李正強(qiáng)，洪 津，鄭 楊，劉振海，張苗苗，趙少華，張慶輝，徐敬海，麻金繼，高郭平，江啟峰，徐成華0，楊磊庫(kù)，駱冬根，

（1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 國(guó)家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031；3.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109；4.生態(tài)環(huán)境部 衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094；5.河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；6.南京工業(yè)大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211816；7.安徽師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241003；8.上海海洋大學(xué) 海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，上海 201306；9.西華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都 610039；10.成都信息工程大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610225；11.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

0 引言

大氣氣溶膠是懸浮在大氣中具有一定穩(wěn)定性、沉降速度小、尺度范圍通常分布在1～100 μm的氣態(tài)分散系統(tǒng)，是空氣中一種較為復(fù)雜的污染物，受自然和人為因素的共同影響［1-3］。大氣氣溶膠不僅通過(guò)直接或間接氣候效應(yīng)對(duì)全球氣候系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響，而且通過(guò)人體的呼吸作用會(huì)將粒徑小于10 μm 的氣溶膠粒子吸入體內(nèi)，且尺度小于2.5 μm 的顆粒物（PM2.5）還能徑直入侵肺部，甚至有可能進(jìn)入血液，危害人體健康，是我國(guó)目前最主要的大氣污染物，已經(jīng)成為環(huán)境監(jiān)測(cè)最重要的監(jiān)測(cè)對(duì)象［4-6］。隨著探測(cè)方法的快速發(fā)展，遙感技術(shù)已成為氣溶膠監(jiān)測(cè)的重要手段，星載氣溶膠被動(dòng)遙感技術(shù)在近20 年得到了快速發(fā)展。其中，偏振探測(cè)可為大氣遙感提供獨(dú)立的信息維度，被認(rèn)為是最有潛力提高大氣氣溶膠、云參數(shù)探測(cè)精度的觀測(cè)手段［7-12］。

目前，融合多角度、多光譜和偏振的被動(dòng)氣溶膠傳感器組合探測(cè)方式符合氣溶膠觀測(cè)應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展需求，未來(lái)國(guó)際上新一代氣溶膠遙感傳感器的設(shè)計(jì)方案較多考慮了多種探測(cè)能力的組合，如HARP-2+SPEXone/PACE、SCANPOL+MSIP/Aerosol-UA 等［13-15］。在國(guó)內(nèi)，中科院空天院李正強(qiáng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院安光所洪津團(tuán)隊(duì)［15］，針對(duì)當(dāng)前技術(shù)方案中存在的問(wèn)題，結(jié)合我國(guó)氣溶膠和灰霾遙感監(jiān)測(cè)的迫切需要，并考慮到傳感器制造的國(guó)情，創(chuàng)新性提出結(jié)合法國(guó)POLDER 類(lèi)型傳感器和美國(guó)APS 類(lèi)型傳感器的星載“偏振交火”氣溶膠探測(cè)方案，發(fā)明了2 種傳感器有機(jī)結(jié)合的方法，通過(guò)工程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵要素的“交火”配置，在解決POLDER 類(lèi)型偏振傳感器在軌壽命期精度保持問(wèn)題的同時(shí)，通過(guò)不同技術(shù)體制下的交火融合，實(shí)現(xiàn)基于PMRS 模型的近地表PM2.5的反演應(yīng)用［15-17］。目前基于該方案的“偏振交火”載荷套件首次以共基準(zhǔn)一體化方式安裝在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星（DQ-1）上并于2022 年4 月16 日成功發(fā)射。

綜上所述，本文首次將對(duì)DQ-1 上高精度偏振掃描儀（Particulate Observing Scanning Polarization，POSP）［18］和多角度偏振成像儀（Directional Polarization Camera，DPC）［19］的“偏振交火”探測(cè)的策略、工程設(shè)計(jì)方法、融合反演方法及交叉定標(biāo)方法等進(jìn)行詳細(xì)闡述，并基于“偏振交火”載荷的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其初步在軌應(yīng)用效果進(jìn)行了系統(tǒng)分析和評(píng)估，可為“偏振交火”應(yīng)用目標(biāo)評(píng)價(jià)和進(jìn)一步在軌應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 “偏振交火”載荷配置

