敦煌辐射校正场反射辐射偏振特性研究

卫星遥感器辐射校正场的地表反射辐射测量(例如地表反射率、地表辐亮度等)对卫星遥感器的在轨定标至关重要。由于地物光谱仪自身具有一定的偏振敏感性, 场地反射辐射的偏振特性将会引入偏振测量误差。采用基于偏振成像仪和塔吊的非定点测量方式以及基于偏振光谱仪和BRDF测量架的定点测量方式, 测量了敦煌场490 nm和670 nm波段场地反射辐射的多角度偏振分布和局地偏振均匀性。试验结果表明, 敦煌辐射校正场的反射辐射具有一定的偏振特性。偏振特性和波段有关, 490 nm波段偏振度明显大于670 nm波段。490 nm和670 nm波段的多角度偏振分布关于太阳主平面对称。在太阳主平面内, 前向散射区偏振度大于后向散射区, 并随天顶角变大而变大。两种测量方式获得了一致的偏振特性分布规律。获得了直径100 m区域的场地反射辐射局部均匀性, 均匀性在6%左右。研究场地反射辐射的偏振特性对于场地辐射探测方案的改进以及辐射测量精度的提高具有重要意义。     

基于敦煌辐射校正场的自动化辐射定标方法

提出了基于自动化多通道光谱辐射计(ATR)、6SV辐射传输模型、敦煌场地历史高光谱反射率模型、中分辨率成像光谱仪(MODIS)的双向反射分布函数(BRDF)的自动化辐射定标方法。当天气状况和卫星观测几何参数满足条件时,所提方法可对遥感器进行连续辐射定标。2015年8月至2016年3月在敦煌辐射校正场进行了实验,共获取17天的有效观测数据。以水卫星的中分辨率成像光谱仪(AQUA/MODIS)为辐射基准,验证了所提方法的精度和定标频次。结果表明平均10~15天能够对卫星遥感器进行一次辐射定标。与AQUA/MODIS各通道观测数据相比,利用所提方法得到的大气顶反射率的相对偏差均小于5%,平均相对偏差小于2%,标准差小于2%。     

敦煌辐射校正场太阳光度计现场定标

为保证卫星在轨自动化定标中气溶胶光学特性观测的精度,针对基于相对稳定大气条件的Langley定标和基于高精度参考仪器的交叉定标,开展了辐射校正场太阳光度计的现场定标技术研究.定标结果表明高精度太阳光度计Langley定标和交叉定标与CE318太阳光度计反演的气溶胶光学厚度最大偏差分别在0.015和0.01以内.计算分析了大气条件、仪器参数等对现场定标的影响,将定标后的仪器和CE318太阳光度计放在青海湖同步比对观测,气溶胶光学厚度最大偏差在0.01以内.敦煌辐射校正场太阳光度计现场定标误差对卫星在轨定标的影响不超过0.21%,表明定标结果能够满足卫星在轨自动化定标的精度要求.     

基于敦煌辐射校正场的自动化辐射定标方法EI北大核心CSCD

提出了基于自动化多通道光谱辐射计(ATR)、6SV辐射传输模型、敦煌场地历史高光谱反射率模型、中分辨率成像光谱仪(MODIS)的双向反射分布函数(BRDF)的自动化辐射定标方法。当天气状况和卫星观测几何参数满足条件时,所提方法可对遥感器进行连续辐射定标。2015年8月至2016年3月在敦煌辐射校正场进行了实验,共获取17天的有效观测数据。以"水"卫星的中分辨率成像光谱仪(AQUA/MODIS)为辐射基准,验证了所提方法的精度和定标频次。结果表明平均10~15天能够对卫星遥感器进行一次辐射定标。与AQUA/MODIS各通道观测数据相比,利用所提方法得到的大气顶反射率的相对偏差均小于5%,平均相对偏差小于2%,标准差小于2%。     

中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区光环境变化研究

为有效评估集热塔散射辐射对敦煌场区光环境的影响程度,本文采用Monte Carlo三维辐射传输模型模拟与CE318多通道光度计等高线实测分析相结合的定量分析方法,以解决散射辐射交融于背景辐射中难以定量评估的问题。通过使用新型的ASC200云量自动观测仪,提高晴空辩识精度。通过开发CE318四象限定位修正算法,有效提高观测数据质量。2020年1～3月收集到的有效数据显示除了550 nm通道,集热塔未对天空漫射辐射产生明显影响。对于500 nm通道,在有效数据对应的观测几何下(距离0.87～3.07 km,观测天顶角为77.30°～51.32°),集热塔吸热器对天空漫射辐射的影响不超过0.93%。与模型模拟结果相结合进行分析,得出如下结论:当距离电站2 km时大电站散射辐射带来的天空漫射辐射相对变化1.62%;当与电站距离≥3 km时相对变化0.93%。本项研究成果对利用敦煌场开展遥感定量化应用、准确评估发电站引进的不确定度因素具有积极意义。     

