基于叶绿素荧光诱导动力学曲线的光合作用参数反演算法研究

快相叶绿素荧光诱导曲线中蕴含着丰富光合作用信息。该信息可以反映出植物的生存状态、病理以及受到胁迫时的生理变化趋势等多种信息。通过采集藻类荧光及诱导光信号,拟合快相叶绿素荧光动力学曲线。基于最小二乘拟合方法,提出自适应最小误差逼近的方法对快相叶绿素荧光动力学曲线进行多元非线性回归拟合,实现Fo(固定荧光)、Fm(最大荧光产率)、σPSII(PSII的功能吸收截面)等细节参数的反演。实现了蛋白核小球藻光合作用参数反演,并实验了在Cu2+胁迫环境下,蛋白核小球藻的生理变化趋势。

机载紫外DOAS成像光谱仪CCD成像电路的设计及实施

机载紫外DOAS成像光谱仪通过获取大气与地表的折射或散射的紫外光辐射,监测大气痕量气体的分布与变化,其电子学部件的重要组成部分为CCD成像电路。采用帧转移型面阵CCD-47-20为图像传感器,以现场可编辑门阵列(FPGA)为核心控制器的成像电路模块,设计并实现了一套完整的机载紫外光谱仪成像系统。CCD成像电路完成包括CCD驱动时序电路、CCD数据采集电路,接收CCD模拟图像信号产生数字图像信号,将数字图像信号通过差分芯片驱动以低压差分信号(LVDS)传输给机载通讯系统等功能。讨论了机载紫外成像光谱仪的设计过程,并重点讨论了CCD成像电路的设计过程。设计的机载紫外DOAS成像光谱仪系统成像分辨率为0.286°。实验证明满足大气污染气体的观测需求。

基于FPGA的星载步进电机控制电路设计

针对航天设备在轨运行时间长、不易更换的特点,提出了一种力矩宽且范围可调的步进电机控制电路设计。该电路原理样机以Xilinx公司的XC3S400pq-208型FPGA为核心控制芯片,以LMD18200为步进电机驱动芯片。在对电路总体设计进行介绍的基础上,重点阐述了航天过程中步进电机阻力矩增加的问题,以及通过脉冲频率和PWM控制技术调节输出力矩的方法。试验结果表明,力矩可调范围的最大值能够使力矩裕度达到4,匹配步进电机在轨运行过程中的力矩要求。

集成相关双采样A/D芯片在星载设备中的应用

随着航天遥感载荷的日益复杂,CCD成像电路中相关双采样芯片(CDS)和通用A/D芯片构成的模数转换电路已不能满足要求。提出了基于集成相关双采样电路和A/D电路的单芯片(AD9814)CCD模数转换电路方案,用于星载光谱仪设备。介绍了该方案的芯片选择、软硬件设计和实验电路构建,并进行了相关实验,结果表明此光学系统的信噪比优于12 bit,AD981.4的抗辐照指标为15 krad,所提出方案可用于航天工程。

快速光脉冲藻类光合作用测量方法的激发条件研究(英文)

激发光强和激发持续时间是快速光脉冲藻类光合作用测量方法的关键实验条件.通过光脉冲激发实验,定量分析了不同平均激发光强下还原态初级电子受体的比例和发生再氧化的初级电子受体的比例.结果表明:快速光脉冲激发的最佳平均光强为30 000μmol quanta·m-2·s-1,最佳激发持续时间为70μs;30 000μmol quanta·m-2·s-1平均激发光强能够在70μs内还原96.08%的初级电子受体,且仅9.81%的初级电子受体发生了再氧化.

基于FPGA的LVDS转千兆以太网适配器的设计及应用

星载光谱仪的数据接口为LVDS接口,为快速地将其转换为地面民用设备,设计了LVDS转千兆以太网适配器。适配器采用FPGA为主控芯片,接收光谱仪发送的串行的图像数据,并将其封装为以太网帧格式,然后通过网口芯片传输给上位机;同时适配器接收上位机发送的命令数据,并转发给光谱仪。实验结果表明,适配器在传输速率为43 Mbit/s时,连续运行48 h,误码率为0,在实验室条件和自然条件下均能稳定传输数据,可作为光谱仪的转换接口。

一种长周期和大倍频系数条件下的数字锁相环

遥感设备需要配备高精度的本地时钟源与卫星平台时钟同步,数字锁相环设计是时钟同步和倍频的关键技术,而长周期输入信号和大倍频系数从两方面增加了设计难度。设计了一种针对秒脉冲同步和10000倍倍频条件下的数字锁相环,通过建立Z域模型和S域近似分析了其响应特性,用现场可编程门阵列予以实现.实验表明,本设计实现的数字锁相环最短可以在5个输入时钟周期内进入锁定状态,稳定工作时每秒累积误差小于0.1 ms,在实际应用中可以稳定输出本地时钟,满足遥感设备时钟同步和倍频的需求。

