遠紅外高光譜輻射在冰云特征參數遙感方面的研究現狀及進展

大氣遠紅外輻射的高光譜測量對于深入理解地氣系統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同提供冰云、對流層中上層水汽遙感的互補信息，在大氣遙感領域具有廣闊的應用前景。

據麥姆斯咨詢報道，近期，由國防科技大學氣象海洋學院和中國氣象局高影響天氣重點開放實驗室組成的的科研團隊在《光學學報》期刊上發表了以“遠紅外高光譜遙感技術及其冰云遙感應用”為主題的文章。該文章第一作者為劉磊，通訊作者為劉磊和***。

本文綜述了遠紅外高光譜輻射在冰云特征參數遙感方面的研究現狀及進展，對遠紅外高光譜冰云特性遙感技術進行了總結和展望，提出了未來的研究思路與方案。

遠紅外大氣遙感的理論基礎

遠紅外高光譜大氣遙感主要以星載或機載天底觀測的方式，或在極寒干燥的條件下（極地、高山等）以天頂觀測的方式，測量大氣或云等目標發射或散射的遠紅外輻射，根據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，遠紅外波段大氣、云的輻射特性分析是實現相應參數遙感的首要條件。

遠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，其吸收主要由純轉動能級躍遷和振動能級躍遷導致。圖1為紅外波段主要吸收氣體導致的光學厚度分布，圖1（a）為H?O、CO?吸收導致的光學厚度，圖1（b）為其余氣體分子吸收導致的光學厚度。

圖1 紅外波段由主要氣體分子吸收線導致的光學厚度分布

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

圖2 紅外波段冰的復折射率指數的實部（實現）和虛部（虛線）隨波數的變化

復折射率指數的差異導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比?？梢?，粒子散射特性的變化與復折射率指數的實部和虛部密切相關。在遠紅外波段，隨著波數增大（大于559.5 cm?1），消光效率因子隨波數的變化相對平滑，變化較小，并且隨有效粒子直徑的變化同樣相對較小。而在波數較小時，消光效率因子隨著有效粒子直徑的增加而單調增加。

圖3 遠紅外-中紅外波段冰晶粒子和液態水滴粒子的散射特性

綜上所述，盡管遠紅外波段存在嚴重的大氣吸收作用，但在部分“窗口”內，散射輻射對冰云特性仍有較高的敏感性。并且，由于遠紅外與中紅外波段散射效應的差異，在云參數反演方面將可能提供互補信息，從而進一步提高反演精度。

遠紅外高光譜大氣遙感儀器

目前，對于大氣遠紅外輻射的高靈敏度探測，主要分為測熱探測技術和光電探測技術。其中，測熱探測器主要包括基于熱釋電效應的熱電探測器和針對大氣輻射等分布式波源的微型測輻射熱計。熱電探測器在太赫茲至紅外的寬波段范圍內均具有較好的響應速度，為了提高探測靈敏度，采用DLaTGS（氘化L-丙氨酸硫酸三苷肽）、LiTaO?（鉭酸鋰）、PZT（鋯酸鹽）等聚合材料可進一步降低介電常數。微型測輻射熱計在傳統半導體測輻射熱計的基礎上減小尺寸，避免了熱容量的限制，從而實現室溫條件下大氣遠紅外輻射的高靈敏度探測。同時，可將其擴展為微型測輻射熱計陣列，實現地球-大氣分布式遠紅外譜的高效探測。這些優勢使得測熱探測技術成為當前星載大氣遠紅外輻射高效探測的首選。而光電導探測器則主要基于半導體的本征激發或摻雜半導體的非本征激發效應。為了避免半導體的熱致電離，該型探測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儀器中的應用。

