辛算法在近地小行星轨道演化数值研究中的应用

采用改进的显算法对近地小行星的轨道演化进行数值研究，在力学模型中除考虑各大行星的引力摄动外，还考虑了后牛顿效应，而在算法上则着重探索辛算法在近地小行星轨道演化研究中的应用前景，特别是当这类小行星与某一大行星靠近时辛算法的有效性。     

空间目标红外双波段比色测温法精度分析

针对空间目标与地基望远镜红外成像传感器终端之间的不确知参量将降低双波段比色测温法求解精度,且精度影响程度未知,假设目标为灰体,对包含不确知参量的最大似然估计函数关于发射率求偏导,建立基于红外探测器测量电子数的双波段比色测温数学模型,并进行双波段比色测温法的蒙特卡洛仿真实验与精度分析。对于大气透过率的估算,提出应用红外自然星体的大气透过率现场标校方法。空间目标温度反演精度与成像探测器的信噪比、大气透过率、地球热辐射以及波段之间的发射率差异等未知参量的估算精度有关。结果表明:信噪比高于20,波段之间发射率差异小于0.03,地球热辐射预测精度优于50%,大气透过率预测精度优于10%时,比色测温法优于40 K的温度估计精度。     

基于维恩近似修正的热红外温度和发射率反演算法

温度和发射率是热红外遥感中的两个最重要的参数.提出了一种基于维恩近似修正和阿尔法获得法(ADE)的温度和发射率的反演方法.对维恩近似从基本原理上进行修正,利用ADE计算光谱大致形状以确定发射率最大最小的波段,推导出了在修正维恩近似后各个波段发射率的关系,再利用这个关系以及最大最小值差(MMD)模型计算实际的发射率.在MMD模型的选择上,比较了两种模型的精度,选择了精度较高的模型应用到算法中.从算法的计算精度以及与别的方法的比较中可见,算法的精度和稳定性都比较好,温度的反演误差在1K以内,发射率反演误差在0.015以内.     

中红外波段地表发射率特性分析

陆表温度(LST)在地-气相互作用过程中扮演着重要的角色,是全球变化研究的关键参数。陆表发射率是陆表温度反演的关键输入参数之一。中红外谱区(3~5 μm)介于可见光-近红外谱区(0.38~2.5 μm)与热红外谱区(8~14 μm)之间,地物的发射率在该谱区表现出独特的光谱特性,可用于霜冻监测、矿物成分分析等研究。由于传感器在中红外谱区探测到的能量既有来自于地物自身发射的热辐射能量,又有反射的太阳辐射能量,这两部分的能量分离机理比较复杂,因此中红外谱区发射率特性分析的相关文献较少。本文针对单一均匀地表和具有混合像元的复杂地表计算了MODIS红外通道的有效发射率,发现通道有效发射率在单一均匀地表下与温度的耦合效应不强烈;但在复杂地表下,通道有效发射率与混合像元内的成分比例以及成分的地表温度具有耦合效应。在误差允许的范围内,混合像元的有效发射率可以忽略成分地表温度的影响。发射率误差对陆表温度反演精度的敏感性随着波长的变化而变化。在热红外波段,敏感性是其在中红外波段的2倍左右,说明利用中红外波段进行陆表温度反演具有一定的优势。     

小行星轨道演化研究中的数值方法

小行星是太阳系最重要的一类小天本,主要分布在两个区域;火星和木星轨道之间的一条主带和近地空间,近地小行星轨道的最大特点是其轨道半长径与地理轨道半长径相近,或近日距离接近甚至小于日地平均距离,其运动可深入到地球轨道的内部,迷将导致该类小行星与地球（还有金星、火星等）十分靠近甚至发生碰撞,这一特征给其轨道演化数值研究带来一些困难,包括天体力学方法中一般消除碰撞奇点的正规化处理以及对定性研究十分成功的辛算法都将在不同程度上失败,通过对几种常用数值方法（包括辛算法）计算效果的比较,根据小天体运动自身的特性,给出了相应处理措施,从而可提高计算结果的可靠性。     

空间目标红外双波段成像测温

作为空间目标与地基望远镜红外成像终端间不确知参量之一的地球热辐射,会降低传统双波段比色测温法正向求解准确度.为了提高目标温度估计的准确度,建立了基于红外探测器测量电子数的评价函数,得到了求解最大似然函数的温度反向求解模型;推导了双波段比色测温法的温度正向求解模型,进行了两种测温方法的仿真实验与比较分析.结果表明:目标温度反演准确度与成像探测器信噪比、地球热辐射估算准确度以及波段之间的发射率差异有着紧密的关系;当信噪比较低时,双波段比色测温法会陷入无解区域;当信噪比较高时,双波段比色测温法与最大似然函数法反演温度准确度相当;最大似然函数法采用有约束与有限内存的拟牛顿优化算法可有效避免目标函数陷入局部最小值;最大似然函数法具有很强的抗噪音干扰能力,能扩大目标温度求解的范围,并具有较高的准确度;在保证信噪比的情况下,增加成像波段数目可以提高温度反演准确度.     

