卷云短波反射特性的模拟计算研究

利用通用大气辐射传输(CART)软件模拟计算了0.4～2.5μm波段卷云大气反射率,分析了卷云大气的反射率随波长、光学厚度、有效尺度、卷云高度和地表类型变化情况,并模拟计算了0.55,1.38,2.75μm波段卷云大气反射率间关系。结果表明,可见光到近红外波段,卷云大气反射率随卷云光学厚度的增大而增大。可见光波段,卷云大气反射率随卷云粒子有效尺度变化很小;近红外波段,卷云大气的反射率随卷云粒子有效尺度增大而减小;近红外大气强吸收波段,卷云大气的反射率随卷云高度的增大而增大。大气窗口区卷云大气的反射率随地表类型的变化有显著的变化。通过0.55μm和2.75μm波段,1.38μm和2.75μm波段的卷云大气反射率间关系可以反演卷云光学厚度和有效尺度。     

利用冰水同心球模型反演冰水混合云

将云看作由众多冰水同心球粒子所构成,建立冰水同心球模型。模拟冰水混合云,计算可见光(0.66μm)和近红外波段(1.64μm和2.14μm)的反射函数和光学厚度,建立查找表。选取MODIS卫星数据中1通道、6通道和7通道数据,用最小方差拟合法反演光学厚度、有效粒子半径,和MOD06数据中的光厚度和有效粒子半径对比结果较一致,实验结果表明提出的冰水混合云的反演方法具有合理性。     

基于POLDER数据反演陆地上空气溶胶光学特性

针对利用POLDER数据反演陆地上空气溶胶光学特性和地表反射率进行研究.POLDER探测器能够提供可见光到红外的地气系统反射太阳光的反射率和偏振反射率的多方向数据.发展了一种基于多角度的总反射率和偏振反射率联合反演气溶胶光学参数的算法,根据倍加累加法矢量辐射传输模式构建查找表,反演过程中还考虑了测量数据的云检测处理,气体吸收校正和平流层气溶胶校正,通过865 nm波段总反射率和偏振反射率的模拟计算值和实际测量值的对比实现局部区域的气溶胶光学特性参数和地表反射率分布图的同时反演.并用CNES提供的POLDER气溶胶产品对反演结果进行了验证,该方法能够得到气溶胶光学厚度、折射指数、粒子有效半径和地表反射率较合理的反演结果.     

相态对冰水混合云微观特性反演的影响研究

当云层的温度在－40℃~0℃之间时, 云层中会存在冰和水两种相态的云滴, 其散射特性与纯水云以及纯冰云特性有较大差异, 因此遥感反演混合相云层的微观和宏观物理特性具有重要的意义。本文采用冰水双层球模型模拟了冰水混合云中的云滴, 利用Mie理论计算了纯水、纯冰和冰水颗粒的单次散射特性, 分析了单次散射相函数, 不对称因子, 单次散射反照率等随着有效半径、相态、内外半径比等的变化特性。利用离散纵标法(DISORT)计算了水云和冰云对0.75 μm、2.16 μm和3.3 μm的双向反射函数, 讨论了利用纯水滴和纯冰滴反演冰水混合云滴的误差。分析结果表明, 利用0.75 μm和2.16 μm的太阳光反演冰水混合云的光学厚度和有效半径时, 光学厚度误差较大, 有效半径误差较小; 结合0.75 μm和3.3 μm的太阳光反演冰水混合云的光学厚度和有效半径时, 光学厚度误差较小, 有效半径误差较大, 其会高估其有效半径; 另外结合0.75 μm和3.3 μm这两个波长的反射函数反演冰水云的冰水混合比更为有效。     

近红外波段气溶胶的衰减特性研究

在已知大气气溶胶折射率和气溶胶谱分布的基础上, 对近红外波段的气溶胶衰减特性进行了研究。利用Mie散射理论计算并讨论了气溶胶的消光、散射、吸收效率因子随尺度参数的变化和消光系数随半径和波长的变化, 并且在MATLAB中对各种变化情况进行了仿真。结果表明, 三种气溶胶粒子的消光和散射能力依次为沙尘性粒子, 水溶性粒子, 烟煤。消光系数在粒子半径和入射波长相近时达到最大, 并且粒子半径对消光、散射、吸收系数的影响比入射波长更明显。这些结论可以为红外辐射在大气中的衰减计算和分析提供依据。     

