太阳辐射的在轨监测和定标

采用宽视场设计,逐轨扫描太阳式测量方式的FY-3A太阳辐射监测仪,结合在轨一年半的太阳辐照度观测数据和地面实验与理论分析,研究了影响定标精度的因素,给出了修正方程和曲线,并通过与世界辐射基准(WRR)的地面外场定标实验,得到了FY-3A上的三台绝对辐射计的比例系数R1=1.008 3,R2=1.006 6和R3=1.006 5。日地距离的理论分析和实际太阳辐照度测量曲线均证明:地球近日点太阳辐照度值最大,远日点太阳辐照度值最小,且在±3.34%范围内随日期变化。利用天文公式,结合遥感源包中的准确测量时间,给出了日、地修正系数。另外,分析了冷空间背景辐射对定标精度的影响,给出了冷空间辐射值的计算公式,并结合宽视场设计和扫描式测量的特点,重点分析了采光结束时刻和刚捕获太阳光时刻入射角的差异给辐照度测量带来的影响,通过几何关系给出了入射角修正系数方程及修正曲线。最后,综合各定标修正系数,给出了在轨定标方程和定标曲线,并分析了定标精度。     

基于反射点源的高分辨率光学卫星传感器在轨辐射定标方法

在轨绝对辐射定标是遥感信息定量化应用的关键技术之一。基于反射点源的在轨定标新方法将目标反射率的场地多点测量转换为实验室高精度检测,结合同步大气光学特性参数测量,通过简化的辐射传输计算获取星载遥感器的入瞳辐亮度;根据点源法在轨点扩展函数检测,有效分离目标反射辐射与程辐射、背景辐射,消除了对气溶胶散射特性的假设,并突破场地替代定标易受时空及天气条件的限制,能够在复杂环境条件下实现高分辨率光学卫星传感器高精度、高频次的移动定标。初步实验结果表明,基于反射点源的光学卫星传感器在轨绝对辐射定标不确定度优于3%,与基于大面积灰阶靶标的定标结果差异为3.02%,简化定标流程的同时提高了定标精度与效率。     

高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨辐射定标

辐射定标是卫星遥感信息定量化的关键技术之一。高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨定标将目标反射率的现场测量转换为实验室高精度测量,以实际测量代替气溶胶散射特性假设,通过简化辐射传输计算获取大气透过率与遥感器入瞳辐亮度,根据遥感器系统PSF检测结果将小目标的辐射响应与背景辐射相分离,降低对场区背景环境要求的同时提高了绝对辐射定标精度。试验结果分析表明,高分辨率光学遥感卫星传感器小目标法在轨辐射定标不确定度优于3%,与大面积辐射校正场或灰阶靶标法的定标结果差异3.65%,小目标法有望在全谱段范围实现高分辨率光学遥感卫星传感器的全动态范围定标与几何检校。     

一种2～14μm红外光谱辐射计的辐射定标方法

提出了一种分区多点标定的辐射定标方法。定标原理如下:将测量目标的温度区间分为n个子区间,测量并记录目标温度区间内n+1个不同温度黑体对应的红外光谱辐射计输出数据,并分别计算各个子区间的定标系数;进行红外光谱辐射测量时,比对红外光谱辐射计输出数据和记录数据,确定待测目标所属温度子区间;使用对应子区间的定标系数进行辐射定标,以提高测量精度。使用该方法对研制的渐变滤光片型红外光谱辐射计进行辐射定标,并根据定标结果反演测量黑体的等效亮温温差。实验结果表明,该方法的辐射定标精度优于1.5 K,可应用于红外光谱辐射计的辐射定标。     

大口径、宽动态范围红外测量系统辐射定标方法

现有的大口径、宽动态范围红外测量系统的辐射定标需要制备大口径红外平行光管,该方法机动性差且成本较高。为了解决这一问题,提出了一种基于内、外定标修正的辐射定标新方法。该方法通过切换反射镜将中、高温腔型黑体辐射引入红外光学系统,并对部分光路进行中、高温段的内定标;使用面源黑体对全系统进行中、低温段的外定标;提取公共温度范围的内、外定标数据并处理以获取内、外定标之间的修正系数;对中、高温段的内定标数据进行修正可以获取全系统在中、高温段的辐射定标数据,结合外定标结果就得到了全系统、宽动态范围的辐射定标数据。使用该定标方法对某Φ400mm口径的红外测量系统进行辐射定标,并根据定标结果反演黑体的辐射亮度和温度,辐射亮度反演的最大误差为1.35%,温度反演的最大误差为0.76℃,实验结果证明了该定标方法的有效性。     

