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光谱学与光谱分析 2025年第1期45卷 170-178页

作者：叶松胡双寒熊伟李树王新强王方原汪杰君桂林电子科技大学光电工程学院广西桂林541004 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 广西光电信息处理重点实验室广西桂林541004

临近空间大气温度场的研究具有重要的科学意义,根据全时相大气温度示踪物辐射机制与分布特征研究表明,氧气作为大气的主要成分之一,广泛分布于临近空间且辐射强度明显,所以氧气探测是研究临近空间温度变化的重要基础。临近空间氧气探测... 详细信息

临近空间大气温度场的研究具有重要的科学意义,根据全时相大气温度示踪物辐射机制与分布特征研究表明,氧气作为大气的主要成分之一,广泛分布于临近空间且辐射强度明显,所以氧气探测是研究临近空间温度变化的重要基础。临近空间氧气探测主要是依据太阳辐射的短波红外部分被大气层氧气分子吸收得到的吸收谱线,该谱线携带着氧气含量等重要信息。利用探测器得到的氧气光谱进行高精度反演可以得到温度等信息。探测过程中的太阳天顶角、方位角、临边切高及气溶胶参数等因素对氧气影响不同,基于SCIATRAN模型分析氧气对不同参数的敏感性。通过对探测方式和环境因素引起的辐射亮度变化来分析计算氧气对其敏感性。结果表明:氧气的辐射亮度在天顶角为60°以下是随天顶角增大而增大的,但在超过60°后变化随之相反,一天内的太阳天顶角对于氧气的辐射亮度影响不超过0.01 W/m^(2)/nm/sr,且差值不超过7%;氧气辐亮度随方位角增大而减小;氧气辐射亮度随切线高增加而减小,且减小幅度逐渐下降;气溶胶类型对氧气辐射亮度的影响差值比例在10%以内;气溶胶季节对氧气辐射亮度影响是春夏季节要大于秋冬季节;不同气溶胶类型下的气溶胶光学厚度倍数对氧气辐射亮度影响的差值比例均在30%以内,且农村与海洋型气溶胶下光学厚度倍数与辐射亮度成正比,城市型气溶胶下与之相反。仿真数据的结果与实测数据结果对比分析验证了SCIATRAN模型仿真数据的有效性和可行性。该研究为临近空间的氧气探测提供了科学依据,为临近空间的反演等相关研究领域提供参考。

关键词：临近空间氧气辐射传输敏感性

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基于机场目标的光学遥感影像MTF在轨检测方法

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激光与光电子学进展 2024年第22期61卷 310-324页

作者：王海宇刘晓杜丽丽孙晓兵周志远中国科学技术大学物理学院安徽合肥230026 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 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 中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室安徽合肥230026

传统调制传递函数(MTF)检测方法不仅依赖于人工靶标或典型地物目标,还受大气干扰较多,检测周期较长。在传统方法基础上,提出了一种基于机场目标的MTF在轨检测方法,分析了检测过程中的大气干扰特性并建立MTF补偿模型。采用分布在全球多... 详细信息

传统调制传递函数(MTF)检测方法不仅依赖于人工靶标或典型地物目标,还受大气干扰较多,检测周期较长。在传统方法基础上,提出了一种基于机场目标的MTF在轨检测方法,分析了检测过程中的大气干扰特性并建立MTF补偿模型。采用分布在全球多地的大中型机场作为检测目标,探讨了快速MTF在轨检测的可行性,并利用全球9座机场共12组数据开展了在轨MTF快速检测验证试验,以560 nm波段为例,与官方MTF检测结果平均偏差0.017。在气溶胶光学厚度较薄的条件下,以Sentinel-2卫星多光谱影像作为测试对象,对4座机场开展了机场目标MTF在轨检测可行性和快速MTF在轨检测方法验证实验,与官方的Sentinel-2卫星MTF检测结果进行比对,二者的平均绝对偏差小于0.04。该方法可在短期内实现对MTF指标的高频次检测,消除单次检测结果的偶然性,提高检测结果可靠性和稳定性。

