一种加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法
【专利摘要】本发明公开了一种加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法。通过加快光谱建模速度和垂直柱浓度连续计算速度两种途径来加快温室气体垂直柱浓度的反演速度。在光谱建模过程中，通过忽略一些弱干扰因素的影响和离散化辐射传输方程来加快建模速度；在温室气体垂直柱浓度连续反演过程中，采用查表方法加快温室气体垂直柱浓度的计算速度：先模拟出所有可能场景的太阳归一化辐亮度和权重函数，统计出当所有光谱都采用一个特定场景的模拟值进行反演拟合时的修正因子，并制作成一个修正表，后续数据处理时，所有场景的测量光谱都可采用这一特定场景的模拟值进行拟合，只需将拟合结果乘以表格中相应的修正因子即可，而不再需要对所有场景的测量光谱建模。
【专利说明】一种加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及环境大气中气体垂直柱浓度的光谱反演领域，具体为一种加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法。
【背景技术】
[0002]温室气体导致的温室效应会产生一系列环境问题和经济问题，例如，导致全球气温持续升温、冰川融化、海平面上升、地球病虫害增多、气候反常、海洋风暴增多等等。目前，很多国家都实时在线监测环境大气中温室气体垂直柱浓度的波动，以确保排放的温室气体符合相关减排规定。
[0003]温室气体二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)等的强吸收波段主要集中在红外波段。红外波段位于振-转光谱的基频或泛频，气体吸收截面具有很强的温度、压强依赖特性，并且随波长变化而变化，导致红外波段的气体垂直浓度反演方法与其它波段的反演方法更繁琐，相对反演速度更慢。为了能利用红外波段吸收光谱迅速地反演环境大气中温室气体的垂直柱浓度，以确保准确掌握温室气体垂直柱浓度的波动规律，有必要研究出一种加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，以解决现有技术观测方式相对复杂、测量光谱信噪比相对较低、光谱建模条件较复杂、光谱建模速度偏慢、气体垂直柱浓度反演步骤较繁琐而导致反演速度较慢，无法快速分辨温室气体垂直柱浓度波动规律的问题。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
[0006]一种加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，所述反演速度的加快是指针对某一特定的数据处理系统，通过优化温室气体垂直柱浓度反演方法和过程来加快反演速度，而不是通过升级数据处理系统版本来加快反演速度。该方法通过加快光谱建模速度和垂直柱浓度连续计算速度两种方法来加快温室气体垂直柱浓度的反演速度；
[0007]第一步，在测量光谱建模过程中采用以下方法来加快模型计算速度，具体实施如下:
[0008](I)使用直射太阳光谱来反演温室气体的垂直柱浓度:太阳光汇聚系统安装在太阳跟踪系统上，太阳入射光经过太阳光汇聚系统汇聚后由光信号传输系统传输至光谱探测系统，光谱探测系统实现光信号采集和模/数转换，之后再送入光谱存储及解析系统，获得直射太阳光谱；
[0009](2)忽略地面反照率、分子散射次数、大气热辐射过程、较弱干扰气体的吸收干扰因素的影响；
[0010](3)通过对吸收截面的波长坐标进行指数变换，用波长变换间隔内的透过率加权和值代替平均透过率；[0011](4)用简化的高斯线型仪器函数代替光谱仪复杂的实际仪器函数；
[0012](5)通过对由测量光谱观测参数建立的辐射传输方程进行离散化，减少待求解辐射方程组的数目；
[0013]第二步，在温室气体垂直柱浓度连续反演过程中，采用查表方法加快温室气体垂直柱浓度的计算速度，具体实施如下:
[0014]采用查表方法不需要对每一条测量光谱进行在线辐射传输模拟，能在较短的观测时间内处理完庞大的观测数据，具体实施方法为:先根据不同太阳天顶角、地面高度、地面反照率、气溶胶类型及水汽浓度模拟出所有场景下的太阳归一化光谱常量和权重函数，统计出当所有光谱都采用一个场景的模拟值进行温室气体垂直柱浓度拟合时的修正因子，并制作成一个修正表，后续数据处理时，所有角度的测量光谱都可采用这一场景的模拟值进行拟合，只需将拟合结果乘以表格中相应的修正因子即可，而不再需要对所有场景的测量光谱建模，这一特定场景的模拟值称为参考光谱，可以通过大气辐射传输模型SCIATRAN计算得到，计算过程中仅考虑分子单次散射的影响。
