本期栏目 2023, 43(18)

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第43卷 第18期

胡建波 1,2王雄 1,3赵少华 4王中挺 4[ ... ]陈卫标 2,5,8,**
作者单位
摘要
1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部,上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心,北京 100049
3 华中科技大学光学与电子信息学院,湖北 武汉 430074
4 生态环境部卫星环境应用中心,北京 100094
5 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室,上海 201800
6 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
7 浙江大学光电科学与工程学院,浙江 杭州 310027
8 崂山实验室,山东 青岛 266237
为实现对全球气溶胶光学参数剖面的高精度测量,采用基于碘分子滤波器的高光谱分辨率探测技术。结合欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的大气再分析数据集(ERA5)的温度和压强数据,选取在轨期间途经撒哈拉沙漠和加拿大山火区域的星载高光谱分辨率激光雷达(HSRL)的观测数据,对沙尘类气溶胶和烟尘类气溶胶的光学特性进行分析,包括气溶胶的后向散射系数、消光系数、退偏振比和雷达比。结果表明:撒哈拉沙漠地区近地面5 km以内的气溶胶分布主要以沙尘类气溶胶为主,其退偏振比集中在0.2~0.4,雷达比数值集中在40~60 sr;加拿大山火地区的气溶胶主要以烟尘类气溶胶为主,其退偏振比集中在0.02~0.15,雷达比在50~70 sr范围。激光雷达特有的高光谱探测技术,在气溶胶和云的精细化探测和分类方面具有重要应用,将在环境监测中发挥重要作用。
大气气溶胶  气溶胶光学参数 星载激光雷达 高光谱分辨率探测技术 atmospheric aerosol cloud aerosol optical parameters spaceborne lidar high spectral resolution detection technique 
光学学报
2023, 43(18): 1899901
王静松 1,3刘东 1,2,*
作者单位
摘要
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大气光学重点实验室,安徽 合肥 230031
2 先进激光技术安徽省实验室,安徽 合肥 230037
3 中国科学技术大学研究生院科学岛分院,安徽 合肥 230026
卫星遥感能够获取全球范围的大气环境参数,主要包括主动和被动两类探测技术。星载激光雷达作为典型的主动光学遥感载荷可以用于探测全球大气气溶胶、云、大气风场和温室气体等,并可以反演垂直廓线信息。本文概述了星载激光雷达探测技术的发展历程,较为全面地总结了星载激光雷达载荷轨道及技术参数,并与被动光学遥感载荷进行了比较,探讨了主被动星载大气探测载荷各自的优劣势和未来发展趋势。通过对比分析,为未来不同应用场景的大气探测载荷选择提供参考,有助于更好地利用卫星数据反演全球大气参数。
星载激光雷达 主被动遥感 光学载荷 大气环境参数 大气探测 spaceborne lidar active and passive remote sensing optical payload atmospheric environmental parameters atmospheric detection 
光学学报
2023, 43(18): 1899902
作者单位
摘要
1 太原理工大学物理学院,山西 太原 030024
2 中国科学院国家空间科学中心,北京 100190
3 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院,湖北 武汉 430071
中层顶区域(80~110 km)的大气探测具有重要的科研和应用价值。长期以来,由于传统探测手段的限制,该区域一直是人类了解相对较少的大气层区域,存在着由流星注入产生的大气金属层。由于金属原子、离子共振荧光散射的散射截面比瑞利散射、拉曼散射大得多,其可以被激光雷达探测到。半个世纪以来,利用原子、离子特定波长的跃迁光谱,向高空大气发射特定波长的激光,并结合遥感技术,开展了大气金属层探测,这些金属原子、离子是大气波动极好的示踪物,可获得大气原子数密度、温度、风场等参量。近年来,随着热层金属层不断被发现,大气金属层的高度范围逐渐拓展,金属层研究又受到人们的极大关注。本文以作者团队及合作者的工作为基础,以大气金属层激光雷达采用的激光器发展历程为主线,介绍了地基激光雷达对大气金属层探测研究的发展过程以及国内外研究现状与发展趋势。
激光雷达 染料激光器 OPO激光器 和频技术 窄带滤光 lidar dye lasers OPO lasers sum-frequency technology narrow-band filtering 
光学学报
2023, 43(18): 1899903
何卓 1,2李正强 1,2,*樊程 1张莹 1,2[ ... ]朱军 6
作者单位
摘要
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 中国科学院大学,北京 100049
3 安徽师范大学地理与旅游学院,安徽 芜湖 241003
4 中国矿业大学环境与测绘学院,江苏 徐州 221116
5 北京环境特性研究所,北京 100143
6 航天东方红卫星有限公司,北京 100094
