强激光与粒子束
2024, 36(1): 016001
1 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
2 北京航空气象研究所，北京 100085
3 青岛镭测创芯科技有限公司，山东 青岛 266100
4 崂山实验室，山东 青岛 266237
5 中国海洋大学海洋高等研究院，山东 青岛 266100
为了提升大气物质边界层高度（AMBLH）的识别准确性，基于2020年11月至2021年11月在青岛开展的大气边界层（ABL）观测实验，提出了一种基于相干多普勒激光雷达（CDL）信噪比数据的AMBLH的综合反演方法，并应用此方法反演得到了青岛地区的AMBLH，其与探空仪反演结果的相关度为0.93。分析了青岛一年内的AMBLH发展情况，发现各月份AMBLH均有日变化特征，其中6、7月特征相对较弱，推测这与夏季来自海洋的东南风盛行有关。AMBLH月均值在全年呈起伏波动趋势，在冬末至春初、夏末至秋初的阶段逐步增大。AMBLH月均中位数4月最高、6月最低，AMBLH季度发展程度由高到低的顺序为春季、冬季、秋季、夏季，其中春季和冬季高度相近。AMBLH各季度日变化中抬升趋势出现的时间为夏季早于春季，秋季与春季相近并早于冬季。
大气光学 相干多普勒激光雷达 大气物质边界层高度 综合反演方法
1 1.北京科技大学 新材料技术研究院, 北京 100083
2 2.北京科技大学 顺德创新学院, 佛山 528399
3 3.北方工业大学 机械与材料工程学院, 北京 100144
均匀生长大尺寸光学级金刚石膜一直是微波化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)金刚石研究领域的热点和难点, 沉积台的结构与位置对于金刚石膜均匀性以及厚膜生长的长期稳定性至关重要。本研究通过COMSOL模拟结合实验研究了沉积台高度对衬底表面电场均匀性、等离子体状态和温度均匀性的影响规律, 优化了光学级金刚石膜均匀生长的工艺参数, 在最佳沉积台高度(2 mm)下沉积得到的2英寸金刚石膜(最大厚度337 μm), 厚度不均匀性<11%, 从膜中心到边缘的拉曼半峰全宽为3~4 cm-1, 可见光波段内最高透过率为69%~70%, 10.6 μm处红外透过率为70%。结果表明: 金刚石膜的厚度和品质较为均匀, 实现了两英寸光学级金刚石膜的均匀沉积。沉积台高度对衬底表面的电场分布、等离子体形状和温度分布都有一定影响, 随着沉积台高度增加, 衬底表面电场分布均匀性和温度均匀性得到明显改善, 且衬底表面的等离子体分布更均匀, H原子和含碳基团的浓度增加。
光学级金刚石膜 温度均匀性 红外透过率 沉积台高度 COMSOL模拟 optical grade diamond film temperature uniformity infrared transmittance deposition platform height COMSOL simulation
云南师范大学物理与电子信息学院, 云南 昆明 650500
阴影形状、偏转测量和光度立体法等多种手段都能得到场景的法线场, 需要进一步重建才能获得高度场, 因此由法线场重建场景的深度信息值得研究。提出一种由离散法向量恢复高度场函数的方法。首先, 基于离散几何的原理, 逐行估计场景的行高度值; 然后计算少量列高度; 最后根据列高度值, 逐行调整各行的高度平均值, 得出整个场景的高度分布, 其中在估计行高度值与列高度值的过程都运用了最小二乘法。该方法由于减少了优化的数据量, 不需要大型的矩阵运算和运算内存, 并且对于物体表面连续并且光滑的曲面会有较好的效果。实验表明, 该方法对曲面连续突变较少的场景的深度恢复较好, 但对于突变较多的场景, 所恢复出的高度会有横条纹。
法线图 高度图 表面重建 最小二乘 深度恢复 normal map height map surface reconstruction the least squares depth recovery
中国工程物理研究院电子工程研究所, 四川绵阳 621999
复杂地物目标的近垂直后向散射特征是影响雷达高度表回波波形的重要因素之一。对近垂直后向散射系数的获取主要采用基于参数模型的实测数据拟合方法, 但一般只适用于地势平坦且介质相对单一的地海面目标。本文基于机载雷达高度表, 针对复杂地物目标的距离-多普勒图像仿真实验数据和实测数据, 利用距离-多普勒域和地球空间域的映射关系, 提出一种后向散射系数的反演算法, 并对得到的后向散射系数进行定量分析。实验验证了提出的反演算法具有一定的适用性和参考性。
后向散射系数 反演方法 距离多普勒图像 雷达高度表 backscattering coefficient inversion method Range-Doppler image radar altimeter 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(12): 1423
内蒙古师范大学地理科学学院, 内蒙古 呼和浩特 010022 内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室, 内蒙古 呼和浩特 010022