1.1 “偏振交火”方案

在星載傳感器“偏振交火”的大氣氣溶膠參數(shù)探測(cè)方案中，設(shè)想在同一衛(wèi)星平臺(tái)上集成2 種或多種偏振探測(cè)傳感器，通過(guò)視場(chǎng)、波段和時(shí)間等觀測(cè)要素的匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的“集中觀測(cè)”即“交火”。同時(shí)獲取大氣氣溶膠多光譜、多角度和偏振輻射的綜合信息并保證較高的精度，從而進(jìn)行高精度的大氣氣溶膠綜合參數(shù)反演的技術(shù)手段。具體策略是組合使用2 種類(lèi)型的多角度偏振衛(wèi)星傳感器，分別為POLDER 和APS 類(lèi)型傳感器。搭載同一衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)同步觀測(cè)，將APS 的沿軌掃描（Along-Track）方式改為穿軌掃描（Cross-Track），在APS 上增加紫外波段（380 nm）。兩傳感器的協(xié)同觀測(cè)可帶來(lái)：1）在已有氣溶膠參數(shù)探測(cè)能力的基礎(chǔ)上，提供覆蓋整個(gè)畫(huà)幅的氣溶膠層高和吸收性氣溶膠指數(shù)（Absorbing Aerosol Index，AAI）的探測(cè)能力，借助于細(xì)顆粒物反演模型，實(shí)現(xiàn)更高精度的細(xì)顆粒物反演；2）將APS 的高精度星上定標(biāo)傳遞給POLDER，有效提高POLDER 傳感器偏振成像CCD 的定標(biāo)精度，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在軌數(shù)據(jù)質(zhì)量保證?！捌窠换稹迸渲梅桨敢?jiàn)表1。

表1 “偏振交火”載荷配置表Tab.1 Configuration of the PCF suite

1.2 載荷配置及交火設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)，首先要保證POSP 和DPC 的相應(yīng)像元“看”的是同一個(gè)目標(biāo)場(chǎng)景，即“交火”的含義，需要兩載荷“光譜”“視場(chǎng)匹配”和“時(shí)相匹配”。POSP 和DPC 同衛(wèi)星平臺(tái)“偏振交火”載荷工作如圖1 所示，硬件安裝設(shè)計(jì)如圖2 所示。其中，DPC 為面陣成像方式，通過(guò)分時(shí)方式多通道探測(cè)；POSP 采用分孔徑和分振幅相結(jié)合的同時(shí)偏振測(cè)量方案，通過(guò)穿軌掃描方式獲取寬幅遙感圖像，類(lèi)似于搭載在HJ-2A/B 衛(wèi)星上的PSAC 載荷［20］，兩者主要區(qū)別在于波段設(shè)置差異。此外，偏振掃描輻射計(jì)的星下點(diǎn)空間分辨率約為6.4 km@705 km，因此，與成像式偏振載荷的空間分辨率存在差異?？紤]到“偏振交火”應(yīng)用下兩偏振載荷的視場(chǎng)匹配要求，設(shè)計(jì)上將DPC/GF-5 的原始像元星下點(diǎn)空間分辨率由3.5 km提升到1.7 km，通過(guò)提升尺度比來(lái)提升視場(chǎng)匹配精度。兩偏振載荷在星下點(diǎn)穿軌方向上具有一致的視場(chǎng)，但空間分辨率上存在差異，在軌道高度下POSP 的星下點(diǎn)分辨率為6.4 km，DPC 原始像元分辨率約為1.7 km，像DPC 元融合后的DPC L1 產(chǎn)品進(jìn)行了像元融合，產(chǎn)品空間分辨率仍為3.5 km。

圖1 “偏振交火”觀測(cè)Fig.1 Schematic diagram of the PCF

圖2 “偏振交火”載荷共基準(zhǔn)一體化安裝Fig.2 Schematic diagram of the instrument assembly of the PCF suite onboard DQ-1 satellite

“偏振交火”載荷共有波段需要進(jìn)行“光譜匹配”設(shè)計(jì)，工程上通過(guò)對(duì)兩載荷濾光片的帶寬和中心波長(zhǎng)一致性設(shè)計(jì)和加工，并考慮結(jié)合實(shí)際光譜響應(yīng)函數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化迭代設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)輻射特性表征的一致化。兩載荷間共有波段包括一個(gè)非偏振波段（443 nm）和3 個(gè)偏振波段（490、670 和865 nm）。兩載荷的波段配置，見(jiàn)表2。其中，I為總的輻射強(qiáng)度；Q為平行或垂直于參考平面的線(xiàn)偏振度強(qiáng)度；U為與參考平面成45°角的線(xiàn)偏振度的強(qiáng)度。