[0015]所述加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，利用地基光谱仪记录的直射太阳光谱而不是地基、机载或星载光谱仪记录的散射光谱来反演温室气体的垂直柱浓度。直射太阳光谱相对于其它被动遥感方式(例如，机载、星载、地基天顶、地基散射测量)记录的测量光谱而言，观测方式简单，辐射传输模型SCIATRAN能快速的实现测量光谱建模，从而缩短模型计算时间，提高垂直柱浓度反演速度。
[0016]所述加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，在采用辐射传输模拟软件SCIATRAN对直射太阳光谱建模时，忽略地面反照率、分子散射次数、大气热辐射过程、较弱干扰气体的吸收干扰等因素的影响，这些因素对温室气体垂直柱浓度反演结果影响很小但对光谱建模速度具有一定影响。
[0017]所述加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，在采用辐射传输模拟软件SCIATRAN对直射太阳光谱建模时，通过对吸收截面的波长坐标进行指数变换，用波长变换间隔内的透过率加权和值代替平均透过率，能增大积分步长且不影响积分效果。
[0018]所述加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，在采用辐射传输模拟软件SCIATRAN对直射太阳光谱建模时，用简化的高斯线型仪器函数代替光谱仪复杂的实际仪器函数。
[0019]所述加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，在采用辐射传输模拟软件SCIATRAN对直射太阳光谱建模时，通过对由测量光谱观测参数建立的辐射传输方程进行离散化，同时按照一定规则，用离散的平行平面大气代替连续大气，对大气层进行分层，减少待求解辐射方程组的数目。
[0020]所述加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，温室气体垂直柱浓度的连续反演过程中，先模拟出所有可能场景的太阳归一化辐亮度和权重函数，统计出当所有光谱都采用一个特定场景的模拟值进行反演拟合时的修正因子，并制作成一个修正表，后续数据处理时，所有场景的测量光谱都可采用这一特定场景的模拟值进行拟合，只需将拟合结果乘以表格中相应的修正因子即可，而不再需要对所有场景的测量光谱建模。
[0021]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0022]本发明涉及的加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，在测量光谱建模过程中采用以下方法加快模型计算速度:(1)使用直射太阳光谱而不是地基、机载或星载光谱仪记录的散射光谱来反演温室气体的垂直柱浓度；(2)忽略地面反照率、分子散射次数、大气热辐射过程、较弱干扰气体的吸收干扰等因素的影响；(3)通过对吸收截面的波长坐标进行指数变换，用波长变换间隔内的透过率加权和值代替平均透过率；(4)用简化的高斯线型仪器函数代替光谱仪复杂的实际仪器函数；(5)通过对由测量光谱观测参数建立的辐射传输方程进行离散化，同时按照一定规则，用离散的平行平面大气代替连续大气，对大气层进行分层，减少待求解辐射方程组的数目。本发明涉及的加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，在温室气体垂直柱浓度连续反演过程中，采用查表方法加快温室气体垂直柱浓度的计算速度:先模拟出所有可能场景的太阳归一化辐亮度和权重函数，统计出当所有光谱都采用一个特定场景的模拟值进行反演拟合时的修正因子，并制作成一个修正表，后续数据处理时，所有场景的测量光谱都可采用这一特定场景的模拟值进行拟合，只需将拟合结果乘以表格中相应的修正因子即可，而不再需要对所有场景的测量光谱建模。通过加快测量光谱建模速度和加快温室气体垂直柱浓度计算速度的方法能加快温室气体垂直柱浓度的反演速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明实现框图。