关键词：光学遥感在轨检测调制传递函数机场目标

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基于神经网络反演中国南海海域透明卷云参数

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光学学报 2024年第6期44卷 24-33页

作者：陆文强杨世植罗涛李学彬崔生成程晨韩露石建军韩叶颜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 中国科学技术大学研究生院科学岛分院安徽合肥230026 先进激光技术安徽省实验室安徽合肥230037 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基础科学研究中心安徽合肥230031 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通用光学定标与表征技术重点实验室安徽合肥230031

基于中分辨率成像光谱仪/云和气溶胶探测激光雷达(MODIS/CALIOP)的匹配数据集,提出一个分类神经网络进行透明卷云的识别,利用两个回归神经网络对透明卷云的光学厚度和云顶高度进行反演。结果表明,分类网络的精确度可达到84%,检测率达到... 详细信息

基于中分辨率成像光谱仪/云和气溶胶探测激光雷达(MODIS/CALIOP)的匹配数据集,提出一个分类神经网络进行透明卷云的识别,利用两个回归神经网络对透明卷云的光学厚度和云顶高度进行反演。结果表明,分类网络的精确度可达到84%,检测率达到79%。对成功识别的透明卷云参数进行了反演,得到透明卷云光学厚度的平均绝对误差为0.2,均方根误差为0.25,相关系数为0.79。对云顶高度进行了反演,得到云顶高度的平均绝对误差为0.61 km,均方根误差为0.74 km,相关系数达到0.87。本研究利用MODIS/CALIOP匹配数据集以及神经网络算法,可得到透明卷云的分布以及其参数特性,为其在南海海域上空的分布情况提供了数据支撑,有助于相关研究人员了解该地区透明卷云的分布情况,提高辐射计算的精度。

关键词：大气光学透明卷云中分辨率成像光谱仪云和气溶胶探测激光雷达神经网络中国南海海域

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基于GF-5卫星遥感数据的大气CO_(2)快速反演方法

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光学学报 2024年第18期44卷 273-282页

作者：孙志强王先华叶函函李超安源孙二昌吴时超施海亮安徽大学物质科学与信息技术研究院安徽合肥230601 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通用光学定标与表征技术重点实验室安徽合肥230031 中国科学技术大学安徽合肥230026

以高分五号卫星(GF-5)搭载的大气温室气体监测仪(GMI)的观测数据为研究对象,设计一种大气CO_(2)快速反演算法,在物理反演算法框架基础上,利用逐线积分法构建适用GMI的气体吸收截面查找表,加速气体吸收光学厚度计算,并通过构建气溶胶光... 详细信息

以高分五号卫星(GF-5)搭载的大气温室气体监测仪(GMI)的观测数据为研究对象,设计一种大气CO_(2)快速反演算法,在物理反演算法框架基础上,利用逐线积分法构建适用GMI的气体吸收截面查找表,加速气体吸收光学厚度计算,并通过构建气溶胶光学厚度参数查找表,拟合计算气溶胶光学厚度廓线,从而实现大气CO_(2)快速反演。在此基础上,利用两年的GMI数据验证所提反演算法,并与全球总碳柱观测网(TCCON)站点观测结果进行对比。结果表明,所提出的加速算法与原始算法反演所得的大气CO_(2)柱浓度之间的平均绝对误差为0.75×10^(-6),相关性达到85.5%,与TCCON站点之间平均绝对误差为3.01×10^(-6),满足1%的反演精度要求,在计算效率上,加速算法减少80%以上的计算时间。

关键词：大气光学高分五号卫星气体检测仪 XCO_(2) 快速反演算法气体吸收截面气溶胶光学厚度查找表

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圆形渐变滤光片光谱辐射计辐射定标

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光学学报 2023年第23期43卷 107-117页

作者：向昆竹施海亮孙熊伟朱锋王先华叶函函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 中国科学技术大学安徽合肥230026 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