表2 “偏振交火”載荷光譜波段參數(shù)Tab.2 Specifications of the PCF suite

通過(guò)比較可知，影響“交火”應(yīng)用目標(biāo)的“視場(chǎng)匹配”需求在工程和方法上相對(duì)復(fù)雜。DPC 和POSP對(duì)地觀測(cè)過(guò)程中都由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不同的是DPC 用于通道分時(shí)切換、畫(huà)幅式成像；而POSP 為單像元穿軌掃描成像，再加上較粗的分辨率，很難實(shí)現(xiàn)較高精度的地理定位，用傳統(tǒng)的通過(guò)地理定位實(shí)現(xiàn)兩載荷視場(chǎng)匹配的方法較難實(shí)現(xiàn)所需的視場(chǎng)匹配精度［21］。

兩偏振載荷視場(chǎng)不匹配的主要來(lái)源包括兩儀器電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)速漂移、地理定位的系統(tǒng)偏差等。其中前者可能導(dǎo)致兩儀器空間匹配關(guān)系的紊亂，同時(shí)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理算法復(fù)雜化，需要工程設(shè)計(jì)上予以解決；對(duì)于后者，由于POSP 因積分過(guò)程對(duì)視場(chǎng)有拖拽影響，以及其較粗的分辨率，難以通過(guò)自身實(shí)現(xiàn)較高精度的幾何校正，從而難免與DPC 存在系統(tǒng)偏差，可以通過(guò)算法設(shè)計(jì)解決。因此，“交火”工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是把兩載荷對(duì)地觀測(cè)時(shí)序固定化，即通過(guò)消除兩載荷電機(jī)穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)速漂移問(wèn)題引入的“隨機(jī)”偏差，實(shí)現(xiàn)兩載荷視場(chǎng)偏差固定化，再通過(guò)算法處理即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)偏差校正。

工程設(shè)計(jì)和算法處理策略，首先設(shè)置“交火”工作模式，將POSP 電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)鎖相環(huán)處理后用作DPC電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元時(shí)鐘源，使得DPC 電機(jī)轉(zhuǎn)速隨POSP電機(jī)轉(zhuǎn)速的漂移同步改變，從而避免兩電機(jī)的非同步誤差累積，同時(shí)，合理地設(shè)置DPC 轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)在每次POSP 掃描星下點(diǎn)時(shí)同步采集DPC 的固定通道?！敖换稹蹦Ｊ较?，DPC 成像受到POSP 觀測(cè)的同步調(diào)制。其次，利用DPC 較高的原始圖像分辨率（CCD 探測(cè)器原始像元數(shù)為1 000×1 000，對(duì)應(yīng)星下點(diǎn)分辨率為1.7 km）進(jìn)行幾何精校正，并利用POSP 實(shí)際的空間響應(yīng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)其與DPC 的視場(chǎng)匹配，從而獲取POSP 幾何系統(tǒng)偏差精校參數(shù)，實(shí)現(xiàn)較高的POSP與DPC 的視場(chǎng)匹配精度［20-22］。再次，在DPC 完成像元合并后進(jìn)行正弦等面積投影和多角度匹配處理，同時(shí)對(duì)POSP 幾何校正后觀測(cè)數(shù)據(jù)做相同網(wǎng)格投影，從而完成“偏振交火”數(shù)據(jù)集生成?！捌窠换稹痹O(shè)計(jì)策略如圖3 所示。

圖3 “偏振交火”設(shè)計(jì)策略Fig.3 Design strategy of the PCF

2 “偏振交火”應(yīng)用方法

2.1 “偏振交火”載荷交叉定標(biāo)方法

與傳統(tǒng)交叉定標(biāo)類(lèi)似，同平臺(tái)雙偏振載荷間的輻射和偏振交叉定標(biāo)同樣針對(duì)兩載荷的共同觀測(cè)區(qū)域，在視場(chǎng)匹配和數(shù)據(jù)篩選基礎(chǔ)上，通過(guò)回歸建立從參考遙感器POSP 到目標(biāo)遙感器DPC 觀測(cè)結(jié)果間的擬合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)遙感器的定標(biāo)和驗(yàn)證。

