飞秒脉冲的远场反射谱特性

从平面波的角谱表示出发,得到了超短脉冲光束由分层介质表面反射的频谱特性,数值计算给出了飞秒高斯脉冲经自由空间中介质薄膜反射的远场谱分布.由于光与介质的相互作用,反射谱呈现谱线变窄、红移、蓝移以及出现旁瓣而分裂成多重谱线的现象.     

带反射边界的倒向随机微分方程解的收敛性

对有界区间和无穷区间上带反射边界的倒向随机微分方程, 本文证明了其解的收敛性结果.     

单相机双球面镜视觉传感器成像光学特性分析

为了扩大镜像双目视觉传感器的视场范围,采用球面反射镜替换平面反射镜成为一种有效方案。但利用凸球面镜进行反射成像,将会导致图像质量和清晰度的下降,为此研究单相机镜像双目视觉传感器的光学特性。以离轴非中心式球面镜反射为研究对象,建立不同光学特性的成像模型,通过仿真和实验来定量分析球面镜参数对视场范围、分辨率和景深的影响,在给定工业相机和光学镜头参数的情况下给出双球面镜参数的设计方法。搭建基于单相机和双球面镜的视觉传感器,该传感器可以实现镜像双目视觉成像。通过分析基于球面镜反射的视觉传感器的光学特性,为新型镜像双目视觉传感器的设计提供了依据。     

基于正交种子曲线扩展算法设计自由曲面离轴反射无焦系统

离轴反射无焦光学系统在空间望远镜中具有重要的应用,自由曲面能够校正离轴反射系统中的非对称像差。设计自由曲面离轴反射无焦系统的初始结构非常关键。提出了正交种子曲线扩展算法(OSCE),可直接设计自由曲面离轴反射无焦系统的初始结构。为了验证方法可行性,分别设计了放大倍率为10和20的离轴无焦三反和四反系统。设计结果表明离轴三反系统初始结构均方根(RMS)波前差为0.36 λ,离轴四反系统初始结构波前差为0.18 λ。对这两个初始结构分别进行优化,优化之后的RMS波前差小于0.02 λ。     

积分型二向反射分布函数几何衰减因子分析改进

有关二向反射分布函数(BRDF)的研究大多集中在模型的建立及应用层面上。模型中起重要作用的几何衰减因子(GAF)大多采用的是现有的模型,而现有模型有在实际应用中存在拐点、自身不能维持有界、模型考虑不完善等局限性。在详细分析了随机表面模型后,提出了修正后的积分型GAF,并通过仿真验证该模型消除BRDF在大反射角时的不良行为,使其在GAF规定的范围内保持有界,所得结果与已有BRDF数据的拟合精度更高,可有效地解释后向反射现象。     

利用海洋环境噪声估计浅海海底表层声速

为提高反演效率,提出一种快速估计浅海海底表层声速的方法。根据噪声能流理论,垂直阵接收的海洋环境噪声数据能够用于无源提取海底反射损失,反射损失曲线中具有明显的临界角效应,从而接估计海底表层声速。以射线模型为基础,推导了噪声提取的反射损失与理论值之间的差异,并讨论实际阵列波束形成在不同角度和频率下的性能。考虑到非等声速环境下声线会发生弯曲,需对角度进行修正以提高方法的广泛适用性。不同频率的临界角与有效深度之间存在对应关系,黄海某海区数据处理结果表明,在临界角不变的有效深度内,海底表层可以视为等声速层,该海区海底表层0.5 m内声速估计结果为1547 m/s,与有源反演结果相近。      

收发共轴LIF系统海面乳化溢油探测与仿真研究

海面溢油污染是常见的海洋污染之一,通常以未乳化、乳化等风化状态存在,其中乳化阶段对海洋危害更加显著。因此,快速监测海面溢油信息,准确识别并评估乳化溢油污染对溢油应急处理和生态环境保护具有重要意义。激光诱导荧光(LIF)是目前有效的海面溢油探测技术之一。LIF探测系统可分为收发共轴和非共轴形式。有关收发共轴LIF系统对海面乳化溢油探测的研究较少,利用Mie散射理论计算得到溢油乳化液的吸收系数、散射系数等光学参数,建立蒙特卡罗光子传输模型对乳化溢油进行双向反射再辐射分布函数(bidirectional reflectance and reradiation distribution function, BRRDF)的仿真研究。分析浓度、厚度、油种多参数下乳化溢油的f_BRRDFcos2θ与发射接收角度的关系,进而得到基于收发共轴LIF系统海面乳化溢油探测的适宜条件。结果表明,f_BRRDFcos2θ与发射接收方位角无关,但受发射接收天顶角的影响较大,各参数下乳化溢油的f_BRRDFcos2θ其变化规律具有一定差异性。重质油包水和低浓度水包油的f_BRRDFcos2θ对天顶角的变化更敏感,轻质油包水和高浓度水包油的f_BRRDFcos2θ对较小角度(0°~45°)不敏感,之后迅速下降。因此基于收发共轴LIF系统对海面乳化溢油进行探测时,发射接收天顶角在0°~45°范围内为宜,其中在0°处系统可接收到最大光功率。另外,为验证仿真正确性,利用实验室LIF系统对乳化溢油进行收发共轴式测量荧光光谱,发现此与仿真结果具有一致性趋势。     

