红外与激光工程
2022, 51(10): 20220003
张鑫磊 1,2,3,*徐青 1,2,3邢帅 1,2,3高铭 1,2,3[ ... ]王晋 1,2,3
1 战略支援部队信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州 450001
2 智慧中原地理信息技术河南省协同创新中心，河南 郑州 450001
3 时空感知与智能处理自然资源部重点实验室，河南 郑州 450001
针对我国对星载激光雷达的研究还不够充分，拟开展光学遥感影像和星载激光雷达混合源摄影测量研究。通过对星载激光雷达光子数据进行数字高程模型（DEM）面积元轨迹匹配，建立激光测高点轨迹与遥感影像生成数字表面模型（DSM）间的对应关系。将筛选后地面光子与高分辨率光学遥感影像进行联合区域网平差，并基于顾及激光测高点坐标误差的迭代求解方法，实现卫星遥感影像立体定位精度的提高。星载激光雷达数据ATL03、高分七号（GF-7）和天绘三号（TH-3）卫星遥感影像用于验证该方法的性能。实验结果表明，本文方法可以有效提高无地面点控制下卫星遥感影像立体定位精度，高程精度可达1.258 m。
遥感 星载激光雷达 卫星遥感影像 联合平差 数字高程模型匹配 ICESat-2 光学学报
2022, 42(24): 2428001
1 中国科学院西安光学精密机械研究所空间光学技术研究室，陕西 西安 710119
2 中国科学院西安光学精密机械研究所总师办，陕西 西安 710119
3 中国科学院西安光学精密机械研究所先进光学元件试制中心，陕西 西安 710119
4 中国科学院西安光学精密机械研究所航空光电技术研究室，陕西 西安 710119
变曲率反射镜是一种主动光学元件，通过改变自身曲率半径实现对波前的动态控制。首先对变曲率反射镜国内外现状及发展趋势进行了综述；其次，建立了变厚变曲率反射镜形变物理模型，对兼顾大中心形变与高面形精度的机理进行了理论分析，并通过形变的面形精度保持实验对其性能进行了验证；最后，从三个方面探索了变厚变曲率反射镜在空间光学相机中的应用：1）针对大变倍比变焦成像对反射镜超大中心形变的要求，设计了基于有限元迭代并叠加高阶球差的反射镜优化流程，实现了近毫米级中心形变反射镜设计；2）针对空间光学相机成像对调焦精度及速度的要求，提出了基于次镜变曲率反射镜的高精度大动态调焦方法；3）提出了积分时间内利用变曲率次镜沿光轴方向快速扫描的编码成像方法。
光学器件 主动光学 变曲率反射镜 空间光学相机 光学变焦 调焦 光学学报
2022, 42(17): 1723002
1 北京空间机电研究所，北京 100094
2 西南技术物理研究所，四川 成都 610041
3 云南大学物理与天文学院，云南 昆明 650091
为了论证单光子成像技术天基应用可行性，分析了光学系统后向散射影响消除、单光子雪崩光电探测噪声抑制、自由运行模式等关键问题。基于偏振滤波理论、泊松统计滤波理论，选取重尾型脉冲激光函数，采用蒙特卡罗仿真方法，构建了星载单光子计数成像系统仿真模型，并仿真了不同轨道高度、不同重复次数和门控时间间隔条件下的光子计数结果。结果表明，脉冲激光回波光子计数波形与发射波形相近，仿真情况与实际相符，单光子成像距离存在阈值，当重复次数低于开门次数时，存在漏检现象。根据本研究的参数设置，在500 km的轨道高度上，当重复次数为2000、开门次数为2000时，激光测距精度可达0.09 m。所提相关方法可以为星载单光子计数成像系统指标分配和在轨参数调整提供技术支撑。
成像系统 单光子成像 时间相关单光子计数 蒙特卡罗仿真 单光子雪崩光电探测器 星载 激光与光电子学进展
2022, 59(16): 1611001
1 中国科学院国家空间科学中心,北京 100049
2 中国科学院大学,北京 100049
3 中国科学院空间环境态势感知重点实验室,北京100190
通过气辉成像仪对电离层气辉进行探测, 能够反映电离层中电子总含量、 等离子体泡分布等特性, 是有效的电离层探测方式之一。 电离层的原子分子在白天吸收太阳辐射激发到较高能态, 在夜间以气辉的形式将能量辐射出去, 辐射强度与所参与反应的电离层成分密度等密切相关, 因此气辉是用来观测电离层很好的示踪物。 天基气辉成像方法具有全球范围观测的巨大优势, 为了推动天基成像仪的设计研制和参数优化, 丰富和扩展电离层探测手段, 需要对全球气辉强度进行成像仿真分析。 该研究主要工作: (1)分析了电离层夜间630 nm光化反应过程, 设计了一种气辉成像仿真分析方法, 该方法对630 nm辐射强度进行计算, 分别获得了太阳活动高年和低年内四个不同季节的气辉单光谱信号源强度分布, 为设定探测指标提供理论依据; (2)开展了630 nm气辉天底成像仿真研究, 包括成像链路分析、 信噪比分析, 并使用一个时间延时积分成像的典型成像仪参数, 开展结合卫星运行轨道的扫描成像仿真。 本文主要结论: (1)夜间630 nm单光谱气辉强度与日间太阳辐射强度关系密切, 太阳活动高年夜半球平均辐射强度为115 Rayleigh, 太阳活动低年夜半球平均辐射强度为50 Rayleigh, 辐射大小和分布符合卫星载荷GLO-1和国际空间站IMAP任务的实际观测结果; (2)典型参数成像仪天底观测幅宽达到245 km, 气辉水平分辨率达到1 km, 对强度大于50 Rayleigh气辉成像的信噪比优于10, 在太阳活动高年能够清晰观测电离层气辉全球尺度结构, 在太阳活动低年能够观测低纬地区电离层气辉结构。 该研究结果可为天基电离层气辉成像探测提供理论依据, 也可为其他辐射波段的气辉观测和成像仪参数设计优化提供参考。
天基成像仪 电离层 气辉 成像仿真 Space borne imager Ionosphere Airglow Imaging simulation
