陆地生态系统碳监测卫星多角度偏振成像仪细粒子气溶胶反演

细粒子气溶胶光学厚度是大气环境监测、气候变化评估所需的关键参数。对2022年8月发射的陆地生态系统碳监测卫星(CM-1)上搭载的多角度偏振成像仪(DPC)进行了较为系统的介绍。DPC/CM-1的主要改进是星下点空间分辨率从3.3 km提升到2.4 km。针对DPC/CM-1载荷及数据特点,发展了基于偏振与光谱特征和空间纹理特征的云检测方法,同时耦合了多角度信息实现较严格的云像元判识。该方法对于沙漠、植被、丘陵,以及海表耀光及非耀光区域等不同下垫面,均有较好的检测效果。发展了基于改进气溶胶模型的细粒子气溶胶光学厚度(FAOD)反演算法,利用全球地基气溶胶观测网(AERONET)数据对FAOD反演结果进行了验证,拟合直线斜率达到0.95以上,且有接近73%的数据分布于期望误差以内,说明了反演算法的可靠性。FAOD反演结果清晰显示出全球FAOD空间分布特征,其中,印度、非洲中部等地区受人口分布、工/农业排放、生物质燃烧等影响,FAOD高值达到0.7~0.9。DPC/CM-1在轨测试期间的初步反演结果表明其在大气环境监测、污染传输分析等方面的潜力,能够提供更精细尺度的大气参数反演结果。

高分五号02星多角度偏振成像仪在轨辐射性能初步评价

2021年9月我国成功发射的高分五号02星[GF-5(02)]上搭载有多角度偏振成像仪(DPC)和高精度偏振扫描仪(POSP),组成了“偏振交火”观测方案。为评价GF-5(02)卫星DPC传感器的在轨辐射性能,基于2022年1月DPC和POSP观测数据,采用海洋瑞利散射和“偏振交火”交叉定标两种方法,实现了DPC在轨绝对辐射定标和视场内相对辐射一致性检验。结果表明,DPC/GF-5(02)在轨后的绝对辐射和相对辐射响应较发射前的实验室定标结果均未发生明显改变,在轨前后各波段绝对辐射系数差异均小于5.3%,视场内相对辐射响应变化均小于2%。其中,443nm波段瑞利散射和“偏振交火”交叉两种方法获得的绝对辐射定标系数一致性较高,偏差约为2%;而490nm和670nm波段两方法定标结果偏差较大,偏差分别为7.4%和7.7%。整体上,DPC/GF-5(02)在轨后的辐射稳定性优于DPC/GF-5。

多角度偏振成像仪探测器非均匀性校正研究

像面非均匀性与镜头、探测器组件、空间杂散光、温漂等多种因素相关,单一方法无法有效区分误差源,需逐一校正,针对偏振成像仪通过积分时间调整的在轨工作模式,研究基于多参量校正补偿的探测器非均匀性校正方法.通过探测器综合测试设备,获取温度、暗电流、曝光时间、光谱响应率等敏感因素数据,经过暗电流、帧转移效应、温度补偿和环境参量的校正,对探测器非均匀性进行多点法校正,消除了像面低频不均衡响应差异和邻域高频差异.实验表明,95%满阱单帧数据像元响应不一致性由1.141%降至0.513%,校正后数据噪声表现为散粒噪声,校正后有良好的动态范围调节能力和线性度,基于多参量的非均匀性校正方法为仪器的定标校正和在轨快速计算提供了数据支撑,为后续偏振遥感仪器提供有效参考.

基于云偏振的偏振成像仪参量检验方法

依据云偏振辐射传输仿真结果,选取具有偏振虹特性的水云作为实验目标,对关键偏振参量的空间环境适应性进行检验。针对偏振成像仪宽幅成像特点,通过云相态识别大面积水云,使用水云不同检偏方向的测量数据,根据仪器偏振辐射模型,对相对透过率、起偏度参量进行检验。计算结果表明:相对透过率变化小于0.2%,光学镜头起偏度变化小于0.01,仪器状态稳定,同时验证了偏振成像仪通过云偏振特性对云相态的辨识能力。检验方法及结果可为偏振成像仪在轨检测、定标提供依据,为使用多角度偏振数据的云反演应用提供参考。

基于虚拟仪器技术的激光雷达测量控制平台

虚拟仪器具有性能好、集成度高、界面友好,控制方便、扩展性强等特点。设计了一个基于虚拟仪器技术的激光雷达控制平台,把激光雷达控制、检测、数据分析单元有机地组合在一起,通过计算机虚拟面板操作雷达系统控制、俭测和数据处理单元,使得激光雷达控制更为方便安全,信号分析更加实时有效,建立了激光雷达的通用信号平台。

