1 河北科技师范学院海洋科学研究中心, 河北 秦皇岛 066004
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
3 国家卫星海洋应用中心, 北京 100081
海水中的叶绿素浓度是描述海洋初级生产力、 获知浮游植物丰度及变化规律、 评估环境质量、 预报生态灾害的主要参数。 国内外卫星遥感叶绿素产品的通用反演模型是利用不同波段上遥感反射光谱的强度比值来构建的OCx(x=26)算法, 应用在一类水体中, 全球尺度上的平均相对误差在35%左右。 但对于固有光学特性复杂且具有较大区域差异性的二类水体, OCx算法误差较大甚至失效。 现有研究成果表明, 光谱的相对高度有利于特征波段信息提取及水色信号信噪比的提高。 但基于相对高度构建反演模型, 目前尚存在波段单一、 应用面窄等问题。 在我国近岸水体中, 相对高度模型的构建方法及应用效果尚需进一步研究和验证。 在对秦皇岛近岸海域的叶绿素浓度和表观光学参量进行原位测量的基础上, 对高光谱数据进行了规范化处理, 选取了特征波段并利用特征波段的相对反射深度构建了反演模型。 模型反演值与实测值的相关系数为0.883 58, 平均相对误差为28.33%; 将模型与OCx等算法进行比较, 平均相对误差均降低了27%~50%; 模型验证估算值的平均相对误差为31.17%。 在此基础上, 对我国海洋卫星HY-1C水色水温扫描仪的多光谱数据及实测叶绿素浓度进行了相关分析, 并基于443及520 nm处的相对反射深度建立了反演模型, 模型估算值的平均相对误差比同期L2B产品降低了53.44%。 结果表明, 基于相对反射深度构建反演模型, 可充分利用叶绿素特征波段信息、 降低数据敏感性、 提高水色要素的信噪比, 进而大幅提高模型的反演精度及稳健性。 对于水色要素的高光谱及多光谱反演模型构建、 水体光学参量测量、 卫星产品普及应用、 初级生产力估算、 生态环境监测、 水动力过程研究等领域具有重要的科学意义及较强的应用价值。
相对反射深度 高光谱 叶绿素浓度反演 卫星遥感 秦皇岛海域 Relative reflection depths Hyperspectral Chlorophyll concentration inversion Satellite remote sensing Qinhuangdao coastal 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1083
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
本文根据像差理论，开发了一种计算次镜外反射的Offner型自由曲面棱镜光谱仪初始结构的算法。通过光线追迹获得光线在次镜外反射Offner型光谱仪各光学表面传播的公式，该公式可以确定光学元件的结构参数。应用轴外细光束像散理论分析系统产生的像散，并设定合理阈值作为结构算法的判断依据。在Matlab中迭代优化出符合设计要求的初始结构，使用Zemax软件对获得的初始结构进行优化。为验证算法效果，本文设计了光谱范围为380~780 nm，数值孔径为0.15，光谱分辨率为6 nm的自由曲面棱镜光谱仪的初始结构。在Zemax中完成优化后系统可达到设计指标且谱线弯曲和色畸变均优于0.1 pixels。设计结果表明采用本文算法可以快速计算出符合要求的初始结构，大大简化了后续优化的复杂程度。
自由曲面棱镜 光线追迹 消像散 初始结构 光学设计 freeform curved prism ray tracing anastigmatism initial structure optical design
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 国家卫星气象中心, 北京 100081
为了提高CO2探测仪的在轨辐射定标精度, 建立了在轨辐射校正原理, 并对关键环节漫反射板的制备、BRDF定标和应用进行了系统的研究。根据CO2探测仪的工作原理与系统组成, 介绍了星上定标设备和在轨辐射定标策略, 确定了漫反射板的制备方法和优化工艺参数, 制定了以标准灯和标准探测器为传递链路的漫反射板BRDF的精确定标方法。对漫反射板基准BRDF、角度修正因子和半球反射率进行了测试, 对其实验室定标精度进行了分析, 并通过在轨初期的应用结果予以验证。发射前的定标结果表明, 漫反射板在760 nm、1 610 nm和2 060 nm 3个波段的定标精度均优于3%。在轨初期的测试结果表明CO2探测仪1 610 nm波段在轨绝对辐射定标精度优于5%。CO2探测仪漫反射板的定标结果满足仪器辐射定标对漫反射板定标的精度要求。
