基于WRF模式高光谱分辨率测温激光雷达系统分析

为了解析大气瑞利-布里渊散射光谱并获取0 km~16 km的大气垂直温度廓线,采用基于菲索干涉仪结合光电倍增管阵列的高光谱分辨率测温激光雷达(HSRL)对不同季节环境下的温度反演能力及系统误差进行了理论分析,得到了利用大气瑞利-布里渊散射光谱在结合Tenti S6模型进行拟合的情况下,不同的大气模型对温度廓线拟合的影响结果。结果表明,使用US76大气模型结合Tenti S6模型,经10000次脉冲积分后,在0 km~16 km范围内的最大随机误差为1.1 K;使用天气预报模式(WRF)提供的温压场代替US76模型的温压场进行模拟,随机误差随季节略有不同,春季不超过0.65 K,夏季不超过0.98 K,秋季不超过0.59 K,冬季不超过0.63 K;使用WRF模式进行HSRL系统探测能力评估结果优于使用US76的评估结果,若精选不同天气类型,该方法还可以拓展到评估不同季节下HSRL的随机误差,体现了将WRF模式用于HSRL评估的优势。该研究为HSRL测温系统在不同季节下的工作能力评估提供了参考。

大气遥感高光谱分辨率激光雷达研究进展

高光谱分辨率激光雷达由于可实现对大气参数的精确反演,在大气遥感领域具有较好的发展前景。介绍了高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶、大气温度以及风速的基本原理以及目前国内外的研究进展,并重点介绍了高光谱分辨率激光雷达系统中的鉴频技术、激光技术、锁频技术以及数据处理技术等几项关键技术。

光谱分辨率对黑土有机质预测模型的影响

高光谱遥感以其高光谱分辨率适于反射光谱特征复杂的地物识别与参数反演,但对于反射光谱特征平滑的地物,高光谱数据可能存在数据冗余问题。本研究对实验室测定的黑土高光谱反射率进行重采样,基于统计分析方法研究了光谱分辨率对黑土有机质预测模型精度的影响,结果表明:黑土有机质含量高,土壤有机质的光谱作用范围宽(445～1 380nm);黑土有机质光谱预测模型精度随光谱分辨率降低,呈现先增后减的趋势,最优模型的光谱分辨率为50nm,低于高光谱遥感波段设置,略高于多光谱传感器波段设置;黑土有机质光谱预测最优模型以倒数对数微分为自变量,模型决定系数R2=0.799,RMSE=0.439,研究成果为土壤有机质遥感反演、光谱速测仪器的研制,以及传感器波段设置提供理论基础与技术支持。

紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶的技术实现和系统仿真

多纵模高光谱分辨率激光雷达是一种新型的高光谱分辨率激光雷达.本文在研究典型高功率Nd:YAG脉冲激光器的多纵模模式及其在大气中传输的气溶胶米散射和瑞利散射光谱的基础上,设计紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达系统,采用窄带干涉滤光片滤除太阳背景光的影响,设计可调谐马赫-曾德尔干涉仪,分离提取多纵模激光回波中的气溶胶米散射和瑞利散射光谱,并利用马赫-曾德尔干涉仪双通道输出的互补性原理,精确反演气溶胶光学参量.系统仿真结果表明,所设计的紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达能够实现10 km高度内的气溶胶光学参量精细探测.

Sagnac棱镜角公差与干涉光谱仪光谱分辨率的关系分析

根据干涉成像光谱仪光谱分辨率对角向差的要求,通过对实体Sagnac干涉仪结构和光路进行分析,从三个相互垂直的方向出发,研究了光谱分辨率和棱镜角公差之间存在的关系;并推导了满足光谱仪光谱分辨率要求的实体Sagnac干涉棱镜的角公差公式;用实例说明了关系式的应用方法,如果不考虑棱镜变形引起的色散及棱镜的面型误差和付氏镜的残余像差的影响,而只考虑棱镜的角误差对光谱分辨率的影响,则通常情况下干涉棱镜的角公差要求较严,约20″以内·

