多谱段全日面极紫外成像仪

在极紫外波段对太阳进行成像观测是研究太阳活动、日冕中等离子体物理特性的重要手段.传统极紫外成像仪或光谱仪无法同时实现高光谱分辨率和大视场的太阳成像.本文设计了一种新型太阳极紫外多谱段成像系统,采用无狭缝光栅分光方式实现了高光谱分辨率和空间分辨率的全日面成像,成像视场可达47',光谱分辨率每像素2×10^(-3)nm,空间分辨率每像素1.4',全日面时间分辨率优于60s.通过分析谱线的全日面成像图和系统响应,表明成像仪能大范围的观测太阳活动形态演化,为太阳物理研究和空间天气预报提供更完整的观测数据.

基于中阶梯光栅的波长定标方法研究

波长定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础。针对星载大气微量成分探测仪视场大、波长宽、空间分辨率和波长分辨率高的特点,建立了基于中阶梯衍射光栅的波长定标装置。中阶梯光栅因其较少的线密度和较大的闪耀角工作在较高的闪耀级次,光谱范围宽且具有较高的分辨率,可在工作波段内一次性输出多条分布较为均匀的谱线,克服了传统定标方式的缺点,提高了定标精度。本文首先介绍了波长定标装置的工作原理,接着利用该装置对高光谱大气微量成份探测仪进行波长定标,通过寻峰和回归分析给出载荷的波长定标方程,并利用标准汞灯谱线对定标结果进行检验。结果表明:高光谱大气微量成份探测仪的像元和波长近似满足线性分布规律,定标不确定度为0.025 8 nm,汞灯特征谱线的定标值和标准值偏差最大不超过0.043 5 nm,证明了定标结果的准确性。

星载高光谱成像光谱仪狭缝函数测试方法的研究

为了满足大气微量成分高精度测量需求,需要能准确描述星载高光谱大气微量成份探测仪的仪器狭缝函数。针对高光谱大气微量成份探测仪视场大、波段宽、空间分辨率和光谱分辨率高等特点,研制了狭缝函数测量仪。介绍了狭缝函数测量仪的工作原理及基本结构,并利用狭缝函数测量仪可同时实现高分辨率、宽谱段测量的特点,通过搭建定标装置,对高光谱大气微量成份探测仪进行全视场的狭缝函数测试,得出了仪器狭缝函数的数学表达式,给出仪器狭缝函数的特性分布,并对结果进行分析。测试结果表明:高光谱大气微量成份探测仪全视场光谱分辨率在0.423~0.597nm之间,其狭缝函数特性曲线近似满足高斯分布规律。由于星载大视场成像光谱仪存在光谱弯曲现象,从而导致边缘视场分辨能力略低于中心视场分辨能力。狭缝函数测量仪是基于中阶梯衍射光栅设计,可同时输出多条高分辨率谱线,且分布均匀,不仅可以测量高光谱成像光谱仪的仪器狭缝函数,也可对星载高光谱仪器光谱定标,为后续研究提供了参考依据和方法。

宽谱段高光谱成像仪星上波长定标方法

高光谱成像探测仪在轨波长漂移和性能衰变是有效载荷在轨长期工作必须解决的问题。利用太阳辐射光谱和大气后向散射辐射光谱中特有的Fraunhofer吸收线可作为星上波长定标的基准。针对波长定标精度需求,优选出高精度的太阳参考光谱,用仪器狭缝函数卷积后初选出87条Fraunhofer吸收线,并分析了由Fraunhofer吸收线分布非均匀性引起的系统误差,以及由仪器探测能力不同而产生的随机误差。综合最大偏差和RMS,确定了在满足定标精度优于0.01 nm的条件下,可用的76条太阳Fraunhofer线的精确位置。该研究为高光谱成像探测载荷在轨高精度波长定标奠定了基础。

