云与气溶胶光学遥感仪器发展现状及趋势

气溶胶是影响地球气候和环境的不确定因素之一,星载被动光学遥感具有大视场、宽波段、高时空分辨率等优势,已成为云与气溶胶探测的有效手段之一。本文简述了云与气溶胶光学遥感探测的必要性和可行性,详细介绍了国内外典型云与气溶胶光学遥感仪器的系统组成、主要技术参数和方案特点,并基于现有仪器的不足和气溶胶反演需求,指出了云与气溶胶光学遥感仪器的发展趋势,给出了新一代云与气溶胶光学遥感仪器的方案设计结果。集成大视场、中等分辨率、多角度、多光谱、宽谱段、长寿命的高精度偏振测量是新一代星载云与气溶胶光学遥感探测仪的首选方案和发展趋势。     

基于多角度多光谱Stokes参数Q和U测量反演气溶胶偏振相函数

偏振相函数是气溶胶重要的光学参数之一,它对气溶胶复折射指数、粒子尺度和形状都十分敏感。多角度多光谱偏振遥感可以有效获取气溶胶偏振相函数信息。新一代CIMEL太阳-天空偏振辐射计CE318-DP作为高精度地基气溶胶偏振遥感仪器已被引入全球气溶胶自动观测网AERONET(AErosol RObotic NETwork),并作为扩展多波长偏振测量的太阳-天空辐射计观测网SONET(Sun/sky-radiometer Observation NETwork)的主要仪器,已在不同类型气溶胶观测站点积累了多年的偏振数据。但目前偏振反演仅能利用线偏振度或偏振辐亮度。与线偏振度和偏振辐亮度相比,Stokes参数Q和U不仅包含天空光线偏振强度信息还包含偏振方向信息。利用CE318-DP多光谱多角度测量的天空光Stokes参数Q和U反演气溶胶偏振相函数的方法。针对CE318-DP标准主平面偏振观测模式PPP(Polarized Principal Plane)下Stokes参数U对气溶胶特性变化不敏感、信息难以利用的不足,测试了新的平纬圈偏振扫描模式ALMP(ALMucantar Polarization)获取Stokes参数Q和U,并成功应用于偏振相函数的反演。系统分析了340～1 640 nm多光谱通道上典型生物质燃烧型气溶胶和水溶性气溶胶的-P₁₂/P₁₁反演结果并测试了反演方法在晴朗和灰霾不同大气条件下的适用性。无论在主平面还是平纬圈观测几何下,反演结果在可见光和近红外通道上均与真实值具有较好的一致性。进一步讨论了模型中基于气溶胶参数初始值和大气气溶胶参数真实值计算的“大气单次散射/大气散射”的比值近似相等的假设条件在短波通道不能很好地满足是造成紫外波段反演结果偏差较大的原因之一。后续有待进一步提高反演模型在短波通道的适用性,为利用不同光谱通道上-P₁₂/P₁₁的变化特征改进气溶胶微物理参数反演奠定了基础。     

航空偏振遥感数据反演陆地上空气溶胶光学厚度

在陆地上空气溶胶遥感中,地表多样性会导致地表反射率计算误差增加,降低地气解耦精度,进而影响气溶胶反演精度。多角度、多光谱和偏振观测数据的引入有利于解决地气解耦精度和气溶胶参数的提取精度受限的问题。基于多角度偏振辐射计(AMPR)航空多光谱遥感数据,结合气溶胶散射和地表偏振反射规律,提出了在1 640 nm波段对AMPR观测偏振反射率进行连续大气辐射校正,实现地气解耦的方法。在此基础上,构建了陆地上空气溶胶偏振反演算法。运算过程中使用665和865 nm波段观测数据进行气溶胶参数提取,使用1 640 nm波段观测数据结合提取的气溶胶参数进行大气偏振辐射校正,重新获取地表偏振反射率。在反演过程中引入迭代,逐步逼近大气与地表真实辐射值,实现地气解耦,并利用查找表的方法实现气溶胶光学厚度反演。通过AMPR在京津唐地区5个架次的航空观测实验数据对反演算法进行了验证,结果与地基CE318观测数据一致性较好,在气溶胶光学厚度小于0.5的情况下,反演平均误差为约0.03。     

多角度偏振成像仪偏振探测性能与检测

多角度偏振成像仪用于获取全球大气气溶胶和云性质参数,能探测大气多角度偏振信息。偏振探测是仪器的重要特性,大视场光学仪器起偏效应显著,应予以定标校正。在轨运行前通过实验室、外场对偏振探测性能进行全面检测。在轨运行时,设计基于自然目标偏振特性的在轨检测方法,进行数据校正后,再对大范围海洋耀光和水云偏振虹进行分析,通过偏差分布图像可在复杂多云的数据环境中直观显示仪器状态,实现了全视场偏振探测性能的快速评测,验证了地面应用系统数据处理的有效性。在轨偏振探测性能与实验室、外场检测的性能一致,探测精度满足优于0.02的设计指标。检测数据为气溶胶和云反演应用提供重要依据,各阶段检测方法为广角偏振遥感仪器检测提供参考。     

