1 临沂大学资源环境学院(山东省水土保持与环境保育研究所), 山东 临沂 276000
2 华东师范大学地理科学学院, 崇明生态研究院, 地理信息科学教育部重点实验室, 上海 200241
目前, 无人机获取的多光谱遥感数据已被广泛应用于农业、 林业、 环境等领域的定量监测中。 然而, 现有的将多光谱遥感数据转换为地表反射率的方法, 仍然存在一定的缺陷, 如需要依赖地面参考板、 无法适应光照条件变化、 得到的结果不准确等, 从而影响了多光谱遥感数据定量化应用的效果。 为了解决该问题, 提出了一种可以利用无人机搭载的多光谱相机, 直接对地表反射率进行测量的新方法。 该方法具有非常强的适应能力, 即使在环境光照强度变化的条件下, 仍然能够得到准确的地表反射率。 其中, 如何利用倾斜状态下的光强传感器获取准确的太阳辐照度, 是需要解决的关键问题。 对此, 提出了一种利用两个或者更多朝向不同方向的光强传感器, 实现太阳直射和散射辐照度测量的新方法。 利用此方法即可将相机记录的数字量化(DN)值直接转换为地表反射率。 为了验证本方法的实际效果, 设计了具体的实验验证方案, 对不同日期不同光照条件下获取的无人机遥感数据进行验证。 实际测试结果表明: 利用该方法, 得到黑、 灰、 白三张参考板的反射率在5个多光谱(蓝、 绿、 红、 红边和近红外)波段中最大的平均绝对误差为3.34%, 其对应的标准差为2.11%; 三张参考板在所有波段中最大的平均绝对误差为2.94%, 其对应的标准差为1.84%。 由此可见, 在光照强度变化的条件下, 利用该方法实现地表反射率的准确测量是可行性的。 该方法极大地简化了无人机遥感数据转换为地表反射率的过程。 对多光谱无人机的设计, 以及无人机遥感数据的定量化应用, 都具有重要的参考价值。
无人机遥感 多光谱相机 地表反射率 辐射校正 太阳辐照度 UAV-based remote sensing Multispectral camera Land surface reflectance Radiometric calibration Solar irradiance 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1581
1 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
2 上海卫星工程研究所载荷与地面应用技术研究室, 上海 200240
为了在有限的太阳观测窗口内获得高质量的太阳光谱数据,需保证太阳进入观测窗口时仪器已完成自身预热。为保证仪器预热时间的一致性,需在轨实时预报预热开始时刻,需对每轨太阳开始进入仪器观测窗口的时间进行短时间高精度预报。详细介绍了一种由卫星平台当前广播时间和轨道瞬根推导预报时刻太阳角度的方法。利用该方法预报某一太阳同步轨道卫星本体坐标系下的太阳角度,并将预报结果与STK仿真结果进行比对。该预报方法在预热时间内的最大角度误差为0.5°,导致预热时间最大偏差为20 s,满足1 min的指标要求。分析了预报方法中的主要误差来源,为后续卫星载荷的在轨太阳角度短期预报提供了借鉴与参考。
测量 太阳角度预报 太阳同步轨道 轨道瞬根 太阳辐照度光谱仪
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为了获得太阳辐照度绝对辐射计中吸收腔的最优结构参数, 需要对结构中吸收腔-热连接-热沉构成的传热链进行热分析。基于Ansys软件的有限元方法, 给出了上述传热链的仿真模型, 并计算得到了仿真结构的温度响应曲线; 通过改变吸收腔的结构参数(尺寸、材料等), 探究了不同参数下传热状态的变化及其原因; 通过分析仿真结果确定了吸收腔最优结构参数。仿真结果表明：在环境温度为常温(298 K)、加热功率为50 mW的情况下, 吸收腔最优结构参数为壁厚0.07 mm/锥顶角30°/帽檐宽度2.2 mm/银质, 此时辐射计的时间常数为11.501 s、响应度为1.391 K; 同等条件下进行实验, 测得时间常数为11.487 s, 响应度为1.397 K, 与仿真结果相比, 误差分别为0.12%和0.43%。仿真结果基本符合理论推导, 所得数据具有足够的可靠性, 证明该模型可以指导绝对辐射计优化设计, 提高其工作性能。
太阳辐照度绝对辐射计 传热链 有限元方法 吸收腔最优结构参数 Solar Irradiance Absolute Radiometer(SIAR) thermal circuit finite element method optimal structural parameters of the cavity
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 通用光学定标与表征重点实验室，合肥 230031
2 中国科学技术大学，合肥 230026
宽波段太阳辐照度仪采用fèry棱镜分光，利用线阵CCD反馈控制光谱扫描，波长覆盖范围为400~2 500 nm.为实现该仪器的高准确度光谱定标，在实验室内利用单波长激光器和OPO激光器分别作为光源.通过光谱扫描，得出定标波长与CCD像元的对应关系.根据棱镜参量和光路设计参量推导出全波段内光谱定标方程，实现全波段光谱定标.通过与其他特征波长比较，分析得出光谱定标合成不确定度优于0.5 nm.用定标好的仪器进行室外测量，将测量结果与大气辐射传输软件modtran4模拟结果相比对，可得实际测量的大气吸收峰与模拟结果一致.将该方法在红外波长区域定标结果与传统的多项式拟合光谱定标方法对比，显示该定标结果优于传统多项式拟合方法.证明该定标方法的正确性和仪器设计的合理性.