小行星偏转囊获奖项

<正>美国国家航空航天局(NASA)和美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室因成功改变小行星轨道而获得Physics World 2022年度突破奖。双小行星重定向测试(Double Asteroid Redirection Test, DART)探测器发射于2021年11月,耗资3.3亿美元,是有史以来第一次为了改变天体的运动轨迹和第一个全面展示小行星偏离轨道的技术。     

基于最大熵估计Alpha谱缩放与平移量的温度与发射率分离算法

在热红外波段, 为了使温度与发射率分离过程不依赖数据库提供的经验信息, 并且实现更高的反演精度和更快的计算速度, 研究了一种新的温度与发射率分离算法. 首先, 在维恩近似原理的基础上, 求解了Alpha谱分布, 并利用Alpha谱描述光谱发射率的形状信息. 其次, 改进了最大熵温度与发射率分离算法: 应用最大熵估计模型对Alpha谱缩放与平移量进行估计, 减少了待估计参数的数量, 大幅简化了求解过程. 最后, 进行了算法的数值仿真实验: 求解了典型地物目标的温度与光谱发射率, 并且分析了算法对系统噪声的鲁棒性. 仿真数据表明: 发射率估计的最大RMSE为0.017, 温度估计的最大绝对误差的绝对值为0.62 K; 对系统添加测量信噪比为11的高斯白噪声, 发射率估计的相对RMSE为2.67%, 温度估计的相对误差为1.26%. 结果表明: 本文所述算法求解精度高, 计算速度快, 具备良好的鲁棒性.     

海面油膜热红外发射率光谱特征研究（英文）

利用热红外遥感技术探测海面溢油存在能够全天时探测、更好地探测海表及油膜辐射特征和对油膜厚度的识别潜力较大等优势。而热红外发射率是物体在指定温度时的辐射能与同温度黑体辐射能的比值,在常温范围内,物体的发射率光谱与温度无关,仅与材质属性及波长相关。基于这一假设,以山东省东营市胜利油田孤岛采油厂获取的原油样品与渤海湾海水为材料,利用102F傅里叶变换热红外光谱辐射仪设计海面油膜发射率光谱实验,系统的测量分析了海面油膜随厚度连续变化过程中海面油膜发射率的变化特征与产生机理。结果表明,海表油膜的热红外发射率在甚薄阶段(20~120μm)变化较大,利用热红外发射率光谱能够较好的探测海表甚薄油膜;在8~10μm和在13.2~14μm波段范围内,海水与厚度为20μm的甚薄油膜存在较为稳定的发射率差异,利用该光谱范围内的油膜发射率可以用来探测20μm的甚薄油膜;在11.7~14μm波段范围内,油膜发射率与其厚度相关性小,油膜的发射率明显低于本底海水的发射率,利用该光谱范围内的油膜发射率可以用来探测较薄油膜的有无;在11.72,12.2,12.55,13.48和13.8μm这几个波长附近,油膜发射率随着油膜厚度的增加呈现出递增或递减,且变化幅度较大,利用这几个波长附近谱段的发射率可以用来探测较薄油膜的发射率光谱响应。     

