遠(yuǎn)紅外高光譜輻射在冰云特征參數(shù)遙感方面的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

大氣遠(yuǎn)紅外輻射的高光譜測(cè)量對(duì)于深入理解地氣系統(tǒng)的輻射交換與輻射平衡具有重要意義，并且該波段可與中紅外波段協(xié)同提供冰云、對(duì)流層中上層水汽遙感的互補(bǔ)信息，在大氣遙感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，由國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院和中國(guó)氣象局高影響天氣重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室組成的的科研團(tuán)隊(duì)在《光學(xué)學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“遠(yuǎn)紅外高光譜遙感技術(shù)及其冰云遙感應(yīng)用”為主題的文章。該文章第一作者為劉磊，通訊作者為劉磊和***。

本文綜述了遠(yuǎn)紅外高光譜輻射在冰云特征參數(shù)遙感方面的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，對(duì)遠(yuǎn)紅外高光譜冰云特性遙感技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和展望，提出了未來的研究思路與方案。

遠(yuǎn)紅外大氣遙感的理論基礎(chǔ)

遠(yuǎn)紅外高光譜大氣遙感主要以星載或機(jī)載天底觀測(cè)的方式，或在極寒干燥的條件下（極地、高山等）以天頂觀測(cè)的方式，測(cè)量大氣或云等目標(biāo)發(fā)射或散射的遠(yuǎn)紅外輻射，根據(jù)輻射光譜特征的變化反演云特性、溫濕廓線、大氣氣體成分等。因此，遠(yuǎn)紅外波段大氣、云的輻射特性分析是實(shí)現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)遙感的首要條件。

遠(yuǎn)紅外波段存在多種氣體分子的典型吸收線，如H?O、CO?、O?、N?O、HNO?、HO等。其中，H?O、CO?是最主要的吸收氣體，其吸收主要由純轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷和振動(dòng)能級(jí)躍遷導(dǎo)致。圖1為紅外波段主要吸收氣體導(dǎo)致的光學(xué)厚度分布，圖1（a）為H?O、CO?吸收導(dǎo)致的光學(xué)厚度，圖1（b）為其余氣體分子吸收導(dǎo)致的光學(xué)厚度。

圖1 紅外波段由主要?dú)怏w分子吸收線導(dǎo)致的光學(xué)厚度分布

冰云輻射效應(yīng)的不確定性是導(dǎo)致全球輻射強(qiáng)迫模擬存在較大誤差的重要因素，而這主要來源于對(duì)描述冰云的關(guān)鍵參數(shù)（如冰晶粒子形狀、有效粒子尺度、冰水路徑/冰水含量、光學(xué)厚度等）的觀測(cè)誤差及其輻射參數(shù)化誤差。因此，提高冰云微物理特性的測(cè)量準(zhǔn)確性一直是大氣遙感領(lǐng)域的前沿課題。圖2為遠(yuǎn)紅外-中紅外波段冰的復(fù)折射率指數(shù)的實(shí)部和虛部隨波數(shù)的變化。一般而言，實(shí)部與冰晶粒子的散射特性有關(guān)，虛部則與吸收特性有關(guān)。

圖2 紅外波段冰的復(fù)折射率指數(shù)的實(shí)部（實(shí)現(xiàn)）和虛部（虛線）隨波數(shù)的變化

復(fù)折射率指數(shù)的差異導(dǎo)致冰晶粒子散射特性的差異。圖3（a）~（d）分別為有效粒子直徑為20 μm、40 μm、60 μm、100 μm時(shí)的冰晶粒子的消光效率因子、吸收效率因子、散射效率因子及單散射反照率的對(duì)比?？梢?，粒子散射特性的變化與復(fù)折射率指數(shù)的實(shí)部和虛部密切相關(guān)。在遠(yuǎn)紅外波段，隨著波數(shù)增大（大于559.5 cm?1），消光效率因子隨波數(shù)的變化相對(duì)平滑，變化較小，并且隨有效粒子直徑的變化同樣相對(duì)較小。而在波數(shù)較小時(shí)，消光效率因子隨著有效粒子直徑的增加而單調(diào)增加。

圖3 遠(yuǎn)紅外-中紅外波段冰晶粒子和液態(tài)水滴粒子的散射特性

綜上所述，盡管遠(yuǎn)紅外波段存在嚴(yán)重的大氣吸收作用，但在部分“窗口”內(nèi)，散射輻射對(duì)冰云特性仍有較高的敏感性。并且，由于遠(yuǎn)紅外與中紅外波段散射效應(yīng)的差異，在云參數(shù)反演方面將可能提供互補(bǔ)信息，從而進(jìn)一步提高反演精度。

