远红外高光谱辐射在冰云特征参数遥感方面的研究现状及进展

大气远红外辐射的高光谱测量对于深入理解地气系统的辐射交换与辐射平衡具有重要意义，并且该波段可与中红外波段协同提供冰云、对流层中上层水汽遥感的互补信息，在大气遥感领域具有广阔的应用前景。

据麦姆斯咨询报道，近期，由国防科技大学气象海洋学院和中国气象局高影响天气重点开放实验室组成的的科研团队在《光学学报》期刊上发表了以“远红外高光谱遥感技术及其冰云遥感应用”为主题的文章。该文章第一作者为刘磊，通讯作者为刘磊和李书磊。

本文综述了远红外高光谱辐射在冰云特征参数遥感方面的研究现状及进展，对远红外高光谱冰云特性遥感技术进行了总结和展望，提出了未来的研究思路与方案。

远红外大气遥感的理论基础

远红外高光谱大气遥感主要以星载或机载天底观测的方式，或在极寒干燥的条件下（极地、高山等）以天顶观测的方式，测量大气或云等目标发射或散射的远红外辐射，根据辐射光谱特征的变化反演云特性、温湿廓线、大气气体成分等。因此，远红外波段大气、云的辐射特性分析是实现相应参数遥感的首要条件。

远红外波段存在多种气体分子的典型吸收线，如H₂O、CO₂、O₃、N₂O、HNO₃、HO等。其中，H₂O、CO₂是最主要的吸收气体，其吸收主要由纯转动能级跃迁和振动能级跃迁导致。图1为红外波段主要吸收气体导致的光学厚度分布，图1（a）为H₂O、CO₂吸收导致的光学厚度，图1（b）为其余气体分子吸收导致的光学厚度。

图1 红外波段由主要气体分子吸收线导致的光学厚度分布

冰云辐射效应的不确定性是导致全球辐射强迫模拟存在较大误差的重要因素，而这主要来源于对描述冰云的关键参数（如冰晶粒子形状、有效粒子尺度、冰水路径/冰水含量、光学厚度等）的观测误差及其辐射参数化误差。因此，提高冰云微物理特性的测量准确性一直是大气遥感领域的前沿课题。图2为远红外-中红外波段冰的复折射率指数的实部和虚部随波数的变化。一般而言，实部与冰晶粒子的散射特性有关，虚部则与吸收特性有关。

图2 红外波段冰的复折射率指数的实部（实现）和虚部（虚线）随波数的变化

复折射率指数的差异导致冰晶粒子散射特性的差异。图3（a）~（d）分别为有效粒子直径为20 μm、40 μm、60 μm、100 μm时的冰晶粒子的消光效率因子、吸收效率因子、散射效率因子及单散射反照率的对比。可见，粒子散射特性的变化与复折射率指数的实部和虚部密切相关。在远红外波段，随着波数增大（大于559.5 cm⁻¹），消光效率因子随波数的变化相对平滑，变化较小，并且随有效粒子直径的变化同样相对较小。而在波数较小时，消光效率因子随着有效粒子直径的增加而单调增加。

图3 远红外-中红外波段冰晶粒子和液态水滴粒子的散射特性

综上所述，尽管远红外波段存在严重的大气吸收作用，但在部分“窗口”内，散射辐射对冰云特性仍有较高的敏感性。并且，由于远红外与中红外波段散射效应的差异，在云参数反演方面将可能提供互补信息，从而进一步提高反演精度。

远红外高光谱大气遥感仪器

目前，对于大气远红外辐射的高灵敏度探测，主要分为测热探测技术和光电探测技术。其中，测热探测器主要包括基于热释电效应的热电探测器和针对大气辐射等分布式波源的微型测辐射热计。热电探测器在太赫兹至红外的宽波段范围内均具有较好的响应速度，为了提高探测灵敏度，采用DLaTGS（氘化L-丙氨酸硫酸三苷肽）、LiTaO₃（钽酸锂）、PZT（锆酸盐）等聚合材料可进一步降低介电常数。微型测辐射热计在传统半导体测辐射热计的基础上减小尺寸，避免了热容量的限制，从而实现室温条件下大气远红外辐射的高灵敏度探测。同时，可将其扩展为微型测辐射热计阵列，实现地球-大气分布式远红外谱的高效探测。这些优势使得测热探测技术成为当前星载大气远红外辐射高效探测的首选。而光电导探测器则主要基于半导体的本征激发或掺杂半导体的非本征激发效应。为了避免半导体的热致电离，该型探测器通常需要冷却至液氦的温度，在一定程度上限制了其在星载探测仪器中的应用。

