A New Type of Digital Compensatory Millimeter Wave Radiometer

System gain and receiver noise are two main impact factors of total power millimeter wave (MMW) radiometer output. In this paper, a new method of using software to compensate system gain and receiver noise fluctuation is introduced. This method can keep the long-term stability and accuracy of the radiometer. At the same time, only one matching load is used as the reference source, which can prevent the trouble caused by using two cold and hot calibration sources in ground-based or airborne radiometer. The preliminary experiment proves the efficiency of the method.     

低温辐射计黑体腔吸收率分析

低温辐射计是目前国际上光辐射功率计量中准确度最高的测量系统,其光辐射测量不确定度可达10-5量级,目前国内仅有少数研究机构从国外引进低温辐射计开展计量研究,亟待发展国产低温辐射计替代进口产品。由于低温辐射计采用低温超导状态下的电替代测量原理进行光辐射功率测量,发展低温辐射计的难点之一在于研制黑体吸收腔这一核心光辐射接收器件,并要求黑体腔在各波长下的吸收率都要达到0.999 9以上。为研制超高光谱吸收率的黑体吸收腔,系统性分析了各影响黑体腔光谱吸收率因素,在此基础上利用蒙特卡罗光线追迹方法重点研究了光谱波长、腔体长度、黑材料漫反射系数、黑材料吸收率和入射光空间位置等对斜底黑体腔光谱吸收率的影响。研究结果表明：在300～1 100 nm波长范围内黑体腔吸收率与其内壁涂黑材料的吸收率呈正相关,且在300～1 000 nm范围内的吸收率都达到了0.999 9以上,其中在700 nm处的吸收率取得最大值0.999 941 5,表明采用该类型黑材料的黑体腔只在300～1 000 nm范围内满足低温辐射计设计要求,后续需要根据仿真和测试结果对低温辐射计在不同波长下的光电不等效性进行修正;在黑体腔结构和口径确定的情况下,黑体腔吸收率将随腔长增加而逐渐升高,在40 mm后变化趋缓,并在65 mm后逐渐趋于平衡,考虑到低温辐射计低温舱对腔体尺寸的限制,认为腔体长度与口径之比为6.5时较为合适;黑体腔吸收率还受黑材料的漫反射系数影响,随着黑材料漫反射系数的提高,腔体吸收率呈现近似线性下降,所以在选择黑体腔涂黑材料时,在吸收率等指标相同的情况下应尽量选择镜面吸收黑;黑材料吸收率从0.8到1的变化过程中,腔体吸收率提升了0.05个百分点,且黑材料吸收率为0.92时腔体吸收率可达到0.999 9以上,表明黑材料在其有效工作波长范围内任一点的光谱吸收率都要大于0.92;腔体吸收率还受入射光投射的空间位置影响,光线位置越靠近斜底腔顶点处,腔体吸收率越高,但整体吸收率变化不明显,光线位置对腔体吸收率影响只有不到0.004个百分点,几乎可以忽略,认为斜底腔不同位置处的吸收率是均匀的。研究结果对低温辐射计黑体腔研制有一定参考价值。     

L波段合成孔径辐射计接收链路分析与设计

提出了合成孔径辐射计对接收链路的技术要求,并在此基础上设计了工作于L波段的合成孔径辐射计的接收链路.通过ADS(Advanced Design System)软件对该接收链路进行了系统级仿真,仿真结果表明,系统增益为129 dB,噪声系数约为1.8 dB,满足了设计目标对系统增益和噪声系数的要求.     

基于超光谱比值辐射仪的卫星自动化场地定标与分析

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求,以及目前人工方式进行定标的不足,调研国内外卫星定标的发展现状,研制了超光谱比值辐射仪自动化定标系统,并开展了卫星传感器自动化定标的试验。根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标,比值辐射仪设计积分球测量光谱总照度,并通过遮挡的方式实现了光谱漫照度测量,获得卫星定标中的漫总比数据;同时,辐射仪利用光学镜头的方式实现地面辐亮度测量,实现了大气-地表辐射特性的自动观测,同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能。在2015年敦煌辐射校正场试验中,辐射仪得到了理想的应用效果并获得了大气光学参数、地表反射率的数据,为卫星传感器的定标提供了数据支持。经过与传统测量仪器的对比,地表反射率的相对偏差在0.5%~1.5%,大气参数中光谱辐照度的绝对偏差小于5%,漫总比的绝对偏差不大于0.015%。采用辐照度基法利用测量的数据对Aqua MODIS光学遥感器的通道1～5进行了场地定标,通道1~4的对比相对偏差小于1%,通道5的偏差结果为7.24%,验证结果满足了卫星传感器自动化定标的初步需求。     

基于数字信号处理技术的连续变焦镜头控制系统设计

针对以往连续变焦镜头控制系统存在的速度响应慢、准确度低等缺点,对连续变焦镜头及其控制系统的设计方法进行改进.采用机械补偿的变焦距镜头理论,确定变焦距系统位移曲线.基于数字信号处理技术和步进电机的控制技术,设计了包括数字信号处理器、步进电机、步进电机驱动器、键盘控制、计算机通信、液晶显示模块为一体的控制系统,同时对变焦距...     