遠(yuǎn)紅外高光譜大氣遙感儀器

目前，對(duì)于大氣遠(yuǎn)紅外輻射的高靈敏度探測(cè)，主要分為測(cè)熱探測(cè)技術(shù)和光電探測(cè)技術(shù)。其中，測(cè)熱探測(cè)器主要包括基于熱釋電效應(yīng)的熱電探測(cè)器和針對(duì)大氣輻射等分布式波源的微型測(cè)輻射熱計(jì)。熱電探測(cè)器在太赫茲至紅外的寬波段范圍內(nèi)均具有較好的響應(yīng)速度，為了提高探測(cè)靈敏度，采用DLaTGS（氘化L-丙氨酸硫酸三苷肽）、LiTaO?（鉭酸鋰）、PZT（鋯酸鹽）等聚合材料可進(jìn)一步降低介電常數(shù)。微型測(cè)輻射熱計(jì)在傳統(tǒng)半導(dǎo)體測(cè)輻射熱計(jì)的基礎(chǔ)上減小尺寸，避免了熱容量的限制，從而實(shí)現(xiàn)室溫條件下大氣遠(yuǎn)紅外輻射的高靈敏度探測(cè)。同時(shí)，可將其擴(kuò)展為微型測(cè)輻射熱計(jì)陣列，實(shí)現(xiàn)地球-大氣分布式遠(yuǎn)紅外譜的高效探測(cè)。這些優(yōu)勢(shì)使得測(cè)熱探測(cè)技術(shù)成為當(dāng)前星載大氣遠(yuǎn)紅外輻射高效探測(cè)的首選。而光電導(dǎo)探測(cè)器則主要基于半導(dǎo)體的本征激發(fā)或摻雜半導(dǎo)體的非本征激發(fā)效應(yīng)。為了避免半導(dǎo)體的熱致電離，該型探測(cè)器通常需要冷卻至液氦的溫度，在一定程度上限制了其在星載探測(cè)儀器中的應(yīng)用。

而對(duì)于大氣遠(yuǎn)紅外輻射的高光譜測(cè)量，目前主要包括棱鏡、光柵以及干涉儀等技術(shù)。對(duì)于大氣遠(yuǎn)紅外輻射連續(xù)光譜，通過棱鏡或衍射光柵產(chǎn)生色散，旋轉(zhuǎn)色散原件實(shí)現(xiàn)頻譜的選擇，并將不同頻譜能量連續(xù)地投射到探測(cè)狹縫上。但這種分頻方法得到的總能量依賴于狹縫的面積和光學(xué)器件能接收的立體角。而干涉儀技術(shù)則是通過調(diào)整光程差測(cè)量干涉圖樣，再進(jìn)行傅里葉變換獲得頻譜。其優(yōu)勢(shì)在于相對(duì)于狹縫，干涉儀的大面積通光孔徑具有明顯的通量?jī)?yōu)勢(shì)，增強(qiáng)了檢測(cè)微弱信號(hào)的能力。然而，干涉儀動(dòng)鏡系統(tǒng)在空間衛(wèi)星平臺(tái)搭載時(shí)也必須考慮傾斜等誤差。

上述內(nèi)容對(duì)當(dāng)前大氣遠(yuǎn)紅外高光譜測(cè)量?jī)x器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述說明，下面主要從觀測(cè)平臺(tái)的角度對(duì)大氣遠(yuǎn)紅外高光譜儀器的發(fā)展進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。值得注意的是，盡管通過對(duì)傳統(tǒng)紅外高光譜儀器AERI等的探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改裝也可實(shí)現(xiàn)中紅外向遠(yuǎn)紅外輻射測(cè)量的擴(kuò)展，如I-BEST在AERI的基礎(chǔ)上增加高靈敏度非制冷熱電探測(cè)器可實(shí)現(xiàn)100 cm?1 ~ 1600 cm?1范圍遠(yuǎn)紅外輻射的測(cè)量，AERI‐ER和E-AERI增加半導(dǎo)體碲化鎘和半金屬化合物碲化汞混合的光電導(dǎo)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)400 cm?1以上的紅外輻射的測(cè)量，但本文重點(diǎn)在于對(duì)采用新技術(shù)體制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外輻射的高光譜、高精度測(cè)量?jī)x器的介紹，因此本文對(duì)I-BEST、AERI‐ER 和E-AERI等儀器不做介紹。

地基大氣遠(yuǎn)紅外高光譜輻射探測(cè)儀

20世紀(jì)90年代，歐盟和歐洲航天局提出大氣遠(yuǎn)紅外輻射測(cè)量計(jì)劃REFIR，目的是利用傅里葉變換光譜儀實(shí)現(xiàn)大氣遠(yuǎn)紅外輻射的高光譜測(cè)量，并為未來星載應(yīng)用進(jìn)行儀器布局設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。為此，REFIR-BB、REFIR-PAD和FIRMOS等原型機(jī)先后開展了觀測(cè)試驗(yàn)。