1 上海海洋大学信息学院，上海 201306
2 中国科学研究院上海市技术物理研究所，上海 200083
受系统性能、传播介质散射、探测目标特性等因素的影响，地球科学激光测高系统（GLAS）获得的全波形数据存在不同程度的噪声，从而影响GLAS对地物垂直结构参数的提取与激光测距精度。因此，分析对比了高斯滤波、小波阈值降噪和经验模态分解（EMD）方法的降噪效果，并进一步对比了小波软阈值降噪和小波改进阈值降噪方法以及EMD-小波阈值降噪和EMD-Hurst降噪方法的性能。在六种典型地物数据上的实验结果表明，除EMD-小波阈值降噪外，小波阈值降噪和EMD-Hurst降噪方法的降噪结果均优于高斯滤波；高斯滤波、小波阈值降噪和EMD降噪三类降噪方法均对无坡度的田地降噪效果最佳。此外，小波改进阈值降噪方法的效果优于小波软阈值降噪方法，其信噪比（SNR）提高了10.70%~45.72%，均方根误差（RMSE）降低了32.04%~81.94%。EMD-Hurst方法的降噪效果优于EMD-小波阈值降噪方法，其SNR提高了6.38%~65.70%，RMSE降低了13.53%~33.33%。
遥感 星载激光测高 全波形数据 降噪方法 小波变换 经验模态分解 激光与光电子学进展
2021, 58(23): 2328001
1 无锡商业职业技术学院物联网技术学院, 江苏无锡 214153
2 中国电子科技集团公司第三十八研究所, 安徽合肥 230088
为解决星载合成孔径雷达 (SAR)相控阵天线中成千上万个微波组件的可靠性控制问题, 提出一种基于并行链式拓扑的波控系统设计方案。该方案采用链式拓扑总线简化单元互联, 实现轻量化设计; 提出接收电路归一化方法, 实现波控单元对等互换; 从直流偏置、故障隔离和同步传输三方面阐述了预防接口电路失效的可靠性设计措施。测试结果表明, 当接收芯片阈值为 400 mV时, 直流偏置电阻值小于 690 ., 能避免接收端输出不定态; 当总线中任意接收端失效时, 串接 1k.隔离电阻, 能避免总线通信瘫痪; 当接收数据时钟下降沿均位于数据码元的 1/2长度时, 同步传输无误码。研究结果可以为后续星载大型相控阵雷达波控系统以及其他类似航天载荷的可靠性设计提供参考。
星载SAR 波控系统 并行链式拓扑 同步传输 space-borne SAR beam-steering system parallel chain topology synchronous transmission 太赫兹科学与电子信息学报
2021, 19(4): 666
1 合肥学院生物食品与环境学院, 安徽 合肥 230601
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, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
在星载大气痕量气体差分吸收光谱仪的研制过程中, 需要对其信噪比、光谱分辨率、光谱定标精度等性能指标进行测试, 为此需要设计专用二维转台以实现不同视场在不同角度下的测试。根据光谱仪参数测试要求, 提出转台设计方案, 设计转台结构, 建立三维模型, 并对主要零部件进行选型。转台的方位轴 ±180° 转动, 满足 114° 的主视场测试要求; 俯仰轴 ±20° 翻转, 实现太阳视场需求; 机械定位精度为 ±0.01°。 转台提供两种安装方式, 光谱仪竖立安装进行太阳视场测试, 水平安装进行主视场测试。转台支撑框架在不同的工况下承受载荷的作用, 利用有限元软件对框架结构进行仿真, 分析结果验证了框架设计的合理性。
星载大气痕量气体差分吸收光谱仪 测试转台 支撑框架 有限元分析 space-borne trace gas different optical absorption test turntable supporting frame finite element analysis 大气与环境光学学报
2021, 16(2): 158
1 浙江大学 宁波研究院 光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
2 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021
3 浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310018
颗粒物后向散射系数(particulate backscattering coefficient, bbp)是海洋光学应用于海洋生态学和生物地球化学研究的核心参数。但目前常用的原位方法短时间内无法完成大范围的探测，被动水色遥感无法在缺乏光照以及有云的条件下工作，相比之下，主动遥感方式星载激光雷达可以突破以上限制，在海洋探测方面具有极大的优越性。2006年发射的CALIOP成为首个能够提供全球海洋bbp数据的星载激光雷达，特别是为极地观测和昼夜观测提供了重要数据。文中详细介绍了CALIOP系统原理及其三级主要数据产品，重点梳理了利用CALIOP 532 nm偏振通道退偏比反演bbp的方法以及后续的退卷积校正系统瞬态响应等改进措施，总结出了一套详细完整的反演流程，开发出对应算法并展示了bbp的反演结果，旨在为我国未来星载海洋激光雷达的数据处理及应用工作提供参考。
星载激光雷达 CALIOP 海洋颗粒物后向散射系数 反演算法 space-borne lidar CALIOP seawater particulate backscattering coefficient inversion method 红外与激光工程
2021, 50(6): 20211037
