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Abstract
Space Optics Research Center, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
The application of starlight refraction navigation to spacecraft and space weapons is a significant development direction. Observing enough refracted stars for the star sensor in a strong limb background is an urgent problem. The all-day optical system parameters are analyzed based on the star detection requirement and navigation accuracy. Combined with primary aberration theory, the prime-focus catadioptric optical system is selected to meet the design requirements of a wide field of view (FOV) and tight structure. An H-band (1.52 μm–1.78 μm) star sensor is designed with an FOV of 6°, a focal length of 831 mm, an effective aperture of 253 mm, and a relative distortion of 0.03%. The energy concentration of the star point is 85% within 30 μm, and the maximum lateral chromatic aberration is 2.9 μm, which meets the imaging requirements. Furthermore, a baffle is designed to avoid the influence of direct sunlight on stellar imaging. The proposed method can provide a theoretical foundation and technical support for the optical design of the refraction star navigation.
Optical design Starlight refraction All-day star sensor Short-wave infrared (SWIR) Autonomous navigation Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(2): 2023041
1 中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
3 上海航天控制技术研究所，上海，201109
为实现星敏感器在J波段对3等恒星进行全天时高精度探测，采用被动消热差设计方法，根据光学系统与结构材料的热差性能差异，进行匹配优化实现镜头消热差，设计完成了一种大相对孔径全天时星敏感器光学系统。针对恒星在该波段下的指标进行分析，确定光学系统焦距为84 mm，F数为1.4，工作谱段范围为1.1~1.4 μm，视场角为8.4°。在光学系统设计过程中选取常用光学材料和镜筒材料，通过改变各透镜形状，合理匹配各镜片之间的光焦度，从而实现被动补偿无热化设计。优化设计完成后的光学系统在高低温（-40 ℃~+60 ℃）及真空条件下，当离焦0.02 mm后，弥散斑尺寸优于30 μm，色畸变小于0.018 mm。星敏感器内部采用表面发黑处理，遮光罩采用非等间距布局设计，表面采用一款具有较高太阳吸收率的SB-3A国产消光漆进行涂黑，可以在保证效果的情况下有效减轻重量，遮光罩内档光环采用16°斜角，可以保证较好的杂散光抑制能力。利用Tracepro软件对光机系统的杂散光进行了仿真分析，分析结果表明，视场内由目标产生杂散光是目标强度的3×10-5，视场外杂散光强度由10-2量级迅速下降，18°以外杂散光强度为视场外强光的10-4以下。地面观星试验实现了对3等星全天时探测，验证了该光学系统设计的合理性。