全球气候治理和温室气体减排已经到了刻不容缓的地步。自工业革命以来,大气甲烷(CH4)体积分数一直持续上升,目前全球平均值已达约1895.7×10-9,加上CH4全球变暖潜能值比二氧化碳(CO2)高约27~30倍,因此对大气CH4的监测成为碳减排的重点与热点。利用卫星遥感探测速度快、覆盖范围广、获取信息丰富等优势,可以实现高精度、高时空分辨率且全球覆盖的大气CH4浓度监测。据此,首先对大气CH4探测卫星及传感器的发展进行梳理与介绍,从早期的被动热红外探测,到对近地CH4浓度变化更为敏感的被动短波红外探测,再到以甲烷遥感激光雷达任务(MERLIN)为代表的主动型探测,CH4探测传感器空间分辨率提升至5~10 km,探测精度提升至10×10-9以内,并朝着高时空分辨率、高精度和连续观测一体化的目标不断发展;然后,对各类传感器不同算法的原理、适用条件和反演精度等进行归纳总结,其中精度最高、应用最为广泛的全物理算法的反演精度已达到了0.3%;最后,结合大气CH4卫星遥感发展现状与双碳目标的战略需求,对CH4卫星遥感和反演研究的发展趋势进行总结与分析,旨在为我国大气CH4卫星遥感体系建设提供一定的参考。
大气遥感 传感器 碳减排 温室气体 甲烷 反演算法 atmospheric remote sensing sensors carbon emission reduction greenhouse gas methane retrieval algorithms 
光学学报
2023, 43(18): 1899904
作者单位
摘要
1 北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院,北京 100875
2 北京大学物理学院大气与海洋科学系,北京 100871
臭氧是大气中重要的痕量气体,可影响对流层与平流层大气状态和过程。约90%的臭氧集中在平流层,可吸收下行紫外太阳辐射,保护地球生命系统;约10%的臭氧位于对流层,其空间分布多受局地生成和跨区域输送的影响。目前,臭氧已逐渐成为我国甚至全球首要污染物,臭氧污染防治也相应地成为我国未来大气污染防治的重点。本文回顾了卫星遥感臭氧的发展进程,包括臭氧卫星探测传感器、反演算法和应用进展,并着重分析了臭氧污染相关内容,包括臭氧污染时空特征分析、典型污染事件分析、臭氧污染与气象条件相互作用等。多种卫星探测载荷的仪器设计和反演技术的不断发展,使得卫星遥感臭氧反演和监测应用成为可能。卫星可通过紫外谱段和红外谱段而获取臭氧整层信息和垂直分布信息,目前臭氧柱总量监测精度较高,但对流层下层和近地面臭氧浓度反演精度还有待提高。根据现阶段的技术水平,可采用多种技术方法相结合来提升中低层臭氧的探测能力。臭氧污染的监管和防控需要摸清来源,准确评估污染的成因,可从前体物排放、化学转化、气象影响、三维传输等方面逐步进行解析。此外,氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(VOCs)的协同减排是我国臭氧治理的根本所在,也是下一步的重点研究方向。
大气光学 臭氧 卫星遥感 反演算法 精度验证 空气质量 平流层侵入 atmospheric optics ozone satellite remote sensing inversion algorithm precision validation air quality stratospheric intrusion 
光学学报
2023, 43(18): 1899905
作者单位
摘要
1 中国科学技术大学地球和空间科学学院,安徽 合肥 230026
2 南京信息工程大学大气物理学院,江苏 南京 210044
分析了国内外主要的温室气体通量测量方法,包括针对地球生态系统通量的测量方法和针对人为排放通量的测量方法。梳理了地基原位通量测量网络、地基和星载被动遥感技术和以激光雷达为代表的主动遥感技术的研究现状与进展,分析了当前测量技术对人为碳排放的探测能力。结合国内外发展趋势,展望了为满足全球和区域人为碳排放监测的需求,需要同化原位探测与主动遥感探测数据、通过科学的卫星组网提高时空分辨率并建立不同尺度的模型。
遥感 温室气体通量 生态系统通量 人为排放 remote sensing greenhouse gas flux biosphere flux anthropogenic emissions 
光学学报
2023, 43(18): 1899906
作者单位
摘要
1 武汉大学遥感信息工程学院,湖北 武汉 430079
2 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北 武汉 430079
3 武汉大学电子信息学院,湖北 武汉 430079
4 耶路撒冷希伯来大学地球科学研究所,以色列耶路撒冷 91904
云和气溶胶是地球大气系统的重要组成部分,对大气环境、气候变化和人类健康有着重要影响。近几十年来,Mie散射激光雷达以其全天候、高时空分辨率和垂直分布探测的优势备受关注,在云和气溶胶特性研究及大气环境监测中获得了广泛应用。本文简要介绍了Mie散射激光雷达的探测原理和发展历程,重点梳理了Mie散射激光雷达中的重叠因子修正、层次检测和信号反演等关键问题的研究进展与挑战,并对相关技术和方法的特点及其适用性进行了探讨,最后对Mie散射激光雷达数据反演的未来研究方向进行了展望。
大气光学 气溶胶 重叠因子 层次检测 数据反演 atmospheric optics aerosol overlap factor layer detection data retrieval 
光学学报
2023, 43(18): 1899907
作者单位
摘要
中国矿业大学环境与测绘学院江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室,江苏 徐州 221116
