空间碎片问题的起源、现状和发展

字面意义上的空间碎片指的是解体产生的碎片,但一般也包含火箭残骸、废弃卫星等各类无功能人造物体.随着人类探索、利用太空的步伐,空间碎片逐渐开始成为影响并威胁人类空间活动不可避免的问题.文章主要介绍空间碎片问题的起源、当前的状况、人们如何应对以及未来可能遇到的问题.     

基于BRDF理论的散射光谱加和性研究

依据双向反射分布函数理论,推导出散射光谱的加和性原理。散射光谱加和性是指对于材质质点之间无相互作用的平面漫反射体系,在光源与入射面材质不存在干涉、衍射、荧光、光谱上转换和光谱下转换等相互转换作用,且无光化学现象及非线性效应发生的前提下,且符合能量守恒定律的同时,由单光源或多光源照射的材料的散射光谱,等于该材料中每种材质的散射光谱的线性叠加。实验上,以几种材料的散射光谱为例,通过改变探测条件、照明条件和材质比例,进行了散射光谱加和性的实验验证,并且针对实验结果进行了误差分析。单光源条件下的最大实验误差为2.64%,多光源条件下则为2.35%,加和计算偏差均在实验误差允许范围内。由此证明了材料的散射光谱具有加和性,不受组成的材质差异性、材质的面积比例组合多样性、以及实验条件多变性影响。散射光谱加和性的首次提出,不仅为基于散射光谱的复杂结构体的特征提取及识别研究提供了确切的理论依据和有效的分析方法,而且对相关的实验分析和应用研究有着重要的借鉴和参考意义。     

利用散射光增强弱吸收固体混合物中主要光吸收物质的光声光谱特征

在传统的透射和反射光谱中, 散射光通常是误差的主要来源之一, 然而对光声光谱, 散射光有可能成为促进光谱测量的积极因素. 本文研究了弱吸收固体混合物–-奥氮平药片及其粉末的光声光谱. 为了排除光声池吸收散射光所产生背景光声信号的干扰, 取试样与其空白物的差值谱进行碳黑归一化, 得到了只与试样自身性质相关的归一化光声光谱.实验发现通过将药片碾成粉末, 可以使奥氮平药片的主成分奥氮平原料药的光声光谱特征凸显出来. 分析表明光散射效应是这一现象产生的主要原因. 传统光谱技术的障碍–-散射光却能促进光声光谱测量, 这显示出光声技术在光谱测量领域的独特优势. 上述实验提供了一种初步快速鉴别弱吸收固体混合物中少量光吸收物质的新方法, 这一方法有望应用于固体药物、矿物和土壤分析等领域. 关键词： 光声光谱 散射光 弱吸收固体混合物 奥氮平     

空间外差干涉光谱仪仪器线型函数测量新方法研究

空间外差干涉光谱技术是近年发展起来的新型静态超分辨光谱分光技术, 仪器线型函数是其基本性能参数之一, 代表了仪器的光谱分辨能力, 需要精确表征。在分析仪器线型函数影响因素(切趾、有效视场角与离轴像元效应)以及测量方法与测量光源等特殊性要求基础上, 提出了一种可调波长单色面光源的全新测量方法, 并利用可调谐激光器与消散斑积分球等设备搭建了测量实验装置。在仪器线型函数测量实验中, 通过选取光谱范围内的典型谱段进行高光谱(0.1 nm步长)扫描, 经过干涉数据误差修正、光谱复原以及坐标归一化等数据处理过程, 获取了仪器线型函数的能量分布形式。此外, 利用全光谱范围内扫描的干涉数据, 得到仪器线型函数的全峰半宽随波长的变化规律曲线。最后, 将本方法获取的实测仪器线型函数与模拟光谱(LBL计算)进行卷积获取理论谱, 并与地基探测实验获取的实测大气CO2吸收光谱进行比对分析, 两者吻合一致, 验证了本方法获取的仪器线型函数具有较高的精度。     

发光二极管归一化光谱模型的修正

受自吸收等因素的影响,由发光二极管(LED)归一化光谱模型得到的光谱与实测LED光谱之间存在差异。为得到与实测LED光谱相吻合的归一化光谱模型,将由归一化光谱模型得到的理论光谱与实测光谱相减得到近似的自吸收谱。通过分析自吸收谱的峰值强度和半峰全宽与温度之间的关系以及其峰值能量与实测光谱峰值能量之间的定量关系,结合LED光谱的高斯模型和归一化光谱模型给出了自吸收谱的拟合表达式,并作为归一化光谱模型的修正项,对归一化光谱模型进行修正。在不同测试温度下的实验结果表明修正后的平均模型误差小于4%,证明由修正后的归一化光谱模型得到的光谱与实测光谱相吻合。     