土壤发射率光谱与土壤元素含量的关系研究

通过对全国十几个地区共26个土壤样品进行元素含量和红外光谱测定,分析了土壤中红外发射率光谱特征,研究了土壤发射率光谱与土壤的硝态氮(NO₃-N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、锌(Zn)等元素以及pH值和有机质(OM)含量的相关性,并利用偏最小二乘回归和多元逐步回归建立了利用发射率光谱估算土壤各种元素含量的回归模型。由此找到了土壤元素含量与土壤发射率相关性最大的特征波段,并遴选出了不同波段哪些土壤元素与发射率的相关性最紧密,为开展土壤发射率的影响因素研究和由土壤中红外光谱预测土壤元素含量奠定了理论基础。研究结果显示：(1)在8～10 μm波段范围内,土壤发射率与土壤元素相关性从高到低依次为Ca,Mg,Mn和Fe ,相关系数最高为0.85,最低为-0.5;另外K,Fe,NO₃-N和Zn与发射率的相关性在6～8 μm波段范围内依次减小,相关系数最高为0.75,最低为0.48;而在10～14 μm波段内,Mn和K与发射率有较强的相关性,相关系数约为0.5;(2)土壤发射率与土壤pH值之间大致呈抛物线关系,在土壤的pH值为7时,发射率最高,随着土壤越酸或越碱,发射率逐渐降低;(3)在建立土壤各元素含量的预测模型时发现,偏最小二乘回归估算土壤各元素含量的精度要高于多元逐步回归,尤其是Ca,Cu和Fe这些元素,建模和交叉验证的R2分别能达到0.9、0.8以上;利用观测的土壤发射率光谱根据传感器波谱响应函数模拟得到的MODIS和ASTER传感器红外波段的发射率数据,通过多元逐步回归模型对土壤各元素含量进行估算发现,利用ASTER的热红外波段发射率估算土壤Ca含量时建模和验证的决定系数为0.774和0.892;用MODIS的红外波段发射率估算土壤Ca和Fe含量的建模和验证的决定系数都在0.85以上,估算Mg和K的建模和验证的决定系数都在0.5以上;并且ASTER的第10和11波段和MODIS的第28,29和30波段对土壤各元素有较高的敏感性,更适合用于土壤各元素的估算。     

会聚更多的光子,探索更深的宇宙空间——介绍2.16米光学望远镜

 科学技术发展到今天已经使天文学家有可能去探测天体在整个电磁波谱中任何一个波段的辐射了。但是光学波段作为“传统”的波段,迄今仍然是研究天体物理的基础。其主要原因是宇宙中大量的物质以凝聚的、温度达数千度乃至数万度的恒星形式存在着。当然,这也包括了恒星集合的星系。它们的辐射主要集中于光学波段。所以,大口径的光学天文望远镜仍然是天文学研究的主要工具。对于天文学家来说望远镜的主要作用是收集光子。我们知道,收集天体光子的能力是和望远镜镜面的面积成正比的。假如某一类天体有相同的光度,那么我们能探测到这类天体的极限距离就和望远镜口径成正比(当然,这里我们忽略了天体之间存在的星际物质对光线吸收的影响)。而且,天文望远镜还将天体成像。其空间分辨率也将和望远镜口径成正比。     

日外星系的小行星带

Gliese 581(见主图)是一颗距离地球21光年的红矮星,以行星众多而颇受关注。天文学家在2012 年12 月的《天文学与天体物理学》(Astronomy &Astrophysics)杂志上报道, 赫歇尔空间天文台(Herschel Space Observatory)发现了该恒星又一个类似地球的特征:在距离该恒星遥远的地带存在类似太阳系柯伊伯带(位于海王星轨道之外由远远小于地球的天体组成,其中包括冥王星)的小行星带。     

稳态卡计法测量材料在不同温度条件下半球发射率

通过合理设计,组装了一台稳态卡计法热辐射测量仪,它可以测量材料在173～373 K温度范围内的半球热辐,射率.本文对该装置进行了详细介绍和误差分析,并报道了多种卫星温度控制用热辐射材料和一种新型热致变色材料(thermochromic material)的半球总发射率测量结果.     

雪的热辐射多角度偏振特性研究

针对现今遥感对地面目标自身热辐射偏振特性研究的需要,对雪的热辐射多角度偏振特性进行测量,分析探测天顶角、探测方位角、波段、偏振角四个因子对雪的热辐射特性的影响。结果表明：雪的辐射亮度和亮度温度均随探测天顶角的增大而增大,当探测天顶角＞30°时,增长速度加快,且探测天顶角对雪的亮度温度的影响较辐射亮度更为显著;探测方位角的变化对雪的辐射亮度和亮度温度有一定的影响,且对雪的亮度温度的影响较辐射亮度更为显著;波段的变化对雪的辐射亮度和亮度温度均有显著影响,相比而言,其对辐射亮度的影响更为显著;偏振角的变化对雪的辐射亮度和亮度温度有一定的影响,且对亮度温度的影响较辐射亮度较为显著。该研究成果为应用遥感技术开展雪的热红外定量研究提供了新的思路与方法,具有重要的理论意义和广阔的应用前景。     

