紧凑型空间外差成像光谱仪设计

设计了一种适合微小卫星平台应用的紧凑型空间外差成像光谱仪,该系统利用两套干涉结构将干涉条纹定域于系统外部,并将前置透镜的成像面与系统干涉面重合以获取目标的空间位置信息和光谱信息.根据系统轴上光表达式和奈奎斯特采样定律,给出了系统光谱分辨率和光谱范围与元件参数的匹配关系.通过光线追迹的方式,理论证明了干涉图定域位置,并推导了普适仪器函数表达式.针对氧原子气辉(O[1 D]630nm)星载测量,完成了该紧凑型空间外差成像光谱仪的系统设计和仿真,系统光谱采样间隔为0.762 3cm-1,光谱范围为601.674 9~631.324 6nm.最后通过搭建实验装置获取632.8nm激光光源的目标图像和复原光谱.仿真和实验结果表明:系统光谱采样间隔达到设计要求,且光谱分辨能力为20 822(@630nm);λ/4波长和线偏振器的装调误差(±1°)对系统干涉图调制度影响很小.该系统具有成像能力和光谱探测能力,可作为一种时空联合型干涉光谱仪使用.     

基于氧分子O2(a1Δg)O19P18发射谱线的平流层、中间层大气风场星载探测可行性探讨

提出并分析了以O_2(a~1Δ_g)O_(19)P_(18)(7 772.03cm~(-1))发射谱线为目标源进行平流层、中间层大气风场星载临边探测的可行性及优势.基于大气模型和辐射传输理论建立O_2(a~1Δ_g,υ′=0)→O_2(X~3Σ_g,υ″=0)带的辐射传输模型,并分析多重散射和非局地热平衡效应影响下的目标源临边光谱辐亮度.表明发射线O_2(a~1Δ_g)O_(19)P_(18)(7 772.03cm~(-1))自吸收微弱、辐射强、光谱分立度好,能大大降低对测风干涉仪光谱分辨率、滤光系统带宽的要求,进而使载荷更易于实现小型化、高稳定性.以星载测风多普勒差分干涉仪技术方案为例,对以O_2(a~1Δ_g)O_(19)P_(18)(7 772.03cm~(-1))为探测目标源的视线风速反演精度进行了仿真分析,结果表明40～70km高度范围内视线风速测量精度优于5m/s;适当放宽风速反演精度情况下,探测范围能够向40km以下扩展.研究结果将为平流层、中间层大气风场星载探测提供一条低成本、高精度、自主可行的技术路线.     

高稳定性星载多普勒差分干涉仪支撑结构设计

为了保证星载测风多普勒差分干涉仪的力学稳定性和热稳定性,设计了一种低热传导微应力装夹支撑结构,采用胶合与弹性压紧相结合的方法对干涉仪进行安装.首先,结合多普勒差分干涉仪的结构特点和稳定性要求,采用四点环形凸台的粘接形式对底座粘接面进行了优化设计,并与已有的网格化多点凸台粘接面形式进行对比.然后,针对随机振动条件下干涉仪与底座粘接面响应应力过大的问题,设计了施加预紧力的压盖结构来提高粘接可靠性.最后,对干涉仪组件进行了有限元仿真和环境振动试验,分析和验证了干涉仪组件的低热传导性和力学可靠性.结果表明,所设计的四点环形凸台粘接形式相较于已有粘接形式在相同条件下由底座导入光学组件的热量减少了63.54%,随机振动时粘接面最大响应应力为2MPa,干涉仪组件的模态频率均在1 900Hz以上;有限元仿真与试验结果的相对误差均在8.6%以内.基于四点环形凸台面粘接并施加预紧力的干涉仪组件具有低热传导、高力学可靠性的特点,结构设计合理,性能可靠.     

基于分段边缘拟合的测风多普勒差分干涉仪成像热漂移监测方法

多普勒差分干涉仪是近年来发展起来的一种适用于中高层大气风场星载测量的干涉仪,它依靠对干涉图相位的精确反演计算气辉谱线的多普勒频移得到大气风速.环境温度的变化导致干涉仪光机组件发生热变形,造成成像面在干涉方向上的热漂移,改变相位的像元分布,直接引入相位误差从而影响风速反演.为了减小这种成像热漂移对多普勒差分干涉仪相位反演的影响,本文用分段拟合的方法检测光栅的标尺刻槽在干涉图中成像图案的边缘,定位刻槽图案的亚像元位置并依此监测成像热漂移.在近红外多普勒差分干涉仪样机的热稳定实验中,像面热漂移检测结果与环境温度在高频振荡变化趋势上表现出较高一致性,二者相关系数经去基线后可达0.86,而干涉图相位漂移经成像热漂移校正后其高频振荡也得到大幅抑制,证明了该算法的有效性.为了进一步验证该算法精度,计算了数据信噪比以及拟合所用各项数据分布特征参数误差对边缘检测的影响,结果表明,边缘检测精度主要受数据信噪比和条纹频率参数准确性的制约,当拟合用条纹频率参数误差小于0.5%而其他数据分布特征参数误差在1%以内,数据信噪比在约35倍以上时,本文算法可以实现高于0.05像元的检测精度.     

