1 中国科学院西安光学精密机械研究所 光谱成像技术重点实验室，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
3 航天东方红卫星有限公司，北京 100094
星载测风干涉仪采用临边观测模式测量大气气辉谱线的多普勒频移来实现大气风场探测，干涉仪有效覆盖性会受到探测目标源及卫星平台模式的限制，在卫星任务规划前端对观测数据进行分析，判断其是否满足科学目标，对风场数据应用具有重要意义。首先，建立了临边观测几何模型，对卫星运行期间仪器的临边切点分布情况进行仿真；其次，探讨了影响仪器有效观测的主要因素，并以昼气辉探测为例，分析在不同时段下，太阳入射角与干涉仪有效时空覆盖性之间的关系；最后使用分离变量法研究卫星轨道参数对测风干涉仪有效覆盖性的影响，并评估不同轨道参数下的干涉仪对欧亚大陆的覆盖百分比。结果表明：1）影响仪器有效观测的因素主要为太阳天顶角和太阳散射角，太阳入射角影响切点纬度覆盖范围和切点地方时；2）卫星轨道倾角和轨道高度共同决定仪器有效覆盖效率，且轨道倾角为欧亚大陆覆盖百分比的主要影响因素，当轨道倾角在60°~80°之间时，覆盖百分比可达到百分百。文中为星载干涉仪的后续设计及性能评估提供了观测几何框架，实现了载荷观测覆盖效能的定量分析，且该模型具备泛用于其他各类大气光学遥感载荷观测模式分析的能力。
星载测风干涉仪 临边观测 数据有效性 覆盖性 覆盖百分比 spaceborne wind interferometer limb observation data validity coverage coverage percentage 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230106
1 中国科学院空天信息创新研究院国家环境保护卫星遥感重点实验室，北京 100101
2 中国科学院大学，北京 100049
3 安徽师范大学地理与旅游学院，安徽 芜湖 241003
4 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116
5 北京环境特性研究所，北京 100143
6 航天东方红卫星有限公司，北京 100094
全球气候治理和温室气体减排已经到了刻不容缓的地步。自工业革命以来，大气甲烷（CH4）体积分数一直持续上升，目前全球平均值已达约1895.7×10-9，加上CH4全球变暖潜能值比二氧化碳（CO2）高约27~30倍，因此对大气CH4的监测成为碳减排的重点与热点。利用卫星遥感探测速度快、覆盖范围广、获取信息丰富等优势，可以实现高精度、高时空分辨率且全球覆盖的大气CH4浓度监测。据此，首先对大气CH4探测卫星及传感器的发展进行梳理与介绍，从早期的被动热红外探测，到对近地CH4浓度变化更为敏感的被动短波红外探测，再到以甲烷遥感激光雷达任务（MERLIN）为代表的主动型探测，CH4探测传感器空间分辨率提升至5~10 km，探测精度提升至10×10-9以内，并朝着高时空分辨率、高精度和连续观测一体化的目标不断发展；然后，对各类传感器不同算法的原理、适用条件和反演精度等进行归纳总结，其中精度最高、应用最为广泛的全物理算法的反演精度已达到了0.3%；最后，结合大气CH4卫星遥感发展现状与双碳目标的战略需求，对CH4卫星遥感和反演研究的发展趋势进行总结与分析，旨在为我国大气CH4卫星遥感体系建设提供一定的参考。
大气遥感 传感器 碳减排 温室气体 甲烷 反演算法 光学学报
2023, 43(18): 1899904
1 中国科学院空天信息创新研究院国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
3 航天东方红卫星有限公司, 北京 100094
4 安徽师范大学地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241003
5 中国科学院大学, 北京 100049