空间外差干涉光谱仪仪器线型函数测量新方法研究

空间外差干涉光谱技术是近年发展起来的新型静态超分辨光谱分光技术,仪器线型函数是其基本性能参数之一,代表了仪器的光谱分辨能力,需要精确表征。在分析仪器线型函数影响因素(切趾、有效视场角与离轴像元效应)以及测量方法与测量光源等特殊性要求基础上,提出了一种可调波长单色面光源的全新测量方法,并利用可调谐激光器与消散斑积分球等设备搭建了测量实验装置。在仪器线型函数测量实验中,通过选取光谱范围内的典型谱段进行高光谱(0.1 nm步长)扫描,经过干涉数据误差修正、光谱复原以及坐标归一化等数据处理过程,获取了仪器线型函数的能量分布形式。此外,利用全光谱范围内扫描的干涉数据,得到仪器线型函数的全峰半宽随波长的变化规律曲线。最后,将本方法获取的实测仪器线型函数与模拟光谱(LBL计算)进行卷积获取理论谱,并与地基探测实验获取的实测大气CO₂吸收光谱进行比对分析,两者吻合一致,验证了本方法获取的仪器线型函数具有较高的精度。     

InP/InGaAsP多量子阱自发辐射谱的解析函数

利用洛伦兹线型函数、高斯线型函数和Sech线型函数对InP/InGaAsP多量子阱自发辐射谱进行拟合,采用莱文贝格-马夸特算法,得到上述三种函数的解析表达式.研究结果表明:高斯线型光谱拟合函数的中心波长为1548.651nm,谱线半极大全宽度为61.42 nm,功率补偿为0.00212 mW,拟合优度为0.99191,残差平方和为2.26505×10~(-6).高斯线型拟合的拟合优度最大,残差平方和最小,且各数据点的残差值分布在±0.0001之间,分布比较均匀.高斯线型函数具有较高拟合度.     

散射光谱的目标材质及比例反演研究

研究了基于散射光谱的点目标在远距离条件下表面材质及比例反演方法,旨在为空间碎片探测及预报提供数据参考。首先根据散射光谱的远距离目标探测物理模型,建立了基于散射光谱的目标参数反演物理模型,给出了基于最小二范数理论方法的目标表面材质及比例信息的反演算法,结合光源照射特性、目标材料表面光学反射特性、入射、反射及探测角等信息,利用双向反射分布函数(BRDF)的多级融合模型,表征复杂材料表面的光学反射特性,将BRDF中对应的面积量作为待反演参数,给出了目标表面材质及比例信息的反演算法;其次进行了实验验证,搭建了室内散射光谱探测及采集系统,进行了单一材质及多种材质不同比例的目标散射光谱探测及数据采集,经过对散射光谱数据进行预处理,截取有效波长范围为400～800 nm;结合理论分析及反演算法,对于四种材质组合的样品,进行了相同和不同比例组合的材质及比例反演,等比例反演结果最小误差为0.8%。最大误差为13.6%,平均误差为4.9%;不等比例反演结果最小误差为6%,最大误为12%,平均误差为9.25%;综合以上测试结果可以得出,反演平均误差最大为9.25%,考虑到入射光源稳定性有2.89%的误差,反...     

空间目标光谱实测技术与表面材料分析研究

随着航天活动的日益增加,空间碎片的数量急剧增多,对未知空间碎片进行编目和识别显得尤为重要。由于火箭箭体、人造卫星及其裂解碎片等在空间中处于外表裸露状态,其表面材料的物理与化学特性会产生较大变化。目前,针对空间目标表面材料的研究主要集中在地面实验室,无法对其在深空中的状态变化进行准确判断。利用空间目标光电望远镜及光谱测试终端组合,可以实时地对空间目标的光谱特性开展研究,进一步探究材料特性变化对目标特性识别的影响。通过利用长春人卫站1.2 m空间目标光电望远镜及相关光谱测试终端,同时结合图像预处理软件获取空间目标的高光谱图像,进一步运用天文学方法IRAF提取光谱一维数据,得到可分析数据。通过偏最小二乘法反演分析表面材料的面积比、置信度。实验将6个空间目标光谱数据分别进行反演,通过6种常用航空材料的反演结果显示所有目标均可解析出至少两种材料,其共同反演出现金色保温膜,它是空间目标表面一定含有的材料之一,其所占表面积比例也较高,结果分别约为0.75,0.78,0.78,0.59,0.71和0.45。其中,4个目标反演出现碳纤维板,结果分别约为0.19,0.22,0.07和0.24;3个目标反演出现砷化镓,结果分别约为0.07,0.15和0.17;2个目标反演出现Si,结果分别约为0.29和0.55。并且置信度分别约为84.7%,80.4%,84.1%,82.8%,82.6%和79.6%。实验结果表明观测方法可信性更高,在空间目标领域的观测技术、获取数据、研究分析等方面的研究结果对后续深入探索具有参考作用。实验结果和空间目标来源自洽度高,研究方法简单易行且与传统光学观测兼容性好。该方法拓展了精密跟踪型空间目标观测的研究领域,不仅具有目标所在空间环境分析的科学意义,也具有空间目标运行安全的应用前景。     