比冥王星更遥远的行星

<正>天文学家发现一颗比冥王星遥远两倍的矮行星(小图),距离太阳120亿千米,相当于83个天文单位(一个天文单位等于太阳到地球的距离)。科学家在《自然》(Nature)杂志上做了报告,该行星是已知首个轨道类似赛德娜(一颗从不接近海王星路径的遥远天体)的天体。赛德娜和这颗命名为2012 VP113的新行星不同于冥王星和位于海王星轨道以外的柯伊伯带其他成员。这颗行星的运     

太阳系形成之初的残留物

当欧洲太空署的罗塞塔探测器在2010 年7 月10 日飞掠司琴星(Lutetia,如图)时,行星学家不能确定他们看到的是什么类型的小行星。但是《科学》最近报道,这颗121 千米长的小行星是1 万多颗已知小行星中第一个被确认为46 亿年前行星形成之初的完整星子。它的密度很高,其引力已使罗塞塔的路径发生弯曲。星子是太阳系形成初期,太阳赤道面附近的粒子团由于自吸引而收缩形成的天体。这次快速掠过有助于研究星子的矿物成分。     

HJ-1B热红外遥感数据陆表温度反演误差分析

误差问题制约着遥感数据和模型的应用。结合HJ-1B热红外波段(IRS4)遥感数据,基于热红外辐射传输(radiant transfer,RT)模型,对陆表温度(land surface temperature,LST)反演误差源做精确理论分析,并就减小误差提出建议。首先利用MODTRAN 4修正IRS4 LST反演RT模型,通过建立偏微分方程,研究误差产生规律和各参量误差对模型总误差的贡献。分析发现,LST反演误差与随地表温度和比辐射率的升高而降低,随大气总水汽含量升高而升高;LST主要误差源为等效噪声温差、水汽估算误差和比辐射率误差,典型情况下将分别造成0.6,0.6和0.5 K的LST误差。总体而言,利用IRS4反演LST的误差在1 K左右,除非用地面探测手段将水汽误差和比辐射误差分别降低到5%和0.5%,否则IRS4数据无法满足精度高于1 K的LST应用。     

三维非等温多孔层的红外测温误差分析

以太阳能多孔吸热器等热利用系统为研究背景,针对多孔层表面的红外测温问题,基于反向蒙特卡罗法建立了三维非等温各向异性散射多孔层的红外测温模型,讨论了散射类型、多孔层厚度、基材发射率、孔隙率、孔径等物理性质和结构参数对红外测温误差的影响,提出了一种多孔层表面温度的反向计算方法。结果表明,将红外温度的实验测量值视作多孔表面温度会导致一定误差;后向散射可削弱高温背景辐射,从而减小探测温度较高时的误差,但增大了探测温度较低时的误差;高孔隙率(大于0.93)会造成测温误差迅速增大;测温误差小于2%时的参数范围如下:多孔层厚度为14~27mm,基材发射率为0.33~0.81,孔隙率为0.86~0.93,孔径为1.5~2.8mm。     

热辐射主导的脉冲星

通常脉冲星的辐射以非热辐射为主,比如说：射电脉冲星(参见本期卢吉光的文章《射电脉冲星》)和伽马射线脉冲星(参见本期葛明玉的文章《高能脉冲星》)。XDINS (X射线暗孤立中子星)与CCO (超新星遗迹中心致密天体)都是特殊品种的脉冲星。它们的辐射是热辐射主导,主要集中在软X射线波段。如果我们认为脉冲星为转动的中子星,在中子星的壳层、大气和磁层中会有各种复杂的物理过程,此时要产生一个简单的热辐射主导的能谱,反而是一件困难的事情,这就是“简单”带来的挑战。让我们首先从热辐射谈起。     

高层大气风场洛伦兹光谱线型粒子辐射率探测研究

以高层大气中的极光谱线为被探测源,提出了一种高层大气(80—300km)风场洛伦兹光谱线型的粒子辐射率被动探测的新原理.采用该原理不仅可获得高层大气风场的速度、温度和压强信息,更重要的是还能同时探测到高层大气中辐射粒子体辐射率,解决了目前高层大气风场研究中只能探测高层大气风场速度、温度和压强却不能获知粒子的体辐射率的问题.给出了基于洛伦兹光谱线型的辐射源粒子体辐射率、大气风场速度、温度和压强的理论计算公式.采用计算机模拟对探测误差进行了分析,给出了体辐射率、风场速度、温度、压强的误差分布规律,为进一步丰富和完善高层大气风场探测提供了理论依据和实验基础,对航空航天、空间探测、环境保护、国家安全和国民经济建设都具有重要的科学意义和广阔的应用前景.