而對于大氣遠紅外輻射的高光譜測量，目前主要包括棱鏡、光柵以及干涉儀等技術。對于大氣遠紅外輻射連續光譜，通過棱鏡或衍射光柵產生色散，旋轉色散原件實現頻譜的選擇，并將不同頻譜能量連續地投射到探測狹縫上。但這種分頻方法得到的總能量依賴于狹縫的面積和光學器件能接收的立體角。而干涉儀技術則是通過調整光程差測量干涉圖樣，再進行傅里葉變換獲得頻譜。其優勢在于相對于狹縫，干涉儀的大面積通光孔徑具有明顯的通量優勢，增強了檢測微弱信號的能力。然而，干涉儀動鏡系統在空間衛星平臺搭載時也必須考慮傾斜等誤差。

上述內容對當前大氣遠紅外高光譜測量儀器的關鍵技術進行了綜述說明，下面主要從觀測平臺的角度對大氣遠紅外高光譜儀器的發展進行簡要介紹。值得注意的是，盡管通過對傳統紅外高光譜儀器AERI等的探測系統進行改裝也可實現中紅外向遠紅外輻射測量的擴展，如I-BEST在AERI的基礎上增加高靈敏度非制冷熱電探測器可實現100 cm?1 ~ 1600 cm?1范圍遠紅外輻射的測量，AERI‐ER和E-AERI增加半導體碲化鎘和半金屬化合物碲化汞混合的光電導探測器實現400 cm?1以上的紅外輻射的測量，但本文重點在于對采用新技術體制實現遠紅外輻射的高光譜、高精度測量儀器的介紹，因此本文對I-BEST、AERI‐ER 和E-AERI等儀器不做介紹。

地基大氣遠紅外高光譜輻射探測儀

20世紀90年代，歐盟和歐洲航天局提出大氣遠紅外輻射測量計劃REFIR，目的是利用傅里葉變換光譜儀實現大氣遠紅外輻射的高光譜測量，并為未來星載應用進行儀器布局設計和關鍵技術驗證。為此，REFIR-BB、REFIR-PAD和FIRMOS等原型機先后開展了觀測試驗。

圖4 REFIR-BB的光路示意圖

空基大氣遠紅外高光譜輻射探測儀

由于低層大氣水汽和二氧化碳的強吸收作用，對星載遠紅外大氣輻射探測儀器進行綜合觀測試驗驗證一般需要在極其干燥的地基站點（高山站點、極地、沙漠等）或機載、球載平臺上進行。TAFTS是目前唯一仍在運行的機載遠紅外高光譜輻射觀測儀。

星載大氣遠紅外高光譜輻射探測計劃

鑒于遠紅外輻射在地氣系統輻射平衡與大氣遙感中的重要作用，基于衛星平臺實現大氣上行遠紅外輻射的高光譜分辨率、高精度的觀測一直是國際學術研究的前沿。為此，相關機構提出星載大氣遠紅外高光譜輻射探測計劃，如FORUM（ESA）、PREFIRE（NASA）等。

圖5 FORUM和IASI-NG衛星地面軌跡和足?。篎ORUM FSI足?。t色）、FEI足?。S色）和IASI-NG足?。ㄋ{色）

遠紅外高光譜冰云遙感的反演方法

遠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，低溫和地表冰/雪導致基于星載中紅外發射輻射特征的識別方法無法應用。而遠紅外波段冰晶粒子的散射作用為冰云的識別和反演提供了有效信息。因此，遠紅外高光譜輻射在極地地區云的宏微觀參數、溫濕廓線、地表發射率等特性的反演方面具有重要應用價值。重點從云檢測與相態識別、云微物理參數反演兩個方面對遠紅外高光譜的應用進行介紹。

云檢測與相態識別方法

目前，在中紅外到近紅外波段已存在多種云檢測與相態識別的算法，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（特定的光譜通道亮溫，或不同通道亮溫差/比值等）的分類以及代價函數最優化的分類方法等，均需要進行精確的光譜定標。而遠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合將可能進一步提升云檢測及相態識別的準確性。