大气气溶胶偏振遥感研究进展

POLDER-1是国际上第一个可以获取偏振光观测的星载对地探测器, 随着POLDER/PARASOL等偏振仪器的应用, 偏振遥感在国际上已成为一个快速发展的研究领域, 并在大气气溶胶监测等方面发挥了重要的作用, 取得了一系列研究成果。从POLDER/PARASOL,APS(aerosol polarimetry sensor)和航空偏振相机、地基偏振观测平台三个方面综述了大气气溶胶偏振遥感近20年(1993-2013)的研究进展, 重点介绍: (1)POLDER/PARASOL陆地上空和海洋上空气溶胶参数反演算法; POLDER/PARASOL气溶胶光学厚度(AOD)产品精度验证、应用以及与MODIS等卫星AOD产品的对比分析。(2)MICROPOL,RSP和APS陆地上空和海洋上空气溶胶参数反演算法; 国产多角度航空偏振相机(directional polarimetric camera, DPC)的气溶胶参数反演算法。(3)CE318-2和CE318-DP的气溶胶地基偏振反演算法。其中卫星、航空和地面气溶胶参数反演的结果包括总的AOD、细粒子AOD、粗粒子AOD、粒子谱分布、粒子形状、复折射指数、单次散射反射率、散射相函数、偏振相函数以及云顶AOD。在以上研究基础上, 提出了大气气溶胶偏振遥感研究存在的问题及展望, 为大气气溶胶偏振遥感研究提供有价值的参考。     

基于多角度偏振载荷数据的中国典型地物偏振特性研究

相对于传统的光学遥感, 多角度偏振遥感不仅可以获取辐射强度信息, 而且可以获取偏振强度信息. 基于多角度偏振卫星载荷观测的中国典型地物的偏振反射率数据, 获取了地表偏振双向反射模型——Nadal模型的中国区域模型参数值. 在此基础上, 基于修正的Nadal模型研究了中国区域森林、草地、沙漠三种典型地物的多角度偏振特性. 研究表明: 1)各地物的偏振反射率均随着散射角的增大而减小, 随着太阳天顶角和卫星观测天顶角的增大而增大; 2)森林、草地和沙漠三种典型地表偏振反射率存在明显差别, 森林的偏振反射率最低, 草地的偏振反射率次之, 沙漠的偏振反射率大约为森林的两倍; 3)不同地物之间的偏振反射率差值均随着卫星观测天顶角和太阳天顶角的增大而增大. 研究结果可为基于多角度偏振遥感数据探测地表偏振特性和反演气溶胶参数提供先验知识.     

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。     

遥感遥测中偏振信息的研究进展

偏振是光的固有特性之一。地球表面和大气中的任何目标物在与光相互作用的过程中,由于目标物的表面结构、内部结构以及光入射的角度不同,都会产生其自身性质决定的特征偏振。而偏振遥感探测就是以目标物辐射能量的偏振特征作为探测信息,可以在复杂的背景中提取目标的七维信息并很好地分辨目标物上低反射区域和目标轮廓,解决了传统遥感所不能解决的大气探测和伪装识别方面的问题,具有良好的应用前景。文章介绍了偏振遥感遥测的机理,详细阐述了偏振探测的理论模拟、偏振遥感探测仪以及偏振遥感探测技术在大气探测、地球资源探测、海洋表面与水下探测、生物医学、天文探测、军事等领域应用的国内外研究概况、水平和发展趋势,归纳了目前存在的问题,并指出目前国内外偏振探测技术的研究方向,以期为后续的同类研究提供参考。     

基于LCVR调谐的全偏振多谱段成像系统

提出一种新型全偏振多谱段成像系统,将液晶相位可变延迟器LCVR应用于全偏振成像技术,在可见-近红外波段上可快速实现光的全偏振态的精确调制.系统由光学镜头、LCVR、偏振片、滤波片和CCD探测器组成.文章首先介绍了系统结构、工作原理和光学设计,并提出了适合本系统的偏振定标方法,建立了偏振定标系统,实现了利用较小面积的偏振...     

水体的多角度偏振波谱特性及其在水色遥感中应用

清洁水体光谱在可见光和近红外波段的反射率比较低,其光谱特征不明显,在光学遥感图像上水体一般都表现为暗色调,造成了利用光谱学手段进行水体遥感识别和水质参数反演的困难。在研究水体的偏振波谱时作者发现,在对水体进行多角度观测时,水体在可见光与近红外波段的偏振度波谱值要远大于其无偏的反射率,表现在图像上即水体的偏振度图像的亮度要远大于其强度图像的亮度,文章对这种现象和规律进行了物理学解释,并利用法国PARASOL多角度偏振卫星遥感图像数据对这个规律进行了验证。该文首次揭示了利用多角度偏振遥感进行水体探测的优势,该方法有效解决了在利用光学遥感进行水体探测时反射率低的难题,大大提高水体的遥感识别能力和水质参数反演精度。     

Optical 3-D dynamic measurement system and its application to polymer membrane inflation tests

An optical surface measurement system, which is capable of measuring transient surface shape, has been developed by using a high-speed digital camera. The system is based on the grating projection and Fourier transform technique. A calibration procedure is developed to allow the system to generate Cartesian coordinates directly, which are with respect to a fixed coordinate system in 3-D space. The measurement accuracy (±50 μm) is defined and verified as the maximum error between measured values and the known values of standard objects both flat and curved. The camera and a grating projector are mounted into a portable sensor head to allow in situ measurements. In addition, external force or pressure signals can be correlated with each measurement through a device called the multi-channel data link. The system is capable of digitizing a 3-D curved surface into an array of points with known xyz coordinates at a sampling rate from 30 to 1000 Hz. As an application, the system is used to measure the transient surface shape during a polymer membrane inflation test. The measurement results along with the pressure information provide an approach to determine the material parameters used in different material models.     