煤炭开采是我国最主要的甲烷排放源之一,建立高时空分辨率的甲烷排放清单是推动煤炭行业甲烷减排的重要抓手。以Sentinel-5P/TROPOMI、GHGSat-D/WAF-P、GF-5/AHSI为代表的遥感卫星已成功用于区域和点源尺度的煤炭行业甲烷排放检测与量化研究。介绍当前可用于煤炭行业甲烷排放研究的遥感卫星及数据,分析相应的甲烷柱浓度及排放速率遥感反演技术进展,并讨论其适用性与优缺点。建议以煤矿聚集区和单一煤矿为两个关键尺度,加快建设中国煤炭行业的“自上而下”甲烷排放清单,指出未来需要重点研究的3点内容:采用TROPOMI数据和简化质量平衡法,反演全国14个大型煤炭基地的甲烷排放;基于10 nm分辨率的高光谱遥感卫星,检测与量化全国数千家煤矿的甲烷排放量;挖掘不同尺度遥感卫星观测之间的内在联系,开展协同分析。
甲烷 煤矿 排放 TROPOMI卫星 高分五号卫星 methane coal mine emission TROPOMI satellite GF-5 satellite 
光学学报
2023, 43(18): 1899908
作者单位
摘要
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 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东 青岛 266237
大气边界层低空急流是一种重要的边界层物理过程,与污染传输、航空安全、风能开发利用等存在密切联系。相干多普勒测风激光雷达自2020年9月21日至2021年5月8日布设于辽宁葫芦岛市开展风场观测实验,使用激光雷达垂直风场观测资料对该区域大气边界层低空急流展开观测研究,并结合ERA5再分析资料与环境监测站PM2.5质量浓度数据分析。研究时段内,低空急流出现频率为0.11,平均急流风速为13.2 m?s-1,急流风向主要集中在东北向与西南向,急流高度主要在500 m以下,在200~300 m频率最高;低空急流风向在冬季与春季存在明显差异,冬季主要集中在东北向,春季主要集中在西南向。分析表明,该区域边界层低空急流的风向主要受到大尺度天气环流背景以及海岸线走势的影响;在沿海区域,海陆热力性质差异引起的温度梯度会根据不同背景风场为急流形成提供有利或不利条件,进而影响不同风向情况下的急流发生频率。夜间边界层低空急流通过增强近地层大气垂直扩散能力,加速PM2.5质量浓度的降低或削弱其增长速度。
大气光学 多普勒激光雷达 大气边界层 低空急流 PM2.5质量浓度 atmospheric optics Doppler lidar atmospheric boundary layer low-level jet PM2.5 mass concentration 
光学学报
2023, 43(18): 1899909
作者单位
摘要
哈尔滨工业大学航天学院可调谐激光技术国家级重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001
首先,利用有限元分析方法,仿真模拟了石英音叉的应力和表面电荷分布,设计并加工了一种T字头石英音叉。经过实测,此T字头石英音叉的共振频率为8930.93 Hz,Q值为11164,叉指间距为1.73 mm,与目前广泛应用的商用石英音叉相比,T字头石英音叉的共振频率降低了73%,品质因数提高了22%。然后,通过测量水汽对其传感性能进行验证,发现相比于商用石英音叉,基于T字头石英音叉的石英增强光声光谱(QEPAS)系统信噪比提升了60.65%。最后,给出了石英音叉下一步优化的方向。
遥感 石英音叉 石英增强光声光谱 有限元分析 品质因数 信噪比 remote sensing quartz tuning fork quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) finite element analysis quality factor signal-to-noise ratio (SNR) 
光学学报
2023, 43(18): 1899910
作者单位
摘要
1 大连理工大学光电工程与仪器科学学院,辽宁 大连 116024
2 河北工程大学数理科学与工程学院,河北 邯郸 056038
光声光谱技术作为一种超高灵敏度的气体检测技术,声波传感器作为核心部件直接影响着系统的体积和检测极限。传统光声光谱技术使用电容式麦克风作为声波探测单元,但该器件的电学特性易受到高温环境和电磁干扰影响。在全光学光声光谱系统中,利用光学声波传感器对光声信号进行探测,避免了电子探测元件的使用,具有环境适应性强、灵敏度高等优点,且系统中全光学的设计可以极大地减小光声传感单元的体积。综述了基于干涉型光学声波传感器的全光学光声光谱气体传感技术的研究进展,并展望了其未来的发展方向。
光谱学 光声光谱 全光学设计 气体检测 光纤声波传感 spectroscopy photoacoustic spectroscopy all-optical design gas detection fiber-optic acoustic sensing 
光学学报
2023, 43(18): 1899911
王刚 1,2武红鹏 1,2廖洁麟 3魏永峰 3[ ... ]董磊 1,2,*
作者单位
摘要
1 山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室,激光光谱研究所,山西 太原 030006
2 山西大学极端光学协同创新中心,山西 太原 030006
3 山西迪奥普科技有限公司,山西 太原 030006
讨论无人机载污染气体激光监测技术的发展现状以及在我国“天地空”一体化监测体系中的应用价值。无人机载污染气体激光监测平台由无人机平台和机载污染气体激光传感器两部分组成。从无人机平台出发,首先介绍当前无人机平台的类型,阐明不同类型无人机的优势和劣势;然后,介绍适用于无人机装载的几种激光光谱传感技术原理和相关应用,讨论无人机载污染气体激光监测技术在气体监测领域的应用潜能。
激光光谱 激光传感器 无人机 气体监测 laser spectroscopy laser sensors unmanned aerial vehicles gas monitoring 