植被的光谱反射曲线特征区别于土壤、 水等其他物质, 密切关系于本身的生理性状表现。 由于对冠层植被进行俯视与侧视时的入目效果不一致, 实际角度原因会导致传感器获得的覆盖度信息产生误差。 以内蒙古四子王旗荒漠草原植被为研究对象, 利用自主设计组装的野外在线多角度光谱仪, 开展草原植被多角度实时观测试验。 并结合归一化植被指数（NDVI）、 比值植被指数（RVI）、 优化型土壤调节植被指数（OSAVI）以及光化学植被指数（PRI）共4种指数进行多维的数据比较。 分析了不同传感器观测角度（SVA）和不同太阳高度角（SEA）下的草地生理性状光谱多样性三者间的关联特征。 研究发现, 传感器观测角越大, 不同波段冠层反射率的日内变化程度越弱, 表现出明显的观测角度差异性和角度敏感程度差异性, 当传感器观测角（SVA）在75°附近或垂直向下观测时, 植被的反射率日变化标准差较小。 在固定传感器观测角度的情况下, 植被的反射率与太阳高度角呈正相关关系。 同样, 不同植被指数的角度效应也存在差异, OSAVI指数在传感器观测角（SVA）为45°时表现最为敏感, 不同月份都出现了最低值这一特征, PRI指数的最大值均出现在传感器观测角（SVA）为60°位置以下。 同时发现, 针对不同的太阳高度角（SEA）并基于所观测植被所处的不同生长期而选择一定传感器观测角度更有利于获得有效且精确的数据。 野外在线多角度光谱仪观测结果旨在为卫星影像产品矫正、 植被遥感精准监测、 草原生物量的准确估算等方面提供科学数据支撑。
多角度遥感 植被指数 太阳高度角 Multi-angle remote sensing Vegetation index Sun elevation angle 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3170
1 成都大学 电子信息与电气工程学院成都 610106
2 成都理工大学 核技术与自动化工程学院成都 610059
3 南洋理工大学 电气与电子工程学院新加坡 639798
针对测量系统本身导致的脉冲截断给脉冲高度分析带来的挑战，本研究提出一种复合神经网络模型，用于预测产生了截断的脉冲高度。该模型将长短期记忆模型（Long and Short-term Memory，LSTM）嵌入UNet结构，采用模拟脉冲数据集对模型进行训练，使用相对误差指标对模型性能进行评估。结果显示：在对模拟脉冲序列进行脉冲高度估计时，UNet-LSTM模型的平均相对误差约为2.31%，相较于传统的梯形成形算法的平均相对误差降低了1.91%；在粉末铁矿样品和粉末岩石样品的实际测量中，不同截断率的实测脉冲序列也进一步验证了UNet-LSTM模型的脉冲高度估计性能，在两种样品、8组离线脉冲序列的高度估计中得到的平均相对误差为2.36%，表明该模型可以准确估计截断脉冲的高度。
UNet 长短期记忆模型 脉冲截断 脉冲高度估计 UNet Long and short-term memory model Pulse truncation Pulse height estimation
1 中国民用航空飞行学院 航空气象学院,德阳 618300
2 中国民用航空飞行学院 民机火灾科学与安全工程四川省重点实验室,德阳 618300
3 中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院,德阳 618300
4 北京莱维塞尔科技有限公司,北京 101318
为了探究广汉机场上空边界层高度的变化特征，利用多普勒激光雷达的载噪比数据，采用梯度法、小波协方差法和标准方差法，对机场上空的边界层高度进行了反演，并与L波段探空和飞机探测数据进行了对比,利用飞机探测数据和探空仪数据对激光雷达反演的边界层高度进行了验证。结果表明，在对流边界层顶的识别上，3种方法都能较好地捕获边界层信息，且一致性较好，但在对残余层顶和稳定边界层顶的识别上，梯度法无论是准确性、连续性还是稳定性上都表现出了明显优势;反演得到的对流边界层和残余层高度维持在2000 m左右，稳定边界层高度在100 m～200 m之间; 受边界层内湍流的影响，物质边界层高度与热力边界层高度在某些时段会出现显著差异。该研究可为飞行训练提供预警信息，更好地保障飞行安全。
激光技术 激光雷达 边界层高度 载噪比 laser technique light detection and ranging boundary layer height carrier-to-noise ratio
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 长春光机科技发展有限责任公司, 吉林 长春 130033
单色仪广泛应用于光谱定标、物质分析等方面，因此，对于高光谱分辨率单色仪系统的研究具有重要意义。本文基于矢量光栅方程推导考察了入射狭缝高度对光谱仪器谱线弯曲的影响程度，给出了谱线弯曲同波长、狭缝高度的解析表达式，进而提出了一种基于狭缝高度抑制谱线弯曲的单色仪光谱分辨率优化方案。结合高灵敏度、超快时间响应探测器的性能指标要求，设计了一款光谱分辨率为0.1 nm，波段范围为185 nm~900 nm的三光栅单色仪光学系统，并搭建样机验证狭缝高度对谱线弯曲的影响，进一步探究了狭缝高度对光谱分辨率的影响规律。实验结果表明：在狭缝宽度一定时，对狭缝高度进行优化，可将光谱分辨率从0.32 nm提高至0.1 nm。
单色仪 谱线弯曲 狭缝高度 光谱分辨率 monochromator spectral line bending slit height spectral resolution
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