微小孔近场衍射的能量传输

用标量衍射理论研究了圆孔近场衍射中的能量传输,计算了透系数及轴线上衍射场的能流密度,在微小孔衍射的情况下,讨论了矢量衍射理论对能量传输问题标量处理的修正。     

空间污染条件下红外测量相机响应衰减模型的建立与应用

基于某型号大气辐射测量卫星在轨定标实验数据,开展了空间污染物对天基红外测量相机响应性能的影响研究。建立了具有明确物理意义的测量相机灰度响应衰减模型,使用实测数据对模型参数进行了拟合,拟合相对均方根误差小于1%,参数值与其物理意义吻合较好;提出了基于相机线性响应范围与最小辐射分辨率要求双重约束下的空间污染容限确定准则,得出了推荐去污间隔时间为1250 h的结论;给出了利用衰减模型预估任意时刻定标系数的方法,分别利用模型预估定标系数、历史定标系数以及当轨定标系数对测量灰度数据进行了辐射标定,预估定标系数的标定误差小于3%,能够在保证像面质量的同时提高测量精度。     

超光谱大气CO_2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。     

FY-3C MERSI反射波段在轨宽动态综合辐射定标方法

为解决FY-3C/MERSI反射波段非线性响应导致传统两点定标不适用问题,提出了在轨宽动态综合辐射定标方法。融合多种不依赖于地面同步测量的替代方案,利用各方案定标样本的多等级反射率特性,实现遥感器宽动态范围的辐射定标。每种方案的定标样本采用分段平均方法进行等权重融合,最终定标系数基于融合后样本通过加权拟合回归获得。非线性特征采用发射前室外定标实验分析的二次项系数进行修正,在轨计算定标斜率和截距。分析和验证结果表明:各替代方案样本分布具有很好一致性,融合样本相关性可达0.99;综合定标结果在反射率大于10%的中高端目标回归残差小于1%,高端定标结果与基于深对流云目标的交叉定标(DCC)检验样本的相对差异小于1.5%,敦煌同步观测实验检验结果表明中端精度优于3%;由于MERSI对低亮度辐射响应能力显著降低,发射前室外定标实验获得的非线性系数不能适用,定标结果在低目标反射率出现高估现象。该成果可应用于所有FY-3C/MERSI反射通道,明显降低两点法定标的不确定性以及非线性的影响。     

管靶X射线辐射输运初步研究Ⅰ简化模型数值模拟与分析

运用简化的X射线输运模型对管靶中的X射线输运进行初步的数值模拟与分析.介绍X射线输运的简化模型,给出相关参量,推导出视角因子的积分表达式,对视角因子进行数值计算,讨论了简化输运模型方程的数值解法.由数值计算结果得到辐射输运的定标公式,提出三种与辐射输运有关的自由程概念,使得辐射输运的定标公式具有明确的物理意义.     

太阳辐照绝对辐射计与国际比对

为了测量太阳辐照度和地球辐射，研制了太阳辐照绝对辐射计（SIAR-1），对电校准腔型绝对辐射计进行了重要改进，提高了绝对精度。参加了世界气象组织在瑞士设立的世界辐射中心组织的第九届国际日射计比对，AIAR-1高于民办辐射基准0.08％。太阳辐照度监测器（STIM）同SIAR-1进行了比对，结果太阳辐照度监测器三台绝对辐射计之间平均值偏差为0.11％。SIAR-1辐射计与太阳辐照度监测器2号辐射计在0.09％以内符合。结论：太阳辐照度监测器绝对精度为0.16％。     

Accuracy analysis of simplified and rigorous numerical methods applied to binary nanopatterning gratings in non-paraxial domain

A set of simplified and rigorous electromagnetic vector theories is used for analyzing the transmittance characteristics of diffraction phase gratings. The scalar diffraction theory and the effective medium theory are validated with the exact results obtained via the rigorous coupled-wave theory and the finite-difference time-domain method. The effects of surface profile parameters and also the angle of incidence is demonstrated to be a limiting factor in the accuracy of these theories. Therefore, the error of both simplified theories is also analyzed in non-paraxial domain with the intention of establishing a specific range of validity for both simplified theories.     

基于主成分分析的太阳光谱信息提取

太阳光谱观测是研究太阳大气活动现象有效手段之一。提出了一种基于主成分分析的太阳光谱特征信息提取和重构方法,分析了重构数据噪声抑制程度和主成分阶数的关系,计算了不同主成分阶数下重构数据的谱线信噪比以及多普勒速度测量精度。结果显示特征信息提取后,重构数据较大程度保留了原始光谱数据信息,光谱数据信噪比明显提高,谱线多普勒速度测量精度也显著提高,并且三维光谱数据存储和传输量大幅缩减。该方法能够满足一米新真空太阳望远镜当前数据规范发布需求和科学目标要求,为中国在建的光纤阵列太阳望远镜以及未来的巨型太阳望远镜光谱数据处理提供参考。     

Diffractive characteristics of the liquid crystal spatial light modulator

The liquid crystal spatial light modulator (LC SLM) is very suitable for wavefront correction and optical testing and can produce a wavefront with large phase change and high accuracy. The LC SLM is composed of thousands of pixels and the pixel size and shape have effects on the diffractive characteristics of the LC SLM. This paper investigates the pixel effect on the phase of the wavefront with the scalar diffractive theory. The results show that the maximum optical path difference modulation is 41\,$\mu$m to produce the paraboloid wavefront with the peak to valley accuracy better than $\la$/10. Effects of the mismatch between the pixel and the period, and black matrix on the diffraction efficiency of the LC SLM are also analysed with the Fresnel phase lens model. The ability of the LC SLM is discussed for optical testing and wavefront correction based on the calculated results. It shows that the LC SLM can be used as a wavefront corrector and a compensator.     