大视场偏振成像仪的相对辐射校正研究

设计了基于单像元辐射响应模型的相对辐射校正方法和流程。依据信号还原入射光的反演顺序,分析非均匀性干扰信息,依次对探测器、空间杂散光、起偏度和光学系统相对透过率进行校正。在轨测试期间,设计了基于沙漠场反射率法的多角度观测数据快速检验方法,满足了大视场偏振成像仪的相对辐射性能检测需求。实验数据表明,单点相对辐射响应差异均小于4%,相对辐射校正方法合理有效。相对辐射校正和在轨快速检验的方法为相关大视场偏振成像仪的研制和在轨辐射定标提供了参考。

大功率半导体激光器驱动电源

根据半导体激光二极管的工作特性,设计了一种以VICOR电源为功率模块,以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为大功率变换器件的大功率激光二极管驱动电源。该驱动电源电路简单,能有效地抑制电源的浪涌冲击,保证了激光二极管不受外界的电干扰。在线保护机制可实时对半导体激光器工作监控,半导体激光器的慢启动电路、温控电路保证了半导体激光器安全工作。该电源已应用于机载激光雷达样机系统中,通过一年多的使用,半导体激光二极管工作正常,性能稳定可靠。

激光测高仪高斯回波分解算法

地球表面地形的复杂多样可对激光测高仪回波波形产生显著影响,造成多峰叠加形状,该波形通过经典的阈值比较或重心点等算法很难精确得到激光足印内每个反射面的海拔高度。通过高斯分解法把测高回波波形分解成一系列连续的高斯波形,通过拟合得到每个高斯波形的宽度、中心点、幅度等基本参数来估计激光足印内起伏地形的不同反射面的海拔高度。将该算法应用于激光测高仪原理样机,并通过采集不同地形的多模回波数据对该算法进行了验证。

高精度激光近炸引信阈值电路设计与应用

设计了一种适合激光近炸引信的小体积新型高精度时刻鉴别电路,采用偏置开关补偿技术来抵消因电荷积累造成的过零点漂移，即依据激光回波幅度来决定偏置电压大小。分析了改进的恒比定时方法的时刻鉴别误差，并进行了详细测试，实验结果表明：信噪比大于20时，输入信号为0.2～2.134 V，既在20.12 dB动态范围内，由输入信号幅度变化和噪声变化引起的时刻鉴别误差小于125 ps，信噪比大于60时，误差小于100 ps。最后将该时刻鉴别电路应用于整机系统中进行实际检测，激光重复频率20 kHz条件下，20 m的作用距离范围内单次定距标准偏差为1.45 cm，极大提高了激光近炸引信的定距精度。

星载激光测高仪大气传输延迟对测距精度的影响

地球表层的大气折射可对激光测高仪的激光脉冲传输造成延迟,该延迟对激光飞行时间的测量精度以及地球表面三维轮廓的监测造成显著影响。因此,激光测高仪测距精度需要通过大气传播误差函数进行修正。着重讨论了激光脉冲基于天顶延迟的计算方法和相关映射函数模型的选择,并采用NMF连分式映射函数分别对干项和湿项进行计算。结果表明,在1.064μm波长,指向角偏差不超过10°的激光测高仪系统中,干项延迟可达2.35 m,为主要误差源,湿项延迟变化从1~4 mm不等,基本可以忽略。

基于FPGA的星载激光测高仪飞行时间测量

激光测高仪是通过测量激光脉冲的飞行时间来获得测高仪与测量目标之间的距离,因此激光飞行时间测量的准确性是衡量其系统能力的根本指标。研制了在星载激光测高系统中基于单芯片现场可编程门阵列(FPGA)的激光飞行时间测量模块。该模块采用高频计数法结合数字内插法的技术,且单片FPGA的使用提高了激光测高仪的距离分辨率、缩短了测量时间,同时大大简化了电路结构和系统体积,受外界环境干扰小,十分符合星载激光测高要求。最后通过地面检测,整个系统在500km范围内一般条件下获得±50cm的测高精度。

多波长、大工作面折-衍混杂f-θ镜头设计

目前国内用于激光扫描系统的f-θ镜头的工作面积一般不超过350mm×350mm。国外虽有面积较大的f-θ镜头,但结构相当复杂。为了能够得到工作面积大而且结构相对简单的f-θ镜头来满足扫描系统的要求,利用二元光学元件的特殊色散性质,设计了工作于808～1064nm波段的折-衍混杂f-θ镜头,激光扫描范围为450mm×450mm。它由四片两种普通玻璃球面透镜构成,光学筒长不到120mm。该镜头结构简单紧凑,单波长工作时聚焦性能达到衍射极限、线性畸变小,能够满足现代多工作波长激光扫描系统的实际需求。