SOLYS Gear Drive太阳跟踪器的控制系统设计

太阳跟踪研究的发展,向太阳跟踪器的控制系统智能化提出了更高的要求;以SOLYS Gear Drive太阳跟踪器为仪器平台,创新性地提出利用路由器建立控制主机和太阳跟踪器在局域网内,以及局域网和互联网之间的通信,并以虚拟仪器开发软件LabVIEW为软件平台,综合调用百度地图应用程序接口API和指令脚本文件,设计了一套控制系统。实现对仪器的状态监测,指令控制,远程访问等;系统功能丰富,操作简单,界面可视化好,普遍适用性强。

消谱线弯曲PGP型成像光谱仪系统设计

针对棱镜-光栅-棱镜(PGP)型成像光谱仪谱线弯曲(Smile)难校正的问题,提出了一种利用狭缝离轴和减小第一块棱镜顶角,再结合会聚镜畸变校正PGP型光谱仪谱线弯曲的方法。该方法在保留了PGP型光谱仪的布拉格(Bragg)衍射和系统共轴等优点的基础上,校正了光谱仪的谱线弯曲和色畸变(Keystone)。在相同的技术指标下,对传统型和改进型PGP模型做了谱线弯曲对比。为了验证该方法的可行性,设计了一款光谱分辨率为2.8 nm的光谱仪,点列图均方根(RMS)半径小于8μm,满足成像质量要求,Smile为1.50μm、Keystone为3.52μm,均小于0.2倍像素。设计结果表明,通过减小棱镜顶角校正中心波长的Smile,利用狭缝离轴实现光谱仪系统共轴,利用会聚镜畸变校正剩余波长的Smile可以有效校正PGP型光谱仪的谱线弯曲。

科学级光学CCD像素非均匀性的测试

像素非均匀性是CCD成像性能评价中的一个重要指标,反映的是像素结构本身的差异。传统的以灰度值为基础计算DSNU和PRNU的方法未能考虑读出电路引入的时域噪声,且计算时未剔除不同像素曝光时间不同带来的误差,计算结果也只适用于某个具体曝光量。在分析CCD信号流的基础上,厘清灰度值不均匀的影响因素。参考DSNU和PRNU的计算方法,再结合帧转移型CCD的工作方式,提出了设置多档曝光时间,每档曝光时间下采集多帧暗(亮)图像,再通过拟合求得暗电流("暗电流+光电流")后并以之为基础计算暗电流非均匀性DCNU和光电流非均匀性PCNU的方法。同时,建立CCD像素非均匀性测试系统,验证其光源的稳定性和均匀性,以排除采集图像过程中测试系统引入的时域和空间误差。在此测试系统的基础上,利用新方法测得CCD的DCNU为25.51 e^-/pixel·s^(-1),PCNU为0.98%。相比于传统的DSNU和PRNU值更准确地反映了CCD像素结构的非均匀性,所得结果更具普遍适用性。

紫外-可见光吸收性气溶胶地基监测系统

为综合利用太阳直射和天空散射等自然光源对吸收性气溶胶进行地基监测,研制了基于被动光学遥感技术的监测系统。系统硬件主要包括双通道望远镜及太阳跟踪器,实现对太阳直射光和天空散射光的交替收集;探测器实现分光和采集;控制器进行系统的运行控制;电控箱装载电源模块和采样电路。软件上基于LabVIEW设计了仪器的控制系统,并利用CCD的感兴趣区技术对紫外-可见光光谱分别采集。实验表明,该系统能够实现对太阳直射和天空散射的自动化地基观测,并能得到紫外-可见光波段有效的光谱数据。

地基紫外吸收性气溶胶监测仪电子学系统

为利用紫外-可见光连续光谱对气溶胶进行观测,研制了基于被动光学遥感技术的地基紫外吸收性气溶胶监测仪。介绍了仪器的电子学系统,硬件上包括望远镜、控制器、探测器和电控箱4个部分,软件上基于Lab VIEW设计了仪器的控制系统,并采用CCD的局部感光技术对紫外-可见光光谱分别采集。实验表明,该电子学系统能够实现地基紫外吸收性气溶胶监测仪的自动化观测,并能得到紫外-可见光波段有效的光谱数据。

