星载差分吸收光谱仪CCD成像电路的设计及实施

星载差分吸收光谱仪通过获取地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光辐射,监测大气痕量气体的全球分布。载荷使用4片面阵CCD作为探测器,对地观测、实时测量紫外可见波段光谱信息。其中CCD成像电路是电子学部件的核心,该电路的设计除完成通用CCD成像电路功能以外,还针对卫星空间有限和航天元件受限等特殊情况,采用了单板四通道、数字像元合并的方案。本文讨论了载荷CCD成像电路的设计实施过程,并重点论述了单板四通道和数字像元合并的设计特点。

基于大气吸收带的超光谱成像仪光谱定标技术研究

超光谱成像仪是谱像合一的新型光学遥感仪器,其光谱定标的主要任务就是确定超光谱成像仪各通道中心波长和光谱带宽。利用超光谱成像仪光谱采样间隔和大气吸收带中明显的吸收峰对超光谱成像仪进行光谱定标,并通过与定标好的光纤光谱仪结果进行比对,结果显示利用该方法对超光谱成像仪进行光谱定标的定标精度可达1nm。该方法用于棱镜色散型超光谱成像仪光谱定标具有容易实现的特点,并且可以达到较高的定标精度。

地球同步扫描成像吸收光谱仪的要求、设计原理和性能

大气科学所面临的重大问题之一是如何估计和了解自然的和人为的污染对局部、地区和大陆范围内生物质量的影响并对这种影响进行量化。要想了解地区污染在大陆范围内的影响,必须把每天的时间量程与季节和年时间量程联系起来,同时也必须把局部空间与地区和大陆空间范围联系起来。这就要求人们每时每刻都以适当的横向分辨率和垂直方向分辨率对这种污染进行监测。用像TOMS和GOME那样的仪器从低地球轨道平台上对对流层进行观测,这已经证明了探测与空气质量有关的大气成分的可能性。但是,这些仪器在每天的重访时间和对局部云层的统计方面受到了限制。从地球同步轨道上进行测量,这是以适当的横向分辨率从空间观测每日变化的一种实用方法。因此,有人提出了地球同步对流层污染探测仪(GeoTROPE)任务。这种探测仪由两台仪器构成,基中一台是覆盖热红外波段的地球同步傅里叶成像光谱仪(GeoFIS),另一台是覆盖紫外、可见光和短波红外(UV-VIS-SWIR)谱区的地球同步扫描成像吸收光谱仪(GeoSCIA)。本文简述通过用紫外-可见光-短波红外成像光谱仪测量背散射太阳辐射从地球同步轨道进行对流层遥感的可能性和可行性。GeoSCIA是一台采用二维CCD列阵进行光谱成像和空间成像的中分辨率成像光栅光谱仪。本文对该仪器的要求、设计原理和性能作了介绍,并估计了对流层成分的提取精度。阳光背散射测量结果与GeoFIS的热红外测量结果的综合分析表明,把这些谱区中的观测结果结合起来可以更高的精度测量低至边界层或者云顶高度处的有关成分的浓度。

基于成像差分吸收光谱技术和压缩感知理论的烟囱烟羽断层重建研究

烟羽断层重建质量受两方面条件限制:其中一个限制条件是遥感设备的时间分辨率。以往的研究多使用多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)进行CT重建,受采集数据速度的限制,重建图像的时间分辨率较低。另一个限制条件是,采集到的数据量有限,是典型的不完全角度重建。过去多使用代数迭代重建算法或统计迭代重建算法,重建图像受测量误差的影响比较大,分辨率较低且伪影较多。构造了基于成像差分吸收光谱技术(IDOAS)的光谱数据采集系统,与多轴差分吸收光谱仪构造的系统相比,数据采集的时间分辨率提高了160多倍,基本解决了时间分辨率的问题。提出了一种基于压缩感知理论和低三阶导数模型的烟羽断层重建算法——投影凸函数集低三阶导数法,简称为POCS-LTD。在投影的过程中,使用代数重建算法使重建图像符合投影方程;在全变分迭代的过程中使用了优化算法,将低三阶导数模型的全变分归一化值作为优化算法的迭代方向,前次迭代运算结果与本次投影运算的差值的模作为迭代步长。对重建算法进行了数值模拟,并以重建图像的接近度和一致性相关因子为指标,对重建结果进行了分析。数值模拟表明,算法具有良好的抗误差能力,与传统的低三阶导数法相比,本文提出的算法将重建接近度减小了80%以上。使用烟羽数据采集系统进行了外场实验,用POCS-LTD算法对外场实验的数据进行了烟羽重建,重建图像显示烟羽图像清晰,伪影得到了较好的抑制。介绍的烟羽断层数据采集系统和烟羽断层重建算法,提高了烟羽断层重建图像的时间分辨率,减少了重建图像的伪影,扩大了光谱测量技术的应用范围。

无人机平台成像大气污染飞行探测试验成功

中国科学院大气物理研究所和安徽光机所科技人员通力合作，于近日在河北某机场进行了成像差分吸收光谱仪（DOAS）无人机飞行探测试验，成功地获取了飞行区域大气污染成分NO。等的二维时空分布。整个试验取得了预期效果，显示了无人机大气探测差分吸收光谱系统具有大面积覆盖、多光谱信息获取以及飞行探测方式灵活机动等特点。

