Spectral calibration algorithm for hyperspectral instrument

Abstract

Air pollution and air quality have been a main global issue since the polluting gasses including ozone, aerosols and their precursors are major risk factors for public health. Thus, understanding of air pollution including pollutant source, transport, and transformation from local to regional to global scales is required. With the development of hyperspectral instrument, the potential benefit of using satellites for monitoring air quality has been demonstrated. However, to date, all satellite sensors monitoring air quality have been in polar orbit platform. With the successful launch of the Geostationary Environment Monitoring Spectrometer (GEMS), it is possible to monitor the tropospheric air pollution with high performance in terms of spatial, temporal and spectral resolution. To accurately retrieve the primary products such as ozone, aerosols, and their precursors of GEMS by using the observed solar irradiances and Earth radiances, GEMS utilizes various inversion methods including Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) and optimal estimation method. On the other hand, as the amounts of retrieval products in the atmosphere are very small, precise spectral calibration is essential for reliable retrieval accuracy. Thus, in this study, an algorithm has been developed to calibrate measured solar irradiance and Earth radiances from GEMS. The calibration algorithm is based on nonlinear-least-squares-method, which is similar that implemented for previous hyperspectral programs. While the basic approach is the same, the algorithm configuration, including the spectrum fitting range, fitting parameters (shift, squeeze, etc.), are different. The calibration accuracy is highly dependent on the high-resolution solar reference spectrum and fitting parameters. For this reason, the study conducted a series of sensitivity tests for better understand the algorithm characteristics. The results indicate that the algorithm is highly sensitive to the uncertainties of high-resolution solar reference spectrum and the instrumental spectral response function. Thus, the study determined the most appropriate reference solar spectrum among a variety of reference solar spectra, and prepared an approach for the derivation of in-flight spectral response function using the observed solar measurements from GEMS. The improved algorithm is applied to the simulated GEMS irradiances and to the GEMS solar measurements. Compared with the reference datasets, the developed spectral calibration algorithm could significantly reduce the radiative uncertainty of GEMS solar measurements (by up to five times). In addition, through comparisons with other satellite solar observation data, the study confirmed that the algorithm performed well with accuracy of less than 0.002 nm. In order to investigate the spectral characteristics and radiometric stability of the GEMS measurements over time, the spectral shifts and on-orbit spectral response functions has been derived from the measured solar irradiances from 23 April to 16 November 2020. The spectral shifts show a quite stable