基于FPGA的相位式激光测距系统中信号源的研制

提出在相位式激光测距系统中以FPGA代替专用DDS芯片作为信号源的方法,并对在FPGA中实现DDS功能及其外围硬件实现作了具体阐述,最后系统验证信噪比可达60 dB以上。它比传统的相位测距拥有更好的信号源、频率转换率、以及更低的功耗和更小的体积。

多波长透射式扩束器设计

从像差理论出发,通过实例介绍了扩束器的具体设计过程,并给出了物镜通光口径为200mm、焦距400mm、视场为2m rad、放大倍率为40倍和主工作波长为0.6328μm的扩束器结构参量,通过改变目镜与物镜间距还可以对波长0.532μm和1.064μm的激光进行同倍率的扩束,在应用时不必重新设计扩束器或目镜系统即可以对这三种波长进行扩束,使用方便,也节约成本。

激光测高仪中雪崩光电二极管的探测性能分析

光电探测器是影响激光测高仪探测性能的重要器件。为了使探测器性能保持最佳状态,采用了近似算法进行分析。该算法使用近似分布函数来模拟探测器的输出,推导出虚警率与阈值门限和倍增因子三者之间的函数关系,找出虚警率、阈值和增益之间的最佳结合点。实验表明,根据该方法设计的激光测高仪探测器接收电路,可使探测概率和回波信噪比有显著提高。这一结果对激光测高仪目标特性的回波分析和地形地貌3维轮廓重建有很大帮助。

一种基于宽带低噪声THS4012运放的激光测高仪前置放大电路设计与实现

激光测高仪依靠回波信号包含的信息来反演地面目标的物理特性,因此必须保持回波信号的保真度和高信噪比。通过选择合适的探测器、设计与探测器匹配的放大电路、设计可以最大信噪比提取信号并保持滤波信号波形的滤波器来达到系统指标。讨论了激光测高仪前置放大电路的设计原则,分析了测高系统中对放大器选择的要求.实验表明,所设计的前置放大电路可以有效地满足设计要求。

激光测高系统中基于GP1的飞行时间测量

激光测高仪是测量激光脉冲的飞行时间来获得测高仪与探测目标之间的距离,因此激光飞行时间测量的准确性是衡量其系统能力的根本指标．采用了一种专用的时间数字转换芯片设计了时间间隔测量模块,它采用延时线技术,测量频率快,时间分辨率高,受外界环境干扰小,完全适合激光测高的要求．在给出软硬件实现方法的同时,也给出了测量结果．

迫弹激光引信用脉冲半导体激光电源的设计与应用

设计了适应于迫弹激光近炸引信的小体积、低电压、窄脉宽、高功率的脉冲半导体激光电源。采用电容充放电的模式,选用高速大功率MOSFET管作为开关,设计了相应的高速开关控制电路。激光电源模块的重复频率高达50 kHz,常规热电池供电电压条件下的输出脉冲激光峰值功率为9 W,光脉冲上升沿为4.2 ns,光脉宽为10 ns,为有效提高迫弹激光近炸引信定距精度和抗阳光、烟雾等干扰提供了保证。

基于低空成像信息的热红外成像仿真研究

提出了一种由低空飞行获取的以红外图像为数据源的中远红外仿真方法。首先通过大气辐射传输模型计算出测量条件下的程辐射和大气透过率,反演出地面温度,然后再由大气传输模型计算出仿真条件下的程辐射和大气透过率,并仿真卫星高度下的红外图像。以飞艇为平台,并搭载中远红外成像系统进行飞行,对获取的数据进行仿真模拟。试验结果表明,这种利用大气辐射传输模型和基于低空成像信息的遥感图像仿真方法可以用于模拟相同地区相同波段范围的卫星图像。

APDL和UIDL在主镜支撑优化中的应用

运用大型通用有限元分析软件ANSYS提供的APDL语言和UIDL语言对主镜进行参数化建模并提供交互界面,可以主动输入主镜几何参数和材料参数等来改变模型,并对在自重变形下的主镜背部支撑位置进行了优化分析。整个建模分析过程表明通过使用APDL语言对主镜进行参数化建模和优化分析,可以比较不同支撑点、不同材料的主镜自重变形情况,大大提高了建模速度,极大地提高了分析效率,对相关设计人员有很好的借鉴作用。