碳卫星 CO2探测仪 漫反射板 双向反射分布函数 在轨定标策略 carbon satellite carbon dioxide spectrometer diffuser Bidirectional Reflection Distribution Function (BR on-orbit calibration strategy
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 国家卫星气象中心，北京 100081
为了完成碳卫星高光谱CO2探测仪的发射前光谱定标，建立了光谱定标系统，并对定标系统设计、所采用的自动化数据采集和数据处理算法等进行了研究。根据CO2探测仪的探测原理介绍了载荷的光谱性能要求，描述了定标系统的设计与所采用的仪器设备，说明了采用自动化数据采集、旋转积分球、功率校正与暗背景校正等改进的定标方法。最后，介绍了光谱定标的数据处理方法。发射前定标结果表明: 载荷三个波段的ILS能量集中度分别大于0.80，0.81和0.78; FWHM分别为0.039 2~0.042 4 nm，0.123~0.128 nm和0.157~0.168 nm; 光谱采样率区间分别为2.12~2.95、1.97~2.27和1.92~2.26。对发射后实测太阳夫朗禾费光谱进行了评估，结果表明:中心波长偏差小于0.0013，0.058和0.065 nm。CO2探测仪整体的光谱性能指标能够达到系统设计要求。
光学遥感 碳卫星 二氧化碳探测仪 光谱定标 线形函数 remote sensing TanSat carbon dioxide spectrometer spectral calibration instrument line shape(ILS)
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
针对高精度空间光学定量遥感的需求，研制了一种采用数字微镜器件的自校准型光谱辐亮度标准光源。该光源具有两种工作模式:在窄带工作模式下，由Gershun管辐射计和CAS光谱辐射计自校准; 在宽带工作模式下，作为光谱辐亮度标准光源用于地面或空间遥感仪器的光谱辐亮度响应度定标。以光谱辐照度标准光源和Spectralon标准漫反射板组成光谱辐亮度标准光源为CAS光谱辐射计定标，测得自校准光源的光谱辐亮度。又以标准探测器定标的Gershun管辐射计测量自校准光源，采用迭代法得到自校准光源的光谱辐亮度。窄带模式下两种不同定标方法对自校准光源的光谱辐亮度测量结果在测量不确定度允许范围内一致。不确定度分析显示: 基于标准光源和基于标准探测器的自校准光源光谱辐亮度测量不确定度分别为1.41%~2.09% 和1.28%~1.61%。实验及不确定度分析结果表明，该光源可以满足高精度空间光学定量遥感的使用要求。
辐射度学 光学遥感 辐射定标 光源 数字微镜器件(DMD) radiometry remote sensing radiance calibration source Digital Micromirror Device(DMD)
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为了降低重力、力学试验、发射条件以及因材料线胀系数差异导致的热变形对CO2探测仪反射镜面形产生的影响, 从反射镜组件材料选择、结构设计和配合方式几个方面进行了分析。采用SiC材料制作反射镜, 结合反射镜的环形支撑方式, 通过有限元分析对镜体进行轻量化设计。选取线胀系数较小的殷钢材料, 利用三角形结构的稳定性和双脚架柔性结构的灵活性设计出简易可靠的反射镜支撑结构。反射镜与支撑结构接触面为1∶50的锥度面, 通过环氧树脂进行胶接。在严格的工艺条件控制下, 对反射镜组件进行精密加工和装配。对反射镜组件进行力学试验测试, 结果表明在X向、Y向、Z向的一阶频率分别为445, 423和444 Hz, 与有限元分析结果接近。试验后镜面面形变化量PV值小于1/10λ, RMS值小于1/30(λ=632.8 nm)。证明了CO2探测仪反射镜组件结构设计与装调的合理性, 满足空间高光谱成像要求。
轻型反射镜 轻量化 柔性支撑 力学试验 light weighted mirror light weight flexible support structure mechanical test
