临近空间紫外辐射环境及影响因素研究

临近空间的紫外辐射对天体生物学、飞行器材料等产生重要影响,为加深对其的认知,基于OH与O3的光化学关系改变紫外辐射强度的原理,利用戈达德地球观测系统—化学模型对中国区域临近空间OH与O3浓度的时空变化特性进行分析。根据OH和O3浓度的变化,利用对流层紫外和可见光辐射传输模型对紫外B波段辐射进行模拟计算,揭示了高度在22~42 km之间的辐照度在3.43~16.15 W·m^(-2)之间;华北区域、华中和华南区域以及南海区域等的辐照度呈现出双峰和振荡相结合的特征,辐照度极值出现的月份在各区域并不一致;受O3吸收作用影响,辐照度的年较差最大值2.29 W·m^(-2)出现在华北区域的32 km高度处,最小值0.53 W·m^(-2)为南海区域的42 km高度处;辐照度变化最为剧烈的情况均出现在22 km高度处,可达2.42%~32.79%。结果表明在不同条件下紫外辐射对天体生物、飞行器材料等的影响与作用程度存在很大差异,在开展相关的研究时须具有针对性。

基于GMI数据的植被荧光反演研究

太阳诱导叶绿素荧光直接指示植被生理状态,而植被作为重要的碳汇,若能利用温室气体卫星遥感数据反演出植被叶绿素荧光,则对于分析大气温室气体源、汇具有重要意义。利用氧气吸收线拟合法,基于GF-5卫星“大气主要温室气体监测仪(GMI)”及美国OCO-2遥感数据,针对亚马逊森林、撒哈拉沙漠和非洲草原地区2019年1月和7月GMI卫星遥感数据开展了叶绿素荧光反演研究,并将结果与OCO-2数据荧光产品进行对比分析。反演结果表明:以OCO-2荧光产品为基准,在三个研究区域的两个研究时段内,GMI数据能够较好地反演叶绿素荧光强度。

空间外差光谱仪定标方法研究

空间外差光谱仪(SHS)是近年来迅速发展起来的新型超光谱分析技术,但针对该项技术的定标研究方法还不成熟。本文在分析空间外差仪原理的基础上,探讨了SHS实验室定标方法,内容包括光谱定标和辐射定标。利用可调谐激光器与元素光谱灯,根据光谱带宽内的发射谱线所对应的波长,以及探测器尺寸与系统带宽之间的关系,设计了光谱定标方案。定标结果显示仪器光谱分辨率和光谱范围与理论设计值一致,通过多次光谱稳定性测试,光谱漂移较小。在辐射定标中,利用积分球系统进行了稳定性定标,利用标准灯和漫反射板完成了响应度定标,并利用定标系数进行了实例验证。定标结果显示该方法能够满足空间外差光谱仪定标要求,为获取的光谱数据进行定量反演奠定了基础。

新型超光谱大气CO_2遥感探测技术

论述了空间外差光谱技术在大气CO2超光谱遥感探测中的应用。分析了高精度大气CO2遥感探测所需的光谱波段、光谱分辨率以及信噪比等重要指标,以此为设计依据,开展了大气CO2空间外差光谱仪核心元器件指标的计算。利用Y-12飞机进行航空验证实验,分别采集了农田、工业区、沙滩区域的CO2吸收光谱数据,并开展了数据处理,获取了机载平台下的CO2精细吸收谱线。初步的反演结果表明空间外差光谱技术能够满足大气CO2等温室气体的遥感探测灵敏度要求。

超光谱大气CO2监测仪光谱定标误差修正

超光谱大气CO_2探测需对遥感器进行精确表征及定标,其中光谱定标工作最为基础。针对传统实验室定标方法获取的波长定标系数不确定度高等特点,开展基于气体吸收法原理的光谱定标误差修正研究,该方法与仪器使用状态一致,提高了定标系数实用性。首先利用辐射传输进行了理论光谱及误差因素模拟计算,并基于大气环境模拟定标仓开展了大气XO_2吸收光谱测量实验,最后采用LM算法进行光谱误差修正迭代优化。光谱定标误差修正结果表明:光谱偏差均值由修正前的0.03 cm^(-1)下降到修正后0.008 cm^(-1),且系统性与突变性误差得以剔除,大大提高了地面光谱定标精度,为后续温室气体反演奠定了基础。