光学学报
2023, 43(18): 1899912
皮明权 1,2黄一俊 1,2郑传涛 1,2赵焕 1,2[ ... ]王一丁 1,2
作者单位
摘要
1 吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室,吉林 长春 130012
2 吉林省红外气体传感技术工程研究中心,吉林 长春 130012
制备了下包层为氟化镁、芯层为硫系玻璃的梯形光波导甲烷传感器,采用片上波长调制光谱技术,开展了气体检测实验,将仿真结果与实验结果进行了对比,证明了基于波长调制光谱的仿真模型的准确性。狭缝波导是常用的非悬浮波导气体传感器结构,优化了下包层为氟化镁、芯层为硫系玻璃的狭缝波导传感器结构,外限制因子达到了42%。根据实验测试得到的噪声幅值,理论研究了狭缝波导气体传感器和波长调制光谱技术结合的性能,分析了环境压强和工艺误差对狭缝波导气体传感器性能的影响。本工作为基于波长调制光谱的片上气体传感器的设计提供了指导。
光波导 波长调制光谱 片上集成 光波导传感器 气体传感器 optical waveguide wavelength modulation spectroscopy on-chip integration optical waveguide sensor gas sensor 
光学学报
2023, 43(18): 1899913
周昊 1,2赵卫雄 1,2,*吕丙选 1,2崔卫华 1[ ... ]张为俊 1,2
作者单位
摘要
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 中国科学技术大学,安徽 合肥 230036
为了使光谱仪能同时兼顾宽吸收光谱范围和高光谱分辨率两种特性,搭建了一台近红外虚像相位阵列光谱仪,单帧谱宽约为25 nm(140 cm-1),光谱分辨率为4.5 pm(0.024 cm-1),结合改进的旋转光栅结构,实现了1.26~1.50 μm的宽光谱检测。使用超连续光源及光学吸收多通池,在1.43~1.45 μm处,以CO2为例开展了宽带高分辨光谱测量技术研究,使用图像增强算法提高了弱吸收的光谱提取精度,考虑光谱仪的仪器展宽进而提升了气体参数反演准确度。实测光谱与理论光谱的对比结果验证了系统测量的准确性与可靠性。
虚像相位阵列光谱仪 宽带吸收光谱 高分辨率 CO2探测 virtually imaged phased array spectrometer broadband absorption spectroscopy high resolution CO2 detection 
光学学报
2023, 43(18): 1899914
作者单位
摘要
清华大学深圳国际研究生院,广东 深圳 518055
从技术上获取悬浮粒子与光相互作用的指标体系,从理论上模拟悬浮粒子与光相互作用的过程和机制,进而借助光散射技术对悬浮粒子的微物理属性进行定性定量的识别、区分和反演,是相关领域研究者的关注焦点。光学测量中的偏振散射分析,不仅能实现原有粒子散射过程的检测,还能借助偏振矢量分析有效扩展实验数据的信息维度,从而为不同粒子类别和属性差异的细化识别提供可能。本文针对悬浮粒子的测量与分析问题,从测量技术、计算理论、实测数据分析几个方面对光散射相关进展进行了综述,并重点关注了基于粒子散射偏振分析提取的悬浮粒子研究进展。
悬浮粒子 偏振测量 散射特性 suspended particles polarization measurement scattering characteristic 
光学学报
2023, 43(18): 1899915
张鹏 1,*戴辉 1何爽 1范云龙 1[ ... ]佟首峰 1
作者单位
摘要
1 长春理工大学光电工程学院,吉林 长春 130022
2 吉林大学通信工程学院,吉林 长春 130012
因斯-高斯(IG)光束在复杂信道传输中具有较好的抗干扰能力。为此设计并搭建了基于模拟海洋湍流信道的激光通信实验平台,详细研究IG光束在海洋湍流信道下光束信号的传输及通信特性。首先实验对比研究了不同海洋湍流强度条件下,IG光束和高斯光束传输后的光强闪烁指数、质心漂移和探测器接收功率情况;其次通过调制0.5~3 MHz频率的方波信号,进一步研究两种光束传输后调制信号波形失真特性;最后进行IG光束和高斯光束的7.5 Mbit/s通信性能对比实验。实验结果表明:IG光束的闪烁指数、质心漂移、功率抖动均优于高斯光束,且随着海洋湍流强度增加,IG光束闪烁指数和质心漂移改善能力增强,功率抖动改善能力降低。在不同模拟海洋湍流中,相同频率的IG光束调制方波波形失真度整体低于高斯光束。在误码率为3.8✕10-3(前向纠错阈值)时,IG光束在不同注水高度信道、不同温度信道和不同盐度信道中的通信性能比高斯光束分别提高了0.8 dB、4 dB和2.5 dB。该实验结果可以为IG光束应用于水下激光通信提供参考。
因斯-高斯光束 海洋湍流 闪烁指数 质心漂移 功率抖动 波形失真度 Ince-Gaussian beams ocean turbulence scintillation index centroid drift power jitter waveform distortion 
光学学报
2023, 43(18): 1899916
作者单位
摘要
南京航空航天大学空间光电探测与感知工业和信息化部重点实验室,江苏 南京 210016
针对高精度遥感应用中含云大气波段辐射传输计算成本较高的问题,提出单次散射参量极大相关k分布优选算法(SSP-MCKD)。通过分析不同环境条件下含云大气消光系数、单次反照率和不对称因子等参量在光谱分布上的相关性,将CKD理论从单一吸收系数扩展至多种光谱参量。根据对单次散射源函数的影响程度,优选各条谱线的极大相关光谱参量并进行分组重排,在组间和组内求解平均等效参量和求积权重。实验结果表明:与Δlogk算法和云层属性参数化的相关k分布算法相比,SSP-MCKD适用于吸收、半吸收和透过等各类波段,收敛速度最快;在不同高度云层场景中,辐射亮度平均误差低于2%;在不同类型云层场景中,辐射亮度平均误差低于6%。SSP-MCKD在适用性、稳定性及计算精度方面均具有明显优势。