圖4 REFIR-BB的光路示意圖

空基大氣遠(yuǎn)紅外高光譜輻射探測(cè)儀

由于低層大氣水汽和二氧化碳的強(qiáng)吸收作用，對(duì)星載遠(yuǎn)紅外大氣輻射探測(cè)儀器進(jìn)行綜合觀測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證一般需要在極其干燥的地基站點(diǎn)（高山站點(diǎn)、極地、沙漠等）或機(jī)載、球載平臺(tái)上進(jìn)行。TAFTS是目前唯一仍在運(yùn)行的機(jī)載遠(yuǎn)紅外高光譜輻射觀測(cè)儀。

星載大氣遠(yuǎn)紅外高光譜輻射探測(cè)計(jì)劃

鑒于遠(yuǎn)紅外輻射在地氣系統(tǒng)輻射平衡與大氣遙感中的重要作用，基于衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)現(xiàn)大氣上行遠(yuǎn)紅外輻射的高光譜分辨率、高精度的觀測(cè)一直是國(guó)際學(xué)術(shù)研究的前沿。為此，相關(guān)機(jī)構(gòu)提出星載大氣遠(yuǎn)紅外高光譜輻射探測(cè)計(jì)劃，如FORUM（ESA）、PREFIRE（NASA）等。

圖5 FORUM和IASI-NG衛(wèi)星地面軌跡和足?。篎ORUM FSI足印（紅色）、FEI足?。S色）和IASI-NG足?。ㄋ{(lán)色）

遠(yuǎn)紅外高光譜冰云遙感的反演方法

遠(yuǎn)紅外輻射光譜含有豐富的地表、大氣廓線和云的信息，尤其是在極地地區(qū)，低溫和地表冰/雪導(dǎo)致基于星載中紅外發(fā)射輻射特征的識(shí)別方法無法應(yīng)用。而遠(yuǎn)紅外波段冰晶粒子的散射作用為冰云的識(shí)別和反演提供了有效信息。因此，遠(yuǎn)紅外高光譜輻射在極地地區(qū)云的宏微觀參數(shù)、溫濕廓線、地表發(fā)射率等特性的反演方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。重點(diǎn)從云檢測(cè)與相態(tài)識(shí)別、云微物理參數(shù)反演兩個(gè)方面對(duì)遠(yuǎn)紅外高光譜的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

云檢測(cè)與相態(tài)識(shí)別方法

目前，在中紅外到近紅外波段已存在多種云檢測(cè)與相態(tài)識(shí)別的算法，如累積判別分析、最小殘差法、云掩模方法等，主要可以分為兩類：基于特征參數(shù)（特定的光譜通道亮溫，或不同通道亮溫差/比值等）的分類以及代價(jià)函數(shù)最優(yōu)化的分類方法等，均需要進(jìn)行精確的光譜定標(biāo)。而遠(yuǎn)紅外輻射包含了冰晶粒子的散射信息，因此其與中紅外輻射的聯(lián)合將可能進(jìn)一步提升云檢測(cè)及相態(tài)識(shí)別的準(zhǔn)確性。

圖6 采用不同波段的通道正確識(shí)別冰云的概率

云微物理參數(shù)反演方法

冰云微物理參數(shù)的反演主要包括冰晶粒子尺度、冰水含量（路徑）、光學(xué)厚度、尺度譜等參量。紅外高光譜全波段反演冰云微物理參數(shù)的經(jīng)典方法包括最優(yōu)估計(jì)理論、查找表、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。目前，遠(yuǎn)紅外高光譜遙感冰云微物理參數(shù)使用最為廣泛的反演方法是Di Natale等基于最優(yōu)估計(jì)理論開發(fā)的云-大氣參數(shù)協(xié)同反演算法（SACR）。該反演模型是為FORUM計(jì)劃建立的，可反演參數(shù)包括冰云有效粒子直徑、光學(xué)厚度、液態(tài)水云的有效粒子直徑、大氣溫濕廓線等。

圖7 混合粒子形狀的模擬光譜與采用單一粒子的光譜差值，及與FORUM和IASI-NG噪聲比較

總結(jié)和展望

大氣遠(yuǎn)紅外高光譜輻射的高精度觀測(cè)對(duì)于深入理解地氣系統(tǒng)的輻射交換與輻射平衡具有重要意義。在大氣遙感領(lǐng)域，該波段可與中紅外波段協(xié)同提供冰云、對(duì)流層中上層水汽遙感的互補(bǔ)信息，具有廣闊的應(yīng)用前景。尤其是對(duì)于極地地區(qū)冰云的宏微觀物理參數(shù)，遠(yuǎn)紅外高光譜輻射信息將進(jìn)一步提升觀測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)于冰云輻射強(qiáng)迫的評(píng)估、提高冰云在氣候模式中的代表性具有重要意義。