而对于大气远红外辐射的高光谱测量，目前主要包括棱镜、光栅以及干涉仪等技术。对于大气远红外辐射连续光谱，通过棱镜或衍射光栅产生色散，旋转色散原件实现频谱的选择，并将不同频谱能量连续地投射到探测狭缝上。但这种分频方法得到的总能量依赖于狭缝的面积和光学器件能接收的立体角。而干涉仪技术则是通过调整光程差测量干涉图样，再进行傅里叶变换获得频谱。其优势在于相对于狭缝，干涉仪的大面积通光孔径具有明显的通量优势，增强了检测微弱信号的能力。然而，干涉仪动镜系统在空间卫星平台搭载时也必须考虑倾斜等误差。

上述内容对当前大气远红外高光谱测量仪器的关键技术进行了综述说明，下面主要从观测平台的角度对大气远红外高光谱仪器的发展进行简要介绍。值得注意的是，尽管通过对传统红外高光谱仪器AERI等的探测系统进行改装也可实现中红外向远红外辐射测量的扩展，如I-BEST在AERI的基础上增加高灵敏度非制冷热电探测器可实现100 cm⁻¹ ~ 1600 cm⁻¹范围远红外辐射的测量，AERI‐ER和E-AERI增加半导体碲化镉和半金属化合物碲化汞混合的光电导探测器实现400 cm⁻¹以上的红外辐射的测量，但本文重点在于对采用新技术体制实现远红外辐射的高光谱、高精度测量仪器的介绍，因此本文对I-BEST、AERI‐ER 和E-AERI等仪器不做介绍。

地基大气远红外高光谱辐射探测仪

20世纪90年代，欧盟和欧洲航天局提出大气远红外辐射测量计划REFIR，目的是利用傅里叶变换光谱仪实现大气远红外辐射的高光谱测量，并为未来星载应用进行仪器布局设计和关键技术验证。为此，REFIR-BB、REFIR-PAD和FIRMOS等原型机先后开展了观测试验。

图4 REFIR-BB的光路示意图

空基大气远红外高光谱辐射探测仪

由于低层大气水汽和二氧化碳的强吸收作用，对星载远红外大气辐射探测仪器进行综合观测试验验证一般需要在极其干燥的地基站点（高山站点、极地、沙漠等）或机载、球载平台上进行。TAFTS是目前唯一仍在运行的机载远红外高光谱辐射观测仪。

星载大气远红外高光谱辐射探测计划

鉴于远红外辐射在地气系统辐射平衡与大气遥感中的重要作用，基于卫星平台实现大气上行远红外辐射的高光谱分辨率、高精度的观测一直是国际学术研究的前沿。为此，相关机构提出星载大气远红外高光谱辐射探测计划，如FORUM（ESA）、PREFIRE（NASA）等。

图5 FORUM和IASI-NG卫星地面轨迹和足印：FORUM FSI足印（红色）、FEI足印（黄色）和IASI-NG足印（蓝色）

远红外高光谱冰云遥感的反演方法

远红外辐射光谱含有丰富的地表、大气廓线和云的信息，尤其是在极地地区，低温和地表冰/雪导致基于星载中红外发射辐射特征的识别方法无法应用。而远红外波段冰晶粒子的散射作用为冰云的识别和反演提供了有效信息。因此，远红外高光谱辐射在极地地区云的宏微观参数、温湿廓线、地表发射率等特性的反演方面具有重要应用价值。重点从云检测与相态识别、云微物理参数反演两个方面对远红外高光谱的应用进行介绍。

云检测与相态识别方法

目前，在中红外到近红外波段已存在多种云检测与相态识别的算法，如累积判别分析、最小残差法、云掩模方法等，主要可以分为两类：基于特征参数（特定的光谱通道亮温，或不同通道亮温差/比值等）的分类以及代价函数最优化的分类方法等，均需要进行精确的光谱定标。而远红外辐射包含了冰晶粒子的散射信息，因此其与中红外辐射的联合将可能进一步提升云检测及相态识别的准确性。