对流层臭氧卫星遥感反演综述

臭氧是地球大气中最重要的痕量气体之一,在气候变化和生态环境中均扮演着至关重要的角色。对流层臭氧作为光化学烟雾的重要成分之一,其浓度变化与人类活动息息相关。基于卫星遥感技术监测对流层臭氧浓度可以帮助我们更好地发现和定量解释对流层臭氧在不同季节、不同时刻以及不同区域的变化特征,探讨臭氧在对流层中的成因机制。随着卫星遥感技术的全面发展,臭氧遥感产品(例如臭氧总量、廓线等)无论在产品精度或是时空分辨率方面均取得了显著进步,然而,由于受较弱卫星信号与复杂下垫面的影响,对流层臭氧遥感产品精度仍无法满足目前对流层大气成分的精细化科学应用研究。主要围绕对流层臭氧卫星遥感,回顾和分析了臭氧卫星遥感载荷的发展历程和现状,结果表明国内外已基于不同谱段(紫外—可见光、热红外和太赫兹)实现了全球及区域臭氧的时空分布探测;讨论了基于不同技术遥感反演算法(直接与间接反演、多波段联合反演、天底—临边协同反演、基于机器学习技术的创新算法等)的特点及适用性,分析表明算法精度的提升包括从复杂大气背景下的辐射传输模拟、基于地面观测的先验信息优化以及仪器定标与信噪比等多方面的工作;展望了卫星遥感在全球和区域尺度提供可靠对流层臭氧观测数据的应用前景,为对流层臭氧污染的形成机理、人类活动与气候变化如何影响对流层臭氧浓度变化等方面的研究提供关键数据支撑。

狭缝匀光器对遥感光谱仪探测精度的研究

对星载仪器的回传数据进行分析,发现空间场景不均匀现象会造成光谱响应函数(ISRF)的“漂移”,从而影响探测数据精度。提出通过光学元件平衡了ISRF“漂移”的问题--狭缝匀光器。概述了光线在狭缝匀光器中的传播过程,建立了合理的光学模型,利用近场衍射原理解释其传播过程并分析了狭缝匀光器的光学特性。整个狭缝模型由数学软件和光学软件进行仿真模拟及数理分析,得到狭缝匀光器匀光效果的具象表示。通过光学模型表示了入瞳场景与狭缝匀光器匀光效果之间关联,研究不同入瞳场景中痕量气体排放点位置和覆盖面积的不同对狭缝匀光器提升探测精度的影响,量化了不同入瞳场景下光谱仪系统ISRF的变化,并提出一种提高探测精度的方法。

羽流紫外辐射监视单元光学系统设计

为了在卫星姿态调整时监测羽流紫外(UV)辐射,需要研制紫外宽波段、大视场、小尺寸的光学系统。根据紫外成像的基本原理,提出了采用融石英和氟化钙(CaF2)两种光学材料实现大视场、大光圈的初始结构,给出了一种焦距为25mm,视场为40°,光圈F值为2的全球面光学系统的方案。利用光学设计软件Zemax和Code V对光学系统进行优化,得到满足要求的紫外成像物镜。系统各个视场的弥散斑直径小于11μm,探测器特征频率在40lp/mm处,各个视场的传递函数大于0.6,满足加工和状态的要求。与其他紫外成像物镜相比,系统实现了大视场、大光圈,且各镜面全部为球面,有效降低了成本,缩短了加工周期。