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 研究生院, 北京 100039
基于能量集中度的装调方法采用一套由可调谐激光器、积分球、平行光管和数据采集处理软件等组成的精细定焦系统, 以确定CO2探测仪1 610 nm通道光谱仪的最佳焦面位置并完成探测器的精确安装, 以像元光谱响应曲线(ILS)的全高半宽度(FWHM)作为聚焦评价函数, 通过调整探测器方位遍历搜寻该函数最小值并作为正焦的最终评价依据, 进而完成光谱仪的精细定焦任务。定焦结果显示：探测器获得的光谱响应曲线平均半宽度为0128 1 nm, 与理论值吻合良好。该系统不仅操作简单、结构紧凑且具有较高的定焦精度, 也为光谱仪定标等后续工作提供了实验保障。
CO2探测仪 光谱响应曲线 光谱带宽 精密装调 聚焦评价函数 CO2 spectrometer ILS FWHM precise alignment focus evaluation function
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为了研制CO2探测仪定标漫反射板, 采用物理研磨和化学腐蚀相结合的工艺方法制作了铝漫反射板试验样块, 搭建了相对双向反射分布函数和半球反射率的测试装置。在0°和45°入射光的情况下, 对可见近红外波段的测试结果表明: 表面粗糙度影响铝漫反射板的朗伯特性, 240#研磨砂制作的漫射板的朗伯特性最佳; 化学腐蚀不仅能提高铝漫反射板的朗伯特性, 也能提高铝漫反射板的半球反射率。当选取碱蚀温度为室温20 ℃、NaOH溶液浓度为526 g/L时, 最佳腐蚀时间约为4 min; 镀膜使铝漫反射板的半球反射率平均提高20%, 但会使其朗伯特性稍变差; 不同波长处铝漫反射板的相对双向反射分布函数略有不同, 但变化趋势相同。实验确定了影响漫反射板漫反射特性的关键参数, 并定量优化了这些工艺参数, 为进一步研制CO2探测仪星上定标漫反射板提供了依据。
CO2探测仪 化学腐蚀 铝漫反射板 半球反射率 相对双向反射分布函数 CO2 detector chemical corrosion aluminum diffuser hemispherical reflectance relative Bidirectional Reflectance Distribution Fu
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 中国科学院研究生院, 北京 100049
为了研究温度对成像光谱仪谱线漂移的影响，分析了谱线漂移与光谱成像系统各镜面刚体位移之间的关系，建立了温度对成像光谱仪谱线漂移影响的理论模型，通过软件仿真和热光学试验对理论模型进行了验证和修正。基于线性光学理论建立了镜面刚体位移对谱线漂移影响的数学模型，使用蒙特卡罗法对理论模型进行了数值仿真验证；采用有限元法求解了温度载荷下各镜面的刚体位移，在Matlab软件环境下利用Code V的API函数对变形后的光学系统进行了光线追迹，求解了镜面刚体位移导致的谱线位置变化，研究了成像光谱仪的谱线漂移特性，得到了温度载荷作用下的谱线漂移模型；通过热光学试验对理论模型进行了验证和修正。结果表明，在8 ℃～28 ℃范围内，谱线在光谱方向仅发生整体平移，没拉伸或压缩效应；基于线弹性理论和线性光学模型建立的理论模型与试验结果吻合较好，最大偏差不超过12%，修正后的谱线漂移模型相对误差小于5%，绝对精度优于0.2 pixel。
遥感 谱线漂移 仿真分析 热光学试验 成像光谱仪
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
研制了一套采用X射线敏感CCD作为成像探测器的微型数字成像系统并用于牙科诊断。应用牙齿模型与分辨率测试卡对系统的辐射剂量和分辨率进行了测试，采用分段线性校正对CCD与转换屏耦合下的响应不均匀性进行校正，并通过计算线性相关系数辨别瑕疵像元以避免误判。测试了系统在高分辨率、小工作幅面X射线检测方面的应用效果。结果显示，系统分辨率高于10 lp/mm，在获得相近对比度图像的条件下，所需的辐射剂量仅为胶片的10%，图像非均匀性相对校正前可降低27.5%。得到的结果表明，系统满足高分辨率、低辐射剂量的使用要求，在微小物体X射线检测方面具有较大的应用潜力。
X射线成像 数字图像 分辨率 辐射剂量 非均匀性校正 X-ray imaging digital imaging resolution radiographic dosage nonuniformity calibration