在大氣遠(yuǎn)紅外輻射的測(cè)量方面，非制冷高靈敏度探測(cè)器和高效寬帶分束器技術(shù)仍是未來重點(diǎn)研究的方向，這是進(jìn)一步降低儀器噪聲水平，實(shí)現(xiàn)大氣微量氣體成分等微弱信號(hào)目標(biāo)遙感的重要措施。目前，大氣遠(yuǎn)紅外輻射的探測(cè)器一般采用熱電探測(cè)器、微型測(cè)輻射熱計(jì)，已實(shí)現(xiàn)室溫條件下大氣遠(yuǎn)紅外輻射的高靈敏度探測(cè)，并且在多次的綜合觀測(cè)試驗(yàn)中進(jìn)行了測(cè)試與驗(yàn)證，這也是未來星載載荷的發(fā)展方向。而光電導(dǎo)探測(cè)技術(shù)一般需要冷卻至接近液氦的溫度，在一定程度上限制了其在星載儀器中的應(yīng)用。對(duì)于大氣遠(yuǎn)紅外輻射的高光譜測(cè)量，干涉儀技術(shù)在檢測(cè)微弱信號(hào)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但在衛(wèi)星平臺(tái)上需要考慮動(dòng)鏡傾斜等偏差。

此外，集干涉儀和光柵技術(shù)于一體的空間外差光譜技術(shù)可在窄帶光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超光譜分辨，其無動(dòng)鏡、超分辨、大通量、大視場(chǎng)和較小尺寸重量等優(yōu)勢(shì)，也將是未來大氣遠(yuǎn)紅外輻射高光譜、高精度測(cè)量的重要發(fā)展方向。而我國(guó)在該方面的研究起步較晚，當(dāng)前已在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于制冷測(cè)輻射熱計(jì)、熱釋電探測(cè)器等技術(shù)的遠(yuǎn)紅外輻射高靈敏度測(cè)量，對(duì)GaAs等材料在遠(yuǎn)紅外波段的光學(xué)特性進(jìn)行了分析，開展了遠(yuǎn)紅外高光譜大氣遙感應(yīng)用的初步探索。為推進(jìn)我國(guó)遠(yuǎn)紅外大氣遙感技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)進(jìn)一步深化各部門單位及國(guó)際交流合作，發(fā)揮多學(xué)科交叉融合的優(yōu)勢(shì)，著重加強(qiáng)大氣遠(yuǎn)紅外高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)及關(guān)鍵技術(shù)研究。

在遠(yuǎn)紅外大氣輻射傳輸與遙感方法研究方面，當(dāng)前盡管已針對(duì)地基高光譜儀器開展了部分輻射傳輸閉合試驗(yàn)，但對(duì)于冰云條件下遠(yuǎn)紅外-中紅外全波段的光譜模擬尚需進(jìn)一步研究。尤其是對(duì)于自然界中復(fù)雜冰云粒子形狀的有效表征問題，需要進(jìn)一步結(jié)合不同尺度冰晶微物理觀測(cè)資料開發(fā)遠(yuǎn)紅外-中紅外全波段的冰晶散射模型，以便更好地支撐遠(yuǎn)紅外高光譜冰云遙感的發(fā)展。在反演方法方面，主要應(yīng)用最優(yōu)估計(jì)理論對(duì)全波段光譜進(jìn)行擬合迭代，該方法對(duì)于輻射傳輸模式的速度和精度都提出了較高的要求，在正向模擬的驗(yàn)證方法上仍需大量工作。另外，多波段儀器的聯(lián)合觀測(cè)與應(yīng)用，不僅可以實(shí)現(xiàn)探測(cè)場(chǎng)景的擴(kuò)展，多波段遙感儀器的數(shù)據(jù)融合比對(duì)還可以在很大程度上提高云參數(shù)的探測(cè)精度。如結(jié)合亞毫米波、微波遙感將可能進(jìn)一步增強(qiáng)光學(xué)厚云、液態(tài)水云、降水等參數(shù)的探測(cè)精度，并有可能實(shí)現(xiàn)云和大氣溫濕廓線參數(shù)的同時(shí)反演等。

綜上所述，結(jié)合我國(guó)風(fēng)云氣象衛(wèi)星的發(fā)展規(guī)劃，開展大氣遠(yuǎn)紅外高光譜輻射的測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)與驗(yàn)證，布局多波段大氣遙感技術(shù)的綜合觀測(cè)，對(duì)于深入理解地氣系統(tǒng)的輻射平AOS衡、增進(jìn)冰云輻射強(qiáng)迫效應(yīng)的評(píng)估將發(fā)揮越來越重要的作用。

論文鏈接：

DOI: 10.3788/AOS231697

審核編輯：劉清