基于地面试验的嫦娥五号月球矿物光谱分析仪数据质量分析

探月工程三期项目将完成“绕、落、回”三个阶段中的采样返回任务,将在未来发射嫦娥五号(CE-5)探测器,执行月面着陆、采样并返回地球的任务。嫦娥五号月球矿物光谱分析仪(LMS)是探月工程三期重要的数据来源,通过LMS光谱数据分析识别月球表面物质的矿物组成,包括含水矿物,同时有助于判断岩石类型,辅助地层学分析。为月球的形成过程、月球地质演变及岩石-水交互作用的研究提供数据支撑。相比于嫦娥三号红外成像光谱仪,LMS将光谱范围从450～2 400 nm扩展到了480～3 200 nm,除了能探测月球表面主要矿物辉石、橄榄石等,还可以探测3 000 nm附近的羟基吸收峰特征,为月球表面是否存在“水”提供强有力的证据。此外,嫦娥五号月面工作任务将获取月表以下物质,LMS可以对月表采样前后的采样区域进行光谱探测,比较不同深度、不同风化程度下的月壤光谱特征,且与后期返回样品的实验室光谱对比分析。为保证LMS月面数据的可靠性,在探测器发射之前开展了LMS地面验证试验,采用多种矿物及矿物混合样品,在不同试验环境下获取LMS的探测数据,分析研究LMS的矿物成分探测能力,并结合标准比对仪器光谱进行光谱质量分析。计算了所有实验样品的光谱不确定度参数。除了具有低反射率的钛铁矿外,所有样品都具有高质量的光谱数据。同时,在相同条件下,LMS光谱特征与标准比对仪器得到的光谱数据相一致,表明LMS整体数据质量高。     

基于Sandmeier模型的月球KAGUYA卫星高光谱数据地形校正

月球是人类深空探测的前哨站。月球卫星光谱测量是月表岩矿成分分析的主要技术方法。鉴于月表比地球地形起伏还要显著,有必要开展月球卫星高光谱数据的地形校正。通过顾及宏观地形起伏和周围地形反射辐射的影响,建立适合月表的Sandmeier辐照度模型,并由此推到了月表反射率地形校正模型。以月球虹湾地区KAGUYA卫星Spectral Profiler(SP)高光谱数据为例,借助美国Lunar Orbiter Laser Altimeter(LOLA)高程数据,计算了试验区坡度、坡向,以及入射角、反射角、地形可见因子等地形校正参数,结合平坦月表接收的太阳直接辐照度,实现了月球虹湾地区经向SP数据的反射率校正。通过比较发现,校正后反射率像元数量统计直方图近似高斯分布,而且光照区的月表反射率得到了抑制,阴影区的月表反射率有所增强,有效地消除了月表起伏地形的影响。     

近红外等效光谱测量方法研究

便携式近红外光谱仪器测量低反射率或透过率样品的漫反射率或透过率光谱时,由于仪器噪声的影响,光谱数据小、信噪比低,即使采用降噪数据处理,所得光谱数据仍无法满足分析精度的要求。因此研究了近红外等效光谱测量方法：根据低反射率或透过率样品在常规测量条件下反射信号的强度,增大仪器测量时光源电流以增大样品扫描信号、减小参比反射或透射光强以避免参比信号超量程,并计算得与常规测量方法相同的等效光谱,以提高样品近红外反射率或透过率光谱数据的信噪比。理论分析和实验结果表明采用近红外等效光谱测量方法,可获得与常规测量方法的光谱数据相同、且信噪比增大的等效光谱。     

基于天基定量实测数据的月球长波红外辐射特性研究

月球是理想的在轨辐射定标源,为提高卫星等在轨航空器的长波红外辐射测量精度,本文开展了月球长波红外辐射特性研究。通过分析月球辐射来源类型、辐射探测机理和建立辐射探测模型,探寻点目标/圆盘目标模式下月球的长波红外辐射规律,并依据天基实测数据计算其定标应用精度。首先,从月球自身辐射和反射太阳辐射两方面研究月球辐射,精确拟合月表温度,建立月球红外辐射模型,仿真两部分天基卫星辐射探测结果与月相角的数学关系;其次,对卫星红外载荷进行地面辐射定标,获得图像灰度-辐照度之间转换的关键参数,进而建立了月球长波红外辐射探测模型;最后,通过“吉林一号”对月拍摄实测数据,反演计算了探测模型中月表的反射率和发射率。实验结果表明：本文所得的月表长波红外辐射特性结果准确、鲁棒性高,与Apollo 12070实验室测量结果、Diviner实测数据拟合结果相比,月球发射率和反射率的误差分别约为7.18%和5.71%。     