为探究多角度偏振在紫外波段对气溶胶层高 (ALH) 的探测能力，在不同的观测几何、气溶胶和地表类型等条件下系统评估了多角度偏振在紫外波段的ALH反演信息量。基于最优估计理论和信息量分析方法，分析了紫外波段365 nm和388 nm两个通道模拟仿真数据对ALH的灵敏度，并进一步讨论了不同观测组合对ALH信息量和后验误差的影响。研究结果表明：(1) 多角度偏振观测可有效提高ALH反演的信息量。(2) 多角度卫星观测信息量随观测角度个数的增加显著提升，当反演中使用的角度数增加到5个时，ALH的信号自由度 (DFS) 提升了0.4以上。(3) 添加388 nm波段偏振观测或365 nm波段强度观测这两种方案均能提升ALH的DFS。但相对而言，偏振观测方案受气溶胶模型误差影响更小，能更好地提升ALH反演的信息量，尤其是改善了低气溶胶光学厚度 (AOD) 条件下的ALH反演。
气溶胶边界层高度 最优化估计反演 信息量分析 后验误差 aerosol layer height optimal estimation inversion information content analysis posteriori error 大气与环境光学学报
2023, 18(4): 357
1 新疆医科大学中医学院, 新疆 乌鲁木齐 830054
2 中国医学科学院北京协和医学院药用植物研究所, 北京 100730
3 新疆维吾尔自治区中药民族药研究所, 新疆 乌鲁木齐 830094
罗布麻作为新疆的特色常用药材, 主要用于肝阳眩晕、 心悸失眠、 浮肿尿少以及高血压、 抑郁症的治疗。 为保证临床用药安全稳定, 常用传统的四大鉴别方法和现代的色谱、 波谱技术分析中药材的质量差异。 采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)法对收集的17份新疆不同产地罗布麻药材进行分析, 红外光谱扫描范围为4 000~400 cm-1, 二阶导数范围为1 800~600 cm-1, 得到图谱后进行图谱解析; 采用谱带较密集的指纹区(1 800~400 cm-1)计算红外光谱图的相关系数; 然后结合红外光谱吸收峰系统聚类、 共有峰率和变异峰率双指标序列分析法对不同产地罗布麻药材的红外指纹图谱进行分类和异同点比较。 结果表明, 不同产地罗布麻药材红外光谱的峰形、 峰位相似, 在3 336, 2 920, 1 443, 1 375, 1 247, 1 103, 1 070, 833和601 cm-1附近均有吸收, 在1 103, 1 070和1 656~1 609 cm-1处均存在特征宽强峰。 892和717 cm-1处为C振动峰, 并且仅克拉玛依独山子区药材S4和产地相邻的乌苏市甘家湖保护区药材S5出现此吸收峰, 推测与土壤盐碱化程度高有关。 除了S5, 其余16批罗布麻药材的相似系数均大于0.960, 整体相似度较高, 说明不同产地罗布麻药材具有一定的相似性。 经求导, 发现二阶导数光谱的峰形仍具有较大的相似性, 但在1 444~1 738和833~1 030 cm-1范围内峰数明显增加。 采用SPSS 21.0软件以各药材吸收波数为变量进行聚类分析, S9与S14, S2与S10, S3与S8, S12与S13最先聚为一类; 当欧式距离为15时, 可将所有药材样品分为四类, 即在1 615 cm-1处有吸收峰的药材为一类, 在1 646 cm-1处有吸收峰的药材为一类, 1 646和1 615 cm-1处均有吸收峰的药材S1为一类, 在2 962 cm-1处有吸收的药材S5为一类; 当欧式距离为20时, 可将药材分为S5和其他药材两大类。 双指标序列法结果显示, S9:S14, S2:S10, S3:S8和S12:S13序列共有峰率为100%, 罗布麻药材样品总体共有峰率≥61.1%, 变异峰率≤53.8%, 认为未表现出明显的产地差异性。 红外光谱相关系数分析、 聚类分析和双指标序列分析结果相互补充和印证, 说明该方法可靠有效, 可从不同角度分析评价罗布麻药材产地差异, 为保证药材质量的稳定可控提供参考。
罗布麻 傅里叶变换红外光谱 相关系数 聚类 双指标序列 Apocynumvenetum L. Fourier transform infrared spectral fingerprint Correlation coefficient Cluster analysis Double index sequence analysis
