本發(fā)明屬于超光譜遙感探測(cè)，涉及一種空間外差光譜測(cè)量中的不確定度傳播評(píng)定方法。

背景技術(shù)：

1、中高層大氣溫、濕、壓等多要素探測(cè)對(duì)研究全球氣候變化過(guò)程具有重要意義。空間外差光譜測(cè)量技術(shù)利用衍射光柵替代邁克遜干涉儀的平面反射鏡，具備超高光譜分辨率、高光通量、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，能夠?qū)φ瓗Ч庾V實(shí)現(xiàn)垂直高分辨率觀測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)中高層大氣的超光譜觀測(cè)、高信噪比觀測(cè)和高時(shí)空分辨率觀測(cè)。

2、采用空間外差光譜測(cè)量技術(shù)對(duì)大氣輻射信號(hào)的測(cè)量過(guò)程中，由于受到測(cè)量載荷、測(cè)量方式、測(cè)量環(huán)境等諸多因素的限制，測(cè)量結(jié)果中不可避免的包含著各種形式的差異。如何準(zhǔn)確地對(duì)測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的各種誤差進(jìn)行分析，并且盡量地減少或者消除其影響，進(jìn)而對(duì)測(cè)量結(jié)果中無(wú)法消除的誤差作出合理估計(jì)，最終給出測(cè)量結(jié)果不確定的正確表述，是實(shí)現(xiàn)超光譜觀測(cè)精準(zhǔn)應(yīng)用的重要前提。

3、對(duì)于一般的空間測(cè)量載荷，比如多光譜載荷、高光譜載荷等，其在設(shè)計(jì)與研制時(shí)是通過(guò)給定信號(hào)水平下的信噪比、噪聲等效溫差、定標(biāo)精度等參數(shù)來(lái)反映載荷的性能。近年來(lái)，隨著定量遙感技術(shù)的發(fā)展，部分面向定量應(yīng)用的空間測(cè)量載荷依據(jù)國(guó)際上通用的測(cè)量不確定度評(píng)定導(dǎo)則（gum，?guide?to?the?expression?uncertailnty?in?measurement），對(duì)其測(cè)量不確定度進(jìn)行了分析，并形成了不確定度傳播模型。

4、然而，空間外差光譜測(cè)量的對(duì)象是非穩(wěn)態(tài)的大氣，尤其針對(duì)的是隨機(jī)性更大、變化更快的中高層大氣，一般的空間測(cè)量不確定度評(píng)定方法無(wú)法針對(duì)大氣參數(shù)或大氣要素產(chǎn)品提供準(zhǔn)確、可靠的評(píng)估結(jié)果。與此同時(shí)，空間外差光譜測(cè)量本身具有的復(fù)雜測(cè)量過(guò)程也對(duì)極其敏感的溫度、濕度、壓強(qiáng)等大氣要素產(chǎn)品帶來(lái)諸多誤差，導(dǎo)致給定的大氣狀態(tài)與大氣要素產(chǎn)品之間的關(guān)系難以量化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種空間外差光譜測(cè)量中的不確定度傳播評(píng)定方法，解決了空間外差光譜測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)無(wú)法定量描述輻射能量和入瞳輻亮度信號(hào)、輸出信號(hào)的測(cè)量精度，以及空間外差光譜測(cè)量環(huán)節(jié)引入的不確定性貢獻(xiàn)的問(wèn)題。

2、本發(fā)明解決技術(shù)的方案是：

3、一種空間外差光譜測(cè)量中的不確定度傳播評(píng)定方法，包括：

4、步驟一、以太陽(yáng)光譜、大氣參數(shù)、載荷參數(shù)計(jì)算空間外差光譜測(cè)量系統(tǒng)的入瞳輻亮度光譜數(shù)據(jù)和輸出信號(hào)；其中，為波數(shù)；

5、步驟二、計(jì)算大氣參數(shù)的不確定度；

6、步驟三、計(jì)算信號(hào)電子數(shù)的不確定度和噪聲的不確定度；

7、步驟四、根據(jù)步驟二的大氣參數(shù)的不確定度、步驟三的信號(hào)電子數(shù)的不確定度和噪聲的不確定度，計(jì)算空間外差光譜測(cè)量系統(tǒng)輸出信號(hào)的不確定度；

8、步驟五、分析不確定度的不確定分量；

9、步驟六、對(duì)步驟五中不確定分量產(chǎn)生的影響貢獻(xiàn)進(jìn)行排序。

10、在上述的一種空間外差光譜測(cè)量中的不確定度傳播評(píng)定方法，所述步驟一中，入瞳輻亮度光譜數(shù)據(jù)的計(jì)算方法為：

11、根據(jù)空間外差光譜測(cè)量系統(tǒng)的探測(cè)區(qū)域和探測(cè)時(shí)間，確定太陽(yáng)光譜以及氣體成分含量廓線(xiàn)、大氣壓力廓線(xiàn)、大氣溫度廓線(xiàn)等大氣參數(shù)，利用大氣輻射傳輸軟件sciatran計(jì)算到達(dá)空間外差光譜測(cè)量系統(tǒng)前的入瞳光譜輻亮度光譜數(shù)據(jù)。

