近代高分辨地球成像商业卫星

综述了美国DigitalGlobe公司的QuickBird,WorldView-1,WorldView-2卫星和GeoEye公司的IKONOS,GeoEye-1,GeoEye-2等卫星的发展概况。分析评论了这些不同发射时间和使用年代的近代高分辨地球成像商业卫星及其空间相机的主要技术指标和特点,指出了研制小型、灵巧性卫星是近代高分辨地球成像商业卫星的发展趋势,其中需要解决的核心技术主要包括卫星的精密姿态控制、小像元尺寸和高积分级数TDICCD的研制,小相对孔径光学系统的设计以及用于图像增强的数字图像处理技术等。     

“NextView计划”与光学遥感卫星的发展趋势

美国国家地理空间情报局(NGA)发起的“NextView计划”是在“未来成像体系”(Future Imagery Archtecture,FIA)计划失败的背景下提出的。“NextView计划”由WorldView-1和GeoEye-1两颗商业光学遥感卫星组成。卫星的地面像元分辨力分别为0.5 m和0.41 m,是目前世界商业卫星中分辨力最高的两颗卫星。本文介绍了“NextView计划”项目实施的依据,描述了WorldView-1和GeoEye-1两颗卫星的技术指标、工作模式和特点,并对未来光学遥感卫星的发展趋势做出了预测,认为未来光学遥感卫星将向“更高、更快、更小、更准、更艳”的方向发展。     

从Pleiades剖析新一代高性能小卫星技术发展

综述了著名的新一代极限性能高分辨小卫星Pleiades,说明了该卫星的技术特点,同时给出了其关键技术指标,并且有针对性地剖析了Pleiades在多星组网轨道设计、一体化超分辨焦平面设计、一体化综合电子学设计及敏捷姿态控制系统设计等方面所采用的先进技术和设计理念。在此基础上,提出了适应我国国情的小卫星新技术发展方向,包括CMOS TDI模式成像技术、高动态范围视频成像技术、基于可重构模块的柔性化集成技术、基于软件总线的星载软件设计技术以及星载一体化设计技术等,为今后我国研发具有更高的地面分辨率、在轨成像效率和成像质量的新一代高性能小卫星提供了新的思路。     

地球等离子体模式及遥感成像技术

地球等离子体层的分布主要受到地球磁层的特性影响。早期对地球磁层的研究,主要是通过采集地磁平静期的观测数据,建立半经验模型和经验模型来研究。随着成像技术的发展,可以通过遥感成像的方式,在全球尺度下获得磁扰期、平静期等不同时刻的地球等离子层分布信息,从而更直观、全面地了解磁层磁场的变化。本文研究了现有的地球等离子体层模型,详细阐述了不同地球等离子层模型的描述形式、应用特性,以及地球等离子体层遥感成像观测的方法和手段。最后,通过计算机模拟了在经验地球等离子层模型输入情况下,极轨道卫星对地球等离子体层分布的成像结果。     

三轴稳定GEO卫星漫反射光变特性

利用天文测光方法研究了地球同步轨道卫星可见光波段的反射光变特性.以三轴稳定地球同步轨道通讯卫星为研究样本,进行了可见光波段的光学非高分辨成像观测,并使用天文标准星进行定标.基于相位角序列的测光观测数据表明:在大相位角区域卫星光变曲线分布与漫反射光照数学模型计算结果有很好的一致性,以卫星主体和太阳能电池板的漫反射效应为主;而在小相位角区域与漫反射模型计算结果有明显的差异,为卫星的太阳帆板镜面反射效应影响所致.     

航天时间延迟积分CCD相机摆扫成像快速几何校正设计与分析

为实现在轨卫星机动成像条带的快速准确拼接和应用,针对高分辨力卫星在轨推摆扫相结合的机动成像模式,提出了一种光线追迹像移匹配数学建模方法。通过对卫星机动过程中的摆角变化、地球表面面型的影响分析,利用摆扫过程中姿态对地指向不断改变导致的交轨方向速度失配量和成像变形量,补偿相机像面各点处的像移量从而进行快速几何校正。利用小卫星姿态控制系统全物理仿真平台对成像进行了仿真分析。分析结果表明,成像过程中随着扫描角的增加,像面上的像移量增大,成像变形情况也变严重。利用均方误差分析仿真成像与实验成像质量,仿真成像与实验成像相差-0.000011左右,较好地满足地面卫星相机成像仿真需求。对不同扫描角下存在速度失配的图像进行快速几何校正,该校正后图像的均方误差变小。该校正方法具有效率高,便于拼接应用的优点。     