behavior after the first two months, and its variability is also less than 0.002 nm. For all dates used, spectral resolutions and spectral samplings satisfies the requirements. In addition, the study shows the developed algorithm is an optimized and specialized algorithm for the GEMS by using Earth radiances and thermistor datasets of GEMS. Furthermore, in-orbit spectral performance and characteristics of GEMS are examined through this work. The results indicate that the in-flight GEMS spectral performance exhibits similar as analyzed by the prelaunch datasets. The developed spectral calibration algorithm and the accurate understanding of on-orbit spectral response function demonstrated in this study will be widely used in the future hyperspectral satellite missions. ;대기오염은 개인의 삶의 질에 영향을 줄 뿐만 아니라 공공 보건에도 상당한 악영향을 주고 있어, 대기 오염 물질의 배출원 및 수송, 화학적 변화에 대한 지역 규모 및 전 지구 규모의 정량적 분석 및 정보가 상당히 높은 관심을 받고 있다. 최근까지 고해상도 위성 센서를 이용한 대기질 감시는 대기오염 물질의 농도, 배출량 등의 정보 제공에 중요한 역할을 하였으나 모두 극 궤도 위성의 관측 자료라는 한계가 존재하였다. 그러나, 대류권 대기오염을 유발하는 대부분의 기체들의 특성을 고려할 때 대기오염 물질 농도의 일 변동을 관찰하는 것이 매우 중요하며, 이에 높은 시공간 해상도의 정지궤도 기반 관측 센서의 요구사항이 높은 상황이었다. 2020년 2월에 발사된 세계 최초 우리나라 정지궤도 환경 위성은 전례 없는 높은 시공간 해상도로 동아시아 지역의 대기질 감시에 핵심 역할을 할 것으로 기대된다. 환경 위성은 함께 탑재된 해양 위성 센서 및 2018년에 발사 된 기상위성 센서와의 융복합 활용을 통해 기상과 대기 화학 간의 상호작용, 국가 간 오염물질 수송에 대한 심도 깊은 이해가 가능하며, 추후 발사 예정인 유럽 및 미국의 환경 센서 관측 자료들과 함께 24시간 전 지구 대기질 감시가 가능할 것으로 기대된다. 이러한 상황에서 환경 위성의 성공적 활용에는 관측 자료의 정확도 확보가 필수적이며, 이에 초기 원시 자료의 정확도를 위한 다양한 보정 알고리즘이 마련되었다. 본 연구에서는 환경 위성 관측 자료의 분광 보정을 위한 알고리즘을 개발하였다. 분광 보정 알고리즘은 기본적으로 관측 자료와 기준 자료 간의 분광 비교를 통하여 파장의 변동을 보정하므로, 비교에 다양한 파라미터들을 필요로 한다. 이전 위성 센서의 분광 보정 방법들은 본 연구에서 개발한 분광 보정 방법과 기본적으로는 유사하나, 다양한 변수의 불확실성에 따른 분광 보정의 정량적 분석 없이 파라미터들이 구성되어 알고리즘의 이해가 부족한 상황이었다. 따라서, 본 연구에서는 파라미터들의 행태에 따른 알고리즘의 민감도를 분석하였다. 알고리즘의 정확도는 기준 자료를 생성하는데 이용되는 고해상도 기준 태양 스펙트럼과 센서의 기기 함수의 불확실성에 높은 민감도를 보였다. 따라서 연구에서는 분광 보정 알고리즘의 개선을 위하여 핵심 두 요소의 불확실성을 낮추고자 하였다. 일련의 고해상도 기준 태양 자료 중 가장 적절한 자료를 선정하였고, 운영 중 관측 자료를 이용해 센서의 기기 함수를 산출하도록 알고리즘을 개선하고 그 가능성을 평가였다. 개선된 알고리즘의 성능은 실제 환경 위성 관측 자료에 적용하여 평가하였다. 기준 자료들과 비교 시, 분광 보정의 효과는 분광 보정 전 자료의 복사 불확실성을 50%에서 10% 미만으로 최대 다섯 배 이상 낮출 수 있었다. 뿐만 아니라 복사 정확도가 높은 유사한 성능의 타 위성 태양 관측 자료와의 비교에서도 본 분광 보정 알고리즘이 잘 수행되며, 요구사항 0.002 nm 미만의 정확도를 확보함을 확인하였다. 시간에 따른 환경 위성 센서 관측 값의 분광 변동성 및 복사 안정성을 평가하고자, 2020년 4월 23일부터 11월 16일까지의 태양 관측 값의 분광 보정 및 기기 함수 산출을 통해 시간에 따른 환경 위성 센서의 관측 값의 특성 및 발사 후 운영 중 센서의 분광 특성을 분석하였다. 센서 관측 값의 파장 변동은 발사 전에 비하여 약 0.3 nm 이상 변동하나, 초기 두 달 이후에 상당히 안정적인 행태를 보이며, 변동성도 0.002 nm 미만으로 높은 안정성을 보이고 있다. 모든 관측 날짜에 대하여 분광 해상도는 평균 샘플링 0.198 nm, 반치폭 0.575 nm로, 요구사항인 샘플링 0.2 nm, 반치폭 0.6 nm 미만을 만족함을 확인하였다. 뿐만 아니라 환경 위성 센서의 다양한 온도 센서의 변화와 분광 변동을 살펴봄으로써, 분광 변동을 일으키는 핵심 하드웨어 요소가 FPA 온도 센서와 망원경 센서 온도라는 것을 보여줌으로써, 본 알고리즘이 환경 위성 센서의 관측 값을 위한 분광 보정 알고리즘이며, 하드웨어의 특성이 반영 된 분광 보정 값이 산출 됨을 확인하였다. 지구 관측 값에 대한 분광 보정 수행을 통해서는 일부 극 궤도 위성 센서에서 적용하고 있는 분광 보정 방안이 정지궤도 환경 위성 센서의 관측 모드와 정지 궤도의 특성을 고려하면 보정이 유효하지 않음을 증명함으로써, 본 알고리즘이 환경 위성 센서를 위한 특화된 알고리즘이라는 것을 재확인하였다. 기기 함수 역시 매일 관측되는 태양 관측 값으로부터 산출을 하였으며, 현재 환경 위성 센서의 복사 검보정이 완료되지 않은 점을 고려하여 발사 전 측정된 기기 함수와 운영 중 기기 함수의 특성이 유사함을 정량적으로 증명하였다. 본 연구를 통해 환경 위성 센서의 발사 후 분광 특성을 상세히 분석하였으며, 개발된 분광 보정 알고리즘 및 기기 함수 산출 기법은 향후 고해상도 센서들에 널리 활용될 것으로 기대된다.