一种消除气辉干扰影响的CO2卫星数据反演方法

本发明属于co2星载遥感探测，具体涉及一种消除气辉干扰影响的co2卫星数据反演方法。

背景技术：

1、二氧化碳(co2)和甲烷(ch4)等温室气体被广泛认定为全球气候变化的主要驱动因素，其中co2是最主要的人为温室气体。深入研究其源和汇以及时空变化，实现与人类活动密切相关的低层大气区域的高精度、高时效co2浓度探测，对于更好地理解碳循环和掌握大气、植被及土壤之间的碳交换过程具有重要的科学价值。

2、由于卫星广泛的时空覆盖，星载遥感为准确量化全球co2的时空分布并推断其源和汇提供了强有力的工具。星载探测具有覆盖面积广、快速连续等特点，可以在较高空间分辨率下实现全球范围的覆盖，为全球气候变化、碳循环和碳监测研究提供重要的科学观测数据。co2星载遥感通过观测大气中的气体分子在太阳辐射穿过大气层时形成的吸收谱线，能够实现全球尺度下的co2探测，已为国际卫星遥感领域的前沿课题。

3、为获取co2观测数据，日本温室气体卫星gosat、nasa的oco-2卫星以及中国科学院的tansat卫星相继发射。碳监测仪器均能同时测量co2吸收波段和o2吸收波段，其测量原理是依赖co2吸收波段对太阳光散射路径上co2分子数量的敏感性反演大气中co2气体的浓度，通过o2吸收波段反演大气中o2气体的浓度，同时利用o2分子在大气中的混合均匀性将其作为归一化组分计算得到co2与干空气的混合比。此外，通过测量o2吸收波段还可以修正云顶气压、云顶高度以及气溶胶等参数，从而提高测量co2混合比的准确性。

4、但对于目前国际上co2卫星遥感广泛使用的0.76μm的大气a波段和1.27μm的红外大气波段，其在能级跃迁辐射过程中产生强烈的气辉，为co2遥感精确反演带来了巨大挑战。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的问题，本发明提出了一种消除气辉干扰影响的co2卫星数据反演方法。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、本发明提供了一种消除气辉干扰影响的co2卫星数据反演方法，包括以下步骤：

4、步骤100：输入状态参数，建立大气辐射传输模型，计算气辉辐射光谱和太阳散射光谱；

5、步骤200：基于计算出的气辉辐射光谱和太阳散射光谱，结合卫星观测模式和卫星仪器模型，建立正演模型，模拟卫星仪器观测光谱信号，得到模拟观测光谱信号；

6、步骤300：获取卫星仪器的实际观测光谱信号，并将卫星仪器的实际观测光谱信号与模拟观测光谱信号进行拟合对比反演得到目标值。

7、进一步地，所述步骤100中计算气辉辐射光谱，具体包括：

8、在对地观测模式下，构建大气顶部辐射光谱的气辉辐射传输方程；

9、根据卫星实测光谱信号信息和大气模式，求得大气顶部辐射光谱的气辉辐射传输方程中的路径长度和透射率；

10、获取msis模型大气参数，根据msis模型提供的大气参数，求得局部单色气辉体辐射率；

11、将计算得到的局部单色气辉体辐射率、路径长度和透射率带入大气顶部辐射光谱的气辉辐射传输方程中，计算得出气辉辐射光谱信号。

12、进一步地，所述步骤100中计算太阳散射光谱，具体包括：

13、获取hitran数据库光谱参数，根据hitran数据库给出的光谱参数，计算太阳散射光谱；

14、将气辉辐射光谱和太阳散射光谱相加，得到大气辐射光谱。

15、进一步地，所述大气顶部辐射光谱的辐射传输方程为：

16、

17、上式中，rg(λ)表示大气顶部气辉辐射光谱；rg(h,λ)表示局部单色气辉体辐射率，h表示高度，λ表示波长；l(h)表示路径长度；t(h)表示透射率。

18、进一步地，所述路径长度l(h)表示为大气层分层厚度除以cos(avz)；

19、所述透射率t(h)表示为：

20、

21、式中，为高度h到大气顶部的光学厚度；avz表示视场天顶角。

22、进一步地，所述局部单色气辉体辐射率由激发态到基态跃迁的爱因斯坦系数与o2波段相对应能级的相对粒子数相乘计算得到。

23、进一步地，所述获取hitran数据库光谱参数，根据hitran数据库给出的光谱参数，计算太阳散射光谱，计算公式为：

24、

25、其中，rs(λ)表示太阳散射光谱，α表示地表反照率，f0(λ)表示使用太阳辐照度乘以太阳谱线；asz表示太阳天顶角，avz表示视场天顶角，τ(λ；o2)表示o2谱线，τ(λ；h2o)表示水汽谱线，τ(λ；cia)表示o2碰撞诱导吸收(collision-induced absorption,cia)的光学厚度。

26、进一步地，所述步骤200中，正演的过程是基于给定参数和状态，结合辐射传输模型和卫星仪器模型，模拟出卫星仪器接收到光谱信号，即模拟观测光谱y(x)，公式表示为：