[0024]图2为应用本发明的实例快速变化的H2O吸收截面函数k ( λ )至g空间单调递增k分布的转换。其中:
[0025]图2 (a)为高分辨率水汽吸收截面；图2 (b)为波长坐标变换至g空间后的分布。
[0026]图3为应用本发明的实例对气体吸收截面的波长坐标进行指数变换后，CO2拟合窗口内高分辨(细线)与卷积后(粗线)的辐亮度与权重函数，其中:
[0027]图3 Ca)为气体吸收截面的波长坐标进行指数变换前，由逐线积分方法计算得到的CO2拟合窗口内高分辨(细线)与卷积后(粗线)的辐亮度与权重函数；图3 (b)为气体吸收截面的波长坐标进行指数变换后，由快速积分方法计算得到的CO2拟合窗口内高分辨(细线)与卷积后(粗线)的辐亮度与权重函数。
[0028]图4为应用本发明的实例高斯拟合1637.78nm汞灯峰得到的仪器函数。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图以及【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0030]如图1?图4及表I所示。本发明中，所述反演速度的加快是指针对某一特定的数据处理系统，通过优化温室气体垂直柱浓度反演方法和过程来加快反演速度，而不是通过升级数据处理系统版本来加快反演速度。总言之，本发明通过加快光谱建模速度和垂直柱浓度连续计算速度两种方法来加快温室气体垂直柱浓度的反演速度。
[0031]在测量光谱建模过程中采用以下方法来加快模型计算速度，具体实施如下:
[0032](I)使用直射太阳光谱而不是地基、机载或星载光谱仪记录的散射光谱来反演温室气体的垂直柱浓度:太阳光汇聚系统安装在太阳跟踪系统上，太阳入射光经过太阳光汇聚系统汇聚后由光信号传输系统传输至光谱探测系统，光谱探测系统实现光信号采集和模/数(A/D)转换，之后再送入光谱存储及解析系统，获得直射太阳光谱。直射太阳光谱相对于其它被动遥感方式(例如，机载、星载、地基天顶、地基散射测量)记录的测量光谱而言，观测方式简单，辐射传输模型SCIATRAN能快速的实现测量光谱建模，从而模型计算时间，提高垂直柱浓度反演速度。
[0033](2)忽略地面反照率、分子散射次数、大气热辐射过程、较弱干扰气体的吸收干扰等因素的影响:直射太阳光谱相对于其它被动遥感方式(例如，机载、星载、地基天顶、地基散射测量)记录的测量光谱而言，光信号强，较短积分时间就可以获得很强光信号，模拟光谱和测量光谱的信噪比都很高。地面反射光强、分子散射光强、大气热辐射强度相对测量信号强度而言可以忽略。在光谱建模过程中，忽略地面反照率、分子散射次数、大气热辐射过程的影响对模型计算结果影响可以忽略，但能加快模型计算速度。另外，忽略温室气体反演波段内较弱干扰气体的吸收干扰，也能加快模型计算速度。例如，在利用1590~1620nm直射太阳光谱反演环境大气中CO2垂直柱浓度时，可以忽略CO气体的吸收干扰。
[0034](3)通过对吸收截面的波长坐标进行指数变换，用波长变换间隔内的透过率加权和值代替平均透过率:由于分子吸收具有很强的波长相关性，辐射传输方程的精确数值积分将非常耗时。因此，为了处理气体反演中所需的大量前向模型数据，迫切需要一种快速但又不降低求解精度的数据处理方法。图2所示进行吸收截面波长坐标指数变换的方法可以达到这一目的，在一定前提条件下，模型计算值与仪器函数卷积后，获得的太阳归一化辐亮度和权重函数与逐线积分方法获得的结果相同。
[0035]吸收截面波长坐标指数变换的思想是，在足够小的波长间隔△ λ内(小于仪器分辨率)，用间隔内的透过率加权和值代替平均透过率。如果Λ λ足够小，以至于给定吸收体的吸收截面是唯一改变该波段范围内光学参数的物理量，这样，平均透过率仅与特定截面值发生的频率有关，而与吸收截面的精确波长相关度无关。因此，波长坐标可以等价地转换为概率坐标。相应的概率变量定义为:
[0036]
【权利要求】
