基于仪器的光学视场特性进行有限视场和离轴效应的光谱模拟，研究针对面阵傅里叶光谱仪光谱校正的方法。首先，开展仪器线型函数（ILS）影响分析，确定不同影响因素（有限光程差、有限视场、离轴效应等）的分析方法；其次，以面阵型圆形探测器为例，结合仪器自身光学特性，构建仪器线型函数模型；然后，利用气体吸收光谱模拟离轴效应产生的光谱定标误差和光谱敏感性；最后，基于FY-3F/HIRAS-Ⅱ发射前光谱定标数据，进行光谱校正和定标精度验证。实验结果表明：有限视场和离轴效应使得光谱存在展宽，并向低波数方向偏移。经过光谱定标和校正，中心最差像元光谱定标精度由-24.69×10^-6减小到0.54×10^-6，边缘最差像元由-513.38×10^-6减小到-0.15×10^-6，且3个波段内所有像元均满足小于7×10^-6的指标要求。

我国晨昏轨道气象卫星风云三号E星（FY-3E）上搭载了红外高光谱大气探测仪II型（HIRAS-II），该仪器的高地理定位精度和辐射定标精度是其观测资料定量化应用的关键。采用交叉比对方法，基于同卫星平台搭载的中分辨率光谱成像仪-微光型（MERSI-LL），评估HIRAS-II的地理定位和辐射定标相对偏差。两台仪器的观测数据样本经空间匹配后，采用MERSI-LL数据评估匹配样本的观测背景均匀性，用海陆或云体边界的非均匀背景观测样本评估HIRAS-II的地理定位精度，用晴空海洋等场景的均匀背景观测样本评估HIRAS-II的辐射定标精度。在交叉比对前，将HIRAS-II观测辐射光谱与MERSI-LL各红外通道光谱响应函数积分得到MERSI-LL各红外通道的高光谱模拟观测数据。结果表明：星下点处HIRAS-II地理定位沿轨道方向偏离3.53 km，沿跨轨道方向偏离2.01 km；在辐射定标精度方面，HIRAS-II与MERSI-LL多数通道的辐射亮温（BT）偏差均值小于0.50 K，偏差标准差小于0.40 K，仅4.05 μm通道对低温目标的偏差较大，且该通道温度依赖明显；4.05 μm通道BT偏差随扫描角度呈现波动性变化，8.55 μm通道BT偏差随扫描角度变化不明显，其他通道BT偏差随扫描角度的变化规律与目标温度有关；偏差长时间序列分析表明，BT偏差整体保持稳定。

干涉式红外探测仪(GIIRS)是我国地球静止轨道气象卫星风云四号B星的主要载荷,可观测大气上行红外高光谱辐射,因此可应用于大气温湿度廓线反演和数值天气预报模型同化。为了预测GIIRS在发射后的工作性能,于发射前在地面试验室热真空环境中采用黑体定标试验的方法,对仪器辐射性能进行了测试,测试的性能包括仪器灵敏度、辐射定标精度和动态观测范围。其中,长波红外通道的噪声等效辐射方差低于0.5 mW/(m ²·sr·cm ^-1),中波红外通道的噪声等效辐射方差低于0.1 mW/(m ²·sr·cm ^-1),两者均达到灵敏度设计指标。在辐射定标方面,经过非线性校正,长波光谱的平均定标偏差从1 K减小到0.2 K,且在220~315 K观测范围内达到0.7 K的设计指标;仪器在中波通道观测低温目标时受噪声影响较大,但在260~315 K的动态范围内,定标偏差也能够达到0.7 K的指标要求。

精确的风场数据对提高数值天气预报准确性具有重要意义, 对流层风是改进天气预报的要素之一。 虽然利用气象卫星成像仪对连续云图追踪特征目标进行导风是一种有效的风场观测方法, 且在区域和全球尺度上改善了数值天气预报, 但仍存在风场高度分配模糊问题而产生误差。 星基红外高光谱探测仪具备大气温湿度廓线垂直探测能力, 通过分析各个垂直分层内的大气参数运动得到三维风场, 能够提升风场垂直高度的准确性, 改进风场高度分配模糊问题。 提出了利用跨平台极轨气象卫星FY-3D星红外高光谱大气探测仪HIRAS和NOAA-20星跨轨红外探测仪CrIS交叉观测对流层三维风场的创新方法, 根据两仪器近重叠轨道星下点交叉观测辐射数据匹配水汽通道图像, 通过稠密光流法分析目标运动变化并计算风场, 对风矢量进行质量控制后同ERA-Interim再分析资料作定量化比较, 分析风速均值绝对偏差、 均方根误差和风向均值绝对偏差。 分别对2019年2月20日UTC世界时00:00, 06:00, 12:00的HIRAS和CrIS交叉数据计算200, 300, 400, 600, 650和1 000 hPa六组垂直高度风场, 结果表明, 风速范围的变化趋势与再分析资料表现一致, 风速范围随高度降低而减小, 高层对20 m·s-1以上风速更敏感, 地表附近测得风速集中在10 m·s-1以内。 风速均值绝对偏差多数小于3 m·s-1, 最大不超过4 m·s-1, 风速均方根误差多数小于3.5 m·s-1, 最大不超过4.5 m·s-1, 风向均值绝对偏差多数小于30°, 最大不超过40°。 风场误差主要来自仪器自身设计参数不同引入辐射数据的观测偏差, 以及因数据空间分辨率不同导致在图像重投影处理过程中引入的定位偏差。