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 山东核电有限公司，山东烟台 265116
4 黑龙江省森林保护研究所，黑龙江哈尔滨 150000
快速反射镜能否精确稳定跟踪目标取决于良好的伺服控制性能。快速反射镜的通光口径越大，柔性支撑铰链和驱动器设计难度就越大，同时也会对伺服控制提出更高的要求。针对此问题，本文提出模糊自适应整定 PID(proportional integral derivative)控制算法，该算法既能运用模糊推理进行自适应整定控制参数，又能继承传统 PID控制器便于工程实现。本文对音圈电机(voice coil motor)驱动的.500 mm大口径快速反射镜进行控制器设计且进行仿真实验，并将其结果与基于传统 PID控制下的相比较。结果表明，基于模糊自适应整定 PID控制的.500 mm大口径快速反射镜的超调量为 5.40%，调节时间 51.0 ms，且抗干扰能力强于传统 PID控制。此外，与传统 PID控制相比，本文提出的控制方法提高了.500 mm大口径快速反射镜的响应速度，减小了跟踪误差，提升了.500 mm大口径快速反射镜系统的跟踪性能和鲁棒性。
快速反射镜 大口径 音圈电机 模糊控制 自适应整定 PID fast steering mirror, large aperture, voice coil m
1 航天东方红卫星有限公司, 北京 100094
2 国家卫星气象中心, 北京 100081
月球作为光谱特性稳定、光强在探测器动态范围内的理想定标源, 利用月球进行卫星在轨对月定标是提高辐射定标效率、监测探测器成像稳定性的重要手段之一。针对低轨高分辨率遥感卫星, 提出了一种姿态机动对月定标方法, 包括对月定标时机选择、对月定标卫星姿态规划以及载荷成像参数选取等技术。并基于某在轨运行的低轨光学遥感卫星成功开展了15次对月定标实验, 卫星姿态角速度为0.06 (°)/s, 载荷积分时间为0.293 8 ms, 月相角覆盖-79.872°~89.236°。实验结果表明, 卫星姿态实际执行情况符合设计的对月定标卫星姿态规划流程, 且该对月定标方法具有很高的观测效率, 仅耗时1 500 s, 不会影响卫星正常的对地观测任务; 地面获取的15幅月球图像纹理清晰、稳定, 对月空间分辨率优于1.18 km, 图像DN值分布层次感较好; 计算得出的月球辐照度分布趋势与国际上ROLO(Robotic Lunar Observatory)模型公布的趋势一致。实验结果验证了提出的对月定标方法的正确性及合理性, 同时实现了中国首次低轨高分辨率遥感卫星姿态机动对月球多月相角观测, 可为长期监测卫星探测器的成像稳定性和大量积累对月定标数据、建立中国自主可控的月球辐射模型提供可靠依据。
低轨卫星 高分辨率 姿态机动 对月定标 月球辐射模型 low-earth-orbit satellite high resolution attitude maneuver lunar calibration lunar radiation model
1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
2 北京航空航天大学 惯性技术重点实验室, 北京 100191
3 西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室, 陕西 西安 710049
轻小型多旋翼无人机云台是一种复杂机电伺服系统, 要求兼具轻质量与快响应等机电特性。本文针对传统方法在机电伺服系统中设计的不足, 以轻小型多旋翼无人机云台为研究对象, 提出一种针对系统带宽的机电多目标优化设计方法。方法中, 系统结构部分通过灵敏度分析得到7个尺寸设计参数, 并以一阶模态和质量为目标进行优化; 系统控制部分以速率环和位置环控制器参数为设计变量, 并以上升时间、调节时间和绝对积分误差(Integral Absolute Error, IAE)为目标进行优化。在优化设计中, 将近似模型与多目标遗传算法相结合, 以降低优化复杂度、并提高优化效率及全局寻优能力。对方法进行仿真分析, 结果表明: 相比初始结构系统和控制系统模型, 采用机电多目标优化设计方法后, 结构部分质量降低了8.8%, 控制部分IAE型积分误差、调节时间及上升时间等主要性能参数分别降低了54.8%、81.9%和53.4%。最后采用锤击法对云台结构进行模态实验, 实验得到的一阶模态频率与优化结果的误差为13.4%。说明提出方法可有效实现云台系统机电总体多目标优化。