太阳辐照度仪 Fèry棱镜 光谱扫描 光谱定标 大汽吸收峰 Solar irradiance spectrometer Fèry prism Spectral scanning Spectral calibration Atmospheric absorption peak
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
针对绝对辐射计光电不等效性来源复杂、实验测量难度大的特点，提出了修正太阳辐照度绝对辐射计(SIAR)光电不等效性的有限元单元法。结合SIAR的测量方法，对真空中辐射计的腔温响应进行了实验测试。基于有限元单元法，建立了与实验腔温度响应相对误差仅为0.14%的有限元模型，对接收腔的温度响应进行了实验测试。测试结果显示: 入射光功率为73.8 mW时，接收腔与热沉之间的温度差异约为0.85 K，响应的时间常数为29.8 s。运用建立的有限元模型对SIAR的光电不等效性进行了评估和修正。 结果表明: 太阳辐照度绝对辐射计的光电不等效性来源主要为不同加热途径和不同加热区域引起的偏差，SIAR的光电不等效性因子N为0.999 621±0.000 004。该修正模型完善了仪器的修正体系，提高了测量精度，为绝对辐射计的发展提供了可靠的数据来源。
太阳辐照度绝对辐射计 有限元单元法 光电不等效性 温度响应 Solar Irradiance Absolute Radiometer(SIAR) finite element method non-equivalence temperature response 光学 精密工程
2016, 24(10): 2370
中国气象局 国家卫星气象中心, 北京 100081
为了解决风云-3C/臭氧总量探测仪(FY-3C/TOU)太阳辐照度数据异常的问题,给出了一种求解TOU漫反射板坐标系安装偏差的算法,并利用调整后的安装参数对TOU太阳辐照度进行了修订.系统研究了该算法的基本原理及数值分析结果.该算法假设TOU在轨实际漫反射板坐标系与理想漫反射板坐标系之间的偏差可用未知转换矩阵刻画,根据太阳辐照度真值与TOU修订辐照度数据之间的关系建立了关于未知变量的方程.然后,基于最优目标问题求解出了转换矩阵的各未知参数;最后,将修订后的漫反射板坐标系参数代入TOU定位及定标处理流程,实现对FY-3C/TOU太阳辐照度偏差的订正,达到利用辐照度追踪仪器衰减系数的目的.数值分析结果表明偏差修订效果显著,TOU太阳辐照度的最大相对误差从35%降低为2%,相对误差波动范围从27.2%缩小为3.2%.
风云-3C卫星 臭氧总量探测仪 太阳辐照度 偏差修正 漫反射板坐标系 FY-3C satellite Total Ozone Unit(TOU) solar irradiance deviation correction diffuse plate coordinate system
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
精确且已知面积的主光阑对于搭载在气象卫星上的太阳辐照绝对辐射计(SIAR)有着重要作用,其带来的不确定度分量是太阳辐射计测量辐照度不确定度的重要组成部分.有效面积法是一种测量主光阑面积的方法,其通过叠加高斯光束形成一个统一的照度均匀分布的光源区域,利用辐射测量中光阑对光束的限制效应定义主光阑面积.对SIAR 进行简单介绍,主要对有效面积法的测量原理进行理论分析及模拟仿真,提出了具体搭建测量装置的方案,并对主光阑面积进行测量,测量合成不确定度达到8.2 × 10-5 .该测量方法提高了太阳辐照绝对辐射计主光阑面积的测量精度,使得太阳辐照绝对辐射计测量辐照度的标准不确定度从8 × 10-4 提高到6.3 × 10-4 .
测量 太阳辐照度绝对辐射计 有效面积法 主光阑面积 测量装置 不确定度分析
中国科学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
为了实现太阳光谱辐照度的高精度观测,提出了视日运动轨迹和光电跟踪相结合的太阳自动跟踪方案,详细 论述了视日运动跟踪计算原理和基于四象限探测器的跟踪装置设计。为检测该装置的跟踪精度,设计 了基于线阵CCD探测器的跟踪精度检测系统,并开展了室外观测实验。测试结果表明,太阳跟踪精度 为±0.030°,稳定性优于1.4%,所设计的太阳跟踪装置在跟踪精度和稳定上均能够满足 太阳光谱辐照度观测的高精度跟踪要求。
太阳辐照度 光电跟踪 四象限 线阵CCD solar irradiance photoelectric tracking four-quadrant detector linear CCD
1 南京大学地理与海洋科学学院, 江苏 南京 210093
2 Department of Geological Sciences, University of Texas at San Antonio, Texas 78249, USA
3 中国极地研究中心, 上海 200136
辐照度变化影响着北极冰雪的消融速率, 是全球气候变化研究的一个重要组成部分。 基于2010年中国第4次北极科学考察光谱测量数据, 通过对比、 主成分变换等分析了北极地区夏季辐照度的变化, 并探讨了其变化原因。 太阳辐照度的变化与多种因素有关, 最直接的影响因素是天气以及太阳高度; 在北极高纬度地区, 太阳高度角极低, 太阳辐射能量受到的大气衰减作用明显, 研究表明, 较短波长的光谱对太阳高度变化更敏感, 而天气对辐照度的影响随着波长的增大而增大。 此外, 大气中水分含量也影响着到达地面的太阳辐射, 水分影响主要表现在特定的波段而不是整个光谱区间内。
太阳辐照度 主成分分析 变化 光谱曲线 北极 Irradiance Principal component analysis Variation Spectral curve Arctic 光谱学与光谱分析
2012, 32(8): 2037
