云顶压强可用于估计云高, 对气象观测和云特性研究等具有重要的作用。基于高分五号卫星搭载的多角度偏振探测仪 (DPC) 在氧气 A 吸收带设置的 763 nm 和 765 nm 两个波段进行了云顶压强反演方法的研究。首先, 通过辐射传输模拟和多项式拟合得到了大气压强的计算公式, 并对拟合公式进行了误差分析和校正。然后, 分析了气溶胶、大气廓线等因素对云顶压强反演结果的影响, 并进一步利用晴空地表对反演方法进行了稳定性测试和原理性验证。测试结果表明氧气 A 带方法稳定性较好, 可以适用于不同天气状况和观测角度; 验证结果表明 DPC 反演压强与 DEM 估算压强有很好的一致性, 地表压强的平均偏差约为 47.6 hPa。最后, 将 DPC 反演的云顶压强与 MODIS 云顶压强产品 (MYD06) 进行了对比, 结果表明两颗卫星的云顶压强观测结果具有较好的空间一致性。

卷云大气的红外辐射特性是空间光电探测系统的重要背景辐射源。基于2.7 μm和4.3 μm波段的卷云粒子散射特性参数, 建立了卷云大气辐射传输模型。在MODIS实测卷云和大气参数条件下, 仿真计算得到大气层顶的红外辐射图像。各像元辐亮度的统计结果显示: 在2.7 μm带的平均辐亮度为1.832e-2±3.024e-2 W/(m2·sr), 卷云像元平均辐亮度比晴空像元强433倍; 各像元在4.3 μm带的平均辐亮度为3.027e-2±2.99e-3 W/(m2·sr), 像元最大辐亮度是最小值的2.37倍。

利用逐线积分方法，建立了一种均匀大气中氧气 A吸收带平均透过率快速计算模型。模型采用等波数间隔取样，能根据大气温度和压强自动选择谱线线形，并利用直和模型进行快速近似计算 Voigt线形函数。在不同大气模式下设置不同传输路径，利用该模型计算氧气 A带平均透过率与路径长度关系曲线，并将计算结果与 Modtran软件计算结果进行对比。从对比结果可知，不同路径下模型计算的平均氧气透过率最大相对误差均小于 2%，计算时间均小于 1s，具有较高的准确度和计算实时性。计算结果表明该模型能够在均匀大气中对氧气 A带平均透过率进行快速准确计算。

在设计三通道非成像氧气吸收被动测距系统过程中，确定各通道光电倍增管的绝对光谱响应率对确保系统测距精度具有重要意义。为了克服光电倍增管灵敏度高、易饱和而导致的单色光功率测量困难的问题，提出了一种光电倍增管绝对光谱响应率测量方法。在该方法中，利用积分球与可调狭缝构建通量可调的系统光源，利用响应率已知的标准探测器测量单色光源辐射功率。搭建了光电倍增管绝对光谱灵敏度测量系统，并对三根滨松H10722-01型光电倍增管模块进行绝对光谱响应率测量。同时，为了检验该测量方法的有效性，在外场条件下开展了近程被动测距实验，将测量得到的光电倍增管绝对光谱响应率作为三通道被动测距系统各通道的光谱响应率参数。实验结果表明：在60～300 m范围内，测距平均相对误差为6.25%。实验结果证明了该绝对光谱响应率测量方法的有效性。

基于测距光谱通道数量和位置选定规则,以氧气A吸收带为例,从系统探测距离、目标与背景信噪比、系统工作海拔等约束条件对带宽的限制出发,利用MODTRAN和MATLAB软件综合仿真分析了满足系统实时性、目标信噪比及不同探测距离条件下通道带宽上下限的取值范围。结果表明:相同条件下,系统平台海拔越高,带宽下限取值越小、范围越大、选取越灵活,系统探测距离越远,有效探测范围也越大;目标信噪比要求越高,带宽下限取值越大、范围越小、选取越受限,探测距离和有效探测范围越小。因此,设计系统时应根据任务要求,确定光谱通道位置和数量,计算系统工作实时性、目标信噪比、系统最大最小工作距离等多重约束条件下各通道带宽取值上下限曲线,通过确定能够同时满足最大及最小工作距离条件的上下限曲线最小交集,便可在曲线交集区域内选定满足设计要求的通道带宽取值。这为单目多光谱被动测距系统的参数设计和工程化提供有效的理论支撑和计算方法,从而设计出高低精度搭配、远近距离兼顾的多光谱被动测距系统。