单晶光纤损耗谱测量装置

本文描述了一套用以测量单晶光纤损耗谱的装置。本装置由卤钨灯,单色仪,积分球,AgORbCs光电倍增管以及数据采集,处理和控制系统组成。可测量300～1150nm的光谱范围。利用本装置可获得单晶光纤的吸收光谱,透过率谱,散射光谱以及散射位置谱。     

基于光学散射特性的失稳空间目标旋转分析

本文提出了基于光学散射特性的失稳空间目标旋转速率实验模拟方案以及数据处理方法,解决了失稳空间目标旋转速率反演的问题。实验构造了模拟真实光学观测的测试系统,使得卫星模型姿态、太阳方位、探测器观测角均与STK模拟场景相同,并模拟了低轨STSS卫星失稳条件下的探测过程,获取了多个周期的探测数据。通过频谱分析法、自相关法、交叉残差法处理实验数据,发现三种方法都可以成功反演出卫星模型的旋转速率,但交叉残差法受干扰较小,结果更准确。通过本文的工作,为今后通过光学散射特性反演真实卫星旋转速率提供了依据。     

周期量级脉冲线性Thomson散射特性

 利用经典电磁辐射理论研究周期量级线偏振激光脉冲的90°Thomson线性散射。结果表明，脉冲所包含的光周期数越少，散射能谱越宽，谱中心处强度越小；谱宽度与电子相对论因子的平方及入射光脉冲频率成正比；谱强度与归一化光场强度和相对论因子乘积的平方均成正比，载波包络函数使光场中电子运动的时间和空间周期减小；进一步展宽散射能谱，使谱对称性变好，消除散射谱振荡；低于某一频率时，谱强度随载波包络初相的增大而减小，高于此频率时，谱强度随载波包络初相的增大而增大；电子进入光场初相的增大削弱了散射谱的强度。     

Formation of the Intensity Distribution in Laser Beams due to Difraction on Structures of Small-Size Optical Inhomogeneities

The possibilities of formation of the intensity distribution in laser beams due to diffraction of radiation on spatial structures of small-size optical inhomogeneities are considered. Computer modeling of beam profile formation by plates-apodizers containing two-dimensional structures of discrete amplitude or phase scatterers is performed. The results presented testify to the prospects of optical elements with scattering centers for laser beam shaping in UV, visible, and IR spectral ranges.     

基于固体腔扫描法布里-珀罗干涉仪的大气温度绝对探测方法研究

大气温度是描述大气状态的重要基本特征参量之一.目前,基于Rayleigh散射的大气温度探测方法多应用于大气温度的相对探测,即温度反演时需要响应函数和校准程序.本文提出了利用固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪进行大气Rayleigh散射谱型的精细探测方法和残余米散射信号的抑制方法.根据Rayleigh散射谱特点,针对固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体介质类型、半高全宽、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计.利用优化参数的固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪获取Rayleigh散射谱上离散点信息,并采用多项式插值方法获得拟合谱型,与根据标准大气模型和S6模型获得的理论谱型进行比对,大气温度探测不确定度小于0.8 K.当信噪比为10时,白天与夜晚的探测距离分别为4.5和7.9 km.该方法可实现大气温度廓线的全天时和高精度绝对探测,并对同类高光谱激光雷达分光系统研究具有借鉴意义,为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的分光系统解决方案.     