遥感 含云大气 波段辐射传输 相关k分布 单次散射源函数 极大相关参量 remote sensing cloudy atmosphere band radiative transfer correlated k-distribution single-scattering source function maximum correlated parameter 
光学学报
2023, 43(18): 1801001
杨玉峰 1,2,**宋宁宁 1,*韩香 1,***
作者单位
摘要
1 西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西 西安 710048
2 西安理工大学陕西省智能协同网络军民共建重点实验室,陕西 西安 710000
提高星光大气折射模型精度对于改善天文导航系统的精确性具有重要意义。本文针对目前常用的美国标准大气(USSA)和COSPAR国际参考大气(CIRA)参考模式精度较低的问题,利用高分辨率的美国国家环境预报中心(NCEP)大气参数数据结合傅里叶插值算法建立了大气参数时空变化模型,根据不同高度、不同经纬度的大气折射率,计算了星光在大气中的传播路径,并建立了星光大气折射模型。与现有模型对比分析表明,本文建立的大气温度时空变化模型拟合实测数据时的相对误差小于2%,平均绝对误差小于3.5 K,大气密度拟合的相对误差小于4.39%,1月低纬、中纬和高纬的折射时空模型与传统单点模型之间的相对误差分别为37.64%、9.79%和28.78%,7月低纬、中纬和高纬的折射时空模型与传统单点模型之间的相对误差分别为27.95%、26.89%和39.10%,因此考虑了时空变化的星光大气折射模型理论精度更高。
大气与海洋光学 美国国家环境预报中心大气参数数据 傅里叶插值 时空变化折射模型 atmospheric and ocean optics the National Centers for Environmental Prediction atmospheric parameter data Fourier interpolation spatiotemporally varying refraction model 
光学学报
2023, 43(18): 1801002
耿丹 1,*朱文越 2,3彭进先 1罗金鹏 1[ ... ]刘强 2,3,**
作者单位
摘要
1 63611部队,新疆 库尔勒 841000
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大气光学重点实验室,安徽 合肥 230031
3 先进激光技术安徽省实验室,安徽 合肥 230037
综合利用微波辐射计、风廓线雷达、自动气象站、温度脉动仪及历史探空资料等多源测量数据可实时估算整层大气光学湍流。本文通过构建实时大气参数廓线,计算边界层高度,在边界层和自由大气层分别采用指数递减模式和Dewan外尺度模式估算大气折射率结构常数(Cn2)廓线,拼接后积分实现了大气相干长度(r0)的实时估算,并与相干长度仪实测r0进行了对比。通过误差分析可知,r0的模式估算值与实测值在大气层结不稳定状态均方根误差最小,相关性较好,在稳定和近中性状态均方根误差较大,相关性较差,尤其在近中性状态均方根误差最大。研究结果表明,利用多源大气测量数据,采用分层估算的方法实时估算整层大气光学湍流是可行的,具有一定的工程应用价值。
大气与海洋光学 大气湍流 多源测量数据 大气湍流模式 折射率结构常数 大气相干长度 atmospheric and ocean optics atmospheric turbulence multi-source measurement data atmospheric turbulence model refractive index structure constant atmospheric coherence length 
光学学报
2023, 43(18): 1801003
作者单位
摘要
1 兰州理工大学计算机与通信学院,甘肃 兰州 730050
2 西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西 西安 710048
针对现有光无线正交频分复用(OFDM)索引调制均需接收端已知信道状态信息的问题,通过构建满足差分运算的时频弥散矩阵进行索引映射,提出了一种差分索引移位键控光OFDM方案。推导出了该方案在最大似然准则下的平均误码率上界,并与子载波索引移位键控直流偏置光OFDM(SISK-DCO-OFDM)系统进行了性能对比。其次,依据差分信号的特点,构造了一种适用于机器学习的差分信号特征向量,并结合径向基神经网络提出了一种多分类检测器,有效降低了译码复杂度。结果表明,所提差分索引方案有效避免了复杂的信道估计,同时在高信噪比下获得了近似SISK-DCO-OFDM的误码性能。所提检测器取得了近似差分最大似然检测算法的误码性能,而且复杂度大大降低,例如当子载波块长度为2和4时,所提检测器的复杂度分别降低了16.67%和70%。
光通信 光OFDM 差分索引移位键控 信道状态信息 机器学习 optical communication optical OFDM differential index shift keying channel status information machine learning 
光学学报
2023, 43(18): 1801004
作者单位
摘要
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