为消除测距光谱通道位置和数量选取对氧气吸收衰减被动测距技术测距精度的影响,基于氧气吸收衰减被动测距技术的基本原理,分析氧气A、B吸收带光谱谱线特性。对于吸收带带肩上的光谱通道,利用蒙特卡罗法,以拟合非吸收基线与理想基线的误差平方和与相关度为指标,分析光谱通道位置和数量及拟合多项式级次对非吸收基线拟合精度的影响。对于吸收带带内光谱通道,分析不同光谱通道处吸收率大小对测距距离和测距精度的影响。结果表明:在综合考虑系统实时性和测距精度要求的情况下,A吸收带两带肩上光谱通道各为1个,B吸收带单带肩上光谱通道为2个,位置均宜选择在各带肩靠近吸收带一端;吸收带内光谱通道可根据测距任务中对测程和测距精度的要求灵活选择其数量和位置。因此,在无法一次性获取测距波段完整光谱曲线的情况下,单目多光谱被动测距系统采用较少的光谱通道和最简单的直线拟合方法,不仅可以保证系统的测距精度,而且能够减少滤波片更替和软件计算的时间周期,进而增强系统数据采集和解算的实时性。

为了解决氧气A吸收带被动测距中使用高光谱成像系统存在测量实时性差的问题，提出了一种氧气A吸收带平均透过率的多光谱非成像测量方法。该方法利用3个窄带滤光片分别采集目标位于氧气A吸收带及其左右带肩的辐射强度信息。选择光电倍增管作为光电转换器件，在外场条件下开展氧气A吸收带平均透过率测量实验。建立了氧气A吸收带透过率的逐线积分模型，通过对比实验测量值与模型理论值验证了该方法的可行性。对比结果表明，在测量距离为100~400 m范围内，氧气A吸收带平均透过率的测量误差在0.146%~1.576%之间，证明了该方法的可行性。

大气甲烷(CH4)高精度反演受到多种因素的影响, 其中地表特征和大气状态的不确定性是重要的影响因素, 如地表反射率、 温度、 湿度和压力廓线。 地表反射率受到诸多因素的影响, 难以获得精确的数据, 会给反演结果带来较大误差。 温度、 湿度和压力廓线的不确定性亦是反演误差的重要来源, 由此产生的系统误差难以避免, 单独利用CH4吸收带进行反演难以消除此种误差。 针对各种参数不确定性的影响, 本文提出比值光谱法和CO2吸收带校正法进行校正。 比值光谱法通过将绝对辐亮度谱转化为比值光谱, 抑制地表反射率在反演过程中的作用。 CO2吸收带校正法利用CO2 1.61 μm吸收带, 将CH4柱含量转化为CH4体积混合比, 校正温度、 湿度和压力廓线不确定性引起的系统误差。 通过将两种校正方法结合, 可同时抑制地表反射率和温度、 湿度、 压力廓线不确定性产生的影响, 减小反演误差。 利用温室气体观测卫星(GOSAT)的观测数据进行大气CH4反演, 采用比值光谱法和CO2吸收带校正上述误差, 结果显示校正后的CH4体积混合比与GOSAT-Level2产品相当接近, 反演精度可达-0.24%, 反演结果较为稳健可靠。 研究表明, 比值光谱法和CO2吸收带校正法可有效校正地表特征和大气状态参数不确定性引起的误差, 提高大气CH4反演精度。

氧气吸收率是利用氧气A吸收带进行被动测距技术计算的核心，将包含氧气A吸收带在内的无云天空背景辐射和黑体辐射作为研究对象，利用CART软件模拟计算了不同观测天顶角、不同时段、不同太阳天顶角的无云天空背景氧气吸收率分布，并与不同观测天顶角、不同距离下的黑体辐射氧气吸收率进行了比较分析，结果表明：当探测距离大于3 km时，黑体辐射的氧气吸收率大于无云天空背景辐射氧气吸收率，所以根据不同观测条件设置被动测距的氧气吸收率阈值，可提高对目标的探测概率，降低背景辐射对被动测距的影响。