星载成像光谱仪退偏器的设计及测试

为保证星载成像光谱仪测量结果的准确性,设计了双巴比涅退偏器。首先利用电磁波理论及光波传输理论分析了双巴比涅退偏器的工作原理,接着根据偏振光在双折射晶体中的传播公式设计出适当的该退偏器的楔角,最后搭建一套偏振测试装置,对研制完成的双巴比涅退偏器的退偏性能进行测试。测试结果表明:该双巴比涅退偏器在-15~15℃入射角范围内具有较好的退偏性能。退偏器楔角选择6°时,能在不影响成像质量的前提下较好地对探测波段退偏,且退偏度不受方位角及频率的影响,退偏度优于99%。该退偏器具有退偏度高、透射比高、性能稳定、体积小等优点。由于测量系统误差,测量不确定度为0.00290。

共轴PGP型光谱仪的玻璃选择与优化

针对棱镜-光栅-棱镜(PGP)型成像光谱仪装调难度大的问题,通过校正PGP成像光谱仪色差的方法保证探测器像面与光轴垂直,并设计了一款宽波段复消色差的PGP系统。从宽波段复消色差理论出发,计算了三种玻璃材料组合理论色差的最小值,为光学设计的复消色差提供了理论支持。利用光学设计软件优化得到的初始结构,结果表明,PGP系统的二级光谱得到了很好的校正,且探测器的CCD无需倾斜,更方便后期装调。覆盖谱宽为400~1000 nm,视场为9.2 mm,空间分辨率优于10μm,光谱分辨率优于2.8 nm,光学传递函数大于0.7,接近衍射极限,满足成像要求。

狭缝离轴校正透射式光谱仪谱线弯曲

为了有效校正透射式色散型成像光谱仪系统的谱线弯曲,提出了一种基于狭缝离轴的畸变补偿方法。该方法首先假设中心波长谱线弯曲得到校正,计算出色散元件的入射角随狭缝长度的变化关系;接着对狭缝进行离轴处理,利用准直镜的畸变得到色散元件的目标入射角,从而校正中心波长的Smile畸变(谱线弯曲),剩余波长的Smile畸变和Keystone畸变(色畸变)向外弯曲,整体呈枕形畸变;最后使用会聚镜的畸变校正剩余谱线弯曲。利用该方法设计了一款反射光栅型成像光谱仪,在各项参数满足设计要求的同时,利用准直镜畸变校正了系统的谱线弯曲,基于该设计研制了原理样机,系统Smile畸变最大为12.9μm,Keystone畸变最大为6.4μm,测试结果满足系统的设计要求,证明了该方法的可行性。

光谱仪会聚光路中退偏器的设计方法

为了降低光谱仪的偏振敏感度,提出了一种在会聚光路中设计退偏器的方法。该方法首先将系统的望远镜和准直镜视为辅助光路,使得光束的偏振状态可以用Stocks矢量来表示;然后使用Mueller矩阵来表示元件的偏振特性,并推导出了基于Mueller矩阵的系统偏振敏感度模型;最后利用多重多元回归分析来提升Mueller矩阵的计算速度与精度。基于该方法设计了一款放置在会聚光路中的改进型退偏器,系统的偏振敏感度小于1%,像点分裂距离小于8μm,该结果满足设计要求,验证了该方法在会聚光路中设计退偏器的有效性。

气溶胶探测仪CCD成像系统的设计

设计了吸收性气溶胶探测仪CCD成像系统,该系统的硬件包括驱动时序电路、预处理和模拟前端电路、电源管理电路、FPGA主控单元,以及Camera Link通信电路等。提出一种带有反向转移的驱动时序来消除帧转移过程的残余电荷,并对该CCD成像系统性能进行测试验证。实验结果表明,该成像系统能稳定输出14 bit图像数据,帧频为1.8 frame/s,最短曝光时间为17.28 ms,非线性度误差为1.68%,当曝光饱和度为80%时,成像信噪比为54.36 dB,CCD可探测信号的动态范围为61.55 dB,可满足探测仪输出稳定、时间分辨率高、线性性能优、信噪比高、信号动态范围大的工作需求。