随着水下无线通信的发展,关于海洋环境量子通信的研究也逐渐成为热点。其中,研究海洋气泡对光量子在水下传输的影响具有重要意义。为了研究海洋气泡对水下量子通信信道性能的影响,根据海洋气泡的粒径分布模型,研究了气泡的散射特性,并根据气泡的消光系数,分析了不同条件参数对链路衰减、纠缠度、信道容量以及信道误码率的影响,并进行了仿真实验。结果表明:气泡浓度和传输距离的增大,使链路衰减和误码率增加,对于幅值阻尼信道、退极化信道和比特翻转信道,其信道容量均有所减小;随着气泡半径的增大、深度的减小,信道纠缠度降低。由此可见,海洋气泡对量子通信性能的影响不可忽略,在实际应用中为了保障水下量子通信的传输效率,应适当调节水下量子通信相关参数,减小海洋气泡环境对通信系统的影响。
海洋气泡 水下量子通信 链路衰减 信道纠缠度 信道容量 marine bubbles underwater quantum communication link attenuation channel entanglement channel capacity 
光学学报
2023, 43(18): 1806001
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072
2 天津大学海洋科学与技术学院,天津 300072
水体中悬浮粒子对光的散射导致浑浊水下成像质量下降。偏振光学成像技术可基于偏振信息分离散射光和信号光,是浑浊水下成像的有效方法。然而,现有的水下偏振成像技术主要从空域分离散射光和信号光,对于散射光的抑制效果较为有限。利用散射光和信号光在频域的差异性,基于对偏振图像频谱信息的处理实现了对后向散射光的有效抑制,从而实现了成像清晰度的显著提升。在不同浑浊程度水体环境下对于不同物体开展了多组实验,实验结果表明,所提方法相对于传统的水下偏振成像方法可更好地抑制后向散射光和凸显物体信号光,最终实现在浑浊水体环境下的清晰成像,尤其对于高浑浊水体,成像清晰度提升效果明显。
偏振成像 水下成像 频谱 后向散射光 polarimetric imaging underwater imaging spectrum backscattered light 
光学学报
2023, 43(18): 1811001
作者单位
摘要
1 信息工程大学地理空间信息学院,河南 郑州 450001
2 军事科学院系统科学研究院,北京 100044
空间分辨率是衡量遥感载荷光学成像性能的重要指标。传统二维扇形靶标影像难以直接用于载荷空间分辨率检测,精度受限于载荷构像模型以及影像校正处理方法。本文结合圆球球面数学模型,设计了扇形与网格混合的球面靶标,提出了一种直接在球面靶标影像上进行光学成像载荷空间分辨率检测方法。该方法针对球面同心圆移动椭圆成像以及偏心率局部一致特点,沿球面同心圆圆心直线方向进行多尺度椭圆拟合,并通过多尺度拟合椭圆长半轴的相对比例关系来精确计算遥感载荷空间分辨率,达到直接基于球面靶标中心投影影像进行载荷空间分辨率检测的效果。采用仿真球面靶标进行检测方法准确性验证,实验结果表明,本文方法具有优于传统检测方法的检测精度。进一步采用中国(嵩山)卫星遥感定标场中布设的实体球面靶标,开展了光学成像载荷空间分辨率检测实验,验证了本文方法的空间分辨率直接检测能力和检测结果有效性。
扇形靶标 球面靶标 光学成像载荷 空间分辨率 fan-shaped target spherical target optical imaging load spatial resolution 
光学学报
2023, 43(18): 1812001
黄朋 1,2殷高方 1,2,3,*赵南京 1,2,3,4甘婷婷 2,3[ ... ]张小玲 2,4
作者单位
摘要
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
3 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026
4 安徽大学物质科学与信息技术研究院,安徽 合肥 230601
浮游藻类密度监测对水质状况诊断及藻华灾害预警具有重要意义。因此,提出一种基于微流控-显微荧光技术的浮游藻细胞密度检测方法。该方法基于微流控技术实现样品快速定量进样,利用共聚焦显微荧光结构实现藻细胞特征荧光信号的高信噪比采集,并通过分析荧光峰信息实现浮游藻细胞计数。以杜氏盐藻、色球藻、隐藻和赤潮藻为测试对象的结果表明:在1.3×106 L-1密度范围内测量相对误差均小于3.96%,且准确率不受悬浮物、藻细胞种类以及尺寸的影响;在10%允许误差下,藻类密度检测上限可提升至5×106 L-1,完全能够满足自然水体浮游藻细胞密度检测需求,为水体藻细胞密度快速准确检测提供了新途径。
浮游藻类 显微荧光 微流控 藻细胞计数 planktonic algae microfluorescence microfluidics algal cell count 
光学学报
2023, 43(18): 1812002
刘梁晨 1,2,3杨瑞芳 2,3,*赵南京 2,3石高勇 1,2,3[ ... ]刘文清 2,3
作者单位
摘要
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230026
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
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室,安徽 合肥 230031
4 合肥学院生物食品与环境学院,安徽 合肥 230601
土壤作为多环芳烃类有机污染物的主要环境归宿,使用传统色谱和荧光光谱分析方法对残留在其中的多环芳烃进行检测常存在局限性,难以满足动态快速监测土壤污染状况的实际需求。为了实现对土壤多环芳烃的快速检测,设计搭建255 nm紫外LED诱导荧光光谱检测系统,以?、荧蒽、菲和芘4种多环芳烃为研究对象,探讨了不同土壤类型中多环芳烃的LED诱导荧光特性,验证了LED诱导荧光快速检测方法应用于土壤多环芳烃污染物检测的可行性。实验结果表明,在一定的浓度范围内,标准黄土、高岭土中多环芳烃在特征荧光峰处的荧光强度与浓度均呈现出良好的线性相关性(R2>0.98)。在对受多环芳烃污染的实际土样进行检测时,通过建立定点波长浓度反演模型来实现对多环芳烃浓度的定量分析,测试集浓度预测的相对误差基本在理想范围内,对不同多环芳烃土样的平均相对误差最大不超过15.5%。