12、在上述的一種空間外差光譜測(cè)量中的不確定度傳播評(píng)定方法，所述步驟一中，輸出信號(hào)的計(jì)算方法為：

13、計(jì)算信號(hào)電子數(shù)：

14、設(shè)前置光學(xué)系統(tǒng)的f數(shù)為，根據(jù)和透過(guò)率，計(jì)算衰減后的光譜輻亮度：

15、

16、根據(jù)衍射光柵的littrow角和littrow波數(shù)，計(jì)算沿光柵色散方向上距離光軸處的干涉強(qiáng)度：

17、

18、根據(jù)探測(cè)器像元面積、積分時(shí)間、探測(cè)器量子效率、計(jì)算信號(hào)電子數(shù)：

19、

20、式中，為普朗克常數(shù)；

21、為光速；

22、計(jì)算噪聲電子數(shù)：

23、

24、式中，為空間外差光譜測(cè)量載荷的光子噪聲；

25、為空間外差光譜測(cè)量載荷的暗電流噪聲；

26、為空間外差光譜測(cè)量載荷的讀出噪聲；

27、輸出信號(hào)為：

28、。

29、在上述的一種空間外差光譜測(cè)量中的不確定度傳播評(píng)定方法，所述步驟二中，大氣參數(shù)的不確定度的評(píng)定方法為：

30、s21、采用b類(lèi)不確定度評(píng)估方法，確定氣體成分含量廓線(xiàn)、大氣壓力廓線(xiàn)、大氣溫度廓線(xiàn)這些大氣參數(shù)的不確定度；

31、s22、根據(jù)大氣參數(shù)的不確定度，給氣體成分含量廓線(xiàn)、大氣壓力廓線(xiàn)、大氣溫度廓線(xiàn)疊加隨機(jī)誤差，通過(guò)蒙特卡洛法模擬入瞳輻亮度光譜數(shù)據(jù)；

32、s23、計(jì)算入瞳輻亮度光譜數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，增加模擬次數(shù)直到連續(xù)兩次標(biāo)準(zhǔn)差的差異小于5%；

33、s24、計(jì)算模擬入瞳輻亮度光譜數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，并將其作為入瞳輻亮度光譜數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

34、

35、式中，為氣體成分含量廓線(xiàn)；

36、為大氣壓力廓線(xiàn)；

37、為大氣溫度廓線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

38、為疊加sciatran模型引起的不確定度。

39、在上述的一種空間外差光譜測(cè)量中的不確定度傳播評(píng)定方法，所述步驟三中，信號(hào)電子數(shù)的不確定度的計(jì)算方法為：

40、

41、式中，為波數(shù)對(duì)應(yīng)的入瞳輻亮度光譜數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

42、表示使用一階導(dǎo)數(shù)計(jì)算信號(hào)電子數(shù)對(duì)入瞳輻亮度光譜數(shù)據(jù)的敏感系數(shù)。

43、在上述的一種空間外差光譜測(cè)量中的不確定度傳播評(píng)定方法，所述步驟三中，噪聲的不確定度的計(jì)算方法為：

44、

45、式中，為光子噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差；

46、為暗電流噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差；

47、為讀出噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差。

48、在上述的一種空間外差光譜測(cè)量中的不確定度傳播評(píng)定方法，所述步驟四中，空間外差光譜測(cè)量系統(tǒng)輸出信號(hào)的不確定度的計(jì)算方法為：

49、。

50、在上述的一種空間外差光譜測(cè)量中的不確定度傳播評(píng)定方法，所述步驟五中，所述不確定分量的確定方法為：

51、設(shè)定輸出信號(hào)的相對(duì)不確定度為；

52、建立的關(guān)系式：

53、

54、其中，為大氣參數(shù)引入的輸出信號(hào)相對(duì)不確定度；

55、為載荷參數(shù)引入的輸出信號(hào)相對(duì)不確定度；

56、即和為不確定分量。

57、在上述的一種空間外差光譜測(cè)量中的不確定度傳播評(píng)定方法，所述步驟六中，排序方法為：

58、分別計(jì)算和的值，值大的即為產(chǎn)生的影響貢獻(xiàn)大的。

59、在上述的一種空間外差光譜測(cè)量中的不確定度傳播評(píng)定方法，所述的計(jì)算方法為：

60、

61、所述的計(jì)算方法為：

62、

63、式中，、、分別為氣體成分含量廓線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、大氣壓力廓線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、大氣溫度廓線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

64、為信號(hào)電子數(shù)的不確定度；

65、為噪聲的不確定度。

66、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

67、（1）本發(fā)明采用了一種空間外差光譜測(cè)量中的不確定度傳播評(píng)定方法，從計(jì)量學(xué)角度描述了空間外差光譜測(cè)量過(guò)程，對(duì)大氣參數(shù)不確定度、載荷噪聲不確定度進(jìn)行了合成；

68、（2）本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了空間外差光譜測(cè)量系統(tǒng)入瞳輻亮度光譜數(shù)據(jù)和輸出信號(hào)的不確定度溯源，解決了空間外差光譜測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)無(wú)法定量描述輻射能量和入瞳輻亮度信號(hào)的問(wèn)題；

69、（3）本發(fā)明解決了輸出信號(hào)的測(cè)量精度，以及空間外差光譜測(cè)量環(huán)節(jié)引入的不確定性貢獻(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)于面向應(yīng)用的載荷設(shè)計(jì)優(yōu)化、超光譜觀測(cè)精準(zhǔn)應(yīng)用等工作具有重要意義。