Mie-Rayleigh Doppler Wind Lidar with Two Double-edge Interferometers

The Mie-Rayleigh direct detection Doppler lidar (DDDL) with two double-edge etalons is presented. Fabry-Perot (F-P) etalon is used as the spectral analyzer for Doppler measurement formthe aerosol and molecule backscattered signals. The aerosol and molecular backscattering signals are separated by a polarization isolator with less signal decrement, so this system has about same accuracy as individual Rayleigh Doppler lidar or Mie Doppler lidar system. The simulation on a proposed ground-based DDDL at 532 nm shows that the velocity error is less than 2 m/s below 8 km for a 100 m vertical resolution by Mie channel and 2m/s up to 20 km by Rayleigh channel, respectively.     

Mie-Rayleigh Doppler Wind Lidar with Two Double-edge Interferometers

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇａｃｃｕｒａｔｅａｃｔｉｖｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｏｒｓｆｏｒｇｌｏｂａｌｗｉｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｈａｓｌｏｎｇｂｅｅｎａｈｉｇｈｐｒｉｏｒｉｔｙｎｅｅｄｆｏｒｂｏｔｈｃｌｉｍａｔｅｓｔｕｄｉｅｓａｎｄｗｅａｔｈｅｒｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ[1] .Ｓｏｆａｒｍｏｓｔｏｆｔｈｅｗｉｎｄｄａｔａｃｏｍｅｆｒｏｍｔｗｏｓｏｕｒｃｅｓ:ｔｈｅｆｉｒｓｔｓｏｕｒｃｅｉｓｆｒｏｍｗｅａｔｈｅｒｂａｌｌｏｏｎｓ ,ｂｕｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｉｓｔｈａｔｔｈｅｒｅａ…     

被动差分光学吸收光谱法监测污染源排放总量研究

研究了一种测量污染源污染气体(如SO2、NO2)排放总量的光学遥测方法,即采用被动差分光学吸收光谱(DOAS)系统在移动平台(如汽车)上对污染源排放烟羽进行扫描测量,利用被动差分光学吸收光谱处理方法对系统采集的天顶太阳散射光谱进行处理获取柱密度,在结合测量时段的气象(风场)信息后获得污染气体的排放通量,最终得到排放总量。着重描述了获得烟羽垂直柱密度的差分光学吸收光谱方法以及污染气体排放通量的计算方法,并利用车载被动差分光学吸收光谱系统对某一热电厂SO2排放进行了外场测量,实验结果与在线设备的对比表明:这种基于被动差分光学吸收光谱光学遥测方法能够用于污染源排放总量的快速测量。     

Hybrid complete Mueller polarimeter based on phase modulators

Optical properties of matter as diattenuation, retardance and depolarization can be evaluated using polarimetric techniques. In this paper, the analysis and implementation of a complete Mueller polarimeter is presented. The system is constituted of a polarization state generator (PSG) and a polarization state analyzer (PSA), which are controlled and synchronized through a computer program. The PSG comprises a dual liquid crystal variable retarder system while the PSA is based on a two-photoelastic modulator setup. Using air and common polarizing optics as test samples for calibration at 633 nm, the hybrid instrument met a good precision when the Mueller matrices of those optical elements were measured.     

高精度组合脉冲激光时序控制系统设计

在激光等离子体机理的研究中,为实现灵活的界面配置和多路脉冲激光器高精度的时序延时,设计了一种基于微控制器STM32和FPGA的多路时序延时控制系统。重点介绍了基于FPGA的多路ns级时序信号和基于ucGUI的触摸屏界面的设计。另外,采用高速光电隔离技术和高速FET开关电路技术,对驱动电路进行了设计,缩短了输出脉冲上升沿的时间,提高了系统延时精度、驱动能力和抗干扰性能。测试结果表明,该设计每路延时可调,调节范围为5 ns~10 ms,最小可调步进为5 ns,延时误差小于1 ns。     

共聚焦显微镜激光高速扫描控制系统设计及实现

 在传统光学扫描方法基础上,有效地将检流式与共振式光学扫描振镜结合起来,提出一种速度可达4 M/s采样率的高速激光扫描方法,并基于单片机系统设计搭建了系统控制硬件平台,编写了上位机端和下位机端应用软件。实验结果表明:该控制系统扫描速度快,性能稳定可靠,能够应用于共聚焦显微镜,实现实时扫描成像 。