探空湿度测量太阳辐射误差修正流体动力学研究

针对太阳辐射加热导致的误差显著限制了相对湿度测量的准确度,提出一种新颖的相对湿度误差修正方法—–基于流体动力学的数值分析法.在流体-固体耦合传热数值模拟分析中考虑探空湿度传感器的外部热环境情况,施加对流-太阳辐射耦合热边界条件,建立了地面到32 km高空不同气压和温度条件下探空湿度传感器的温度误差分析模型.结合Goff-Gratch饱和水汽压逼近公式,进而提出了相应的相对湿度误差流体动力学数值分析模型,并且着重研究了太阳辐射方向、传感器尺寸、反射率和衬底材料热导率等物理参数对相对湿度误差的影响.分析数值仿真结果表明:随着海拨的升高,其与太阳辐射加热引起的相对湿度误差之间存在非线性的单调递增关系;太阳辐射方向对于湿度测量精度的影响显著,当太阳辐射方向垂直于传感器正面时误差最大、传感器顶部时次之、侧面时误差最小;虽然通过减小探空湿度传感器的尺寸、降低衬底材料的热导率以及提高反射率均可以一定程度地降低太阳辐射加热引起的相对湿度误差,但是在低气压高空条件下,太阳辐射加热误差对于湿度准确性的影响仍然十分明显,需加以修正.与实验结果对比表明,基于流体动力学模拟仿真的相对湿度误差数值分析法为辐射误差修正提供了一种新的途径.     

探空温度传感器的计算流体动力学分析与实验研究

伴随着数值天气预报和气候变化研究精细化程度的不断提高, 希望探空温度传感器的观测精度达到0.1 K数量级. 为了实现此目标, 运用计算流体动力学方法对珠状热敏电阻从海平面上升至20 km高空的整个过程进行数值仿真分析. 并在此基础上, 针对影响测温精度的太阳辐射强度和传感器倾斜角度两个因素进行分析. 仿真结果表明, 太阳辐射强度和海拔高度是辐射误差的重要影响因子. 当传感器倾斜角度为90°时, 珠状热敏电阻的辐射误差最小. 通过麦夸特法和通用全局优化法对仿真数据进行拟合, 获得不同海拔高度和太阳辐射强度下的辐射误差修正方程; 为验证方程的准确性, 设计和搭建太阳辐射误差模拟系统. 实验结果表明, 辐射误差实验测量值与修正方程修正值之间的平均偏移量为0.017 K, 均方根值RMS误差为0.023 K, 验证了计算流体动力学方法、麦夸特法和通用全局优化法获得辐射误差数据的准确性.     

一种基于支持向量机回归的旋转遮光带日射表散射辐照度修正新算法

通过比较旋转遮光带日射表(RSP)和参考标准表所测散射辐照度之间的数值差异,分析了太阳总辐照度、环境温度、相对湿度和太阳光谱等气象要素对RSP散射辐照度测量误差的影响关系,提出了一种修正RSP散射辐照度测量值的新算法。该算法从支持向量机回归预测角度,建立了对RSP散射误差修正值的一次预测模型,然后根据误差修正值最优预测模型推导出RSP散射辐照度修正算法模型。利用该算法对美国国家太阳辐射研究实验室和劳里观测站采集的RSP散射辐照度数据进行修正,修正后两观测站数据的平均偏差和均方根误差分别降低到-0.2W/m2,3.3W/m2和1.9W/m2,8.5W/m2,显示算法具有良好的修正性能和适用性。该算法能够有效避免Vignola算法中存在的欠修正和Vignola and Augustyn(VA)算法中存在的过修正现象。     

From polarimetry to helicity: Studies of solar magnetic fields at the Huairou Solar Observing Station

In this paper, we briefly introduce the basic questions in the measurements of solar magnetic fields and the possible error sources due to the approximation of the theory of radiation transfer of spectral lines in the solar atmosphere. We introduce some basic research progress in magnetic field measurement at Huairou Solar Observing Station of National Astronomical Observatories,Chinese Academy of Sciences, especially concerning the non-potentiality in solar active regions, such as the magnetic shear,current and helicity. We also discuss some basic questions for the measurements of the magnetic fields and corresponding challenges for the future studies.     

点衍射干涉仪中小孔衍射波面误差分析

针孔或光纤直径的大小是影响点衍射干涉仪检测精度的重要因素,在实际检测中须根据检测任务的精度要求来选择小孔的尺寸.基于标量衍射理论,仿真计算了小孔尺寸引起的衍射波面相对标准球面偏离的误差.结果表明,当小孔直径为2.5μm,数值孔径(NA)为0.3时,与小孔有关的光学系统误差峰值(PV)约为0.07 nm.仿真方法和计算结果为针对各种高精度面形检测任务而设计点衍射干涉仪和分析其精度提供了理论和数据参考.