单金纳米棒远场散射光谱技术

单金纳米棒(gold nanorod AuNR)的远场光学技术在近几年引起了相当大的关注。由于金纳米棒(AuNRs)独特的局部表面等离子体共振(localized surface plasmon resonance LSPR)特性,金纳米棒颗粒非常适合高度传导定域在表面的化学或物理刺激产生的光信号。根据该课题组的研究经验,对AuNR的光学探测和光谱学方法的原理、应用、进展和纳米系统表现出新奇的光学特性进行了综述。较为全面地介绍了：(1)AuNR散射光谱相关的各类技术,包括：暗场技术,零差和外差技术,光子晶体技术,空间调制和偏振调制技术等;(2)AuNR散射光谱特性,包括：光谱线形函数,线宽,衬底对光谱的影响以及理论和实验光谱的对比等;(3)相关光谱技术近年来的发展。重点研究了基于LSPR的远场光学散射方法。主要是基于AuNR线性的方法,如直接和间接的散射检测方法。注重强调了介质环境(如底物,表面结合的分子或其他纳米材料等)的重要性以及对散射光谱和消光幅度的影响。特别注重的是AuNR表面及形貌的定量方法及其相关性研究,无论是直接的还是间接的散射的方法,大都给出实验与理论模型精确的比较。这些实验和理论工具的结合可以详细解释单金纳米棒的光学性质。     

大孔径空间外差干涉光谱成像技术多谱段成像仿真

在大孔径空间外差干涉光谱成像技术（LASHIS）的基础上提出了一种多谱段成像方案.其采用LASHIS的外差探测原理,一方面,可通过较少的采样点数实现很高的光谱分辨率,保留了LASHIS的高光谱分辨率、高稳定性和高探测灵敏度的特点;另一方面,利用光栅的多级衍射性质,实现同一系统的多谱段同时探测,拓宽了光谱探测范围.首先,阐述了LASHIS多谱段成像方案的基本原理;然后,分析了多谱段探测与谱段解混方式;最后,对该方案进行了计算机仿真模拟,通过ZEMAX光线追迹的干涉图结果与理论计算结果相符合,验证了方案的正确性.基于LASHIS的多谱段成像方案所具有的高光谱分辨率、高探测灵敏度以及可实现同一系统的多谱段同时探测特点,尤其适合温室气体等高稳定性、高探测灵敏度的多谱段高光谱探测应用.     

固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究

固体火箭发动机羽流具有高温、高速与强辐射特征,羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。随着激光与光谱学的发展,激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量,具有测温范围宽、响应快及可靠性高等优点,可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法,采用350～1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统,利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定,获得响应系数随波长的变化曲线,并以此用作羽流辐射光谱数据修正。之后将该测量系统应用于标准Φ118固体火箭发动机地面试验,开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量,选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征,并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论,验证在675～745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体,该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%,相对均方差为1.53%。因此,基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数,并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。最后,开展12%,15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量,将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较,两者最大偏差值为5.40%,讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征,并结合温度与辐射率测量结果,分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、羽流温度及辐射率的影响。通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究,为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、温度及辐射率参数的影响,为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。     

可调空间分辨USEDCARS技术研究

相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）技术是一种非常重要的燃烧诊断技术,该技术具有非常强的抗干扰能力和非常高的测量精度。但空间分辨力不足会使CARS技术产生很强的空间平均效应,引起成CARS光谱畸变,进而造成CARS光谱分析困难,无法通过CARS光谱反演燃烧场参数。针对非稳腔空间增强探测CARS（USEDCARS）技术存在的空间分辨不足以及空间分辨力不易改变的特点,分析了影响USEDCARS技术测量空间分辨力的各种因素,采用一组轴棱锥对USEDCARS系统中的泵浦激光进行环状光束整形,并通过调节轴棱锥之间的距离获得了不同直径的环状光束,在此基础上,建立了空间分辨可调USEDCARS诊断系统。开展了空间分辨力分析实验,获得了CARS信号强度随空间位置的分布数据,以CARS信号总强度95%包含的空间区域代表CARS的纵向空间分辨力,以此计算得到了CARS系统空间分辨力为1.7～6.5 mm连续可调。其中,高分辨力情况,达到了现有BOXCARS技术的空间分辨力。利用所建立的空间分辨可调USEDCARS诊断系统测量了酒精/空气预混火焰温度参数,获得了不同空间分辨条件下的CARS光谱。空间分辨力为1.7 mm时,获得了高质量CARS光谱,通过光谱拟合给出了所测火焰的温度信息。分辨力分别为4.9和6.5 mm时获得了较强的CARS信号,但存在光谱畸变。结果显示,空间分辨力对CARS信号的强度和空间平均效应有很大地影响,提高测量的空间分辨力可以有效消除空间平均效应,获得准确的CARS光谱,增强光谱拟合精度,同时空间分辨可调的特性使该系统能够更好地适应不同实验条件下的诊断工作。