圖6 采用不同波段的通道正確識別冰云的概率

云微物理參數反演方法

冰云微物理參數的反演主要包括冰晶粒子尺度、冰水含量（路徑）、光學厚度、尺度譜等參量。紅外高光譜全波段反演冰云微物理參數的經典方法包括最優估計理論、查找表、神經網絡等。目前，遠紅外高光譜遙感冰云微物理參數使用最為廣泛的反演方法是Di Natale等基于最優估計理論開發的云-大氣參數協同反演算法（SACR）。該反演模型是為FORUM計劃建立的，可反演參數包括冰云有效粒子直徑、光學厚度、液態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

總結和展望

大氣遠紅外高光譜輻射的高精度觀測對于深入理解地氣系統的輻射交換與輻射平衡具有重要意義。在大氣遙感領域，該波段可與中紅外波段協同提供冰云、對流層中上層水汽遙感的互補信息，具有廣闊的應用前景。尤其是對于極地地區冰云的宏微觀物理參數，遠紅外高光譜輻射信息將進一步提升觀測的準確性，對于冰云輻射強迫的評估、提高冰云在氣候模式中的代表性具有重要意義。

在大氣遠紅外輻射的測量方面，非制冷高靈敏度探測器和高效寬帶分束器技術仍是未來重點研究的方向，這是進一步降低儀器噪聲水平，實現大氣微量氣體成分等微弱信號目標遙感的重要措施。目前，大氣遠紅外輻射的探測器一般采用熱電探測器、微型測輻射熱計，已實現室溫條件下大氣遠紅外輻射的高靈敏度探測，并且在多次的綜合觀測試驗中進行了測試與驗證，這也是未來星載載荷的發展方向。而光電導探測技術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用。對于大氣遠紅外輻射的高光譜測量，干涉儀技術在檢測微弱信號方面具有明顯優勢，但在衛星平臺上需要考慮動鏡傾斜等偏差。

此外，集干涉儀和光柵技術于一體的空間外差光譜技術可在窄帶光譜范圍內實現超光譜分辨，其無動鏡、超分辨、大通量、大視場和較小尺寸重量等優勢，也將是未來大氣遠紅外輻射高光譜、高精度測量的重要發展方向。而我國在該方面的研究起步較晚，當前已在實驗室設計實現了基于制冷測輻射熱計、熱釋電探測器等技術的遠紅外輻射高靈敏度測量，對GaAs等材料在遠紅外波段的光學特性進行了分析，開展了遠紅外高光譜大氣遙感應用的初步探索。為推進我國遠紅外大氣遙感技術的發展，應進一步深化各部門單位及國際交流合作，發揮多學科交叉融合的優勢，著重加強大氣遠紅外高光譜遙感技術應用的基礎及關鍵技術研究。

在遠紅外大氣輻射傳輸與遙感方法研究方面，當前盡管已針對地基高光譜儀器開展了部分輻射傳輸閉合試驗，但對于冰云條件下遠紅外-中紅外全波段的光譜模擬尚需進一步研究。尤其是對于自然界中復雜冰云粒子形狀的有效表征問題，需要進一步結合不同尺度冰晶微物理觀測資料開發遠紅外-中紅外全波段的冰晶散射模型，以便更好地支撐遠紅外高光譜冰云遙感的發展。在反演方法方面，主要應用最優估計理論對全波段光譜進行擬合迭代，該方法對于輻射傳輸模式的速度和精度都提出了較高的要求，在正向模擬的驗證方法上仍需大量工作。另外，多波段儀器的聯合觀測與應用，不僅可以實現探測場景的擴展，多波段遙感儀器的數據融合比對還可以在很大程度上提高云參數的探測精度。如結合亞毫米波、微波遙感將可能進一步增強光學厚云、液態水云、降水等參數的探測精度，并有可能實現云和大氣溫濕廓線參數的同時反演等。

綜上所述，結合我國風云氣象衛星的發展規劃，開展大氣遠紅外高光譜輻射的測量關鍵技術的攻關與驗證，布局多波段大氣遙感技術的綜合觀測，對于深入理解地氣系統的輻射平AOS衡、增進冰云輻射強迫效應的評估將發揮越來越重要的作用。

論文鏈接：

DOI: 10.3788/AOS231697

審核編輯：劉清