1 国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410073
2 中国气象局高影响天气重点开放实验室，湖南 长沙 410073
回顾和总结了远红外高光谱大气遥感的理论基础，从大气吸收和冰晶粒子散射敏感性的角度介绍了远红外高光谱遥感冰云参数的优势。对远红外高光谱大气遥感仪器的发展脉络进行了梳理和总结，重点对相关仪器的参数及关键技术问题进行了讨论。概述了远红外高光谱冰云特性遥感的主要方法，展望了远红外高光谱技术未来在冰云探测中的应用潜力，并提出了研究思路与方案，以为后续远红外高光谱大气遥感技术研究提供一定的参考。
遥感 远红外 高光谱 冰云
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048
2 陕西省人工影响天气中心，陕西 西安 710016
冰晶是云滴谱的重要组成部分，其对全球辐射收支平衡、全球气候变化、水文循环、人工影响天气作业等具有重要的影响。目前2~100 μm的冰晶与液滴混合相态难以区分，且存在难以提供冰晶微物理参数的瓶颈问题。针对这两个问题，本文基于数字全息理论，利用全域数字图像融合方法、局部亮度梯度方差法和旋转卡壳法，结合固液相粒子圆度概念，实现了云中液滴和冰晶的混合相态识别，在特定圆度阈值下，液滴和冰晶的识别率大于93%；再结合光学图像识别技术，获得冰晶粒子的面积、周长、凸包和最小外接矩形数据；最终利用上述数据获得了冰晶微物理参数。通过在低温云室中的观测实验，获取了板状、枝状和六角冰晶的微物理参数，该方法解决了冰晶观测中的瓶颈问题。此外，通过冰晶采样间隔时间和不同时刻的质心三维坐标和等效直径，还可获得冰晶粒子的三维运动速度与轨迹。该方法对提升数值天气预报精确度，以及人工影响天气作业具有重大意义。
数字全息 粒子相态识别 冰晶 粒子速度
大连理工大学 高性能精密制造全国重点实验室，大连 116024
不同冰云条件对以偏振模式为导航信息源的偏振导航影响较大，为探究冰云大气相关参数（冰晶粒子形状、有效半径、冰水含量以及光学厚度等）对天空偏振模式的影响，建立了基于蒙特卡罗法的矢量传输模型，利用libRadtran模拟了实际冰云大气辐射传输过程，分析了不同冰云大气相关参数对天空偏振模式的影响，并通过图像式测试系统，实地测试了大连地区10组实际大气条件下天空偏振模式随冰云大气相关参数的变化情况。结果表明：冰晶粒子形状对冰云大气偏振度影响较大，对冰云大气偏振方位角影响较小。并且冰云大气偏振度随有效半径的增大而增大，随光学厚度和冰水含量的增大而减小，后逐渐趋于稳定的状态。在不同日期同一时刻下，大连地区实际冰云大气偏振度变化规律与仿真基本一致，验证了本文方法的有效性，为偏振导航的在实际冰云大气条件下的工程应用提供了理论支撑。
大气光学 偏振模式 libRadtran 冰云 大气散射 Atmospheric optics Polarization mode LibRadtran Ice cloud Atmospheric scattering 光子学报
2023, 52(11): 1101001
1 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中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
3 合肥市农业行业首席专家工作室，安徽 合肥 230012
卫星对地遥感观测中，云和冰雪地表是两个重要的观测对象，由于它们辐射特性的相似性，使得冰雪区域上空云检测存在困难。针对高光谱观测卫星（高分五号02星）偏振载荷的数据特征，本文设计了一套冰雪上空云检测算法。该算法利用高分五号偏振载荷大气气溶胶多角度偏振探测仪和高精度偏振扫描仪的在轨探测多角度多光谱偏振辐射数据，协同进行云检测。首先，通过氧A带吸收通道的表观压强检测进行云和冰雪的初步区分，在此基础上利用多角度偏振散射特性进行冰雪上空的水云检测，利用卷云波段检测提高了冰雪上空的卷云检测效果，最后通过对常用的NDSI归一化雪指数进行改进，提高了冰雪上空的冰云检测精度。以格陵兰岛和南极区域为例，进行了冰雪上空云检测实验，并与成像时间相近的MODIS产品云掩膜产品MOD35进行比对，一致性分别为83.3%和94.4%。结果表明，本文提出的算法能够有效检测冰雪上空的云像元。
云检测 冰雪 遥感 多角度 偏振探测 光学学报
2023, 43(24): 2428004
1 北方民族大学材料科学与工程学院, 银川 750021
2 碳基先进陶瓷制备技术国家地方联合工程研究中心, 银川 750021
3 南昌航空大学航空制造工程学院, 南昌 330000
采用冰模板法构筑具有层状结构的Al2O3三维网络骨架, 并通过真空浸渍工艺制备出Al2O3/环氧树脂(EP)复合材料。研究了楔形硅橡胶角度、浆料固相含量、冷冻温度对层状Al2O3三维网络骨架微观结构的影响, 分析了片层间距对Al2O3/EP复合材料导热、介电和绝缘性能的影响。结果表明: 楔形硅橡胶角度为10°和15°时Al2O3三维网络骨架的层状有序性最佳, 固相含量的增加和冷冻温度的降低均会使片层间距减小; Al2O3/EP复合材料的热导率和介电常数随着片层间距的减小而增大, 但体积电阻率呈降低趋势; 当片层间距为45 μm时, 热导率达到0.52 W/(m·K), 体积电阻率为1012 Ω·cm。