基于敦煌辐射校正场的FY3B/VIRR反射太阳波段衰减分析

VIRR是搭载在我国最新一代极轨气象卫星FY-3B上的可见光红外扫描辐射计,发射后的遥感器需要进行不断的辐射定标校准以提高数据质量,更好的满足用户需求。为了研究FY3B/VIRR入轨后辐射响应的衰变规律,利用2011年—2015年敦煌辐射校正场同步试验数据,采用反射率基法计算其反射太阳波段的辐射定标系数,除受水汽吸收影响的波段10,其余各波段定标系数相对标准差均小于1.5%。以Aqua/MODIS为辐射基准验证了该方法的精度,结果表明,正演大气顶辐射与卫星观测值的平均偏差均小于2.5%。基于上述五年的VIRR定标结果,结合发射前定标系数,计算了遥感器的年际衰变率,结果表明:仪器衰减显示出一定的波长依赖性,波长越短的波段衰减越大;与发射前定标系数相比,入轨第一年的仪器定标系数有较大程度的变化;随着在轨运行时间变长,仪器衰减趋势开始减缓,在轨运行的第二和第三年衰减均大幅减小;从第四年开始波长0.8μm的波段,有衰减增大的趋势;在轨运行两年后,波长0.8μm的波段部分年份出现了响应增加的现象;与孙凌等的FY3A/MERSI衰减变化规律相比,衰减率和波长的相关性是一致的,但MERSI在0.65μm的波段3和13均出现相应增加的现象,而VIRR在该波长处的波段1却有衰减增大的趋势;综合历年的衰减率可以看出,波长较短的波段7,8和9年衰减率基本大于5%。     

风云二号静止气象卫星可见光通道辐射校正场定标方法研究

为了对风云二号C星(FY-2C)与D星(FY-2D)扫描辐射计(VISSR)的可见光通道进行定标,国家卫星气象中心联合多家单位在中国遥感卫星辐射校正场敦煌场开展了时间跨度达3个月的场地替代定标同步试验,获取了多组试验数据.通过使用刘京晶建立的敦煌地表反射比双向反射分布函数(BRDF)模型对实测的敦煌地表反射比数据进行方向性修正;使用6S模型计算表观反射比并进行天顶角余弦和日地距离修正;从4 d试验数据中计算得到了相对标准偏差小于5.6%(FY-2C)和2.4%(FY-2D)的4组定标系数.在不同野外环境、不同太阳几何位置参数下获得了相对一致的定标系数,说明定标算法的准确性和稳定性.     

空间相机常用金属材料表面的BRDF特性

为保证空间相机热设计中表面辐射换热计算准确可靠,基于两种金属材料的光学常数,结合Monte Carlo射线跟踪法应用几何光学近似对其粗糙表面的双向反射分布函数(BRDF)进行了研究。分析了不同入射光波长、不同入射角度及不同表面粗糙度对金属铝和钛材料粗糙表面的BRDF的影响。结果表明,金属铝和钛材料粗糙表面的BRDF分布具有明显的镜反射特征,入射平面内的BRDF峰值随入射光波长增加而增大,在本文研究的波长范围内,钛表面的BRDF随入射光波长增大的增幅最高达到41.0%,远高于铝表面的8.7%。当表面粗糙度较大时,光子在粗糙表面内会经历多次散射,粗糙表面内多次散射光子数比例随着表面粗糙度的增大而增加,并且随着入射角度的增大具有增加的趋势。     

中国遥感卫星辐射校正场陆表热红外发射率光谱野外测量

中国遥感卫星辐射校正场陆表发射率光谱是利用陆表场地进行遥感器红外通道绝对辐射定标的关键因子之一。基于光谱平滑的温度与发射率分离反演迭代算法,利用高精度的BOMEM MR154傅里叶变换红外光谱仪和红外标准板,对敦煌戈壁陆表发射率光谱进行测量。获得了不同时间和地点测量的陆表发射率光谱数据,并与利用CE312通道式红外辐射计在相同区域的测量结果进行比较分析。结果表明各个通道发射率的差别均在0.012以内,具有较好的一致性。利用该发射率光谱测量结果,可以在敦煌戈壁——中国遥感卫星辐射校正陆面场,对目前国内外主流的遥感卫星热红外通道进行在轨场地绝对辐射定标。     