用于活体人眼视网膜观察的自适应光学成像系统

利用自适应光学技术,研制了两套活体人眼视网膜高分辨力成像系统,在实时校正人眼波前误差的基础上,实现活体人眼视网膜细胞尺度的高分辨力成像。这两套系统分别采用19和37单元小型压电变形反射镜作为波前校正元件,哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器测量波前误差,用眼底反射的半导体激光作为波前探测的信标。在用计算机控制自适应光学系统实现人眼波前误差校正后,触发闪光灯照明视网膜,用CCD相机记录视网膜的高分辨力图像。校正后的残余波前误差的均方根值已分别小于1／6和1／10波长,相当于视网膜上成像分辨力分别为3．4μm和2．6μm,接近衍射极限。试验表明37单元系统的成像质量更好。     

高分辨率CMOS相机沿轨长条带钟摆式搜索成像设计

为实现面阵相机对沿轨方向长条带区域一定重叠率的推凝视成像,设计了高分辨CMOS传感器的钟摆式搜索成像模型.通过长条带逐层区域划分和成像重叠率渐近变化构建,计算了钟摆式搜索成像参量和卫星实时推凝指向姿态,并利用多次小幅逼近的PD控制器分析了搜索成像姿态控制精度与成像像移失配量.利用高分CMOS原理样机和小卫星姿控仿真平台对P5型曲面LED靶标系统进行地面等比缩放的长条带钟摆式搜索成像仿真试验.结果表明:帧间重叠率大于85%的钟摆式搜索成像比全凝视成像区域扩大了4倍;控制周期为10 Hz时,其姿态控制精度优于0.05°,姿态稳定度优于0.003°/s,搜索成像对应的图像传递函数能够达到0.141 1.     

球面弯晶的背光成像特性

通过对球面弯晶背光成像系统的分析,获得了空间分辨率、能量分辨率等关键性能参数随成像系统设计参数变化的关系。利用这一关系对背光成像系统的不同成像方式应用进行分析,并用光路追踪模拟进行验证。在此基础上,利用X射线衍射仪开展了单能成像系统的成像演示实验,获得与模拟和数值分析一致的结果。通过对成像系统的设计优化,这种高分辨单能成像技术将能够在神光激光装置上开展的物理实验中获得广泛应用。     

大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统

现代生物学和生物医学领域迫切需要研制兼顾大视场、高分辨率的显微成像技术和仪器以对生物样品实现跨尺度观测,满足重大科学问题的研究需求。受限于系统的空间带宽积,传统商业显微镜无法满足这一需求,且现有高空间带宽积显微成像系统存在体积庞大、实施成本高昂等问题。本文基于HiLo光切片技术和自主设计的大视场高分辨显微物镜,研发了具有高空间带宽积特点的大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统,测试了系统的成像视场和分辨率。应用该系统对小鼠脑切片开展了白光照明明场成像实验,并与OLYMPUS商业显微镜成像结果做了对比;对小麦种子荧光切片开展了光切片成像和宽场荧光成像对比实验。实验结果表明,大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统的成像视场达到4.8 mm×3.6 mm (对角视场为6.0 mm),横向分辨率达到0.74μm,轴向分辨率达到4.16μm。大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统兼有大视场和高分辨率成像的优势和快速光切片成像的能力,能够对大体积生物样本开展快速三维成像,将为胚胎发育、脑成像、数字病理诊断等研究提供有力的技术支撑。     

现代航天光学成像遥感器的应用与发展

概述了当前航天光学成像遥感器在对地、对天观测的多个领域的应用现状,给出了国外著名高分辨率商业卫星的性能指标,归纳了在轨和即将发射的太空望远镜的工作参数,展望了以更高的地面分辨率、更宽的地面覆盖和更高成像质量为目标的高性能光学遥感器的发展方向。依托大型光学成像平台的模块化技术和天地一体化设计为代表的综合性光学遥感器,阐述了实现自动识别和在轨参数自动调整的智能型光学成像遥感器的可行性、环境条件和技术要求。总结了目前在航天光学成像遥感器设计中大口径、主动光学波前探测和在轨智能处理等方面的关键技术和实现难题,提出了可实现的研究思路和未来的发展前景。     