基于CIC的数字正交锁相放大器的甲烷检测实验研究

针对甲烷在大气中背景气体成分复杂、检测难度大、稳定性差等问题,本文基于可调谐二极管激光吸收光谱技术和波长调制光谱技术,将积分梳状滤波器与有限脉冲响应滤波器相结合应用于数字正交锁相放大器,开展大气中甲烷气体的痕量检测实验研究.实验表明,与传统的数字正交锁相放大器相比较,改进的数字正交锁相放大器提取的二次谐波信号的信噪比从...     

基于数字信号处理技术的连续变焦镜头控制系统设计

针对以往连续变焦镜头控制系统存在的速度响应慢、准确度低等缺点,对连续变焦镜头及其控制系统的设计方法进行改进.采用机械补偿的变焦距镜头理论,确定变焦距系统位移曲线.基于数字信号处理技术和步进电机的控制技术,设计了包括数字信号处理器、步进电机、步进电机驱动器、键盘控制、计算机通信、液晶显示模块为一体的控制系统,同时对变焦距系统增加了自锁模块,提高了控制系统的安全性与可靠性.初步实验结果表明,控制系统准确度在0.01 mm以内,满足0.12 mm的设计指标.     

减压氩气环境下激光显微光谱分析再现性和灵敏度的研究

以金属合金光谱分析标样为样品，采用激光显微发射光谱分析系统在减压氩气环境下，实验研究了光谱分析再现性和灵敏度。以原子线作为分析线的RSD减压氩气环境好于常压空气环境，以离子线作为分析线的RSD基本相同，样品的组成和元素的浓度对分析线的RSD有较大的影响。测定的铝合金样品Cu,Zn,Mg浓度曲线斜率是空气环境下的1．5－2倍，表明分析灵敏度得到明显改善，有利于激光显微光谱分析范围的扩展。     

在轨光学遥感仪器探测灵敏度的建模分析与应用

在分析光学遥感仪器探测信息中主要噪音源的基础上,提出了一种改进空间结构函数分析的仪器探测灵敏度在轨评价方法,包括：基于多项式递推分解的整体噪音估计模型,以及减小系统误差及修正模数转换噪音影响等基本技术途径.仿真结果证实,该改进算法的噪音估计准确度优于传统的高斯估计和基于外推的结构函数分析方法.针对实际观测数据,在去除模数转换噪音影响后,仪器噪音等效温度差指标的在轨评价准确度可达±0.05 K.该评价方法已在FY-2D静止气象卫星在轨测试中得到成功应用.     

水质参数遥感反演光谱特征构建与敏感性分析

水质遥感监测是遥感的重要应用方向之一,作为传统水体采样化验的辅助手段,具有快速、大面积、无接触的技术优点.然而,目前内陆河湖水环境监测常用的遥感传感器大多是针对陆地观测或海洋水色观测而设计的,其性能指标的设计和设置并未考虑到内陆水体特性,限制了水质遥感定量监测的应用.针对这一问题,提出了一种基于变异系数和噪声占比指数的...     

传感器几何结构对近红外组织氧合检测仪灵敏度的影响

近红外组织氧合检测仪基于强散射条件下修正的朗伯－比耳吸收定律,通过连续记录多个近红外波长下光密度随生理状态的变化,从而可达到对人体组织中光的吸收体（氧合血红蛋白,还原血红蛋白,细胞色素氧化酶等）浓度变化的定量检测。本文利用蒙特卡罗仿真方法对光在多层生物组织模型中的平均穿透深度、光子平均飞行距离和空间灵敏度分布进行了仿真,结果表明,传感器几何结构,即光源与光检测器之间的距离是影响检测灵敏度的重要因素     

混合集成光学加速度计的信号处理和总体灵敏度

混合集成光学加速度计是一种实用型的实时加速度传感器,在信号处理过程中采用了光相位调制和交流相位跟踪零差补偿技术（PTAC）.综合考虑光路和电路部分进行系统设计,以使系统总体灵敏度为4.7 V/g.实际测量时系统可以实时、线性地跟踪到加速度信号,并且系统的总体灵敏度可以达到4.59 V/g.混合集成光学加速度计已经达到了实用的要求.     