具體方法流程如下：1）穩(wěn)定交火檢驗(yàn)。分析兩偏振載荷間的時(shí)間碼匹配精度和漂移特性，確保兩載荷觀測(cè)時(shí)刻存在穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定視場(chǎng)匹配的前提。2）視場(chǎng)匹配篩選?；赑OSP 實(shí)際空間響應(yīng)函數(shù)模型，建立POSP 與DPC 不同空間尺度的偏振載荷間的在軌視場(chǎng)匹配方法，實(shí)現(xiàn)雙偏振載荷間的穩(wěn)定視場(chǎng)匹配并分析匹配精度［22-23］。3）場(chǎng)景篩選與條件檢驗(yàn)。對(duì)DPC 觀測(cè)數(shù)據(jù)依次經(jīng)過(guò)場(chǎng)景均勻性篩選（7×7 DPC 像元，約25 km×25 km）、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及雙偏振載荷觀測(cè)幾何一致性控制，獲得局部同質(zhì)聚類(lèi)場(chǎng)景數(shù)據(jù)集，以減少2 個(gè)儀器之間的尺度差異和幾何失配的影響，提高兩載荷開(kāi)展交叉定標(biāo)/驗(yàn)證的數(shù)據(jù)值質(zhì)量。4）數(shù)據(jù)一致性轉(zhuǎn)換?？紤]兩載荷實(shí)際通道相對(duì)光譜響應(yīng)函數(shù)，在數(shù)據(jù)預(yù)處理中將其與太陽(yáng)光譜進(jìn)行卷積，降低兩載荷光譜響應(yīng)函數(shù)差異引入的一致性偏差［24］。5）交叉定標(biāo)/驗(yàn)證。以定標(biāo)后POSP 的觀測(cè)結(jié)果為橫坐標(biāo)，以相同波段和幾何條件下的DPC 觀測(cè)結(jié)果為縱坐標(biāo)，并考慮其光譜響應(yīng)函數(shù)的差異，獲得2 臺(tái)偏振和輻射數(shù)據(jù)相關(guān)性回歸曲線(xiàn)，得到絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)修正因子或偏振度期望誤差。

2.2 “偏振交火”載荷融合反演方法

2.2.1 大氣參數(shù)反演策略

國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星的“偏振交火”觀測(cè)，通過(guò)一個(gè)前向模型F來(lái)描述衛(wèi)星傳感器觀測(cè)結(jié)果對(duì)氣溶膠和地表等參數(shù)的依賴(lài)：

式中：y為對(duì)應(yīng)的觀測(cè)向量；?為誤差向量；x為包含需要反演的氣溶膠和地表等參數(shù)的基向量；F為對(duì)應(yīng)矢量輻射傳輸模型。

對(duì)于“偏振交火”L1 數(shù)據(jù)集，觀測(cè)向量的具體形式為

式中：λ2、λ3、λ4為對(duì)應(yīng)PCF 的3 個(gè)共有偏振波段（490、670、865 nm）；λ1為對(duì)應(yīng)一個(gè)非偏波段（443 nm）。

最優(yōu)化反演建模擬采用的代價(jià)函數(shù)為

對(duì)應(yīng)的梯度向量為

式中：xa為對(duì)應(yīng)基向量的先驗(yàn)參數(shù)向量；γ1、γ2分別為對(duì)應(yīng)觀測(cè)部分和先驗(yàn)部分的系數(shù)，用來(lái)進(jìn)一步調(diào)整兩部分對(duì)代價(jià)函數(shù)的貢獻(xiàn)比率。

進(jìn)行多參數(shù)反演，等價(jià)于對(duì)如下優(yōu)化問(wèn)題的求解：

式中：l、u為對(duì)應(yīng)的邊界約束條件，需要由先驗(yàn)知識(shí)來(lái)確定，擬引入含有約束的擬牛頓算法L-BFGS-B進(jìn)行優(yōu)化模型的迭代求解。