光纤视场合成四维光谱成像仪

作为现代遥感技术最重要的发展之一,光谱成像仪在军事、地质、海洋、大气探测等各个领域都有着广泛的应用。然而传统的色散或者干涉光谱成像仪由于需要多次曝光来扫描数据立方体,并不适合于场景快速变换的情况。四维(4D)光纤视场合成光谱成像仪,一种将特制光纤束置于望远镜的像面并成线性排列输出到光谱仪的技术,使得光谱成像仪能够通过单次曝光便获取目标的数据立方体,从而具有观测高速目标和瞬变现象的能力。搭建了一套桌面实验系统,在可见光谱段获得4.2nm的光谱分辨率,对彩色目标的成像效果良好。对光纤束排列误差进行了分析,并给出了校准方法。     

土壤漏油含量光谱预测实验研究与分析

针对土壤漏油污染的检测、分析和含量预测等实际问题,用关中平原常见普通土壤、柴油、机油及油土混合物为研究对象,设计被不同油种污染以及不同污染程度的土壤光谱特征实验。采用光谱分析的方法来获取光谱指数,测量并分析渗漏相同含量两个油种的油土混合物以及渗漏不同含量同一油种的油土混合物的光谱特征及其差异,根据分析结果建立一个基于反射特征的土壤柴油渗漏含量的光谱预测模型。研究表明：(1)渗漏相同含量不同油种时,渗漏柴油的土壤的反射率低于渗漏机油的土壤;渗漏柴油和机油的土壤均在1 740和2 328 nm附近出现双吸收谷特征,且在每一个吸收谷点处渗漏柴油的土壤的光谱吸收深度和光谱吸收指数均低于渗漏相同含量机油的土壤。(2)建立的土壤柴油渗漏含量的光谱预测模型相关系数r的值达到0.854,说明模型具有较强的稳定性;评价模型预测能力的均方根误差RMSE值为0.016证明该模型具有较好预测能力,可以对土壤柴油渗漏含量进行有效的预测。     

星载被动光学遥感大气风场探测技术进展综述

大气风场是表征整个地球大气系统动力学特征的重要参数,也是气象预报、空间天气、气候学等领域业务工作和科学研究必需的基础数据。被动光学遥感是大气风场测量领域的主要技术手段之一。本文综述了基于大气移动目标监测和大气光谱多普勒频移探测的两类天基被动光学大气风场测量技术的研究进展,主要介绍了云导风、红外高光谱水汽示踪、测风干涉仪和多普勒调制气体相关4种风场测量技术的基础物理原理和风速反演基本方法,根据每种星载被动光学测风技术体制分类及特点,介绍了代表性风场探测载荷技术研究进展及应用情况,探讨了星载被动光学大气风场探测技术的未来发展趋势。     

大气风场和温度场星载探测光谱仪的星上定标技术

 大气风场和温度场是重要的大气基本参数,由于应用领域广泛,其探测技术在很多国家已发展成熟,中国对该探测技术的需求也日趋强烈。大气风场和温度场测量是利用高精度的光谱仪,通过测量大气中特征谱线的多普勒频移和展宽,来确定大气的温度分布场和风向风速场。星上定标技术是大气风场和温度场星载探测光谱仪进行高精度测量的基本保障。文中就几种重要的大气风场和温度场探测光谱仪的星上定标技术进行分析和总结,为大气风场和温度场探测技术发展提供参考,打下基础。     

O3辐射源Michelson测风成像干涉仪临边观测正演仿真

以O_3在8.823μm波段的辐射为探测源,通过干涉仪获取其精细光谱的多普勒频移反演,是平流层风场探测的重要途径。鉴于此,通过对O_3临边辐射光谱特性进行分析,确定了最佳的目标谱线;利用三级红外Fabry-Perot标准具联合滤光,实现了目标谱线的提取;通过建立Michelson干涉仪数值模型,得到了临边观测情况下白天及夜间工作时的四步进干涉图像;通过误差分析,论证了15～45km范围内,白天及晚上的视向风测量误差均在1～2m/s范围内。因此,以O_3辐射为探测源的Michelson干涉仪可以实现平流层风场的全球全天时探测。