土壤 多环芳烃 诱导荧光光谱 紫外发光二极管 定量检测 soil polycyclic aromatic hydrocarbons induced fluorescence spectrum ultraviolet light emitting diode quantitative detection 
光学学报
2023, 43(18): 1812003
作者单位
摘要
华中光电技术研究所智能光电与数字制造实验室,湖北 武汉 430223
针对离散式光学系统光轴指向误差标校需求,研究了一种基于测星法的光轴指向误差数字化标校技术。以某型离散式光学系统为例,采用四元数数学方法推导了含有光机结构加工装配误差以及传感器测量误差在内共计11个系统误差参量的地理系光轴指向模型。将指向模型中包含误差参数的三角函数项泰勒级数展开并作一阶近似处理将方程线性化。通过最小二乘原理获得了光路中系统误差解算模型。基于天文导航基本原理建立了以星体为目标的标校基准。通过实验测试完成了光轴指向误差数字化标校技术原理验证。分析表明:通过测星法光轴指向误差数字化标校能够大幅提高离散式光学系统光轴指向精度。本文研究方法和结论可以为离散式光学系统光轴指向误差标校提供参考。
离散式光学系统 指向误差 数字化标校 测星法 四元数 discrete optical system pointing error digital correction star measurement quaternion 
光学学报
2023, 43(18): 1812004
潘雨薇 1,2陈斐楠 1骆冬根 1,*孙亮 1[ ... ]洪津 1
作者单位
摘要
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 on-orbit radiation calibration snow and ice scenes radiative transfer surface bidirectional reflectance distribution function model 
光学学报
2023, 43(18): 1812005
郭宝泽 1,2,3,4石恩涛 1,2,3,*王咏梅 1,2,3,4武志昆 1,2,3,4
作者单位
摘要
1 中国科学院国家空间科学中心环境探测室,北京 100190
2 天基环境探测北京重点实验室,北京 100190
3 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室,北京 100190
4 中国科学院大学,北京 100190
对星载仪器的回传数据进行分析,发现空间场景不均匀现象会造成光谱响应函数(ISRF)的“漂移”,从而影响探测数据精度。提出通过光学元件平衡了ISRF“漂移”的问题——狭缝匀光器。概述了光线在狭缝匀光器中的传播过程,建立了合理的光学模型,利用近场衍射原理解释其传播过程并分析了狭缝匀光器的光学特性。整个狭缝模型由数学软件和光学软件进行仿真模拟及数理分析,得到狭缝匀光器匀光效果的具象表示。通过光学模型表示了入瞳场景与狭缝匀光器匀光效果之间关联,研究不同入瞳场景中痕量气体排放点位置和覆盖面积的不同对狭缝匀光器提升探测精度的影响,量化了不同入瞳场景下光谱仪系统ISRF的变化,并提出一种提高探测精度的方法。
成像光谱仪 光学仿真 狭缝匀光器 傅里叶光学 imaging spectrometer optical simulation slit homogenizer Fourier optics 
光学学报
2023, 43(18): 1812006
李仕春 1,2,*任腾 1张鹏辉 1高迎春 1[ ... ]高飞 1,2
作者单位
摘要
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西 西安 710048
2 陕西省现代装备绿色制造协同创新中心,陕西 西安 710048
激光雷达近场信号的重叠因子校正和盲区问题一直制约着激光雷达的实用化进程,在假设水平大气均匀的情况下,提出了Mie散射激光雷达的近场信号垂直扫描校正方法和多角度反演算法,实现了大气状态自适应控制遥感。从散射型激光雷达方程出发,构建了激光雷达近场的重叠因子和盲区的模型,结合研制的二维扫描激光雷达参数,仿真分析了重叠因子和盲区的特征。利用Fernald气溶胶反演算法,提出了基于信噪比的多仰角扫描控制与校正方案,以实现不同大气状态的自适应扫描控制。融合多角度扫描遥感数据,并以水平探测的Collis法反演的结果作为地面消光系数,获得了大气气溶胶消光系数无盲区廓线,验证了方案的有效性。数据分析结果表明,在静稳天气时水平能见度优于18 km的情况下,以信噪比20为阈值,通过7个仰角约15 min观测,可实现激光雷达重叠因子的自适应校正,获得的重叠因子校正曲线与水平校正法的平均相对偏差约20%,两组扫描校正的重叠因子的平均相对误差为4.2%,可实现大气气溶胶的无盲区反演。
传感器 激光雷达 近场信号校正 大气消光系数 垂直扫描 sensors lidar near-field signal correction atmospheric extinction coefficient vertical scanning 
光学学报
2023, 43(18): 1828001
刘一凡 1,2,3胡以华 1,2,3,*徐世龙 1,2,3,**王一程 1,2,3[ ... ]张鑫源 1,2,3,***
作者单位
摘要
1 国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室,安徽 合肥 230037