FY-2水汽通道光谱响应测量大气污染评估和订正

由于无法实现真空测量,大气吸收作用会对实验室光谱响应(SRF)测量产生污染。为了提高光谱定标精度,通过敏感性试验定量评估了大气污染对水汽通道实验室光谱响应测量的影响,并以FY-2D为例进行了光谱响应污染订正,分析了光谱污染带来的通道辐射计算误差。不同测量环境的敏感性模拟结果表明： 大气吸收导致光谱测量曲线产生显著波动,强吸收光谱处的响应减弱,致使依赖于SRF的通道辐射计算结果被高估。光谱污染带来的通道亮温偏差随着水汽含量的增加呈指数增长趋势,偏差大于0.5 K且仅在等效水平路径小于1 m相对湿度低于15%的干燥环境下小于1 K。4 m水平路径35%相对湿度的情况下,亮温偏差可大于4 K。FY-2系列卫星水汽通道的光谱响应都存在不同程度的大气污染现象。利用水平大气透过率光谱,通过光谱比值的方法,对FY-2D的SRF进行订正。订正后SRF的异常波动被基本消除,曲线分布更加光滑合理。理论分析结果表明： 大气污染导致FY-2D在典型大气条件下大气层顶的通道亮温模拟偏高2.2 K,黑体辐射进而辐射定标高估7.6%。大气吸收对实验室光谱定标的影响非常显著,不仅对水汽通道对所有气体吸收通道都不能忽略。实验室光谱定标不能忽略大气吸收的影响,应该通过扣除大气透过率的影响的方式对测量光谱响应进行订正。     

空间紫外遥感仪器光谱响应度定标环境的研究

为了减小空间紫外遥感仪器(SURSI)光谱响应度定标不确定度,实现SURSI在轨的高精度探测,对SURSI定标环境进行了深入的分析研究。利用光学薄膜的电磁场理论数值计算出铝+氟化镁膜在250～400nm波段,真空和大气两种环境下的反射率值并进行比对。通过构建SURSI真空/大气响应度比对测试研究系统,对SURSI整机光谱响应度在两种环境下的差异进行了实验研究,在250～400nm波段,平均偏差可达3.8%。理论分析及实验结果表明:受仪器内部光学元件铝+氟化镁膜光学性质的影响,SURSI光谱响应度在真空和大气不同环境下存在明显差异,且偏差值具有波长相关性,直接说明SURSI辐射定标在真空环境下完成的必要性。     

CE-1干涉成像光谱仪数据光度校正与反射率计算

干涉成像光谱仪(interference imaging spectrometer,IIS)是嫦娥1号探月卫星(chang'e-1,CE-1)搭载的有效载荷,具有图谱合一的特点,用于实现月表重要元素及矿物类型的分布与含量分析的科学目标.由于观测条件的不一致,IIS获取的不同区域的月表数据明暗差异显著,因此,必须要进行光度校正,以消除由于观测条件不一致而引起的目标辐射特性的不均一性.文章在分析IIS数据特点的基础上,利用改进的Lommel-Seeliger模型对辐射定标后的IIS辐亮度数据进行逐像素光度校正;选定距离Apollo16着陆点最近的一块区域作为定标区,利用实验室测得的62231月壤样品双向反射率作为校正标准进行辐亮度到反射率的计算,得到CE-1 IIS反射率数据,并选择71501月壤样品对反射率计算结果进行精度评价.该工作对于月表矿物类型识别和信息提取、不同类型月表矿物与岩石的分布图绘制等具有重要意义.     

