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高光谱遥感仪器的光谱参数和信噪比需求

王倩 杨忠东 毕研盟

王倩, 杨忠东, 毕研盟. 高光谱遥感仪器的光谱参数和信噪比需求. 应用气象学报, 2014, 25(5): 600-609..
引用本文: 王倩, 杨忠东, 毕研盟. 高光谱遥感仪器的光谱参数和信噪比需求. 应用气象学报, 2014, 25(5): 600-609.
Wang Qian, Yang Zhongdong, Bi Yanmeng. Spectral parameters and signal-to-noise ratio requirement for CO2 hyper spectral remote sensor. J Appl Meteor Sci, 2014, 25(5): 600-609.
Citation: Wang Qian, Yang Zhongdong, Bi Yanmeng. Spectral parameters and signal-to-noise ratio requirement for CO2 hyper spectral remote sensor. J Appl Meteor Sci, 2014, 25(5): 600-609.

高光谱遥感仪器的光谱参数和信噪比需求

资助项目: 

国家863计划 2011AA12A104

详细信息
    通信作者:

    毕研盟, email: biym@cma.gov.cn

Spectral Parameters and Signal-to-noise Ratio Requirement for CO2 Hyper Spectral Remote Sensor

  • 摘要: 卫星短波红外CO2遥感获得大气低层CO2浓度信息,已成为目前国际热点研究领域。结合气候变化及碳源、汇观测需求,利用高精度大气辐射传输模式研究了高光谱分辨率、高精度CO2探测目标的可实现性。针对高光谱CO2探测器光栅分光、阵列探测器特点,分析了光谱分辨率、光谱采样率等关键技术指标对CO2探测的可能影响;基于辐射敏感度因子分析了不同探测精度要求下的信噪比需求。结果表明:高光谱CO2探测器首先应具有足够高的光谱分辨率,以便从太阳反射连续谱段中分辨出CO2吸收线;为保证CO2光谱的准确性,光谱仪所用探测器面元应该保证光谱采样率大于2;尽管探测边界层内CO2浓度1%变化所要求的信噪比难以达到,但探测整层大气CO2浓度1%的变化所需要的信噪比是可以实现的。
  • 图  1  3种光谱分辨率下的透过率光谱

    Fig. 1  Transmittance spectra for three spectral resolutions

    图  2  3种光谱分辨率和采样率的透过率光谱

    Fig. 2  Transmittance spectra for three spectral resolutions and sampling ratios

    图  3  两种探测器在两种光谱分辨率时CO2透过率光谱

    Fig. 3  Transmittance spectra for two spectral resolutions of two detectors

    图  4  两种探测器在表 2采样率下的CO2透过率光谱

    Fig. 4  Transmittance spectra for two detectors under the sampling ratios listed in Table 2

    图  5  两种探测器在不同光谱分辨率条件下的透过率相对误差

    Fig. 5  Transmittance relative errors for two detectors under two spectral resolutions

    表  1  LBLRTM模拟条件列表

    Table  1  Simulation conditions of LBLRTM

    模拟条件 参数
    大气模型 美国标准大气
    扫描函数 三角型函数
    波数范围/cm-1 6237~6242
    光谱分辨率/cm-1 0.0014, 0.07, 0.312, 0.5
    FWHM内光谱采样数 1, 2, 4
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    表  2  探测器的采样间隔和在两种光谱分辨率下的采样率

    Table  2  Sampling spacing and sampling ratio for two spectral resolutions of detectors

    探测器 采样间隔/cm-1 采样率
    FWHM为0.312 cm-1 FWHM为0.468 cm-1
    A 0.234 1.33 2
    B 0.117 2.67 4
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    表  3  波数范围在6235~6245 cm-1的吸收通道中,两种探测器在不同光谱分辨率条件下的透过率平均误差

    Table  3  Transmittance average errors for two detectors under two spectral resolutions, referred to those under the baseline in the absorption channels between 6235-6245 cm-1

    探测器 FWHM为0.312 cm-1 FWHM为0.468 cm-1
    A 2.41% 0.92%
    B 0.57% 0
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    表  4  SCIATRAN模型模拟条件列表

    Table  4  Simulation conditions of SCIATRAN

    模拟条件 参数
    背景CO2浓度 373.6×10-6
    气溶胶条件 晴空无气溶胶
    太阳天顶角 60°
    地表反照率 0.15
    狭缝函数类型 高斯型
    光谱分辨率 0.08 nm
    光谱范围 1594~1624 nm
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    表  5  探测边界层CO2浓度变化的信噪比需求

    Table  5  SNR requirements of detecting CO2 concentration variation in boundary layer

    CO2浓度变化 f/% 信噪比
    1×10-6 -0.0524 1900
    2×10-6 -0.1048 950
    3×10-6 -0.1571 640
    4×10-6 -0.3252 300
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    表  6  探测CO2柱浓度变化的信噪比需求

    Table  6  SNR requirements of detecting CO2 concentration variation in the whole column

    CO2柱浓度变化 f/% 信噪比
    1×10-6 -0.1219 820
    2×10-6 -0.2441 410
    3×10-6 -0.3580 280
    4×10-6 -0.4874 200
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-08-29
  • 修回日期:  2014-07-24
  • 刊出日期:  2014-09-30

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