Al2O3三维网络骨架 Al2O3/EP复合材料 冰模板法 热导率 介电常数 体积电阻率 Al2O3 3D network skeleton Al2O3/EP composite ice template method thermal conductivity dielectric constant volume resistivity
1 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
2 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009
场景定标是大视场遥感器在轨替代定标的常用方法，具有定标频率高、无需同步测量的优点。冰雪场景通常使用格陵兰冰盖（75°S，123°E）和南极冰盖（73.375°N，40°W）作为目标，由于其海拔较高（通常大于2 km），故受到大气影响较小，能够得到数据质量较好的定标样本。此外，冰雪在可见光范围以内光谱较为平坦，因而比较方便借助于其他定标方法实现波段传递。基于对前人极地场景定标方法的研究，将冰雪场景的地表双向反射分布函数（BRDF）和大气参数代入辐射传输模型之后，对我国高分五号卫星大气气溶胶多角度偏振探测仪（DPC）载荷的在轨辐射响应变化进行测试，得出的结论与沙漠场景和海洋场景的定标结果吻合度较高，且定标结果的离散度更小。所提方法可以对载荷在轨运行期间的探测数据提供长期监测、校正，并有助于业务化应用产品的质量提升。
在轨辐射定标 冰雪场景 辐射传输 地表双向反射分布函数模型 光学学报
2023, 43(18): 1812005
1 安徽理工大学电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
2 安徽大学互联网学院, 安徽 合肥 230039
3 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, 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
利用大气本底站监测数据验证了大气红外探测仪 (AIRS) 反演数据 (2003年3月―2021年2月)，在此基础上基于AIRS数据分析了南极臭氧柱总量时空分布以及变化特性，并进而利用线性回归、相关性分析、小波分析等方法，结合平流层温度和海冰数据，分析了南极臭氧柱总量变化特征的影响因素。结果表明：AIRS反演数据与大气本底站监测数据的相关系数均在0.945以上，具有较高的准确度和平稳性。南极臭氧柱总量的时间变化具有很强的周期性，谷值与谷值交替约为12个月。通过小波时-频结合分析发现，南极臭氧柱总量明显存在时间尺度为2、4、6、8～10、13年的周期，其中震荡最剧烈的第一主周期13年又以10年为周期变化，第二主周期6年又以4年为周期变化，2003―2021年内第一主周期经历了2次高-低变化期，第二主周期经历了4次高-低变化期。臭氧柱总量随季节变化明显，春季是南极臭氧柱总量最高的季节，冬季、夏季、秋季依次次之。南极臭氧的空间分布特征差异较大，总体来看纬度越高，臭氧柱总量越低，并在85° S附近达到最低值。南极洲大部分区域平流层温度与臭氧柱总量呈显著正相关，统计结果显示当平流层温度小于189 K时会出现臭氧洞；南极海冰范围与南极臭氧柱总量变化基本一致，两者皆存在2、6～8、12～14年的变化周期，但海冰范围变化要早一个月。
南极 臭氧柱总量 小波分析 平流层温度 海冰范围 Antarctic total ozone column wavelet analysis stratospheric temperature sea ice extent 大气与环境光学学报
2023, 18(3): 201
1 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044
为研究海冰对水下量子通信信道性能的影响，基于海冰在不同的密度、盐度下的吸收与散射特性，建立了海冰参数与消光系数之间的关系、光量子信号衰减模型；根据海冰在不同密度、盐度下的消光特性，分别建立海冰参数与信道利用率、量子密钥分配系统误码率、系统成码率之间的关系并进行数据仿真。理论分析与仿真结果可为海冰环境下的水下量子通信设计提供参考。
海洋光学 水下量子通信 海冰 链路衰减 信道利用率 系统误码率 系统成码率
中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300
针对静止状态下飞机蒙皮表面残冰检测问题，提出一种超声导波检测技术，通过提取时域和频域的特征参数变化，实现板状结构表面的透明冰、混合冰、霜冰3种类型区分和积冰厚度判断。首先通过ABAQUS仿真软件采集超声Lamb波模态信号，在时域内观察随厚度和类型变化引起的模态幅值衰减程度，同时在频域内引入积冰系数，最终实现了关于厚度和类型的非线性映射。其次，对使用Lamb波分辨3种不同类型积冰的厚度进行了实验验证，对比仿真结果表明该方法存在一定可行性。最后，总结了判断积冰种类和厚度的方法。
材料 超声Lamb波 积冰检测 积冰系数 ABAQUS仿真 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0116003