2 国防科技大学先进激光技术安徽省实验室,安徽 合肥 230037
3 国防科技大学电子制约技术安徽省重点实验室,安徽 合肥 230037
激光反射层析成像技术作为一种新型远距离、高精度的空间目标探测方法,在信噪比足够时具有成像分辨率与探测距离、接收口径相对无关的优势,在远距离空间探测领域的应用前景非常广阔,使得作为激光反射层析成像核心的成像优化方法更是成为了众多研究者关注的焦点。本文提出了一种基于波形分解方法的激光反射层析成像优化方法,该方法旨在通过波形分解方法抑制激光反射层析成像重构图像中的伪影和噪声,实现对激光反射层析成像结果的优化。实验结果表明,在使用同一组投影数据的情况下,优化前后的峰值信噪比分别为16.5和17.8,基于波形分解的激光反射层析成像优化方法能够有效提升重构图像的质量,并能够较好地消除重构图像中绝大部分环状伪影和噪声所带来的影响。
遥感与传感器 反射层析 激光雷达 波形分解 图像优化 remote sensing and sensors reflective tomography lidar waveform decomposition image optimization 
光学学报
2023, 43(18): 1828002
张北 1,2胡秀清 1,2,*周为伟 3王玲 1,2[ ... ]张鹏 1,2
作者单位
摘要
1 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室,国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心),北京 100081
2 许健民气象卫星创新中心,北京 100081
3 河南理工大学测绘与国土信息学院,河南 454003
风云三号D星(FY-3D)中分辨率光谱成像仪II型(MERSI-II)已在轨运行超过5年,经定量应用反演发现部分通道辐射响应性能出现明显退化。本研究采用深对流云(DCC)目标对MERSI-II大部分反射太阳波段辐射响应变化进行趋势评估,为提高该方法的稳定性,对基础DCC定标方法进行了优化。首先,比较了当前两种DCC双向反射分布函数(BRDF)模型的校正效果,采用月度反射率概率密度函数(PDF)众数和均值分别对反射率长时间序列稳定性进行分析。结果表明:对可见光和近红外波段使用CERES厚冰云BRDF模型校正的反射率PDF众数较优;短波红外波段反射率PDF均值较优,但对于两种BRDF模型均不敏感。其次,针对BRDF模型在短波红外波段无明显校正效果的问题,提出了一种基于反射率拟合残差和滑动平均值的去季节性方法。该方法显著改善了2018—2022年短波红外波段月度DCC反射率序列的相对标准差和波动性,分别降低了约22.2%和53%。这种去季节性方法为其他卫星光学传感器基于DCC目标的辐射定标研究提供了参考。最后,使用上述方法对MERSI-II的11个反射太阳波段辐射响应进行定量评估,发现蓝光通道和全部短波红外通道出现显著衰减,该评估结果将作为FY-3D/MERSI-II业务定标更新的重要参考依据。
遥感和传感器 辐射定标 深对流云 双向反射分布函数 中分辨率光谱成像仪 remote sensing and sensors radiometric calibration deep convective cloud bidirectional reflection distribution function medium resolution spectral imager 
光学学报
2023, 43(18): 1828003
作者单位
摘要
1 鲁东大学交通学院,山东 烟台 264025
2 山东德衡人力资源股份有限公司,山东 烟台 264025
偏振蒙特卡罗法在模拟大量光子传输时不存在由有限离散引起的计算误差,因而通常作为验证其他方法计算精度的标准。通常情况下,偏振保持特性良好的光子的信息损耗少且传输距离远,分析这些光子的传输特性对于提取优良信号具有潜在的应用价值。为此,基于偏振子午面蒙特卡罗法,提出一种散射环境中前向传输光子偏振态的统计方法。模拟计算偏振光在聚苯乙烯悬浊液中的传输特性,结果表明,优化算法不仅能够反映光子偏振态的变化情况,而且能够统计偏振保持特性良好的光子数占比。
散射 偏振 多重散射 传输 计算光学 scattering polarization multiple scattering transmission optics in computing 
光学学报
2023, 43(18): 1829001
作者单位
摘要
1 浙江大学海洋学院,浙江 舟山 316021
2 自然资源部第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室,浙江 杭州 310012
针对国内尚没有大角度范围的水体颗粒偏振体散射函数测量仪的问题,基于潜望镜式光路结构与旋转偏振探测器的探测方式,建立了水体颗粒偏振体散射特性测量系统,验证了采用半衰片胶合方式的出射棱镜对大角度偏振体散射特性测量的适用性,实现了10°~170°范围内3×3水体颗粒散射穆勒矩阵的测量。对系统开展了角度、幅值及偏振标定,根据系统结构和水下传输原理进行了散射光程归一化和水下衰减矫正。实验结果表明,3 μm直径聚苯乙烯标准颗粒测量结果与理论计算值吻合良好,证明了该套系统的可靠性。同时在千岛湖自然水体对该套系统进行了测试验证,获得的水体颗粒物10°~170°范围内3×3水体颗粒散射穆勒矩阵测量结果表明偏振体散射特性能够提供更丰富的颗粒特性信息。
水体颗粒 偏振 穆勒矩阵 体散射函数 particles in water polarization Mueller matrix volume scattering function 
光学学报
2023, 43(18): 1829002

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