真空环境熔融金属成分检测的激光诱导击穿光谱系统

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是应用于冶金在线分析最具前景的技术之一。为了研究真空和高温条件下LIBS光谱特性和物质成分定量分析方法,设计并搭建了可实现真空环境高温熔融金属LIBS光谱测量的实验系统。系统以调Q Nd: YAG脉冲激光器为光源,采用不同焦距透镜实现激光聚焦和信号光采集,并利用光谱仪进行光谱检测,真空获取和高温加热通过真空泵和中频感应电炉实现,感应加热线圈通过陶瓷封接引线法兰与真空系统进行整合。经过安装测试,搭建系统在未加热情况下真空度可达1×10-4Pa,加热温度可达到1 600 ℃,可实现真空环境下铁、铝等金属加热或熔融,并获得相应环境下的LIBS测量光谱。利用该系统进行真空和熔融条件下标准钢样品的LIBS实验,得到了固态钢样品LIBS光谱在不同真空度下的光谱对比,以及真空环境熔融态和固态钢样品光谱对比。通过对测得的LIBS光谱进行数据处理和理论分析,所得初步实验结果与现有研究结论相符合,表明该系统工作状况良好,可满足真空环境下的熔融金属成分分析研究的基本需求。     

月球表面热辐射计算模型研究

为深入了解月球表面的热环境,根据月表红外发射率随温度变化以及太阳光反射率随入射方向变化的特点,建立了月表的多温段变反射率辐射计算模型.将该模型与月壤非稳态导热微分方程结合,并考虑日、月相对运动关系,形成了月表温度计算方法.在计算程序验证的基础上,分析了月表温度的变化规律与控制因素,比较了月海与月陆两种月表单元的温度差异...     

基于积分球反射计的红外光谱发射率测量系统校正方法

针对非理想参考反射标准对光谱发射率测量结果的影响,基于积分球反射计的红外发射率测量系统原理,提出了一种适用于反射法光谱发射率测量系统的校正方法。通过参考反射标准样光谱反射率的数据拟合,得到反射率的曲线方程,计算反射测量系统的校正系数,校正参考标准样的输出电压,推导出光谱反射率为1的参考标准样输出电压曲线,消除了非理想参考标准造成的系统误差。应用该修正方法对基于积分球反射计的太阳能选择吸收涂层光谱发射率测量系统进行了校正,将校正后的光谱发射率测量结果与能量比较法的测量结果进行对比,验证了校正方法的可行性,有效性,提高了光谱发射率测量的准确度。     

观测角度对岩石热红外光谱解混影响的实验研究

岩石定量遥感是矿产资源探测与地质环境监测的主要手段,光谱解混是岩矿定量遥感的重要方法。在实际应用中,由于卫星对地观测受地形起伏的影响,观测具有一定的角度,导致所测发射率光谱产生变异。但在目前的研究中,解混所采用的矿物端元光谱,是在实验室垂直试样表面观测得到的,忽略了观测角度对发射率光谱的影响,降低了光谱解混精度。因此,有必要将观测角度作为影响岩石光谱解混的因素,研究其对光谱解混精度的影响。首先,将常见的石英、正长石和斜长石矿物表面制作成一般粗糙度,并设计0°~77°共9个观测角度实测发射率光谱,分析观测角度对矿物热红外光谱特征的影响。其次,利用观测角度13°~77°的矿物端元,构建相应角度虚拟岩石光谱,并用0°的矿物端元光谱解混9个观测角度的岩石光谱,分析观测角度对岩石热红外光谱解混的影响。结果表明：(1)在0°~20°范围,观测角度对光谱影响较弱,从30°开始,影响显著。基本规律是：随着角度的增加,光谱吸收深度增加,但各波段处的情况不尽相同。CF特征在观测角度大于50°之后向短波方向移动明显;RF特征处的吸收谷在观测角度大于20°之后显著加深,且谷底位置向短波方向移动;TF特征在观测角度大于40°之后发射率显著降低。表明观测角度的变化,会引起光谱特征的明显变化。(2)在0°~20°范围内,观测角度对光谱解混影响不明显,解混误差小于5%;当观测角度大于20°时,观测角度对光谱解混有显著影响,30°~77°解混误差均大于5%,平均解混误差达到17.2%,解混精度较低。这表明,在基于光谱解混方法进行岩石矿物组分定量反演时,需要考虑观测角度的影响,这对于提高反演精度、准确确定岩石类型具有重要意义。     