BRDF表面对一维梯度折射率介质内辐射传热影响

辐射计算中的漫反射或镜反射假设并不足以完整地描述实际表面的特性.本文首次将BRDF、表面引入辐射传热分析。使用Minnaert模型模拟BRDF表面,通过遗传算法得到模型参数.用DRESOR法和逆蒙特卡洛法求解了含BRDF表面的-维梯度折射率介质中的辐射传热问题。计算结果显示了DRESOR法和逆蒙特卡洛法的准确性。虽然BRDF表面和相应的漫反射表面对应的温度偏差仅为±1.5%,但辐射热流偏差高达±10.5%,这足以引起很大的分析误差,实际辐射热分析中应引起重视。     

基于场地高光谱BRDF模型的绝对辐射定标方法

提出了一种基于场地地表高光谱双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法,摆脱了对卫星过境时刻同步观测的依赖,提高了遥感器在轨绝对辐射定标的效率与频次.利用无人机测量系统对敦煌辐射校正场进行了地表方向特性测量,基于半经验核驱动模型反演了敦煌场地的高光谱双向反射分布函数模型参数.用地表双向反射分布函数模型直接计算的卫星观测方向的地表高光谱反射率数据替代卫星过境时刻场地的地表同步测量数据,结合中分辨率成像光谱仪大气产品数据,实现了对Landsat-8卫星的陆地成像仪(OLI)在可见光至近红外波段的高频次绝对辐射定标.Landsat-8/OLI第1～6波段的卫星观测表观辐亮度值与模型计算表观辐亮度值的相对偏差均小于5%,标准差小于2%.基于无人机场地双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法的定标结果与卫星观测结果具有较高的一致性和稳定性.     

强对流云团偏振辐射特性分析

强对流云团是气象领域重要的研究对象之一。利用大气气溶胶多角度偏振探测仪(DPC)观测数据对强对流云团进行偏振辐射特性研究,为强对流云团识别提供多维信息。以强对流云团、台风云团和非降水云团为例,研究表明：强对流云团反射率高于非降水云团,且其反射率空间分布更均匀;在发展旺盛的强对流云团中大部分是冰晶粒子,只有边缘部分有液态水存在,而其他非降水云团的相态分布差异较大;在相近的照明和观测几何条件下,强对流云团偏振角空间分布的离散性大于非降水云团,且两者偏振角均值差异大;强对流云团的偏振角图像可以很好地表征其轮廓特征。     

双球聚集粒子辐射特性分析

基于广义Mie理论求解方法(GMM),考虑单元粒子之间的相互作用,计算了不同尺度参数不同间距的双球聚集粒子的衰减因子、散射因子等辐射特性参数,同时分析了双球聚集粒子与不考虑相互作用计算所得的辐射特性差异,分析结果表明:考虑相互作用与不考虑相互作用计算所得的双球聚集粒子的辐射特性存在着一定的差别,这种差别随粒子间距、尺度参数的变化而变化,最大偏差达30%左右.     

基于地面与低空无人机联合观测场地BRDF建模方法

双向反射分布函数（BRDF）是星载遥感器进行场地替代定标中的重要参量,随着技术的进步,低空自旋翼无人机已经成为了获取场地BRDF的便捷高效手段,通过现场测量准不变定标场的无人机多角度观测光谱数据,建立更加准确的BRDF模型还能进一步挖掘潜力。提出一种基于地-空双光谱仪联合观测加漫射板观测并消除漫射光影响的BRDF建模方法。使用无人机搭载光谱仪进行场地光谱的低空测量,获取半球空间内多角度下的场地光谱数据,同时开展地基光谱仪联合同步测量漫射参考板,连续记录照明光场的变化以及漫射光照明下的场地光谱数据。联合空地双光谱仪对目标和参考板实测的辐亮度数据,结合太阳及观察角度之间的几何观测,计算场地的多角度反射率。基于Ross-Li核驱动半经验模型对多角度反射率数据进行拟合,采用最小二乘法对模型系数进行拟合,以得到最优的场地BRDF模型,并对模型进行漫射光校正。实验证明,经漫射光校正后的BRDF模型各波段的相对偏差均值都在5%以内,相对偏差标准差在3%以内,有效消除了场地BRDF建模在漫射光照射下的干扰,提高了BRDF建模的准确性。     

基于青海湖辐射校正场的FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外波段在轨辐射定标

2018年8月在青海湖辐射校正场开展了针对FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外通道的在轨绝对辐射定标试验.采用走航式测量的方式获取了青海湖水表光谱辐亮度数据,结合探空数据,并基于辐射传输模型计算出卫星过境时刻的入瞳辐亮度和亮温,实现了对FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外通道24(10.26~11.26μm)和通道25(11.50~12.50μm)的在轨辐射定标.利用国际公认精度的AQUA/MODIS和NPP/VⅡRS卫星遥感器对在轨辐射定标方法进行精度评估,在10.26~11.26μm和11.50~12.50μm波段范围,通道亮温的平均偏差分别小于0.5K和1.0K,表明基于青海湖辐射定标场的在轨辐射定标方法具有较好的定标精度,获得的定标结果合理可靠.将利用青海湖进行的在轨定标结果与星上定标结果进行比较,在10.26~11.26μm和11.50~12.50μm波段范围,通道亮温的平均偏差分别小于0.5K和1.25K,表明FY3D/MERSI-Ⅱ在轨运行稳定.本次试验检验了FY3D/MERSI-Ⅱ星上定标结果,也为FY3D/MERSI-Ⅱ遥感数据的定量化应用提供了保障.     