高光谱分辨率激光雷达同时测量大气风和气溶胶光学性质的模拟研究

提出一套高光谱分辨率激光雷达 (HSRL)系统 ,用于同时测量大气风和气溶胶的光学性质。该HSRL系统中使用碘分子滤波器分离分子和气溶胶后向散射 ,同时利用双边缘检测技术测量大气风场引起的多普勒频移。文中选用合理的HSRL参数和大气模型数据 ,模拟和分析了HSRL的测量性能。系统夜晚运行时 ,可测量 2 0km以下的大气风速和气溶胶 ,风速误差小于 2ms- 1 ,气溶胶的后向散射系数相对误差小于 30 %。在白天工作时 ,相同误差下的可探测高度为 1 0km。模拟分析结果表明 ,该HSRL雷达有较大的应用前景 ,对天气和气象研究等有重要意义。

小型高光谱分辨率光栅单色仪的研制

单色仪是成像光谱仪进行光谱连续定标的必备设备,为了对高光谱成像光谱仪进行连续光谱定标,设计了一种轻小型高光谱分辨率的光栅单色仪。采用水平式Czerny-Turner光路结构,以高光谱分辨率为出发点,通过推导计算,从光栅选型、焦距计算、狭缝尺寸的确定等方面详细论述了光栅单色仪的设计思路,给出仪器的重要必要结构参数,并论述了这些结构参数对仪器光谱分辨率和体积的影响。根据光栅单色仪的光路特点,对入射狭缝组件、准直物镜组件和成像物镜组件、扫描结构、机身等进行轻小型机械结构设计,并给出正弦杆扫描机构的结构参数与仪器输出波长和波长扫描精度的数学关系,完成了仪器的整体结构设计和装调。应用汞灯可见光光谱进行波长定标,采用最小二乘法得到定标曲线,并提出步进数极限误差与定标曲线相结合的方法,求得仪器的波长重复性和波长准确度;仪器在400~800nm波长范围内,光谱分辨率优于0.1nm,波长重复性达±0.096 6nm,波长准确度达±0.096 9nm。

一种高效计算高光谱分辨率红外大气辐射传输的方法

传统的大气辐射传输计算方法受计算资源和效率的限制已无法满足星载高光谱分辨率红外大气遥感资料处理的需要,基于单色波长辐亮度计算加权组合的方法,开发了一种快速准确的高光谱分辨率红外大气辐射传输的计算模型FFRTM_IR.利用FFRTM_IR模型,针对研制中的FY-3D红外高光谱大气探测仪(HIRAS)的光谱指标,模拟计算了仪器的观测通道亮温,并用独立样本对模拟亮温进行了验证和比较,结果显示:FFRTM_IR对HIRAS所有通道的模拟亮温偏差均小于0.06 K,标准差有效控制在0.1 K以内;在同等计算精度下,FFRTM_IR的计算速度略快于目前国际上通用的快速辐射传输计算模型CRTM.利用FFRTM_IR模型,采用解析计算方法可以进一步得到温度廓线、水汽廓线、二氧化碳、臭氧廓线以及地表参数的雅克比矩阵,计算结果与扰动法计算结果一致性较好,有较高的计算精度.计算和分析结果表明,初步建立了一种高效的红外大气辐射传输计算模型,可用于星载高光谱红外大气探测仪器的观测仿真和资料处理.

基于高光谱分辨率激光雷达的气溶胶分类方法研究

气溶胶是影响气候变化和空气质量的重要因素,对气溶胶作用的量化分析依赖于气溶胶光学性质及其垂直剖面的精细探测。高光谱分辨率激光雷达利用窄带光学滤波器,可在光谱上实现对分子散射和气溶胶散射的分离,从而在不需假设气溶胶激光雷达比的情况下,独立获取气溶胶消光系数和后向散射系数。文中基于高光谱分辨率激光雷达技术,开展气溶胶分类方法研究。根据已有的气溶胶分类研究结果,给出基于气溶胶光学参数的分类方法,并建立气溶胶分类查找表。利用高光谱分辨率激光雷达于2015年春季在青岛地区测量的气溶胶消光系数、后向散射系数和退偏振比,参照建立的气溶胶分类查找表,实现了对气溶胶的分类识别,并用HYSPLIT轨迹模式、NAAPS气溶胶模式进行了印证。个例研究结果表明该方法能够实现对气溶胶类型的正确识别。