空间外差光谱技术及其在大气遥感探测中的应用

基础研究表明大气微量气体成分的精确反演需要超高分辨率光谱数据,空间外差光谱技术是近年来得以迅速发展的新型超光谱分析技术,综合了光栅及傅里叶变换光谱技术的特点。对空间外差光谱技术基本原理进行了分析,阐述了空间外差干涉数据复原光谱信息流程。针对大气主要温室气体CO_2开展空间外差光谱技术在大气遥感探测方面的应用研究,通过地基遥感观测实验,分析空间外差光谱系统的探测灵敏度,验证超光谱数据对大气微量气体浓度变化检测能力。实验表明空间外差光谱技术在大气遥感探测尤其是微量气体成份探测中具有针对性和优越性。

空间外差光谱仪系统级平场校正方法研究

空间外差光谱仪单独进行面阵探测器校正无法满足系统级响应非一致性校正需求,传统均匀光源照射和列平场等方法对空间外差光谱仪并不适用。首先简要阐述了空间外差光谱仪传统挡光臂平场方法原理,指出传统挡光臂平场方法存在测量单臂数据在光栅胶合后与实际干涉数据不匹配的问题,不匹配形式包括像元级、亚像元级平移和旋转。针对实验室现有实验装置分析了平场系数配准精度的影响,通过分析单臂数据不同偏移量与光谱偏差之间的定量关系,得出本实验装置平场系数的配准精度需要优于0.1像元。根据配准需求,采用对数—极坐标变换求出旋转角度和相位相关方法进行像元级平移量计算,通过基于矩阵乘法的DFT实现亚像元级平移量的估算。最后总结了系统级平场方法的流程,利用实验室装置对空间外差光谱仪系统级平场方法进行了验证,通过对光栅位置的微量调整模拟实际胶合后干涉仪整体状态,对模拟胶合后数据采用平场校正流程与单臂数据完全匹配下校正后的光谱对比显示,二者之间光谱平均偏差为0.6%,与不校正时4.1%的光谱偏差相比,校正后光谱复原精度大大提高,为后续进一步数据处理奠定基础。

空间外差光谱技术仿真研究

针对空间外差光谱技术(SHS)仿真研究,本文介绍了不同特征光谱光源的仿真计算。根据空间外差光谱仪的基本原理和系统结构特点,以及SHS系统参数与光谱干涉的调制关系,分别对单色光谱、连续光谱进行了理论仿真探讨,并且分析了不同带宽和采样间隔对仿真结果的影响。此外,采用空间外差光谱仪实验台装置获取实测数据,并与仿真结果进行对比分析。实验结果表明理论仿真数据和实测数据能够很好的吻合,能够为实际工作提供有益的参考,同时为SHS系统的设计和改造提供必要的依据。

基于Snakes模型的高分辨率遥感影像城区道路提取方法研究

基于主动轮廓模型(Snakes)理论研究了高分辨率遥感影像道路的提取。针对高分辨率遥感影像中道路特征,通过改进现存方法得出更为适合道路提取的主动轮廓模型,并利用其完成道路提取工作.通过对1m分辨率的IKONOS影像进行实验,结果表明该方法能够较好地提取出城市高分辨率影像中弯曲道路的完整对称边缘信息.

遥感影像中城市道路的提取

阐述了城市遥感影像中道路提取的特点,以及当今道路特征提取的一些研究成果。根据城市道路的特点,设计了根据植被指数先提取道路两旁的植被方法,通过面积阈值和形状指数阈值剔除图斑,以及应用数学形态学,对图像进行细化,可以提取道路目标。实验结果证明这一方法的正确性。

多普勒非对称空间外差干涉仪调制度分析

多普勒非对称空间外差光谱仪是近年得以迅速发展的新型中高层大气风场探测仪器,具有视场展宽、大光通量、高光谱分辨和多谱线同时探测等特点。该仪器的干涉调制度是影响风场反演精度的关键指标。文章基于非对称空间外差光谱技术基本原理,推导了干涉仪视场展宽前后的干涉理论积分公式,分析了干涉调制度与仪器视场角、最优光程差的关系,通过对干涉方程中像元采样积分推导得到干涉调制度与采样间隔的理论形式,仿真了干涉调制度与仪器视场角、最优光程差和采样间隔的定量关系曲线,并通过实验室搭建试验装置对分析结果进行验证。研究结果表明:随着非对称空间外差干涉仪视场角和光程差偏置量的增加,干涉调制度降低;调制度沿着波数增大的方向上升,在同一波数处,随着采样间隔的增加,干涉调制度降低。理论分析和试验测量结果调制度最大偏差0.02,分析与实测结果一致性较好。

