosphere, the radiative transfer model of spherical mode is proposed based on twilight radiation characteristic.Then the pupil radiance to the sensor under different conditions is calculated, which provides a theoretical basis for designing the low-level light imager;(2)The radiative transfer model is used to simulate the pupil radiance in different transition regions to determine the gain ratios between gain stages. Based on the gain ratios, transfer calibration method is researched; (3)The radiative transfer model is used to simulate the reflectance and BRDF function of deep convective clouds with different optical thickness, effective radius, atmospheric conditions, surface features, and observation angles. The vicarious calibration of low-level light imager by using deep convective clouds is studied based on the radiative transfer simulation of pupil radiance.

发展夜间低照度条件下的微光云图成像仪，实现可见光和红外云图的全天时同时成像，已成为技术发展的必然趋势和应用的客观需求。本项目针对微光云图成像仪的在轨以及替代辐射定标方法展开研究。（1）根据晨昏时段曙暮光辐射传输特性，考虑大气分子的多次散射、温室气体的吸收和大气折射作用等，建立球形大气下的辐射传输模型，计算晨昏曙暮光在不同条件下的传感器入瞳辐亮度，为设计微光云图成像仪提供理论基础；（2）利用辐射传输模式模拟不同时间段的过渡区域，确定不同增益阶段之间的增益比，研究基于辐射传递的微光云图成像仪在轨定标方法；（3）利用辐射传输模式，根据不同的冰云参数模型，模拟深对流云目标在不同光学厚度、不同有效粒子半径、不同大气状况、不同地表特征、不同观测几何下的可见光反射率以及BRDF函数特征，通过实验，研究以深对流云为目标的微光云图成像仪替代定标方法。

发展夜间低照度条件下的微光云图成像仪，实现可见光和红外云图的全天时同时成像，已成为技术发展的必然趋势和应用的客观需求。本项目针对微光云图成像仪的在轨以及替代辐射定标方法展开研究，以期为国内夜间低照度条件下的微光云图成像仪设计提供技术支撑。（1）针对目前国际上辐射传输软件中存在的问题，将月亮辐射模型、平面平行大气模式下辐射传输模型及球形大气模式下辐射传输模型相结合，通过辐射源选取、辐射传输模型选取，建立了全天时条件下的辐射传输模型，实现了全天时条件下的辐射传输计算。精确的全天时条件下的辐射传输计算对于微光云图成像仪的设计、定标及应用起到至关重要的作用，是开展研究的基础性工作。（2）根据前期建立的全天时条件下的辐射传输模式，模拟白天太阳可见光、晨昏曙暮光以及夜间月亮可见光条件下在不同区域、不同大气状况、不同地表特性、不同观测几何下的入瞳辐亮度，确定不同增益阶段之间的增益比，提出了基于辐射传递的微光云图成像仪在轨定标方法。（3）在国际上首次提出将深对流云作为替代定标源对夜间微光成像仪进行辐射定标，建立了基于深对流云的夜间微光传感器替代定标模型。利用2009~2010年共两年的Cloudsat/CALIPSO准同步探测数据产品统计分析夜间深对流云的宏微观特性。利用建立的辐射传输模式，通过确定深对流云光学属性、地表特性及大气廓线等的参考值，对接收大气层顶反射辐射进行敏感性试验，分析得到主要影响因子为云光学厚度与有效粒子半径。利用2012年08月~2013年07月共1年的实际探测数据，检验以深对流云为目标的替代定标方案。试验表明，2012年8月~2013年3月，90%像素模拟反照率的相对误差范围在-15%~5%之内。然而，2013年4月~2013年7月，相对误差范围变为-20%~5%。通过深入研究，我们发现上述结果主要受相对响应函数的影响。相对响应函数修正后，以DCC为替代目标的观测反照率与模拟反照率的一致性较好且90%的散点位于±10%的相对误差之内。考虑到目前测定的在轨定标辐射不确定度为15%，该替代定标方法效果较好，可实现对DNB/HGS的辐射定标。