利用HITRAN资料研究黑碳和沙尘气溶胶粒子的光学特性

在IDL程序语言中实现Mie理论的数值算法,利用HITRAN资料提供的气溶胶粒子复折射指数,计算分析了沙尘、黑炭2种气溶胶粒子在不同半径（1μm,2.5μm和10μm）时,对波长为400nm和860nm光的散射效率以及散射相函数矩阵元素。结果表明：黑炭与沙尘有明显的光学性质差别,沙尘粒子不仅散射效率大于黑碳,而且后向散射比黑碳粒子强。 2种粒子对400 nm和860 nm太阳光的偏振也不同,可以利用此特性鉴别这2种气溶胶。     

近红外通道辐射测量误差对水体大气校正的影响

一类水体的标准大气校正算法利用两个近红外通道(748和869 nm)的辐射比值选择气溶胶模型,然后外推估算各波长的气溶胶贡献,实现离水反射率的反演。两个近红外通道的辐射探测值的不确定性会直接影响反演精度。从数学形式上研究近红外通道测量误差在大气校正中的传递机制,通过敏感性试验分析不同光学厚度和气溶胶模型条件下离水反射率的反演误差分布。结果表明,两个近红外通道的测量误差组合情况对反演结果精度影响程度不同,同号时误差较小,异号时误差较大;气溶胶模型中的细粒子组分越多,反演的误差越大;光学厚度越大,反演误差也越大。     

高精度太阳辐照度仪的光谱扫描测量

为了实现对太阳辐射的绝对测量和大气特性的精确反演,研制了光谱覆盖范围在0.4~1.0μm的高精度太阳光谱辐照度仪。太阳辐照度仪采用Fèry棱镜实现入射太阳光的色散,闭环控制光谱扫描机构的方法实现光谱扫描。论文详细介绍了太阳辐照度仪光谱扫描测量部分的设计。给出了Fèry棱镜的设计要求,实现单一元件完成光谱色散;利用陷阱探测器进行光谱采集,保证了测量精度;结合探测器的性能参数,说明了温控的需求和方法;介绍了光谱扫描结构的设计方法,实现了精确的波长定位;给出了音圈电机的参数、稳定性和供电要求,实现了0.025%的波长定位误差。开展室外观测实验,实现了0.4~1.0μm波段的太阳细分光谱扫描测量,并分别与可见-短波红外光谱仪和自动太阳光度计(CE318)进行了对比。结果表明,辐照度仪的光谱扫描测量结果的吸收峰波长值吻合,与CE318全天测量数据的相对偏差小于0.13%,可见波段的光学厚度的相对偏差小于2%,近红外波段的相对偏差小于4%。     

等效球模型模拟冰晶云反射的误差分析

用射线光学理论计算了具有一定尺度分布的六角冰晶粒子在可见和近红外光谱区一系列波长上(0.2～5μm)的单次散射特性.利用米氏(Mie)理论,计算了与六角冰晶具有相同截面积的球形粒子的单次散射特性.根据辐射传输理论,应用累加法,分别计算了由冰晶粒子和等效球形粒子构成的卷层云的多次散射特性,计算结果表明当入射波长λ≈3.0 μm时,等效球Mie理论可以很好地用于计算卷层云的反射特性,但是当λ＜2.8μm时,尤其在可见光区,将引起显著的误差.最后提出了计算冰云光学特性的两种方案.     