轻小型云台 机电多目标优化 近似模型 带宽 light and small pan-tilt electromechanical multi-objective optimization approximate model bandwidth 光学 精密工程
2018, 26(11): 2754
1 南京理工大学材料科学与工程学院， 江苏 南京 210094
2 南京工程学院材料工程学院， 江苏 南京 211167
采用3 kW光纤激光偏置铝侧焊接的方式，完成了TC4钛合金和6082铝合金的连接。测试了接头的宏微观组织及力学性能特征，通过有限元方法对接头的温度场分布及钛/铝结合界面的热循环曲线进行了模拟。研究结果表明，钛/铝激光偏置焊接可获得无裂纹、无气孔,具有良好拉伸强度的接头，钛试板在焊接过程中发生部分熔化，端面变得不平整。在凝固过程中，钛/铝结合界面会形成一个厚度较薄的钛/铝金属间化合物层，其主要相为TiAl3。拉伸试验表明，接头的最高抗拉强度为153 MPa，是铝基材强度的72.9%；接头的断裂模式为脆性解理断裂，断裂发生在金属间化合物层位置，引起断裂的脆性相为TiAl和TiAl3。
激光技术 激光焊接 异种金属焊接 钛合金 金属间化合物 微观组织 中国激光
2018, 45(11): 1102010
1 中国人民公安大学刑事科学技术学院， 北京 100076
2 公安部物证鉴定中心， 北京 100038
3 浙江警察学院， 浙江 杭州 330100
4 中国科学院海岸带研究所， 山东 烟台 264003
纵火是一种严重危害公共安全和社会稳定的个人极端暴力犯罪行为。 在纵火案件调查过程中， 火灾残留物中的易燃液体（ILs）是确定火灾性质和判断起火原因的重要物证， ILs的分析一直是法庭科学工作者关注的热点。 利用衰减全反射红外光谱法（ATR-FTIR）对汽油、 柴油、 煤油、 植物油等常见ILs进行检验， 结合主成分分析（PCA）、 层次聚类分析（HCA）、 判别分析（DA）三种化学计量学方法， 实现了常见易燃液体的快速筛选。 通过红外光谱定性分析， 汽油、 柴油、 植物油与含氧有机溶剂的红外光谱图差异明显， 可相互区分， 而柴油、 煤油、 航空煤油、 溶剂油、 汽轮机油五类ILs的红外谱图无明显差异， 仅通过图谱的直接比较， 无法进行区分。 重点选取1 136~976 cm-1范围的红外特征吸收峰， 结合PCA， PCA-HCA， PCA-DA化学计量学方法进行比较， 成功将航空煤油与与其余四类ILs区分开； 最后选取837～400 cm-1范围的红外特征吸收峰， 利用PCA， PCA-HCA， PCA-DA方法， 可将其余四种ILs实现互相区分。 研究结果表明， ATR-FTIR结合化学计量学方法对常见ILs进行定性分析， 具有方便、 快捷、 准确的优点， 可作为ILs种类的快速筛选方法。
衰减全反射红外光谱 易燃液体 筛选 Attenuating total reflection infrared spectroscopy Ignitable liquids Screening method 光谱学与光谱分析
2018, 38(8): 2355
空间相机调焦技术关系着相机的成像质量，为空间相机在轨测试中的一项关键技术。基于图像评价的调焦技术，结构简单，集成度高，在空间相机中已经得到了应用。其关键技术是要建立调焦评价函数。调焦评价函数是指导调焦过程的依据。阐述了造成相机离焦的主要因素，在调研分析国外相机调焦评价函数的基础上，对调焦评价函数的选用原则进行了归纳，并介绍了常用调焦函数的基本形式和优缺点，为相机调焦技术的研究提供借鉴和帮助。
光学设计 空间相机 调焦 图像 评价函数 激光与光电子学进展
2015, 52(1): 011102