針對(duì)“偏振交火”觀測(cè)，擬采用的基向量的形式為

式中：擬反演的氣溶膠參數(shù)主要包括細(xì)模態(tài)和粗模態(tài)的氣溶膠體積柱濃度。可進(jìn)一步得到總光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）和細(xì)粒子光學(xué)厚度（Fine Aerosol Optical Depth，AODf），地表參數(shù)主要包括改進(jìn)的雙向反射率分布函數(shù)（Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF）模型參數(shù)k(λ)和2 個(gè)與波段無(wú)關(guān)的BRDF 參數(shù)k1和k2，1 個(gè)BPDF 模型參數(shù)C。

對(duì)應(yīng)采用的氣溶膠模型的向量b的形式為

式中：reff、veff分別為氣溶膠粒子的有效半徑和有效方差；mr、mi分別為復(fù)折射指數(shù)的實(shí)部和虛部；上標(biāo)f、c 分別為對(duì)應(yīng)的細(xì)模態(tài)和粗模態(tài)氣溶膠。

該向量b中包含了對(duì)傳感器的觀測(cè)有一定程度的影響參數(shù)，但不包含在基向量中的氣溶膠參數(shù)，需要根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行給定。

2.2.2 基于PMRS 模型的PM2.5反演策略

基于大氣顆粒物的邊界層高度、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)和粗細(xì)粒子比，可以建立一個(gè)基于物理機(jī)制的半經(jīng)驗(yàn)化的通用參數(shù)（PMRS）模型，實(shí)現(xiàn)從總的氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）到近地表細(xì)顆粒物（PM2.5）濃度的轉(zhuǎn)化。該參數(shù)化方案可以較好表征氣溶膠消光與質(zhì)量濃度、氣溶膠消光與體積濃度之間的非線(xiàn)性化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)將特定尺度的顆粒物與總懸浮顆粒物分離，以及近地表顆粒物的光學(xué)貢獻(xiàn)與氣溶膠光學(xué)厚度分離［25］。該參數(shù)化方案不依賴(lài)于地面PM2.5濃度觀測(cè)，對(duì)于沒(méi)有衛(wèi)星遙感地面觀測(cè)站的地區(qū)仍然適用。PMRS 模型為［16-17］

式中：模型中τAOD為氣溶膠光學(xué)厚度；FMF為細(xì)粒子比；VEf為PM2.5的體積消光比；ρf，dry為PM2.5的干質(zhì)量密度；g(H)為垂直分布模型，H為氣溶膠層高等效參數(shù)；RH為相對(duì)濕度。

以上關(guān)鍵輸入?yún)?shù)的不確定性會(huì)對(duì)PMRS 模型的精度產(chǎn)生影響，其基于“偏振交火”載荷的高精度反演對(duì)提高PMRS 模型的近地表顆粒物反演精度具有重要作用。基于“偏振交火”數(shù)據(jù)集的PM2.5反演框架，如圖4 所示。

圖4 基于“偏振交火”數(shù)據(jù)集的PM2.5反演框架Fig.4 PM2.5 retrieval framework based on the PCF data

3 初步在軌應(yīng)用

“偏振交火”的初步在軌應(yīng)用效果評(píng)估主要從L1級(jí)交叉定標(biāo)/驗(yàn)證和交火反演應(yīng)用兩個(gè)方面開(kāi)展。

3.1 L1 交叉定標(biāo)/驗(yàn)證結(jié)果

在軌“偏振交火”載荷“交火”工作模式下，一軌內(nèi)DPC 的時(shí)間碼匹配誤差小于0.5 ms 并趨于穩(wěn)定，顯示出“交火”模式下DPC 與POSP 能夠形成穩(wěn)定的匹配觀測(cè)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，利用視場(chǎng)匹配算法進(jìn)一步建立兩載荷間可靠的視場(chǎng)匹配關(guān)系。

提取DPC 和POSP 同波段圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)DPC圖像采樣時(shí)間和POSP 掃描點(diǎn)采樣時(shí)間，確定與DPC 某幀圖像關(guān)聯(lián)的POSP 穿軌方向掃描圈數(shù)據(jù)，再根據(jù)2 臺(tái)儀器間的視場(chǎng)關(guān)系確定DPC 重采樣范圍和權(quán)重，并在整個(gè)DPC 圖像范圍內(nèi)滑動(dòng)處理，得到不同起始像元處的DPC 重采樣結(jié)果，將結(jié)果與POSP 實(shí)際穿軌方向掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性評(píng)價(jià)，一致性評(píng)價(jià)最高處即為該幀DPC 圖像的匹配像元?；贒PC 數(shù)據(jù)（軌道號(hào)1 104）和同軌POSP 數(shù)據(jù)，采用每個(gè)波段所有幀參與匹配的DPC 圖像不同像元處的重采樣結(jié)果與對(duì)應(yīng)的POSP 星下點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，得到不同DPC 像元處的相關(guān)性熱度，如圖5 所示。