可压缩涡流场中空泡运动规律及声辐射特性研究

基于可压缩流体力学基本理论, 通过边界积分方程, 采用不同表面压力模型, 求解空泡在计及可压缩性的涡流场中的运动规律; 通过表面离散及坐标变换, 采用Kirchhoff动边界积分方程, 将空泡表面视为运动变形边界, 作为直接噪声源, 获得涡流场中空泡运动产生的时域声压分布; 分析了涡流场参数对空泡运动规律及声辐射特性的影响. 研究结果表明: 计及流场可压缩性, 空泡的脉动幅度会随时间减弱, 辐射声压幅值随之减小; 空泡在涡流场中会发生延展、 颈缩、 撕裂, 并在撕裂后子空泡中形成射流; 当流场中的压力减小时, 空泡运动过程中的最大半径与撕裂前的最大长度逐渐增加, 且当流场中压力较小时, 空泡撕裂时形成的子空泡增多; 空泡辐射声压的指向性较弱, 撕裂会使辐射声压产生突变, 形成极大峰值; 随着涡通量的增大或空泡数的减小, 空泡脉动周期及其诱导的辐射声压波动周期随之延长, 辐射声压峰值逐渐滞后并减小. 本文结果旨在为涡流场中空泡运动规律及声辐射特性的相关研究提供参考. 关键词： 可压缩 涡流场 空泡 声辐射     

基于Himawari-8卫星成像仪的深对流云BRDF特性建模

深对流云是卫星传感器可见光与近红外波段替代定标的地球稳定目标,其方向反射特性是影响场地定标精度的重要参数。为了提高定标的准确性,需要双向反射率（BRDF）模型进行各向异性因子校正。基于Himawari-8卫星成像仪,利用提取的2016—2020年期间深对流云数据,依据查找表方法实现BRDF特征建模。在同一角度下对比业务化Hu模型归一化后的各向异性因子,分析两种模型降低深对流云响应标准误差的校正效果,并将经本文模型校正的长时间序列深对流云反射率数据和定标系数方法计算的仪器衰减率进行比较。研究结果表明,在可见-近红外波段范围内BRDF特性差异较小,与Hu模型相比,该方法表现出较高的一致性,使用本文模型校正后的深对流云响应标准误差小于Hu模型,且计算衰减率数值基本一致。在短波红外通道,本文模型与Hu模型相比,各向异性特征差异较大,使用Hu模型校正后标准误差增大,而使用本文模型校正后,标准误差最高可减少31%,在深对流云与定标系数计算衰减结果方面存在差异,这可能与短波红外通道的波动太大相关。因此,基于Himawari-8卫星成像仪对深对流云的BRDF特征建模是可行的。     

基于BRDF的光学表面疵病散射特性的仿真研究

为了研究精密光学元件表面微弱疵病的散射特性,基于矢量散射理论和双向反射分布函数,建立了光学表面微弱疵病的散射理论模型。通过仿真计算了双向反射分布函数随散射角的变化情况,分析了入射角度、入射光波长以及疵病自身尺寸等因素对疵病散射光特性的影响。基于仿真数据分析,针对光源参数对散射特性的影响进行仿真分析,为使用暗场成像法进行精密表面疵病检测的系统参数选择提供理论参考,疵病检测入射角范围为30°～50°最佳;在可见光范围内时,380～500 nm的波长范围更有利于疵病检测。另外还通过研究疵病尺寸发生改变时散射场变化的规律,为分辨疵病的形状大小等信息提供了参考依据。     

非均匀扩展光源辐射定标特性分析

积分球和漫反射板是定标常用的扩展光源,其非均匀性在不同条件下会对定标产生不同的影响。该文根据辐射传输理论和定标原理,建立数学模型,以均匀性比较差的灯-板定标系统为例,计算CCD不同像元上的辐照度和定标系数,并以理想情况和非理想情况下定标系数矩阵的相关性作为评价函数,分析非均匀性对定标的影响。结果表明,由于扩展光源的非均匀性,观测角度和光轴与漫反射板交点的位置对定标系数的影响比较大,而观测距离的影响比较小;在不同观测角度下,可以找到一个偏离值使得定标结果最接近理想结果。因此用灯-板定标系统标定成像光谱仪时根据观测角度选择合适的偏离值,可以减小定标误差。