大相对孔径 全天时 星敏感器 光学系统 无热化 Large relative aperture All day Star sensor Optical system Athermalization 光子学报
2022, 51(11): 1111003
为了提高CMOS图像传感器的动态范围并应用于昼夜兼容成像, 提出了一种新的动态范围拓展方法。该方法在像素中设置多个复位屏障, 以延长曝光过程中光电二极管的饱和时间, 同时通过在不同成像环境中切换像素积分电容大小, 提高微光成像时的响应灵敏度和强光成像时的满阱容量, 从而实现昼夜兼容高动态成像。经MATLAB仿真证明, 该方法可将传统CMOS图像传感器的动态范围从61dB拓展到102dB。
动态范围 昼夜兼容 CMOS图像传感器 dynamic range day night compatible CMOS image sensor
1 山西省气候中心，山西 太原 030002
2 山西省气象台，山西 太原 030002
3 大连市气象装备保障中心，辽宁 大连 116001
近年来，太原盆地气溶胶污染比较严重。为探讨太原盆地气溶胶垂直分布及气象要素的影响，本研究团队应用CALIOP气溶胶资料、地面观测站资料获得了太原盆地2018—2020年气溶胶消光系数的垂直分布；基于HYSPLIT后向轨迹和聚类分析方法，结合CALIOP气溶胶类型数据、NCEP/NCAR再分析资料、MICAPS高空和地面常规观测资料对太原盆地不同来源的气溶胶的垂直分布、类型及天气形势进行了探讨。结果表明：太原盆地霾日气溶胶消光系数的最大值为1.22 km－1，消光系数随着高度的增加而减小；晴日消光系数的最大值为0.33 km－1；新疆和内蒙古方向的气团对太原霾日的贡献最大(46%)，其次为来自本地的污染气团(39%)；太原盆地受西北或偏西气流的影响，同时在低层暖平流的控制下，易聚集污染沙尘型气溶胶；在静稳天气背景下，低层暖平流导致逆温层形成，地面弱气压区及弱风速区使污染物不易扩散，容易聚集污染沙尘型气溶胶和大陆污染型气溶胶；地面上，太原盆地处于高压底前部，地面风速较大，700～850 hPa处的冷平流将高纬度的污染物输送至太原盆地，气溶胶以沙尘型气溶胶为主，气溶胶抬升高度较大。
遥感 霾日 气溶胶类型 CALIPSO 垂直分布 太原盆地
西藏大学太阳紫外线实验室, 西藏 拉萨 850012
过量的太阳紫外线会造成人体皮肤红斑现象,甚至可引起皮肤癌症。利用国际通用的太阳紫外线观测仪和光谱仪,在2014年1月至2018年12月期间对西藏珠峰地区(定日)、拉萨和林芝的晴天太阳红斑紫外线和紫外线光谱进行了实地观测研究。观测了拉萨春分点附近、秋分点附近、冬至和夏至的正午太阳紫外线光谱特征,发现波长小于300 nm的太阳紫外线几乎全部被大气层吸收,不会到达西藏地面。通过分析西藏晴天太阳红斑紫外线的剂量,发现只有紫外线B能引起人体皮肤红斑现象。实地观测数据表明,西藏晴天太阳红斑紫外线的剂量率随当日时间的变化呈典型的抛物线状,并且由于太阳高度角的增加,晴天太阳红斑紫外线的最大剂量率平均出现时间为当地正午前后约10 min。在理论上,从冬至起西藏晴天太阳红斑紫外线强度逐日升高,夏至或夏至附近达到最高值,但是由于西藏夏季晴天少,西藏晴天太阳红斑紫外线强度峰值实际上出现在3月底。研究发现,在冬至到夏至变化区间,珠峰地区(定日)、拉萨和林芝的晴天太阳红斑紫外线当日最大剂量率分别为113.40~343.10 mW·m -2, 85.26~344.2 mW·m -2和62.78~197.10 mW·m -2,而最大日总剂量分别为7181.00 J·m -2,7623.00 J· m -2和3994.00 J·m -2,这说明拉萨和珠峰地区(定日)的太阳紫外线使人体极易出现皮肤红斑现象。
探测器 紫外线 太阳红斑紫外线 西藏 晴天 观测 光学学报
2020, 40(19): 1904002
1 中国科学院微小卫星创新研究院, 上海 201203
2 中国科学院大学, 北京 100049