超光谱红外卫星资料同步反演不同地表类型的大气廓线、地表温度和地表发射率

大气温度、水汽、地表温度和地表发射率是大气和地表的本征信息量。利用卫星红外资料精确反演大气温湿廓线有利于准确预报天气和研究气候变化,同时地表温度和地表发射率光谱的反演为研究植物生长与作物产量、地表水分蒸发与循环、能量平衡、地表成分及物理性质、气候变迁与全球环境提供重要参数指标。把大气和地面作为一个整体系统来考虑,建立一种能同步反演大气温度廓线、大气水汽廓线、地表温度和地表发射率的反演方法,利用超光谱红外卫星资料(atmospheric infrared sounder, AIRS),针对我国新疆地区沙漠和雪地两种典型发射率地表同步反演大气温度廓线、水汽廓线、地表温度和地表发射率。反演方法首先线性化地球-大气系统红外辐射传输方程, 提出通过经验正交函数构建大气廓线和地表发射率光谱,有效减少反演变量数,建立同步物理反演模式,然后以美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的预报结果(初始大气温度、水汽廓线以及地表参数)作为初始值,最后通过牛顿迭代得到最优化解。反演观测区域覆盖我国新疆塔克拉玛干沙漠和准噶尔盆地,分别选择位于塔克拉玛干沙漠腹地的塔中探测站(纬度38.98°, 经度83.64°)和准噶尔盆地的阜康荒漠生态系统国家野外科学观测研究站(纬度44.2°, 经度87.9° )为反演地面验证点。反演结果表明,塔克拉玛干沙漠地表温度明显高于准噶尔盆地地表温度,与实际情况相一致;根据反演的8.6和13.4 μm处的地表发射率分布情况,可以看出在8.6 μm处沙漠地表发射率明显低于雪地发射率,在6～15 μm范围内,反演的沙漠地区(塔中站)地表发射率和雪地地区(阜康站)地表发射率与美国喷气推进实验室测量的沙漠发射率光谱和雪地发射率光谱相一致。研究表明,把大气和地面作为一个整体系统来考虑,把地表发射率加入到反演中,通过比较和分析沙漠地区(塔中)和雪地地区(阜康)的大气廓线反演结果与当地气象探空值和传统反演方法反演值,改进了大气温度廓线和水汽廓线反演精度,特别是边界层温度和水汽改进尤为明显;同时分析表明在发射率光谱变化较大的沙漠地区, 大气廓线反演精度的改进比雪地要高,这是由于地表发射率光谱在沙漠、戈壁地区变化较大,而雪地的发射率光谱变化不大。用该方法针对地表发射率光谱变化较大的地区(沙漠)同步反演大气廓线、地表温度和地表发射率,可以更有效的提高大气温度廓线、水汽廓线的反演精度。该研究结果可以为数值天气预报和我国未来超光谱红外卫星应用提供服务和有力支持, 具有十分重要的意义。     

基于红外光谱的含氧化皮热态锻件温度检测方法

针对大型热态锻件在锻造过程中表面有较厚的氧化皮包裹,导致测温数据存在较大的误差,提出了一种基于红外光谱的测温方法,能有效的消除氧化皮层对测温的影响。该方法通过接收锻件氧化皮表面辐射的红外光谱直接测量氧化皮表面的温度和发射率,然后利用热交换公式推导求出被氧化皮覆盖的热态锻件真实温度。为了更好的抑制接收的红外光谱中各种干扰光谱的透过,提出了三级干涉滤光系统,并利用光谱仿真获得一组最优间隙参数值,提高了测温精度。实验结果表明,该测温方法能够准确测出覆盖有氧化皮高温锻件表面的温度,满足测温精度要求,验证了该测温方法的可行性。     