典型煤的近红外反射光谱特征的方向性研究

高光谱遥感是煤矿区探测的有效方法,对于煤炭资源调查、矿区环境监测等具有重要意义,其中煤、矸石、植被、水体等被遥测物各个方向的反射光谱特征是煤矿高光谱遥感的基础,为此有必要针对典型煤的方向反射光谱特征进行研究。从我国不同矿区收集了无烟煤、烟煤、褐煤三大类煤中的4种典型煤样,4种煤样按煤阶由高到低顺序包括无烟煤一号、贫煤、气煤、褐煤二号,在实验室利用方向反射测量球坐标实验装置测定了每种煤样半球空间各反射方向的近红外波段(1 000~2 500 nm)反射光谱曲线。通过对反射光谱曲线波形分析,发现同一种煤不同反射方向的近红外反射光谱波形基本相似,但在整体反射率大小和局部波形特征上具有差异性,光谱曲线整体反射率越大,吸收谷越明显。随反射角增大,4种煤在前向反射方向(180°探测方位角)反射光谱曲线均整体上升,在后向反射方向(0°探测方位角)反射光谱曲线高度变化相对较小。在每种煤半球空间各反射方向的反射光谱曲线中,选取了1 400,1 700,1 900,2 200和2 300 nm 5个特征波长,通过分析此5个特征波长处的反射率空间分布极坐标云图,发现4种煤在5个特征波长点处均具有一定的双向反射特征,均表现出较明显的前向反射热点特征和相对较弱的后向反射热点特征,无烟煤一号后向反射热点特征比贫煤、气煤、褐煤二号更明显,贫煤、气煤、褐煤二号随煤阶降低后向反射热点特征逐渐增强。每种煤前、后向反射方向的反射光谱中,通过对5个特征波长处反射率与反射角进行相关性分析,发现前向反射特征波长反射率与反射角近似呈线性函数关系,后向反射特征波长反射率与反射角近似呈高斯函数关系,且高斯函数拟合曲线波峰随煤阶降低向较大反射角度移动。该研究为矿区煤炭高光谱遥感最优探测几何的选择提供了依据,也为矿区煤炭资源精准探测提供了参考。     

内陆河道表层水体反射光谱的走航观测研究

现场水体光谱观测是水体光学性质、水色遥感反演建模等研究不可或缺的基础性工作之一。常规的倾斜观测方法受其较为严格的观测几何条件限制, 需要依据船体位置、太阳方位等不断调整观测角度,特别是针对河道水体光谱观测时,还须考虑河道走向、岸线遮蔽物等情况,因此,只能设置若干站点进行离散样点的观测,难以在岸线环境较为复杂的河道水体开展连续走航快速观测。而现场水体光谱连续走航快速观测能够获取不同地方时的大样本水体反射光谱,丰富对水体二向反射特征的认识,并建立更精确的反演模型,在水色遥感研究中具有极其重要的作用。鉴于此,设计了一种基于垂直观测几何方式的内陆河道表层水体反射光谱连续走航快速观测方法,并通过时空匹配技术获取整个河道的全波长遥感反射率数据。在杭州西小江部分河段的试验表明,该方法获取的遥感反射率与同步实测的叶绿素浓度、浊度等水色组分的相关性较强,选取的特征波段获得的确定系数R2均大于0.855。Sentinel-2的观测天顶角接近于0,近乎于垂直观测。该研究使用Sentinel-2B的光谱响应函数对实测光谱进行等效光谱模拟,转换为相应波段的等效遥感反射率,反演结果与基于Sen2Cor的大气校正后的遥感反射率数据进行建模,分析结果表明,基于Sen2Cor的大气校正后的遥感反射率数据存在高估现象,同时又用Sentinel-2B的大气表观反射率反推辐射亮度,然后用FLAASH大气校正获取Sentinel-2B的遥感反射率数据,经与实测等效遥感反射率建模分析发现,基于FLAASH的大气校正后的遥感反射率数据在小于0.02 sr-1时也存在高估现象,在大于0.02 sr-1时则存在明显低估现象。研究表明,用该方法所获取的大样本实测遥感反射率数据具有对卫星反射率产品进行真实性验证的应用潜力。     

相对反射深度的秦皇岛海域叶绿素浓度反演

海水中的叶绿素浓度是描述海洋初级生产力、获知浮游植物丰度及变化规律、评估环境质量、预报生态灾害的主要参数。国内外卫星遥感叶绿素产品的通用反演模型是利用不同波段上遥感反射光谱的强度比值来构建的OCx（x=2~6）算法,应用在一类水体中,全球尺度上的平均相对误差在35%左右。但对于固有光学特性复杂且具有较大区域差异性的二类水体,OCx算法误差较大甚至失效。现有研究成果表明,光谱的相对高度有利于特征波段信息提取及水色信号信噪比的提高。但基于相对高度构建反演模型,目前尚存在波段单一、应用面窄等问题。在我国近岸水体中,相对高度模型的构建方法及应用效果尚需进一步研究和验证。在对秦皇岛近岸海域的叶绿素浓度和表观光学参量进行原位测量的基础上,对高光谱数据进行了规范化处理,选取了特征波段并利用特征波段的相对反射深度构建了反演模型。模型反演值与实测值的相关系数为0.883 58,平均相对误差为28.33%;将模型与OCx等算法进行比较,平均相对误差均降低了27%～50%;模型验证估算值的平均相对误差为31.17%。在此基础上,对我国海洋卫星HY-1C水色水温扫描仪的多光谱数据及实测叶绿素浓度进行了相关分析,并基于443及520 nm处的相对反射深度建立了反演模型,模型估算值的平均相对误差比同期L2B产品降低了53.44%。结果表明,基于相对反射深度构建反演模型,可充分利用叶绿素特征波段信息、降低数据敏感性、提高水色要素的信噪比,进而大幅提高模型的反演精度及稳健性。对于水色要素的高光谱及多光谱反演模型构建、水体光学参量测量、卫星产品普及应用、初级生产力估算、生态环境监测、水动力过程研究等领域具有重要的科学意义及较强的应用价值。