大气主要温室气体监测仪在轨观测数据质量分析

大气主要温室气体监测仪(greenhouse gases monitoring instrument,GMI)是国际上首台基于空间外差光谱技术体制的温室气体卫星载荷,于2018年5月28日成功开机观测。对GMI开机后获取的在轨观测数据进行了质量分析,将各光谱通道干涉图与地面测试数据进行了对比,分析了零光程差点、调制度等指标。利用研发的GMI地面预处理系统,对干涉数据进行了光谱复原和定标系数加载,分别将温室气体吸收辐亮度光谱数据与理论模拟光谱以及GOSAT实测光谱进行了对比分析。此外,选择不同时刻温室气体光谱观测数据,对光谱和辐射稳定性进行了分析。通过对GMI在轨观测数据的分析,表明载荷光谱分辨率、信噪比、探测灵敏度、光谱稳定性、辐射稳定性等指标均达到了理论设计值要求,整体性能达到了国际先进水平,为下一步生产高精度温室气体数据产品奠定了基础。

通过检测框图确定表格倾角的直线检测新方法

本算法利用数字影像中直线段的结构特征高效地检测出表格的一条边框线,并由此获得所需的角度值。这一算法也可以用于快速检测其它影像中较长的直线段。

非解析复变电力系统电压稳定的动态分析方法

由于电力系统是非解析复变系统,节点电压不是负荷电流的解析复变函数。在复数域内,节点电压不能直接对负荷电流求导,所以尚没有文献应用动态分析方法研究电力系统的电压稳定性。提出非解析复变电力系统的动态分析方法,定义电力系统综合动态等值阻抗,证明电力系统达到极大传输功率的必要条件是系统综合动态等值阻抗模等于负荷静态等值阻抗模。仿真计算表明:电力系统极大传输功率的必要条件是正确的;阻抗模裕度最小值决定系统电压稳定整体水平,重点监控最小阻抗模裕度节点的电压稳定水平最有价值。动态分析方法为进一步建立电力系统非线性等值模型及应用非线性等值模型快速准确计算极限潮流提供了理论基础。电力系统极大传输功率判据也可用于判断大规模电力系统潮流解是否可行。

空间外差光谱仪成像光学系统设计

为满足高光谱傅里叶变换光谱仪对高光谱分辨率、小畸变、像面光谱辐照度均匀、高信噪比以及仪器轻量化小型化的要求,设计了空间外差光谱仪成像光学系统。基于傅里叶变换的空间外差光谱仪空间干涉的特点和对成像系统缩放比、畸变等要求,依据干涉图调制度分析了最恶劣面形改变条件下对干涉仪元件面形误差的要求,并采用前后镜组匹配实现了双远心成像系统的设计。设计结果表明:该光学结构可避免调焦产生的成像系统缩放比改变,有效视场内畸变量<0.1%,传递函数在38.5 lp/mm处物面所有点全视场范围≥0.60。依据仪器视场角对滤光片安装位置和精度提出要求,并对成像系统进行杂散光和照度均匀性分析提出有效抑制杂散光的措施和方法。系统设计满足了空间外差光谱仪对成像的要求,实现了照度均匀、低畸变、离焦情况下缩放比保持不变等。

非对称空间外差光谱技术研究

传统空间外差光谱技术存在光谱分辨率、光谱范围与探测器象元数之间的制约关系。非对称空间外差光谱技术相比传统空间外差光谱技术主要区别在于增加单臂光栅到分束器的距离,能够在系统参数不变的情况下大大的增加光谱分辨率。首先阐述了非对称空间外差光谱技术的基本原理,并给出相应的系统参数计算公式推导结果,从理论上推导出单臂光栅偏置量增加和光谱分辨率增加之间的关系。偏置量作为非对称空间外差光谱技术的重要参数,受短双边象元数和光谱分辨率需求的制约。根据实验室现有实验平台参数,给出偏置量选择原则及结果。在元器件参数相同的情况下,分别计算了两种形式的理论光学性能参数,并且进行了仿真验证,得出非对称空问外差光谱仪与传统空间外差光谱仪光谱范围相同,但具有更高的光谱分辨率,并且分辨率提高与偏置量增加关系与理论计算相符。最后通过单色光扫描方法对非对称空间外差光谱仪实验室装置进行光谱范围和光谱分辨率的定标,定标结果与理论计算值吻合较好。