1.一种加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，所述反演速度的加快是指针对某一特定的数据处理系统，通过优化温室气体垂直柱浓度反演方法和过程来加快反演速度，而不是通过升级数据处理系统版本来加快反演速度，其特征在于:该方法通过加快光谱建模速度和垂直柱浓度连续计算速度两种方法来加快温室气体垂直柱浓度的反演速度； 第一步，在测量光谱建模过程中采用以下方法来加快模型计算速度，具体实施如下: (1)使用直射太阳光谱来反演温室气体的垂直柱浓度:太阳光汇聚系统安装在太阳跟踪系统上，太阳入射光经过太阳光汇聚系统汇聚后由光信号传输系统传输至光谱探测系统，光谱探测系统实现光信号采集和模/数转换，之后再送入光谱存储及解析系统，获得直射太阳光谱； (2)忽略地面反照率、分子散射次数、大气热辐射过程、较弱干扰气体的吸收干扰因素的影响； (3)通过对吸收截面的波长坐标进行指数变换，用波长变换间隔内的透过率加权和值代替平均透过率； (4)用简化的高斯线型仪器函数代替光谱仪复杂的实际仪器函数； (5)通过对由测量光谱观测参数建立的辐射传输方程进行离散化，减少待求解辐射方程组的数目； 第二步，在温室气体垂直柱浓度连续反演过程中，采用查表方法加快温室气体垂直柱浓度的计算速度，具体实施如下: 采用查表方法不需要对每一条测量光谱进行在线辐射传输模拟，能在较短的观测时间内处理完庞大的观测数据，具体实施方法为:先根据不同太阳天顶角、地面高度、地面反照率、气溶胶类型及水汽浓度模拟出所有场景下的太阳归一化光谱常量和权重函数，统计出当所有光谱都采用一个场景的模拟值进行温室气体垂直柱浓度拟合时的修正因子，并制作成一个修正表，后续数据处理时，所有角度的测量光谱都可采用这一场景的模拟值进行拟合，只需将拟合结果乘以表格中相应的修正因子即可，而不再需要对所有场景的测量光谱建模，这一特定场景的模拟值称为参考光谱，可以通过大气辐射传输模型SCIATRAN计算得到，计算过程中仅考虑分子单次散射的影响。
2.根据权利要求1所述的加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，其特征在于:利用地基光谱仪记录的直射太阳光谱而不是地基、机载或星载光谱仪记录的散射光谱来反演温室气体的垂直柱浓度。
3.根据权利要求1所述的加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，其特征在于:在采用辐射传输模拟软件SCIATRAN对权利要求1所述直射太阳光谱建模时，忽略地面反照率、分子散射次数、大气热辐射过程、较弱干扰气体的吸收干扰因素的影响，这些因素对温室气体垂直柱浓度反演结果影响很小但对光谱建模速度具有一定影响。
4.根据权利要求1所述的加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，其特征在于:在采用辐射传输模拟软件SCIATRAN对权利要求1所述直射太阳光谱建模时，通过对吸收截面的波长坐标进行指数变换，用波长变换间隔内的透过率加权和值代替平均透过率，能增大积分步长且不影响积分效果。
5.根据权利要求1所述的加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，其特征在于:在采用辐射传输模拟软件SCIATRAN对权利要求1所述直射太阳光谱建模时，用简化的高斯线型仪器函数代替光谱仪复杂的实际仪器函数。
6.根据权利要求1所述的加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，其特征在于:在采用辐射传输模拟软件SCIATRAN对权利要求1所述直射太阳光谱建模时，通过对由测量光谱观测参数建立的辐射传输方程进行离散化，同时按照一定规则，用离散的平行平面大气代替连续大气，对大气层进行分层，减少待求解辐射方程组的数目。
7.根据权利要求1所述的加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，其特征在于:温室气体垂直柱浓度的连续反演过程中，先模拟出所有可能场景的太阳归一化辐亮度和权重函数，统计出当所有光谱都采用一个特定场景的模拟值进行反演拟合时的修正因子，并制作成一个修正 表，后续数据处理时，所有场景的测量光谱都可采用这一特定场景的模拟值进行拟合，只需将拟合结果乘以表格中相应的修正因子即可，而不再需要对所有场景的测量光谱建模。
【文档编号】G01N21/25GK103743679SQ201410033504
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2014年1月22日
【发明者】孙友文, 谢品华, 徐晋, 刘诚, 刘文清, 刘建国, 周海金, 方武, 李昂 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院