亚洲地区OMI和SCIAMACHY臭氧柱总量观测结果比较

利用臭氧观测仪(OMI)和扫描成像大气吸收光谱仪(SCIAMACHY)传感器反演的臭氧总量数据,结合从世界臭氧与紫外线辐射数据中心(WODUC)获取的地面观测臭氧总量数据进行验证,对比2种不同卫星遥感反演的臭氧总量产品优缺点,并分析亚洲地区臭氧总量的时空特征.结果表明,OMI反演的结果比SCIAMACHY的结果更好,而且具有更高的时间和空间分辨率.臭氧总量存在明显的季节变化,在低纬度地区最大值出现在4或5月,最小值在11或12月,而在高纬度地区则分别出现在2月或3月和8月或9月.臭氧总量纬度地带性分布明显,并随着纬度增加而逐渐上升,在10°N^30°N之间,臭氧总量增长平缓,在30°N^50°N之间,臭氧总量快速增大.在青藏高原地区出现臭氧低值区,并在青藏高原东面的横断山脉向低纬度延伸,隔断了臭氧总量的纬度地带性分布.臭氧总量变化在不同纬度呈现不同的模式,距平值随纬度的增大波动随之增大.纬度最低的站点(216)臭氧总量距平值变化最小,最大只有30 DU;而纬度最高的站点(326)臭氧总量距平值变化可达180 DU以上.

祁连山冻土带天然气水合物遥感探测数据分析与评价

在全球气候变暖影响下,冻土带中保存的天然气水合物被逐渐分解释放进入大气,改变了冻土带上空的大气甲烷（ CH4）浓度。以地面甲烷遥感探测实验为基础,发现甲烷气体在380~2500 nm电磁波谱范围内存在2个明显的吸收谱段（1700 nm和2300 nm附近）,从机理上解释了对大气甲烷的遥感检测能力,肯定了遥感探测天然气水合物的可行性。选择扫描成像吸收光谱大气制图仪（ scanning imaging absorption spectrometer for atmospheric char鄄tography,SCIAMACHY）传感器反演的祁连山冻土带大气甲烷数据,分析了2003-2006年间冻土带大气甲烷的时空变化规律。结果表明：冻土带大气甲烷含量不仅随季节呈现单峰-单谷型的变化规律,而且总体上还随时间推移有明显的递增趋势,可初步认为是冻土带天然气水合物分解释放引起的。以2006年2月冻土带大气甲烷浓度异常图为依据,结合地理和地质资料,对祁连山冻土带天然气水合物的资源潜力进行了评价,认为木里煤田的江仓和热水矿区应该是潜在的天然气水合物赋存区。

基于稀疏优化的烟羽断层重建方法

烟羽断层重建一般使用两台光谱仪采集数据,属于典型的不完全角度重建.为了提高重建结果的稳定性和接近度,将压缩感知理论引入气体分布重建领域.提出了一种新的计算机层析算法--低三阶导数全变分法,用于重建电厂烟囱排放的SO2截面的二维分布.使用低三阶导数模型模拟气体扩散,认为气体浓度对位置的三阶导数是稀疏的.将重建图像的全变分作为目标函数,并通过数值最优化方法求得气体浓度分布的最优解.数值模拟的结果表明,与传统的低三阶导数法相比,低三阶导数全变分法将接近度提高了80%以上.外场实验表明,重建图像的一致性相关因子达0.9023.低三阶导数全变分法能有效消除测量误差对图像重建的影响,提高重建图像的质量.

高分五号卫星

高分五号（GF-5）卫星于2018年5月9日在太原卫星发射中心成功发射.GF-5卫星运行在平均轨道高度705km、倾角98.2o的太阳同步轨道,发射质量约2800kg,整星功率1700W,设计寿命为8年.GF-5卫星配置有6台先进有效载荷,观测谱段覆盖紫外至长波红外,包括：大气环境红外甚高光谱分辨探测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、全谱段光谱成像仪、大气主要温室气体监测仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪、可见短波红外高光谱相机.

行业资讯

中国成功发射大气监测高光谱观测卫星2021年9月7日,我国在太原卫星发射中心用“长征四号”丙遥四十运载火箭成功发射高光谱观测卫星。卫星共搭载了7台遥感仪器,其中4台大气监测载荷由中科院合肥物质科学研究院研制,分别是大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪、高精度偏振扫描仪。

电厂烟囱烟羽截面断层重建研究

针对多轴差分吸收光谱仪重建图像的时间分辨率较低的问题,将成像差分吸收光谱仪技术与非负最小二乘法相结合,提出了一种新的重建二氧化硫(SO2)气体的空间二维分布的方法。采用Savitzky-Golay滤波器对采样得到的柱浓度数据进行预处理,使用顺序坐标法进行重建,并利用克里金插值平滑重建图像。数值仿真结果表明,重建图像的接近度最低可达0.11。实验结果表明,所提方法从采集数据到完成图像重建的时间为52.37s,适用于捕捉烟羽截面的瞬态浓度,可实时重建SO2分布。