高光谱分辨率激光雷达探测大气透过率

研制了一台基于种子注入激光器和碘分子吸收滤光器的高光谱分辨率激光雷达。介绍了该系统的基本原理、数据反演方法和系统结构。分别在有云天气和沙尘天气时进行了高光谱分辨率激光雷达探测大气透过率的实验,并与用常规Fernald方法反演的结果进行对比。观测结果显示,不同种类的气溶胶粒子以及云具有不同的物理和光学性质,Fernald方法中假设的激光雷达比往往不符合实际情况,因此会产生较大的测量误差。而高光谱分辨率激光雷达可以利用分子散射和气溶胶散射的谱宽不同,将两种信号分离探测,避免了假设激光雷达比,从而实现大气透过率的高精度定量探测。

大气气溶胶光学参数的高光谱分辨率激光雷达探测研究

系统地介绍了国内第一台基于碘吸收滤波器的高光谱分辨率激光雷达系统,及有关的数据处理和测量结果.该系统以种子激光注入的窄带Nd:YAG激光器作为发射光源,利用碘吸收滤波器作为高光谱分辨率滤光器件,将接收到的激光后向散射信号分成能量监测和光谱监测两个探测通道,实现对大气气溶胶散射和分子散射的光谱分离.在没有其他假设、仅利用标准大气模型计算结果的情况下,直接测量得到气溶胶后向散射比、后向散射系数.与以往米散射激光雷达大气气溶胶参数提取方法如Klett方法相比,该测量方式无须激光雷达比即气溶胶消光系数对后向散射系数之比的假设.

一种光谱分辨率可调的新型空间调制傅里叶变换光谱仪

调整光谱仪的光谱分辨率,可使光谱仪在满足不同目标测量需求的同时,减少数据采集、处理和存储的时间,提高仪器的整体性能。为克服传统傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率固定的缺点,提出了一种分辨率可调的空间调制傅里叶变换光谱仪。介绍了该新型光谱仪及其干涉仪的工作原理,利用光线追迹的方法推导了光程差和横向剪切量的计算公式,并分析了新型干涉仪的光程等效模型。在此基础上,分析了光谱分辨率的调节原理。结果表明,该光谱分辨率可调的新型空间调制傅里叶变换光谱仪克服了传统光谱仪分辨率固定、稳定性差等缺点,具有分辨率可调、高稳定性、结构灵活和易于装调等特点。该研究内容为分辨率可调的干涉光谱仪的设计提供了理论基础,扩展了傅里叶变换光谱仪的实用范围。

微小型光栅光谱仪光学系统的特点与光谱分辨率的提高

微小型光谱仪的设计制作可以采用多种方法,其结构特点和光谱分辨率也各不相同,目前实用高光谱分辨率微小型光谱仪采用的是光栅色散型光学系统。简要回顾了微小型光谱仪的发展过程,分析了典型的光栅色散型微小型光谱仪采用的光学系统,如基于罗兰圆的光学系统,基于Czerny-Turner的光学系统的特点,总结了提高微小型光栅光谱仪光谱分辨率采用的方法和技术,特别是解决光谱仪的微小型化和光谱分辨率之间的矛盾以及测量光谱范围和光谱分辨率之间的矛盾的方法,从而为新型微小型光谱仪的研制提供经验和借鉴。

高光谱分辨率横向剪切静态干涉光谱仪

提出一种基于新型的分光方法的横向剪切分束器,分析了该分束器结构的分光原理,并对其用于干涉光谱仪中的效果进行了分析计算·该分束器同体积条件下较目前的分束器可以产生十倍以上的剪切量,应用到干涉仪中可以在获得高光谱分辨率的同时不增大仪器的体积和重量·同时,该分束器分光时,无光能返回光源,较Sagnac型分束器对光能的利用率提高了近一倍;相对变形Mach-Zehnder型结构易实现实体化·

矿区植被重金属胁迫高光谱分辨率数据分析

研究矿区植被重金属胁迫,植被反射光谱测量必不可少。用成像光谱仪野外测试江西德兴铜矿区典型植被的冠层反射波谱曲线,利用导数光谱评价植被“红边”位置。分析得知,植被红边“蓝移”,最大“蓝移”达11nm。根据红边位置与叶绿素含量的正相关关系,并结合铜矿区地质、地貌特点以及开采情况,初步断定铜矿区植被主要受到重金属胁迫而且胁迫程度与植被冠层重金属含量也呈正相关关系。这可作为高光谱分辨率遥感技术在矿区植被修复方面的决策支持和参考依据。