星图信噪比是影响星敏感器拍摄星图中星点提取精度的重要因素。软阈值等去噪方法在处理近地面全天时星图时其阈值选取问题引起的噪声残留会影响星点质心的提取精度。针对这一问题,提出一种加权局部异常因子(LOF)的近地全天时星图小波去噪方法。该方法将局部异常因子算法应用于星图的小波去噪中,实现了不依赖阈值的近地全天时星图去噪。以地面真实拍摄的星图作为原始数据,使用峰值信噪比(PSNR)及局部峰值相对误差(LPVRE)对不同去噪方法处理后的星图去噪效果进行对比分析。实验结果表明,本文方法相较传统均值滤波和小波阈值去噪,提高了峰值信噪比,降低了局部峰值相对误差,能较好地去除背景噪声并较好地保留目标信息。
图像处理 小波变换 小波阈值去噪 局部异常因子 近地全天时星图 星图去噪
1 中国科学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
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
在昼夜观测恒星测量恒星宽光谱成像信号强度的基础上, 首先通过MODTRAN软件结合系统参数、恒星光谱特征研究了宽光谱信标利用Langley法标定大气透过率的标定误差, 据此通过标定恒星成像强度得到了整层大气宽光谱透过率; 然后, 利用大气模式研究了晴朗大气条件下宽光谱大气透过率与激光波段大气透过率的关系, 进一步得到了532 nm和1 064 nm的整层大气透过率; 最后, 将白天时段观测恒星测量的大气透过率与太阳辐射计观测太阳得到的透过率进行了实验对比。结果表明: 两种方法得到的大气透过率时间变化趋势一致、大小相仿。在此基础上开展了整层大气透过率的连续观测, 获得了整层大气透过率的昼夜连续数据、特别是获取了晨昏时段弱湍流时刻的整层大气透过率数据; 文中所开展的工作丰富了整层大气透过率的测量手段, 对地基激光工程研究和应用有促进作用。
整层大气透过率 昼夜观测 宽光谱测量 total atmospheric transmittance day and night observation wide spectral measurement 红外与激光工程
2019, 48(3): 0311001
西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
Nd∶YAG激光器三倍频输出的354.7 nm光和四倍频输出的266.0 nm光都位于紫外波段,都可作为水汽拉曼激光雷达的激励光源;从水汽拉曼激光雷达系统的实际建设出发,分别从后向散射系数、消光系数、大气透过率、臭氧吸收和太阳背景噪声等方面对激光雷达系统的探测性能进行分析,探讨354.7 nm和266.0 nm激光光源对拉曼激光雷达开展全天时大气水汽探测的影响。结果表明:在水汽探测中,266.0 nm及其对应的氧气、氮气和水汽拉曼波长均位于日盲紫外区内,不受太阳背景噪声的影响,但会受到臭氧吸收的影响;354.7 nm波段无臭氧吸收,但会受到太阳背景噪声的影响;在分光系统参数一致的情况下,激光雷达系统选用266.0 nm波段激光光源时,白天水汽的有效探测距离为2.7 km,选用354.7 nm波段激光光源时,有效探测距离仅为0.6 km;日盲紫外波长的选择可有效提高白天水汽拉曼激光雷达的探测距离,实现水汽的全天时探测。
遥感 水汽探测 紫外波长选择 拉曼激光雷达 全天时测量 光学学报
2018, 38(12): 1228003
西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
提出了一种基于小波阈值去噪算法的白天太阳背景光滤波抑制方法,实现对拉曼回波信号中真实信号与噪声的分离,并有效滤除白天背景噪声。基于西安理工大学大气水汽探测拉曼激光雷达系统的全天时实测数据,详细讨论了分解层数、小波基函数、阈值函数以及阈值选取方法等因素对白天探测回波信号去噪结果的影响,对去噪前后信号进行分析并对去噪评价函数进行对比,当利用小波基sym6、分解层数为5层,并采用改进阈值函数和改进通用阈值方法的最优条件时,可实现对白天水汽拉曼散射信号和米-瑞利散射信号较好的去噪效果。讨论了小波去噪前后大气水汽混合比反演廓线和激光雷达水汽探测信噪比(SNR)的结果,分析表明利用该去噪系统得到的白天激光雷达水汽探测SNR提高约3.4倍,水汽探测距离可从1.5~2 km提高到3 km以上。开展全天时激光雷达连续探测实验和去噪处理,获得了24 h边界层内大气水汽混合比的连续变化特性,并得到与近地面气象站数据的较一致的结果,充分验证了小波去噪算法应用于全天时大气水汽探测的可行性和有效性。
大气光学 拉曼激光雷达 水汽 小波去噪 全天时