海洋气溶胶多角度偏振辐射特性研究

海洋气溶胶是对流层气溶胶的重要组成部分,对全球的辐射收支平衡及气侯变化均有重要的影响。评价气溶胶的直接与间接辐射效应需要对气溶胶的性质进行深入的研究。多角度偏振为气溶胶光学物理性质研究提供了新的方法。在对可见光550 nm和近红外860 nm波段处海洋气溶胶的光学性质的研究基础上,采用矢量辐射传输模型模拟了TOA（top of atmosphere）反射率和偏振反射率与下垫面性质、观测方位角、气溶胶光学厚度之间的敏感性。模拟结果表明,海洋型气溶胶的多角度偏振信息可以有效地体现气溶胶的光学性质,可以利用多角度偏振遥感信息进行海洋气溶胶的反演,为利用多角度偏振遥感数据进行海洋气溶胶提供了理论基础。     

激光在准球形边界卷云中传输的衰减和透过特性

高空卷云主要由各种不同形状的冰晶粒子组成,是地空链路上激光信号传输的重要影响因素。依据高空卷云中冰晶粒子的分布特征和散射特性,采用C版本的离散纵标法（CDISORT）,充分考虑地球球形曲率及云层冰晶粒子多次散射影响因素,研究准球形边界云层的激光透过率和衰减特性,并比较了太阳天顶角不同时平面平行模式和准球面模式下卷云大气激光透过率的差异,数值计算了三种激光波长（0.65,1.06和3.8 μm）在卷云中传输时的衰减和透过特性。计算结果表明：较小太阳天顶角（小于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差很小,其中0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差仅为1.72%,较大太阳天顶角（大于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差明显增大,0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差最大达到69%;卷云粒子单次散射时,激光在云层的衰减与卷云粒子有效半径、传输距离、光学厚度及激光波长等因素有关,随光学厚度的增加,云层的激光透过率减少,1.06 μm激光波长入射时透过率最大,3.8 μm激光波长入射时透过率最小;0.65和1.06 μm激光波长入射时,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐增加,而3.8 μm波长激光,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐减少,随相对方位角的增加,云层的激光透过率减少,且不同卷云传输模型对激光透过率也存在不同的影响。该研究工作将为开展地空链路星载、机载激光通信、激光雷达探测等工程系统中的激光信号云层传输特性的应用提供理论支持,同时也可进一步拓展为地空链路激光遥感、制导和预警等应用提供预先理论研究基础。     

基于Mie散射理论的C@H_2O复合粒子散射特性研究

大气中大量存在的复合粒子会对激光传输效率产生很大影响。由于空气中水蒸气含量较高,以C作为凝结核外层包裹以水的核壳结构微粒对光传输具有明显的散射效应。本文应用Mie散射理论对C@H_2O核壳结构微粒的散射特性进行了理论分析和数值计算,首先给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下散射强度分布变化曲线;其次给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下偏振变化情况;最后讨论了光学截面与粒子半径之间的关系。结果表明各参数对前向散射强度影响较大,入射波长越大散射强度越弱,C核半径增大粒子的前向散射增强,水膜厚度增大粒子的前向散射增强,而后向散射无明显影响;入射波长较大时,粒子在多个角度出现线偏振光,入射波长增大、碳核半径变大、水膜厚度增大,偏振度峰值都会增多;随着入射波长的增大,散射截面最大峰值位置向着半径增大的方向移动,并伴随一定的振荡现象,散射和消光截面在碳核半径为0.1μm左右达到最大值。     

一种基于荧光信号的海面厚油膜评估方法

油膜厚度是海面溢油污染评估分析的一个重要指标,激光诱导荧光(LIF)技术是目前最有效的海面溢油探测技术之一,基于LIF探测技术的油膜厚度反演算法当下仅有适用于薄油膜(≤10~20 μm)的评估方法,而对于较厚油膜(>20 μm)的评估目前尚无有效的反演算法。鉴于此,提出一种基于LIF技术适用于较厚油膜的反演算法,该算法采用油膜荧光信号反演油膜厚度,推导了油膜厚度反演公式,并给出了基于该反演算法的油膜厚度评估方法。首先采用最大类间方差算法(Otsu)选取合适的荧光光谱波段,然后根据选取波段内每个波长的光谱数据反演油膜厚度,最后采用反演油膜厚度的平均值作为油膜厚度评估结果。研究了该算法的适用范围,给出了该算法有效评估范围最大值与测量相对误差的关系,并结合消光系数给出了在多种测量误差条件下不同消光系数油品有效评估范围的最大值。通过实验对本文方法进行了验证,选用原油和白油的混合油(1∶50)作为实验油品,以波长为405 nm的激光作为激发光源,采集波长范围为420～750 nm,采集了海水背景荧光和拉曼散射光光谱、实验油品的荧光特征光谱和多种不同厚度的较厚油膜的荧光光谱。采用Otsu算法选取420～476 nm波段评估油膜厚度,在实验油品油膜厚度≤800 μm时,该算法对油膜厚度的评估具有较高的精度,平均误差为10.5%;在油膜厚度>800 μm时,平均误差为28.8%,评估误差较大且随油膜厚度的增加快速变大,该实验结果与利用测量相对误差和消光系数的分析结果一致。实验结果表明,该方法可以实现对海面较厚油膜厚度的有效评估,并可以根据测量相对误差和消光系数判断评估结果的有效性。     