红外高光谱大气探测仪是我国第二代极轨气象卫星风云三号 D星搭载的大气探测仪器。干涉图零光程差位置的确定是干涉图叠加和傅里叶变换的前提, 在实际应用中由于仪器自身和环境因素的影响使其确定困难。本文根据红外高光谱大气探测仪的在轨实测数据, 分析了零光程差偏差对数据反演的影响, 分别以最大相关法和定标光谱虚部最小法, 检测干涉图的零光程差位置。干涉图校准后黑体和冷空光谱的相位差在 π附近。定标光谱虚部在 0附近, 仅表征噪声。该方法能够很好地用于风云三号 D星红外高光谱大气探测仪的数据预处理。

针对星载红外傅里叶光谱仪中存在的干涉图条纹计数错误,系统地介绍了其形成原因及对复原光谱的影响,并提出了检测和校正方法。通过对干涉图的偏移相位进行线性拟合,能够精确获得条纹计数误差个数;采用理论仿真验证了所提方法的准确性,误差最低可至1.25%;最后采用实际数据进行验证,验证结果表明所提方法能够达到较好的检测及校正效果。

鉴于对高精度高时空分辨率大气探测资料日益增长的科研和业务需求, 我国正大力发展星载红外高光谱探测系统。星载红外高光谱干涉仪光机结构复杂, 仪器状态会显著影响其定标精度。本文通过理论分析和仿真实验, 分别讨论了内黑体发射率、低温黑体发射率、内黑体与环境温度差、非线性系数以及直流电压演算等误差敏感性因子影响辐射定标精度的特征。分析表明: 定标辐射偏差的绝对值与内黑体/低温黑体发射率呈线性关系, 且与内黑体与环境温度差、非线性系数、直流电压呈正相关; 提高内黑体发射率和低温黑体发射率到0.985以上、控制内黑体与环境温度差在0.6 K左右、控制干涉仪的非线性效应系数低于0.04, 这些方案均是实现0.1 K辐射定标精度的必要条件; 辐射定标参数对定标辐射的影响特征结合地面真空实验的定标参数估计, 可以迭代得到已测得和未知的定标参数的最优估计, 从而提高定标精度。本文的研究结果对于红外高光谱干涉仪的参数设计以及辐射定标误差来源的识别和订正有着十分重要的意义。

风云三号D星(FY-3D)于2017年11月15日成功发射, 搭载了国内第一颗自主研制的极轨红外高光谱大气探测仪(High-spectral Resolution Infrared Atmospheric Sounder, HIRAS), 数据将在数值天气预报、大气温/湿廓线反演、大气成分探测等方面得到广泛应用。为满足高精度的探测能力需求, HIRAS的光谱分辨率达到0.625 cm-1, 辐射定标精度要求达到1.0 K, 光谱定标精度要求达到10×10-6, 均为目前国内星载红外仪器最高精度指标。由于光谱频率的精确性会直接影响辐射精度, 红外干涉仪器在数据应用之前必须进行光谱定标精度的精确评估和监测。以晴空视场下的高精度逐线辐射传输模拟光谱作为参考基准, 利用互相关法计算光谱频率偏差, 对发射后的HIRAS在轨数据的光谱定标精度进行了全面评估和验证研究。HIRAS在长波、中波1和中波2的光谱精度达到3×10-6, 其中长波和中波1光谱偏差标准差小于2×10-6, 远优于仪器设计指标要求; 长期的光谱精度稳定性显示HIRAS中波1和中波2的光谱定标精度较稳定, 在半年时间内频率变化小于5×10-6, 长波波段在半年的时间内有往负频率偏差变化的趋势, 变化量约为7×10-6, 需要进行持续监测。HIRAS在轨光谱精度可满足后端产品反演和同化用户的使用需求。