不同病虫害危害程度下云南松针叶光谱模拟及其生化参数敏感性分析

明确植被叶片反射率对生化参数敏感程度是遥感定量反演生化参数含量的前提。本文以不同健康状态下的云南松针叶光谱为例,基于查找表法(LUT)对针叶光谱模型LIBERTY的叶绿素和水分吸收系数进行了标定。提出了一种新的光谱合成方法和枯黄指数YI,解决LIBERTY模型不能有效拟合严重受害程度的云南松针叶反射光谱曲线的问题。并应用EFAST全局敏感性分析方法,利用标定后的LIBERTY模型定量分析了不同受害程度的针叶生化参数敏感性变化。结果表明:(1)标定后的LIBERTY模型能有效拟合健康针叶光谱(R~2=0.999,RMSE0.01)、轻度(R~2=0.991,RMSE0.02)和中度受害针叶光谱(R~2=0.992,RMSE0.03);但是严重受害针叶光谱模拟能力很差(R~2=0.803,RMSE0.1)。(2)新光谱合成方法能有效拟合严重受害光谱(R~2=0.991,RMSE0.03);枯黄指数(YI)能够定量分析受害程度。(3)随着受害程度加深,针叶反射率对叶绿素、水分参数敏感度降低,而基吸收、白化吸收等参数敏感度增大,且存在敏感波段。如在505~565和705~850 nm范围白化吸收对针叶反射率作用明显;对于严重受害针叶,除了叶绿素之外白化吸收对可见光区针叶反射率影响也非常显著;通过引入白化吸收先验知识,发现如果能进一步确定白化吸收情况,能够提高严重受害针叶叶绿素反演的精度。     

数字全息成像系统的景深和焦深分析

根据全息理论,分析了数字全息成像系统的景深和焦深.针对数字全息不同的记录光路结构,分别给出了焦深的近似表达式.结果表明：数字全息系统的景深和焦深不仅与记录波长以及记录时的数值孔径有关,还与记录时参考光波的偏置情况有关;在记录距离和CCD参量一定的条件下,离轴无透镜傅里叶变换全息对称偏置下的焦深比非对称偏置下的稍小;显微成像情况下离轴无透镜傅里叶变换全息系统的焦深大于同轴菲涅耳数字全息系统的焦深,计算机模拟表明了结果的正确性.     

冷原子荧光光谱中数字基线估计方法的研究

水体中汞的存在形态有单质汞、无机汞和有机汞三种。其中,甲基汞是主要的有机汞形态,毒性远高于单质汞和无机汞。测量水体中的甲基汞的方法有很多,冷原子荧光光谱法是测量水体中甲基汞的推荐方法。冷原子荧光光谱法是原子发射光谱法和原子吸收光谱法综合发展而来的元素分析方法。经过多年的发展与完善,是元素分析最常用的分析技术之一,具有灵敏度高、检出限低等特点,被广泛应用于环境科学、生命科学、地质等领域。由于检测仪器的背景噪声和色谱柱分离效果的影响,冷原子荧光光谱出现基线漂移和信号拖尾等干扰因素,严重影响冷原子荧光光谱数据的峰面积计算和痕量甲基汞的定量分析。其中,基线漂移是最主要干扰因素。目前,改进模拟器件参数和数字基线估计是解决基线漂移的的两种重要手段。在改进模拟器件参数方面,有激发光源使用空心阴极汞灯、闭环控制的热阴极低压汞灯等,但存在实验设备复杂、成本高昂等缺陷;在数字基线估计方面,有最小二乘法、差值拟合法等,但存在基线估计不稳,含量计算不准等缺点。基于此,提出了一种基于小波变换的数字基线估计方法。首先,分析甲基汞的冷原子荧光光谱微观信号和基线漂移现象,建立冷原子荧光光谱信号和基线漂移数理模型;其次,根据冷原子荧光光谱信号模型的特点,以小波变换为研究基础,研究合适的母小波模型,将母小波模型与基线漂移模型进行卷积,卷积结果恒为零,理论上证明了基线漂移现象经过小波变换后会被消除;再次,以100 pg标样甲基汞为例,实验验证了小波变换能够有效地消除基线漂移的干扰和信号拖尾的影响;最后,在仪器相对标准差（RSD）为1.29%~3.40%的条件下,对0,10,20,50,100,500以及1 000 pg的标样甲基汞溶液进行5次重复实验,分别建立小波变换前后峰面积平均值校准曲线,校准曲线的相关系数（R2）由小波变换前的0.994提高到小波变换后的0.997。实验结果表明,该方法能够有效地消除测量仪器基线漂移和信号拖尾的影响,提升了系统测量准确性。     