根據(jù)各波段最大相關(guān)性值所在像元的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算匹配像元平均位置與最大相關(guān)性值所在位置的歐式距離，得到DPC 與POSP 在443、490、670和865 nm 這4 個(gè)共有波段的星下點(diǎn)指向偏差依次為0.063、0.077、0.070、0.055 個(gè)POSP 像元，滿(mǎn)足0.15 個(gè)POSP 像元的匹配精度需求。在兩載荷場(chǎng)景篩選與數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，獲得輻射和偏振匹配數(shù)據(jù)集。對(duì)DPC 和POSP 輻射強(qiáng)度匹配數(shù)據(jù)集進(jìn)行線(xiàn)性擬合，如圖6 所示，得到的擬合斜率即認(rèn)為是DPC 實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)Ak修正因子CA［26］：

圖6 各波段DPC 和POSP 的表觀輻亮度線(xiàn)性擬合結(jié)果Fig.6 Linear fitting results of DPC and POSP normalized radiance in different bands

式中：IDPC為DPC 的觀測(cè)表觀輻亮度，其采用的絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)為實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)系數(shù)；IPOSP為POSP 觀測(cè)的表觀輻亮度，其輻射定標(biāo)系數(shù)采用星上輻射定標(biāo)結(jié)果。

圖6 和圖7 分別展示了雙偏振載荷間的輻射/偏振交叉定標(biāo)/比對(duì)結(jié)果。圖6 顯示的是經(jīng)兩載荷視場(chǎng)匹配和基于DPC 觀測(cè)數(shù)據(jù)的場(chǎng)景篩選后DPC和POSPL 1 產(chǎn)品匹配數(shù)據(jù)集的線(xiàn)性擬合結(jié)果，斜率即為DPC 絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)校正因子Ck。相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.999，均方根誤差（Root Mean Squared Error，RMSE）小于5‰，顯示了較高的線(xiàn)性和數(shù)據(jù)精密度。DPC 輻射交叉定標(biāo)不確定度主要包括3 類(lèi)誤差源分別為：POSP 輻射測(cè)量、POSP-DPC 傳遞過(guò)程誤差和DPC 輻射測(cè)量誤差。根據(jù)POSP 星上輻射定標(biāo)初步評(píng)估結(jié)果，4 個(gè)共有波段的輻射定標(biāo)誤差不超過(guò)3.1%，根據(jù)DPC 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，儀器非線(xiàn)性、非穩(wěn)定性誤差及帶外響應(yīng)等合成總誤差不超過(guò)1.1%。而交叉定標(biāo)傳遞過(guò)程誤差主要包括光譜響應(yīng)差異、觀測(cè)幾何誤差和場(chǎng)景匹配誤差等［27］，經(jīng)評(píng)估其合成總誤差不超過(guò)0.55%，該誤差相對(duì)于POSP 輻射測(cè)量誤差，可以完全可以忽略。

圖7 DPC 和POSP 共有偏振波段的線(xiàn)偏振度交叉驗(yàn)證結(jié)果Fig.7 Intercomparison results of DPC and POSP DoLP in common polarization bands

DPC 與POSP 載荷間線(xiàn)偏振度的對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7（a）～圖7（c）中散點(diǎn)圖顯示出DPC 測(cè)量的線(xiàn)偏振度落在期望誤差（EE=±0.02）內(nèi)的比例高于91%，RMSE、平均絕對(duì)誤差（MAE）、平均偏差（MB）和相對(duì)誤差（RE）分別如圖7（a）～圖7（c）所示，特別地，所有偏振波段的MAE 均小于0.009，顯示出DPC較好的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖7（d）～圖7（f）為兩載荷偏振測(cè)量偏差的統(tǒng)計(jì)分布，可以看出不同偏振度下的結(jié)果一致性較好。通過(guò)兩載荷偏振測(cè)量結(jié)果的交叉對(duì)比，結(jié)果顯示出DPC 偏振測(cè)量精度能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 初步反演結(jié)果