基于权重变分模型的地基IDOAS条带噪声去除

成像差分吸收光谱技术是成像光谱技术和差分吸收光谱技术的结合,能够采集图谱合一的数据立方,并通过光谱反演得到痕量气体浓度的二维分布信息。地基IDOAS仪器通过安装平台的水平旋转实现摆扫成像,可用于识别污染气体的排放源和监测气体的扩散情况。然而和所有的成像光谱技术相类似,地基IDOAS也容易出现条带噪声的问题,会产生相应的伪结构,影响后续的信息提取和数据分析。目前星载和机载IDOAS中常见的条带噪声去除算法有均匀区域校正法、传输模型模拟法、傅里叶变换频域滤波法、多项式拟合法等,应用到地基仪器中均存在不适用的问题。介绍了一种基于权重变分模型的条带噪声去除算法,该算法首先通过分块自适应阈值分割得出表征遮挡区域的权重矩阵,然后利用条带噪声的方向性和稀疏性建立各向异性的变分模型,最后通过交替方向乘子算法迭代求解。为检验去条带算法的可靠性,使用稀疏、稠密、周期、随机、整行、部分、单行、多行等多种模拟噪声进行了性能测试。测试结果证明权重变分算法能够有效去除各种常见的条带噪声,目视效果和四种全参考评价指标均有良好的表现。地基IDOAS于2018年夏季在四川乐山进行了外场实验,实验中仪器的水平扫描范围覆盖360°全方位角,扫描间隔为1°,垂直方向仪器同时采集0°~30°仰角内的光谱。仪器的积分时间设置为500 ms,每组全景扫描的工作时间约为15 min。利用DOAS技术对采集到的太阳散射光谱进行反演,最终得到的NO_(2)和SO_(2)气体的二维浓度分布图的像素大小为360×48。从反演结果来看,条带噪声对不同时间和不同气体的观测结果的影响大小均不同。经权重变分算法处理后,多组NO_(2)和SO_(2)浓度分布中的条带噪声情况得到极大的改善,并且没有出现过度平滑的情况。结果表明,该算法适用于地基IDOAS数据的条带噪声去除。

大气成分临边探测光谱仪摆镜控制系统设计

星载大气成分临边探测光谱仪在采集高度方向上光信息时需要借助反射镜的反射,为满足光谱仪扫描需求,设计了一款扫描摆镜驱动控制系统,并在地面模拟验证了扫描方向上的光谱数据采集。设计的驱动控制系统基于STM32微控制器,采用DRV8833C电机驱动电路和闭环数字PID调节器,利用有限转角直流无刷力矩电机作为光谱仪摆镜控制系统的执行机构,并使用18位单圈绝对值光电编码器作为位置传感器。进而搭建了摆镜控制系统和试验平台,利用光电自准直仪对摆镜系统性能进行试验验证,测试了系统的指向精度。结果显示平均指向精度小于12.15′′,最大偏差小于19.6′′,最小偏差小于7.46′′,满足工程预研阶段的主要指标要求。

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测试转台结构设计

在星载大气痕量气体差分吸收光谱仪的研制过程中,需要对其信噪比、光谱分辨率、光谱定标精度等性能指标进行测试,为此需要设计专用二维转台以实现不同视场在不同角度下的测试。根据光谱仪参数测试要求,提出转台设计方案,设计转台结构,建立三维模型,并对主要零部件进行选型。转台的方位轴±180°转动,满足114°的主视场测试要求;俯仰轴±20°翻转,实现太阳视场需求;机械定位精度为±0.01°。转台提供两种安装方式,光谱仪竖立安装进行太阳视场测试,水平安装进行主视场测试。转台支撑框架在不同的工况下承受载荷的作用,利用有限元软件对框架结构进行仿真,分析结果验证了框架设计的合理性。

模拟与光子计数融合的激光雷达信号采集系统设计

为了扩展激光雷达的测量动态范围,设计了一种基于模拟与光子计数融合方法的信号采集系统。采用多级放大技术设计了用于模拟与光子计数融合方法的双通道前置放大器,并与通用数据采集卡和光子计数卡组成信号采集系统。利用激光雷达信号模拟源搭建了测试系统;通过测量坪特性和脉冲高度分布确定光电倍增管（PMT）的工作高压和鉴别电平;测试了模拟通道和光子计数通道的性能以及两个通道的可拼接性。实验结果表明,设计的信号采集系统性能优于LICEL公司的瞬态记录仪TR20-160;两个通道的信号具有较好的拼接性,通过两个信号的拼接提高了激光雷达信号采集系统的动态范围。

基于机载与车载差分吸收光谱技术同步观测的污染源NO_x排放通量的分析

研究一种基于机载和车载被动差分吸收光谱(DOAS)技术测量大气污染气体排放通量的光学遥测方法。利用机载成像光谱仪和车载DOAS光谱仪对工业区进行同步走航观测,利用光谱反演获得区域NO2垂直柱浓度分布情况及扩散趋势,然后根据实时风场数据,结合NOx在大气中的衰减模型,推导出NOx衰减情况及氮氧化物各成分占比,进而获得污染源NOx的排放通量。所提方法修正了NOx在大气中的衰变,计算了该工业园区电厂和钢厂的NOx排放通量分别为3.3331×1024 molecule·s-1和2.6138×1024 molecule·s-1。结果表明:机载和车载观测结果的一致性较好,与未经修正NOx衰变获得的排放通量相比,所提方法获得的排放通量精度提高了约5%~20%。与车载或机载独立观测方式相比,所提方法结合了机载扫描范围大和车载探测空间分辨率高的优点,更有利于对污染扩散趋势的掌握,提高了探测精度。