脉冲激光沉积制备CsPbBr3厚膜及其蓝-绿光转换性能

金属卤化物钙钛矿CsPbBr3具有优异的光学性能,是作为波长转化层在液晶显示中实现全彩显示的理想材料。为了实现高效的蓝光到绿光的光转换,采用脉冲激光沉积技术(PLD)制备CsPbBr3微米级厚膜,通过设定激光脉冲数实现膜厚的有效调控,并借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱等测试手段对其形貌、晶体结构和光学性质进行分析。然后,将CsPbBr3微米级厚膜沉积在发射波长为460 nm的蓝光发光二极管上,并测试光转换性能。实验结果表明,制备的CsPbBr3厚膜由(100)取向的柱状晶体组成,且膜厚与激光脉冲数呈线性关系,在膜厚为2.252μm时,在460 nm的蓝光激发下实现了完全、有效绿光的发射。此外,在空气氛围(温度20℃,湿度25%)下放置18 d,光致发光强度无明显衰退。     

非相干光纤激光组束系统耦合效率的优化分析

单光束耦合效率是决定非相干组束系统输出功率的关键,它受到透镜焦距、光栅周期和光斑半径等参数的影响。为了寻求较为优化的系统参数,通过理论分析和仿真研究,结果表明对于中心波长1060nm的光纤激光,应当选择透镜焦距20cm,光栅周期5μm,并且需要将光斑半径控制在50μm左右。通过反解光栅频率及组束波长带宽的第一个零点来选择组束阵列宽度一定条件下较优的光栅参数。通过理论分析和数值计算,结果表明较小的光栅频率和光栅厚度对提高衍射效率是有利的。     

Ultrahigh-resolution full-field optical coherence tomography using spatial coherence gating and quasi-monochromatic illumination

We developed an ultrahigh-resolution full-field optical coherence tomography (FF-OCT) microscope that is based on the spatial, rather than the temporal, coherence gating. The microscope is capable of observing three-dimensional microbiological structures as small as 0.4 μm × 0.4 μm × 1.0 μm (xyz) using quasi-monochromatic light and a liquid crystal retarder. Unlike traditional FF-OCT systems, this microscope can be operated in high resolution for any preferable wavelength with minimized defocusing and dispersion effects. High-resolution images of an onion cell are presented.     

New version of seven wavelengths demultiplexer based on the microcavities in a two-dimensional photonic crystal

A new two dimensional photonic crystal demultiplexer of wavelength (WDM) is designed by exploiting two Fabry–Pérot reflectors at the end of the bus waveguides. The results show that the light with different wavelengths can be successfully filtered to different ports by setting different radius of the center defect rods in the drop waveguides and high drop efficiency can be achieved by means of reflection feedbacks. The proposed filter has a cross section equal to 9.7 μm × 5.8 μm. In the designed filter, an improvement of the number of channels has been achieved. The normalized transmission spectra of this component have been studied using finite difference time domain (FDTD) method. The important parameters consider for this studies are radius of rods used in Fabry–Pérot reflectors, and radius of center defect rods in the drop waveguides. The demultiplexer we designed can easily separate the light with seven different wavelengths simultaneously. The scope of this paper lies on demultiplexer for communication systems around 1.55-μm wavelength.