基于卫星波段的马铃薯植株氮素含量估测

植株氮素浓度是反应作物氮素营养状况的关键指标,对作物的产量与品质具有重要的影响。作物大面积氮素营养的实时监测不仅对区域上氮肥投入提供决策,而且还对区域上氮素循环的估算提供依据。传统的地面传感器虽然有较高的精度,但很难在区域尺度上大面积获取数据,且目前存在的高光谱卫星影像如MODIS,Hyperion的空间分辨率普遍不高。随着卫星遥感的发展,近些年来高空间分辨率的多通道卫星逐渐发射升空,这些高分辨率的卫星遥感数据将对大尺度上植被生理生化指标反演提供可能。该研究从2014年-2016年在内蒙古阴山北麓武川县进行了三年不同氮水平的马铃薯田间试验,借助地面马铃薯冠层高光谱实测数据,模拟近几年发射的具有红边波段的多通道卫星WorldView-2和VENμS不同宽度波段,并构建多种光谱指数,建立光谱指数与马铃薯地上部植株氮素浓度的估测模型,进行马铃薯关键生育期冠层氮素营养的实时监测。结果表明,波段宽度和波段位置的选择决定着光谱指数对氮素浓度的响应程度,基于红边波段的光谱指数具有更高的灵敏性。生育时期显著影响光谱指数对马铃薯地上部氮素浓度的估测能力,苗期土壤背景对光谱反射率具有显著干扰,马铃薯块茎形成期后植株氮素浓度的预测效果最佳。基于WorldView-2和VENμS卫星红光、红边和近红外特定波段构成的融合光谱指数NDRE/NDVI相对其他指数来说在马铃薯植株氮素浓度估测上更具优势,与不同生育时期马铃薯植株氮素浓度都具有较高的相关性,相关系数r在0.63～0.81之间。其中,生殖生长期基于VENμS卫星红光、红边和近红外通道构成的融合光谱指数VENμS-NDRE/NDVI与马铃薯植株氮素浓度相关性最高（r=0.81）,模型验证结果的决定系数为0.56,且验证误差较小,RMSE和RE%分别为0.38%,10.45%,模型估测值与实测值的验证斜率最接近1,为0.82;WorldView-2-NDRE/NDVI与马铃薯植株氮素浓度也具有较高的相关性（r=0.74）,模型验证结果的决定系数为0.49,验证误差RMSE和RE%分别为0.41%和11.12%,模型估测值与实测值的验证斜率为0.78。多通道卫星模拟的结果证明,基于红边宽波段的融合光谱指数能用来进行马铃薯植株氮浓度的监测。     

低轨微小卫星及小碎片搜索/跟踪机动式大视场光电望远镜

有效反射面积小,运动速度快的空间低轨卫星和小碎片的日益增多对现有地基探测跟踪技术提出了挑战。本文分析了国外现有低轨小目标光电探测技术的发展现状,结合低轨小目标的探测需求,提出了一种用于低轨微小卫星及小碎片搜索/跟踪探测的机动式车载大视场光电望远镜设计方案。介绍了该望远镜的光学系统、跟踪架及载车,描述了它的工作模式和图像处理,讨论了系统的搜索和探测能力。结果表明,该望远镜对300 km轨道高度的目标搜索能力达到13.5星等（相当于直径5 cm目标）,可以满足搜索和跟踪低轨微小卫星及小碎片探测的实际需求。     

基于小型加速器的编码中子源成像研究

编码中子源成像可以在对中子注量率影响不大的情况下大大提高成像的准直比, 从而提高成像质量.北京大学开展了基于小型加速器的编码中子源成像技术研究工作. 不同于已有的基于反应堆的小面积编码板的研究工作, 北京大学建立了基于小型加速器的大面积编码板的编码中子源成像实验平台, 并对加速器中子源上的实验方法和数据处理进行了探索, 对比了重建算法, 获得了初步的重建照片.研究工作表明, 编码中子源成像技术可用于加速器中子源, 但重建图像质量仍须提高. 关键词： 加速器中子源 中子成像 编码源成像 图像重建     

用于空间碎片清除的高功率激光器（英文）

虽然人类的太空活动已经考虑了尽量减少空间碎片的措施,但近地轨道碎片的数量仍呈指数增长,特别是中小型碎片的现有数量已对在轨卫星构成了实质性的威胁。作为具有较高期待的消除碎片办法,用地基DF激光器和空基Nd∶YAG激光器消除碎片的方案令人关注,它们可以以低成本和非破坏性的方式清除空间轨道的危险碎片。本文介绍了使用平均功率为100 kW的高功率、高重复频率P-P Nd∶YAG激光器和平均功率约为1.5 MW的DF激光器来保护在轨飞行器和清除直径为1～10 cm空间轨道危险碎片涉及的相关工作。     

一种卫星平台振动光谱成像数据分块校正方法

卫星平台的振动会降低光谱成像数据的质量.以星载色散型成像光谱仪为例,介绍了其运动成像的退化机理.针对传统二维反卷积算法存在的问题以及推扫机理的特殊性,提出了一种光谱成像数据分块校正方法.该方法将分块处理、升维运算以及灰度渐变拼接相结合,将基于自然景物统计规律的图像去模糊算法运用于降质成像光谱数据的校正中.分别进行了不同目标的光谱成像退化校正仿真实验,实验结果表明,光谱成像数据质量在空间维和光谱维都有了明显提高,校正效果优于传统二维反卷积算法.     

二维透射式Terahertz波时域谱成像研究

通过THz(Terahertz)波的相位信息和振幅信息来解析出样品某些可用于成像的参量;并且对THz波相位信息成像和振幅信息成像进行了比较.结果显示：当样品对THz波的吸收比较小时,利用THz波的相位信息进行成像比通过振幅信息进行成像质量要好一些;时域谱峰值位置的漂移会对相位信息成像产生较大的影响.实验中发现输出光谱中出现了劈裂现象,即由输入的单峰变成了双峰.分析表明,这一现象是由样品内部厚度或折射率突变导致的,该现象可用于THz波轮廓成像研究.