用于风场探测的非对称空间外差干涉数据处理方法研究

利用非对称空间外差光谱技术和多普勒效应,通过测量中高层大气气辉谱线的干涉图,采用傅里叶变换的方法求解相位,获得大气的风速信息。分析了干涉数据的处理方法,并针对干涉相位的求解进行推导。相比于传统观空间外差数据处理,不仅要考虑噪声和系统误差,而且要考虑用于光谱隔离的窗函数引入的相位误差。通过软件模拟了窗函数的类型和窗长度对干涉数据和风速误差曲线的影响;在此基础上选择合适的窗函数模拟了对干涉图添加噪声和平场因子情况下的风速反演误差。结果说明,虽然窗函数造成了干涉图和相位的畸变,但是使用汉宁窗在合适的光程差处能够使其引入的误差低于5%;同时,噪声的仿真说明,风速误差随着系统噪声的增加而增大,在实验过程中控制噪声以及实验数据预处理对于控制风速精度的必要性。数据处理方法的研究和相关的仿真,对于提高空间外差风速测量精度及系统设计提供了理论参考,具有一定的指导意义。

空间外差干涉光谱仪仪器线型函数测量新方法研究

空间外差干涉光谱技术是近年发展起来的新型静态超分辨光谱分光技术,仪器线型函数是其基本性能参数之一,代表了仪器的光谱分辨能力,需要精确表征。在分析仪器线型函数影响因素(切趾、有效视场角与离轴像元效应)以及测量方法与测量光源等特殊性要求基础上,提出了一种可调波长单色面光源的全新测量方法,并利用可调谐激光器与消散斑积分球等设备搭建了测量实验装置。在仪器线型函数测量实验中,通过选取光谱范围内的典型谱段进行高光谱(0.1nm步长)扫描,经过干涉数据误差修正、光谱复原以及坐标归一化等数据处理过程,获取了仪器线型函数的能量分布形式。此外,利用全光谱范围内扫描的干涉数据,得到仪器线型函数的全峰半宽随波长的变化规律曲线。最后,将本方法获取的实测仪器线型函数与模拟光谱(LBL计算)进行卷积获取理论谱,并与地基探测实验获取的实测大气CO2吸收光谱进行比对分析,两者吻合一致,验证了本方法获取的仪器线型函数具有较高的精度。

温度对星载空间外差干涉型光谱仪性能的影响

为研究温度对星载空间外差干涉型光谱仪性能的影响,分析了温度变化对光谱仪中准直镜头、成像镜头以及干涉仪组件各光学系统组成部分性能参数的变化关系,建立了温度对光谱仪谱线漂移影响的模型,通过软件仿真和热光学实验对理论模型进行了验证。结果表明,良好的镜头光学设计方案可有效避免星载环境下温度对镜头组件光学性能的影响,干涉仪组件温度变化会使系统基频变化直接导致光谱谱线的漂移,同时温差过大会对光谱仪光谱分辨率产生影响,使光谱谱线发生变形。针对星载空间外差干涉型光谱仪中干涉仪组件的温控条件,应依据基频、结合光谱分辨率和带宽等性能指标提出严格的温控范围。

非对称空间外差光谱仪风场模拟探测实验研究

针对已搭建的非对称空间外差光谱仪开展地基风场模拟探测研究,验证该仪器进行中高层大气风场的探测精度水平.介绍了非对称空间外差光谱技术进行风场探测的基本原理以及研制的光谱仪基本性能参数,设计了风速模拟装置开展风场模拟探测实验,并对风速模拟过程中电机转速、安装机械角度、转盘半径测量值、光线入射角度等不确定因素进行了分析和计算,该装置模拟的理论风速误差不高于1.3%,能够满足风场模拟探测验证要求.利用该风速模拟装置并通过调节不同电机转速实验,获得了模拟风速在34.19~78.63m/s内的24组测量数据,模拟覆盖了中高层大气风速范围,对测量数据进行误差修正及风速反演处理,非对称空间外差光谱仪实测风速结果与理论模拟风速对比后得出了风速误差标准差3.28m/s的风速探测精度,有效验证了非对称空间外差光谱技术开展风场探测具有相位灵敏,精度高等特点.