激光告警接收机灵敏度和信噪比分析及实验验证

为了对抗现代战争中日趋严重的激光威胁,激光告警技术已成为亟需研究的课题之一。灵敏度和信噪比是激光告警系统重要的性能指标,它直接影响告警系统整体的探测性能。文中根据信号统计检测理论,提出了一种计算相干探测光谱识别型激光告警接收机灵敏度和信噪比的方法。首先,分析了激光信号和接收机噪声的概率分布。然后,基于阈值探测理论和奈曼—皮尔逊准则,通过引入探测概率因子和虚警概率因子,建立了信号电流方程,进而得到了灵敏度和信噪比的计算表达式。最后,利用该方法对自行研制的光栅衍射激光告警接收机的探测灵敏度和信噪比进行了理论计算和相关的实验验证, 结果表明：由该方法计算的灵敏度和信噪比与实验结果基本相符。     

数字图像识别在混合油类三维荧光光谱分析中的应用

海上溢油已成为全球环境污染的重要问题之一,溢油严重破坏了海洋生态的平衡,并导致人类健康受到危害。因此,研究高效的溢油检测方法对保护海洋生态环境具有重要意义。三维荧光光谱技术因能获得溢油的“指纹”图谱而成为溢油鉴别领域的有效分析手段,其与平行因子分析算法相结合获得了良好的溢油鉴别效果。但平行因子算法在使用过程中需要确定不同石油产品本身所适用的浓度范围,且其对预估计组分数敏感,组分数选择是否准确直接影响最终定性定量结果,这些问题都会对油类检测造成使用上的限制。油类组分极为复杂,其中各组分间不存在统一的线性浓度范围,其相互之间还受到荧光猝灭效应的影响。直接对未经稀释的油类样本进行光谱数据采集,所获得的三维荧光光谱会因样本中组分的种类及其含量不同而存在较大差异,导致对三维荧光光谱数据进行解析的平行因子分析算法不再适用。但组分的种类及含量相近的油样其光谱特征相似度较高,并且随着特定组分及其含量的改变,其光谱形状的变化规律也较为明显。基于此,将三维荧光光谱和数字图像识别相结合,提出一种针对混合油类样本的辨识方法。首先,利用五种矿物油（汽油、柴油、航空煤油、机油和润滑油）配制三类混合油样本,其中每类混合油是用其中两种不同矿物油以不同体积比直接混合配制而成;然后利用FS920荧光光谱仪获取样本的三维荧光光谱数据,并对该数据进行求导及灰度化预处理,进而得到三维荧光导数光谱灰度图;其次提取样本三维荧光导数光谱灰度图的颜色、纹理和形状等数字图像特征;最后,通过Fisher判别分析建立样本的分类模型,采用逐步回归建立混合油样本各组分相对体积的定量模型。分类模型对三类混合油样本的分类及识别效果良好。所建立的定量模型的线性相关性R大于0.99,显著性检验p值小于0.05。研究结果表明,三维荧光光谱的数字图像特征可以被本文所述方法有效提取并用于对油类样本的定性定量分析。该研究为海面溢油检测提供了一种简单、可靠的识别方法。     

中高层OH自由基在紫外波段的临边散射辐射正演模拟与敏感性分析

OH自由基是中高层大气中重要的氧化剂,决定着臭氧以及其他温室气体的浓度变化,甚至气候变化。为了实现中高层大气OH自由基的精细探测与精确反演,需要构造正演模型,模拟得到仪器接收到的大气中的A2Σ+-X2Π(0,0) 309 nm波段的太阳共振荧光发射信号。本文基于分子光谱能级跃迁理论计算得到OH(0,0)振动能级上的荧光发射率因子g,结合辐射传输模型SCIATRAN模拟出的太阳辐照度和观测视线路径上的OH柱量,模拟出OH荧光发射光谱,叠加上大气背景光谱并卷积仪器函数,最终模拟得到仪器接收的包含OH浓度信息的光谱。模拟结果与国外在轨仪器MAHRSI(Middle Atmosphere High-Resolution Spectrograph Investigation),SHIMMER(Spatial Heterodyne Imager for Mesospheric Radicals)的在轨实测结果一致性较好。还分析了影响模拟结果的因素,在之后的正演过程中加以修正,使正演模型更接近实际辐射传输过程。     

X荧光分析仪中数字基线估计的研究

在数字化X荧光分析仪中,不稳定的基线电压,会直接影响到仪器的性能,造成能量分辨率下降。基于此,利用卡尔曼滤波算法,对数字化后的X射线荧光信号进行基线估计。由于现有的经典卡尔曼滤波、简化sage-husa和改进sage-husa算法模型进行基线滤波的效果都不佳,因此有必要对现有的算法进行改进和优化。提出双重遗忘法,建立新型的基于sage-husa自适应卡尔曼滤波算法模型。实验结果表明,利用该数学模型进行基线滤波,取得了很好的滤波效果。避免了滤波发散和基线收敛缓慢的问题,实现了脉冲基线恢复,提高了仪器的能量分辨率。