基于分区线性法对圆形渐变滤光片型光谱辐射计开展辐射定标研究,以解决温度范围大、工作波段宽的测量目标对该类型光谱辐射计造成的非线性问题。所提光谱辐射计的主要技术原理是将待测目标的温度区间分为多个子区间,采集目标温度区间内... 详细信息

基于分区线性法对圆形渐变滤光片型光谱辐射计开展辐射定标研究,以解决温度范围大、工作波段宽的测量目标对该类型光谱辐射计造成的非线性问题。所提光谱辐射计的主要技术原理是将待测目标的温度区间分为多个子区间,采集目标温度区间内多个不同温度黑体对应的测量光谱,并计算各个温度下的响应度函数。在进行红外光谱测量时,将目标光谱与区间内记录的不同温度点光谱进行比对,从而确定待测目标所属温度子区间的上下限。根据子区间计算的响应度函数,通过线性插值求得待测目标的响应度函数并进行辐射定标。基于该方法的实验结果表明,待测目标理论辐亮度与使用分区线性法进行辐射定标得到的辐亮度在波长范围内的平均偏差小于1%。通过定标结果反演测量黑体的等效温度,等效温度误差小于2%。

关键词：测量红外光谱辐射计圆形渐变滤光片辐射定标黑体分区线性标定法

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近红外波长处金星(盘)线偏振度的敏感性分析

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物理学报 2025年第9期74卷 133-147页

作者：李宜奇孙晓兵郑小兵黄红莲刘晓提汝芳韦祎晨王宇轩中国科学技术大学环境科学与光电技术学院合肥230026 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合肥230031 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室合肥230031

通过对金星大气中云和霾进行详细的分层建模和辐射传输模拟,并结合金星快车SPICAV IR仪器的近红外观测数据,探讨了云和霾粒子的微物理性质及其对金星(盘)线偏振度的影响.结果表明,不同模式粒子的单次散射和线偏振特性在相位角和波长上... 详细信息

通过对金星大气中云和霾进行详细的分层建模和辐射传输模拟,并结合金星快车SPICAV IR仪器的近红外观测数据,探讨了云和霾粒子的微物理性质及其对金星(盘)线偏振度的影响.结果表明,不同模式粒子的单次散射和线偏振特性在相位角和波长上呈现显著变化,上层霾和云粒子(Mode 1和Mode 2)的微物理性质对金星的线偏振度影响尤为显著.Mode 1粒子的柱密度减小或模态半径增大均会使线偏振峰值增大,而线偏振度对Mode 2粒子柱密度的变化与Mode 1趋势相反.复折射率实部的变化对偏振特性影响显著,而虚部影响较小.此外,线偏振度在金星盘上随波长、相位角及位置(中心与边缘)变化明显,盘积分的线偏振特性对粒子微物理性质和大气水平不均匀性(如云量分布)高度敏感,且光环现象清晰可见.多层模型的模拟结果与SPICAV IR中低纬数据拟合较好,这种详细分层建模为揭示金星大气中云和霾的微物理特性及其辐射传输特性提供了重要依据.

关键词：金星云和霾线偏振敏感性分析微物理特性

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纤维素拉曼光谱的单体仿真方法研究

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光谱学与光谱分析 2024年第1期44卷 164-168页

作者：王新强储佩珠熊伟叶松甘永莹张文涛李树王方原桂林电子科技大学光电工程学院广西桂林541004 中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031 广西光电信息处理重点实验室广西桂林541004 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

纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖,是世界上最丰富、最便宜、最容易获得的天然聚合物。纤维素作为最古老最丰富的天然高分子在研究中备受关注,纤维素的可控性取决于其分子量、大小和结构,而拉曼光谱具有“指纹特性”,可以对不同的纤维... 详细信息

纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖,是世界上最丰富、最便宜、最容易获得的天然聚合物。纤维素作为最古老最丰富的天然高分子在研究中备受关注,纤维素的可控性取决于其分子量、大小和结构,而拉曼光谱具有“指纹特性”,可以对不同的纤维素纤维进行鉴别,也能对历史老化的纺织纤维材料进行鉴别。然而纤维素作为大分子多糖对其做理论仿真较为困难,该研究提出采用基本单元模拟大分子光谱这一方案,使用纤维素单体仿真拉曼光谱来分析纤维素大分子的光谱性质。使用Gaussian 16软件基于密度泛函理论,在B3LYP/6-31g(d, p)的基组条件下,计算了不同外电场(-0.01-0.03 a.u.)下的纤维素单体的拉曼光谱,以及纤维素双链节的拉曼光谱。研究表明,在无外电场作用下,纤维素单体的拉曼光谱主要在449、 597、 842、 1 127、 1 361、 1 395和3 005 cm^(-1)处有特征峰,对其做振动分析,结果表明这些拉曼峰分别是由环(C6—C4—O20)伸缩振动、 C—C—H扭曲振动、环(C4—O20—C2)伸缩振动、糖苷键(C2—O1—C8)的伸缩振动、 CH_(2)的弯曲振动、 CH_(2)的弯曲振动、 CH_(2)的伸缩振动产生。通过与实验值比较,纤维素单体仿真拉曼光谱与天然纤维素的实测拉曼光谱相吻合,故可通过对纤维素单体的第一性原理计算来反映纤维素大分子的拉曼光谱特性。当外电场由负方向变为正方向且逐渐增大时,597 cm^(-1)对应的环C—C—H扭曲振动的振幅无明显变化,以无电场为基准,施加外电场时,振动能量减小光谱红移;1 127 cm^(-1)对应的糖苷键(C2—O1—C8)的伸缩振动振幅明显减小,光谱呈蓝移;CH_(2)的弯曲振动在1 395 cm^(-1)处的特征峰光谱呈蓝移,在1 361 cm^(-1)处产生的光谱先蓝移再红移又再次蓝移,推测是弯曲振动区域更容易受到骨架振动和环境变化的影响。对比纤维素单体与双链节拉曼光谱的差异,除单体明显的特征峰外,双链节分子的在1 041和151 cm^(-1)处有明显的特征峰,其分别为仲醇C—O伸缩振动,C—O—H弯曲振动所产生,可对纤维素单体的拉曼光谱进行补充说明。这些结论为研究纤维素在外电场作用下的光谱提供理论依据,同时为其他大分子聚合物的拉曼光谱研究分析提供一种新的方法。

关键词：纤维素电场拉曼光谱

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空间振幅调制光谱偏振测量技术信息提取研究

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光学学报 2023年第12期43卷 174-183页

作者：冀海月李双向光峰骆冬根韩琳汪军洪津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 中国科学技术大学安徽合肥230026 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

基于空间振幅调制的偏振测量技术,通过由复合光楔和检偏器组成的偏振调制模块将入射光偏振信息调制到空间维,再结合色散模块能够在单次测量中同时获取目标的偏振信息和光谱信息。首先,介绍了系统测量原理,推导出系统调制和解调方程。然... 详细信息

基于空间振幅调制的偏振测量技术,通过由复合光楔和检偏器组成的偏振调制模块将入射光偏振信息调制到空间维,再结合色散模块能够在单次测量中同时获取目标的偏振信息和光谱信息。首先,介绍了系统测量原理,推导出系统调制和解调方程。然后,通过对解调方程的分析,证明了系统具有区分不同偏振态入射光的能力,评估了检偏角对测量结果的不确定度和系统调制效率的影响。最后,给出了系统空间维和光谱维的定标方法,利用系统原理样机进行了偏振测量实验。实验结果表明,系统偏振度测量误差小于0.060,斯托克斯参数Q、U、V的测量误差分别小于0.052、0.035、0.057,测量结果说明了理论分析的正确性。