非朗伯体红外测温计算研究

根据红外辐射理论和红外热像仪的测温原理,建立了红外热像仪测温的通用数学模型;基于物体表面法向发射率的特点,简化了热像仪测温的数学模型,得到了红外热像仪测温的计算公式。通过相关实验,验证了在一定的温度范围内,物体的发射率和反射率之和基本保持不变这一结论。物体的发射率与反射率之和a与物体种类、表面状况及物体温度有关。物体与朗伯体越接近,a越大,其值越接近于1;物体表面状况偏离朗伯体越远,表面越光滑,越小。实验表明,若物体接近朗伯体,则可将其视为朗伯体,无需进行实际物体修正;对于非朗伯体(特别是表面光滑且发射率较低的物体),需要对其红外测温进行修正,否则将增大测温误差,甚至偏离其真实温度很远。该研究表明,通过修正,可以对非朗伯体进行红外测温。     

基于可见-近红外和热红外光谱联合分析的煤和矸石分类方法研究

煤与矸石是矿山采煤过程中主要固体堆放物,对其进行遥感动态监测是矿山环境保护的重要需求。由于煤与部分矸石存在“异物同谱”现象,在使用传统的可见-近红外遥感分类时,往往将部分矸石划分为煤,导致遥感分类精度降低。首先对铁法矿区的12个煤样本和115个矸石样本进行可见-近红外光谱测试,发现绝大部分矸石样品的光谱与煤差异很大,二者易于区分,但有部分矸石与煤样本存在“异物同谱”现象。为进一步对矸石与煤区分,测试了混分样本的热红外光谱,发现二者存在明显的光谱差异,利用热红外光谱特征可以将其区分开来。在此基础上,提出了基于可见-近红外和热红外光谱联合分析的煤与矸石区分方法。该方法首先对所有样本进行可见-近红外光谱测试,利用Mao模型进行第一步分类识别;其次对煤与矸石混分的样品进行热红外光谱测试,利用光谱吸收比率SAR作为判别指标进行第二步分类,两步的分类结果为最终分类结果。该方法在铁法、兖州、神东和木里矿区的验证结果表明,其具有很高的分类准确率,效果远好于单独基于可见-近红外光谱特征的分类方法。研究结果表明,利用多种光谱联合分析的方法可以解决单波段存在的“异物同谱”现象,对于地物遥感分类具有重要的借鉴意义。     

煤粉燃烧火焰辐射光谱实验研究

针对煤粉燃烧辐射光谱问题,利用光纤光谱仪对煤粉平面火焰炉实验装置煤粉燃烧火焰辐射光谱进行了测量,详细分析了煤粉辐射光谱特征,并基于普朗克辐射传热定律,通过对光谱仪波长响应特性的标定,得到火焰绝对辐射强度随波长的分布情况,进而利用最小二乘法获得火焰温度与辐射率参数,由此提出基于煤粉燃烧火焰辐射光谱测量的火焰参数测量方法。利用该方法对不同燃烧条件下煤粉燃烧参数进行测量,开展了不同燃烧参数下煤粉火焰辐射光谱实验研究,研究结果表明：煤粉燃烧火焰辐射在200～1 100 nm波段具有较强且连续的光谱特征,基于普朗克辐射定律与最小二乘法可实现煤粉燃烧火焰温度与辐射率的测量;煤粉燃烧火焰辐射光谱在590,766,769和779 nm附近可见明显的Na和K等碱金属痕量元素原子光谱发射谱线,并且这些原子谱线的出现与火焰温度有关;随着煤粉浓度的提高,虽然燃烧温度变化不大,但由于火焰辐射率的增加,造成辐射光谱强度的大幅提升。这对锅炉煤粉燃烧优化具有重要参考价值。     

Nanosecond-time-resolution thermal emission measurement during pulsed excimer-laser interaction with materials

A nanosecond-time-resolution pyrometer has been developed for measuring the transient surface temperature of a solid material heated by pulsed excimer-laser irradiation. Fast germanium diodes are employed to capture the transient thermal emission signals in the wavelength range between 1.2 and 1.6 pm. The surface temperature is derived from the measured spectral thermal emission. The directional spectral emissivity is determined in situ by measuring the transient directional spectral reflectivity and applying Kirchhoffs law. The experimental results are in good agreement with numerical thermal modeling predictions. The pyrometric thermal emission measurement also yields the solid/liquid interface temperature during the pulsed excimer-laser-induced melting. The relation between the measured interface superheating temperature and the interface velocity reveals the melting kinetic relation during the high-power, short-pulse laser-induced phase-change processes.