高光谱数据光谱分辨率对矿物识别的影响分析

本文针对光谱分辨率对矿物识别的影响进行了实验,在 JPL-1光谱库中选择了6种含不同离子团的矿物光谱曲线,利用 ENV14.2对其进行重采样,模拟不同光谱分辨率条件下得到的光谱曲线.分别运用图示和 SAM 法进行定性和定量的分析,并将重采样的物质特征光谱在不同的光谱范围内与原光谱进行比较,通过分析各种矿物不同光谱分辨率条件下的光谱特征,得到的模拟实验结论,可以为用于地质调查的成像光谱仪在光谱分辨率的确定和优化等方面提供理论基础和技术支持。

Fourier变换光谱学的一种光谱分辨率增强方法

本文提出了一种基于特征值分析与线性拟合 (EALF)的超分辨率谱估计方法。其实质是在光谱的Fourier变换域内进行信号处理 ,以使复原谱的分辨率突破仪器函数的限制。EALF由总体最小二乘参数估计、特征值分析频率估计和最小二乘拟合振幅估计三个步骤来实现。本文将介绍EALF谱估计的原理 ,通过仿真实验验证原理的正确性 ,讨论关键技术 ,并总结EALF相对于其他Fourier变换光谱分辨率增强技术的主要优点。

大气海洋高光谱分辨率激光雷达鉴频特性研究

统一分析大气海洋高光谱分辨率激光雷达(HSRL)的鉴频性能,能够为大气海洋的联合探测研究提供帮助。提出了一种基于视场展宽迈克尔逊干涉仪(FWMI)鉴频器的大气海洋HSRL系统和算法,用于反演海水和大气颗粒的180°体积散射系数。该系统的核心在于采用混合-分子双通道接收信号,其中分子通道利用FWMI鉴频器滤除颗粒信号,透过分子信号。研究表明,反演误差会随着颗粒散射比(总180°体积散射系数与分子180°体积散射系数之比)增大而线性增大,而光谱分离比(分子与颗粒透过率之比)的提高能够显著抑制误差的增长趋势。因为海洋的分子散射与颗粒散射在光谱上更加分离,因此FWMI在海洋HSRL上的鉴频能力高于大气HSRL。所提的基于FWMI的HSRL系统能够工作于水体和大气中,对大气海洋激光雷达的性能提升有重要的意义。

超光谱分辨率紫外双通道共光路成像光谱仪设计

针对超光谱分辨率成像光谱仪多通道探测需求,本文设计了一种超光谱分辨率紫外双通道共光路成像光谱仪。该成像光谱仪望远系统采用视场离轴的离轴三反结构,分光系统采用了具有小型轻量化优点的改进型Offner结构。通过对Offner光谱仪结构的理论推导,得出了满足超光谱分辨要求的双通道共光路Offner初始结构参数。为了提高成像光谱仪的成像质量,在Offner结构中引入弯月透镜,并对系统进行逐步优化。最终得到的双通道共光路成像光谱仪工作波段为280~300 nm和370~400 nm,在奈奎斯特频率为27.8 lp/mm时,双通道的调制传递函数(MTF)均优于0.8,全视场均方根半径(RMS)均小于9μm,光谱分辨率均优于0.1 nm。本文研究对天基超光谱探测成像光谱仪小型化、集成化设计具有重要意义。

光谱分辨率对地物分辨能力的影响分析

对高光谱数据进行地物识别处理时,如果直接采用原始观测值进行分析,由于相邻波段之间相关性强,进行地物识别时需要大量的训练样本,而且对于一些分布较少的地物类别则无法处理,因此需要通过特征选择来消除数据中存在的冗余,提高数据分析效率。本文针对在不同光谱分辨率条件下,对典型地物分辨能力的统计,分析了光谱分辨率对地物自动识别能力的影响情况。同时通过模拟数据的办法比较了高光谱数据和多光谱数据(以TM数据为例)对地物光谱特征的描述能力,指出高光谱数据存在的优势。通过本文的研究,为高光谱遥感技术在地物自动识别方面的应用提出了初步的方向。