图6 采用不同波段的通道正确识别冰云的概率

云微物理参数反演方法

冰云微物理参数的反演主要包括冰晶粒子尺度、冰水含量（路径）、光学厚度、尺度谱等参量。红外高光谱全波段反演冰云微物理参数的经典方法包括最优估计理论、查找表、神经网络等。目前，远红外高光谱遥感冰云微物理参数使用最为广泛的反演方法是Di Natale等基于最优估计理论开发的云-大气参数协同反演算法（SACR）。该反演模型是为FORUM计划建立的，可反演参数包括冰云有效粒子直径、光学厚度、液态水云的有效粒子直径、大气温湿廓线等。

图7 混合粒子形状的模拟光谱与采用单一粒子的光谱差值，及与FORUM和IASI-NG噪声比较

总结和展望

大气远红外高光谱辐射的高精度观测对于深入理解地气系统的辐射交换与辐射平衡具有重要意义。在大气遥感领域，该波段可与中红外波段协同提供冰云、对流层中上层水汽遥感的互补信息，具有广阔的应用前景。尤其是对于极地地区冰云的宏微观物理参数，远红外高光谱辐射信息将进一步提升观测的准确性，对于冰云辐射强迫的评估、提高冰云在气候模式中的代表性具有重要意义。

在大气远红外辐射的测量方面，非制冷高灵敏度探测器和高效宽带分束器技术仍是未来重点研究的方向，这是进一步降低仪器噪声水平，实现大气微量气体成分等微弱信号目标遥感的重要措施。目前，大气远红外辐射的探测器一般采用热电探测器、微型测辐射热计，已实现室温条件下大气远红外辐射的高灵敏度探测，并且在多次的综合观测试验中进行了测试与验证，这也是未来星载载荷的发展方向。而光电导探测技术一般需要冷却至接近液氦的温度，在一定程度上限制了其在星载仪器中的应用。对于大气远红外辐射的高光谱测量，干涉仪技术在检测微弱信号方面具有明显优势，但在卫星平台上需要考虑动镜倾斜等偏差。

此外，集干涉仪和光栅技术于一体的空间外差光谱技术可在窄带光谱范围内实现超光谱分辨，其无动镜、超分辨、大通量、大视场和较小尺寸重量等优势，也将是未来大气远红外辐射高光谱、高精度测量的重要发展方向。而我国在该方面的研究起步较晚，当前已在实验室设计实现了基于制冷测辐射热计、热释电探测器等技术的远红外辐射高灵敏度测量，对GaAs等材料在远红外波段的光学特性进行了分析，开展了远红外高光谱大气遥感应用的初步探索。为推进我国远红外大气遥感技术的发展，应进一步深化各部门单位及国际交流合作，发挥多学科交叉融合的优势，着重加强大气远红外高光谱遥感技术应用的基础及关键技术研究。

在远红外大气辐射传输与遥感方法研究方面，当前尽管已针对地基高光谱仪器开展了部分辐射传输闭合试验，但对于冰云条件下远红外-中红外全波段的光谱模拟尚需进一步研究。尤其是对于自然界中复杂冰云粒子形状的有效表征问题，需要进一步结合不同尺度冰晶微物理观测资料开发远红外-中红外全波段的冰晶散射模型，以便更好地支撑远红外高光谱冰云遥感的发展。在反演方法方面，主要应用最优估计理论对全波段光谱进行拟合迭代，该方法对于辐射传输模式的速度和精度都提出了较高的要求，在正向模拟的验证方法上仍需大量工作。另外，多波段仪器的联合观测与应用，不仅可以实现探测场景的扩展，多波段遥感仪器的数据融合比对还可以在很大程度上提高云参数的探测精度。如结合亚毫米波、微波遥感将可能进一步增强光学厚云、液态水云、降水等参数的探测精度，并有可能实现云和大气温湿廓线参数的同时反演等。

综上所述，结合我国风云气象卫星的发展规划，开展大气远红外高光谱辐射的测量关键技术的攻关与验证，布局多波段大气遥感技术的综合观测，对于深入理解地气系统的辐射平AOS衡、增进冰云辐射强迫效应的评估将发挥越来越重要的作用。

论文链接：

DOI: 10.3788/AOS231697

审核编辑：刘清