基于2022 年12 月的“偏振交火”載荷觀測(cè)數(shù)據(jù)反演的全球PM2.5空間分布如圖8 所示。可以看出，反演的全球陸地PM2.5的空間分布基本合理，其中PM2.5高值區(qū)域主要分布在中國(guó)東北地區(qū)和印度北部；中度PM2.5污染的地區(qū)有中國(guó)東部、非洲北部國(guó)家和南美洲太平洋沿岸國(guó)家；輕微PM2.5污染的地區(qū)有澳洲中部地區(qū)和墨西哥東部沿海地區(qū)。其中印度北部地區(qū)，如圖9（a）所示，主要是受城市地區(qū)快速工業(yè)化和鄉(xiāng)村地區(qū)生物質(zhì)燃燒的影響；中國(guó)華北地區(qū)，如圖9（b）所示，主要是受城市化和工業(yè)化的影響；澳洲中部地區(qū)，如圖9（c）所示，主要是受揚(yáng)沙天氣的影響。秘魯經(jīng)濟(jì)上形成了以利馬為依托的西部沿海城市群，PM2.5污染在一定程度是利馬的首都效應(yīng)，如圖9（d）所示。PM2.5全球空間覆蓋的不完整主要是由于AOD 反演的異常值以及氣象再分析數(shù)據(jù)中邊界層高度過(guò)低的影響。

圖8 “偏振交火”反演的全球PM2.5空間分布（2022 年12 月）Fig.8 Global spatial distribution of PM2.5 from the PCF retrieval framework（December 2022）

圖9 “偏振交火”反演的特征區(qū)域PM2.5空間分布（2022 年12 月）Fig.9 Spatial distribution of PM2.5 in the characteristic regions from the PCF retrieval framework（December 2022）

以中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站（http：//www.cnemc.cn/）發(fā)布的2 026 個(gè)PM2.5地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于2022 年12 月基于“偏振交火”載荷觀測(cè)數(shù)據(jù)反演的PM2.5數(shù)據(jù)做真實(shí)性檢驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果如圖10 所示，共有1 547 個(gè)樣本點(diǎn)。用于評(píng)價(jià)反演精度的指標(biāo)為皮埃爾森相關(guān)系數(shù)（R）、RMSE 以及落在期望誤差范圍內(nèi)的百分比，期望誤差為±(15 μg·m-3+30%)。

圖10 “偏振交火”反演的PM2.5驗(yàn)證Fig.10 Validation map of PM2.5 from the PCF retrieval framework

驗(yàn)證結(jié)果顯示，“偏振交火”反演的PM2.5與地面監(jiān)測(cè)的PM2.5之間具有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)（R）為0.684，RMSE 值為16.28，數(shù)據(jù)高達(dá)88.36%落入了期望誤差范圍之內(nèi)。這表明基于“偏振交火”技術(shù)生產(chǎn)的AOD 和FMF 產(chǎn)品在PMRS 物理模型下反演的PM2.5數(shù)據(jù)在中國(guó)區(qū)域具有較高的精度，顯示了較好的數(shù)據(jù)質(zhì)量和反演結(jié)果，初步達(dá)到了“偏振交火”的預(yù)期應(yīng)用目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首次針對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星上的“偏振交火”載荷設(shè)計(jì)和應(yīng)用策略進(jìn)行了介紹，并初步評(píng)估了在軌應(yīng)用效果，交叉定標(biāo)和“交火”反演結(jié)果均達(dá)到了預(yù)期應(yīng)用目標(biāo)，初步顯示了“偏振交火”方案在氣溶膠污染監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用潛力。但作為該方案的首次提出和應(yīng)用，在遙感應(yīng)用方法和在軌效果評(píng)估上仍有待進(jìn)一步深入探討和評(píng)估，在交叉定標(biāo)上將進(jìn)一步完善像元級(jí)的輻射和偏振交叉定標(biāo)，并開(kāi)展相關(guān)真實(shí)性檢驗(yàn)；在“交火”反演應(yīng)用上將進(jìn)一步完善物理機(jī)制反演PM2.5的方法，以及非物理機(jī)制的反演方法，開(kāi)展更廣泛的精度驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)近地表細(xì)顆粒物衛(wèi)星遙感的精度提升，充分發(fā)揮“偏振交火”衛(wèi)星遙感的應(yīng)用效能。