27、y(x)＝ils*(rs+rg)+∈(rsn)；

28、其中，ils表示仪器线形，与其光谱分辨率相关；rs表示模拟计算得到的高光谱分辨率的太阳散射光谱；rg表示模拟计算得到的高光谱分辨率的气辉辐射光谱；“*”为卷积运算；∈是由光谱相关信噪比rsn定义的高斯随机噪声。

29、进一步地，所述步骤300中，将模拟观测光谱信号与实际观测光谱信号进行拟合对比，在每次拟合过程中，使用非线性最小二乘的最优化算法，以最小化加权残差平方和，其中残差表示实际观测光谱信号与模拟观测光谱信号之间的差异；基于残差评估实际观测光谱信号与模拟观测光谱信号是否达到最优拟合。

30、进一步地，所述步骤300中，在每次拟合过程中，将残差与预设的阈值进行比较，若残差大于或等于预设的阈值，认定模拟观测光谱信号与实际观测光谱信号未达到最优拟合，此时需要调整正演模型的输入参数，并重复步骤200和步骤300直至满足条件；相反，若残差小于预设的阈值，则认定模拟观测光谱信号与实际观测光谱信号达到最优拟合，满足反演收敛条件，反演获得目标值。

31、与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

32、本发明通过加入气辉辐射模型，建立新的大气辐射传输模型，大气辐射传输模型更加全面，能够在碳卫星数据处理过程中消除气辉干扰的影响，有效提高co2反演精度。

技术特征：

1.一种消除气辉干扰影响的co2卫星数据反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种消除气辉干扰影响的co2卫星数据反演方法，其特征在于，所述步骤100中计算气辉辐射光谱，具体包括：

3.根据权利要求2所述的一种消除气辉干扰影响的co2卫星数据反演方法，其特征在于，所述步骤100中计算太阳散射光谱，具体包括：

4.根据权利要求2所述的一种消除气辉干扰影响的co2卫星数据反演方法，其特征在于，所述大气顶部辐射光谱的辐射传输方程为：

5.根据权利要求4所述的一种消除气辉干扰影响的co2卫星数据反演方法，其特征在于，所述路径长度l(h)表示为大气层分层厚度除以cos(avz)；

6.根据权利要求2所述的一种消除气辉干扰影响的co2卫星数据反演方法，其特征在于，所述局部单色气辉体辐射率由激发态到基态跃迁的爱因斯坦系数与o2波段相对应能级的相对粒子数相乘计算得到。

7.根据权利要求2所述的一种消除气辉干扰影响的co2卫星数据反演方法，其特征在于，所述获取hitran数据库光谱参数，根据hitran数据库给出的光谱参数，计算太阳散射光谱，计算公式为：

8.根据权利要求1所述的一种消除气辉干扰影响的co2卫星数据反演方法，其特征在于，所述步骤200中，正演的过程是基于给定参数和状态，结合辐射传输模型和卫星仪器模型，模拟出卫星仪器接收到光谱信号，即模拟观测光谱y(x)，公式表示为：

9.根据权利要求1所述的一种消除气辉干扰影响的co2卫星数据反演方法，其特征在于，所述步骤300中，将模拟观测光谱信号与实际观测光谱信号进行拟合对比，在每次拟合过程中，使用非线性最小二乘的最优化算法，以最小化加权残差平方和，其中残差表示实际观测光谱信号与模拟观测光谱信号之间的差异；基于残差评估实际观测光谱信号与模拟观测光谱信号是否达到最优拟合。

10.根据权利要求9所述的一种消除气辉干扰影响的co2卫星数据反演方法，其特征在于，所述步骤300中，在每次拟合过程中，将残差与预设的阈值进行比较，若残差大于或等于预设的阈值，认定模拟观测光谱信号与实际观测光谱信号未达到最优拟合，此时需要调整正演模型的输入参数，并重复步骤200和步骤300直至满足条件；相反，若残差小于预设的阈值，则认定模拟观测光谱信号与实际观测光谱信号达到最优拟合，满足反演收敛条件，反演获得目标值。

技术总结本发明属于CO<subgt;2</subgt;星载遥感探测技术领域，具体涉及一种消除气辉干扰影响的CO<subgt;2</subgt;卫星数据反演方法。所述方法包括：输入状态参数，建立大气辐射传输模型，计算气辉辐射光谱和太阳散射光谱；基于计算出的气辉辐射光谱和太阳散射光谱，结合卫星观测模式和卫星仪器模型，建立正演模型，模拟卫星仪器观测光谱信号，得到模拟观测光谱信号；获取卫星仪器的实际观测光谱信号，并将卫星仪器的实际观测光谱信号与模拟观测光谱信号进行拟合对比反演得到目标值。本发明通过加入气辉辐射模型，建立新的大气辐射传输模型，大气辐射传输模型更加全面，能够在碳卫星数据处理过程中消除气辉干扰的影响，有效提高CO<subgt;2</subgt;反演精度。技术研发人员：何微微,王道琦,张会亮,李昊天,吴传航,袁浩宸,王治华,宿家瑞,武魁军受保护的技术使用者：烟台大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4