关键词：测量偏振空间调制复合光楔

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金星上层霾消光和微物理特性的时空分布

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红外与毫米波学报 2024年第5期43卷 657-670页

作者：李宜奇孙晓兵黄红莲刘晓提汝芳郑小兵樊依哲余海啸韦祎晨王宇轩王宇瑶中国科学技术大学环境科学与光电技术学院安徽合肥230026 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 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 河南理工大学河南焦作454000

金星上层霾消光和微物理特性的变化会影响金星大气的化学和辐射平衡,为研究其时空分布,选取2006~2013年间金星快车SPICAV SOIR仪器的太阳掩星数据进行分析。首先利用MODTRAN建模去除金星中上层大气的吸收效应,后利用剥洋葱法计算67~92 k... 详细信息

金星上层霾消光和微物理特性的变化会影响金星大气的化学和辐射平衡,为研究其时空分布,选取2006~2013年间金星快车SPICAV SOIR仪器的太阳掩星数据进行分析。首先利用MODTRAN建模去除金星中上层大气的吸收效应,后利用剥洋葱法计算67~92 km高度处金星上层霾的消光廓线。研究表明:1)金星上层霾的消光系数总体趋势是随着高度增加而减小。不同区域间的消光系数变化较大,低纬度霾在任务开始时大幅增加,昼夜间霾的平均消光系数略有变化。霾层的垂直光学厚度在10-2数量级。2)上层霾的数密度随高度增加而减小,从南极到北极,上层霾的数密度呈现先增加后减小的趋势。3)低纬度地区的云顶高度较高,为82.7±5.8 km;极区的云顶高度较低,北极地区云顶高度为73.3±2.4 km,南极地区为79±3.5 km。北极地区上霾层平均标高为4.0±0.9 km。

关键词：金星大气上层霾 MODTRAN建模剥洋葱法消光系数数密度

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基于主成分分析的空间外差干涉数据校正研究

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光谱学与光谱分析 2024年第12期44卷 3333-3338页

作者：王新强王祯覃杉熊伟王方原叶松聂锟桂林电子科技大学光电工程学院广西桂林541004 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 广西光电信息处理重点实验室广西桂林541004 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

空间外差光谱技术(SHS)是一种新型的高光谱遥感探测技术,被广泛应用于大气观测、天文遥感、物质识别等领域。通过空间外差光谱仪获取的二维实测干涉数据会受到多种影响因素干扰,其中高频噪声、不规则暗斑、干涉图非均匀性是其中最常见... 详细信息

空间外差光谱技术(SHS)是一种新型的高光谱遥感探测技术,被广泛应用于大气观测、天文遥感、物质识别等领域。通过空间外差光谱仪获取的二维实测干涉数据会受到多种影响因素干扰,其中高频噪声、不规则暗斑、干涉图非均匀性是其中最常见的影响。这些影响会降低复原光谱的精度,因此需要对这些影响发展有效的数据校正方法,提高反演光谱准确度。采用钾灯和氙灯两种光源产生准单色和连续光信号,以它们形成的干涉数据作为研究对象。针对这两种实测干涉图中的多种噪声影响,提出了一种基于主成分分析的空间外差干涉数据校正方法。首先采用一阶差分法对实测干涉图的所有行数据进行预处理,去除基线影响,将处理后的行数据进行傅里叶变换获得光谱数据。然后对所有行光谱数据进行主成分分析,计算出多个相互正交的主成分及每个主成分的贡献率,将贡献率小于2%的主成分当作噪声并加以扣除,保留其他主成分作为有效光谱信号进行光谱重建,重建光谱经过傅里叶逆变换得到校正后的干涉图。最后从干涉图和光谱两个维度对校正方法的有效性进行对比分析。结果表明,单色、连续两种光源实测干涉图中的暗斑得到有效扣除,非均匀性影响得到极大改善。针对暗斑影响明显的干涉图第536、600、982行数据,对比其光谱校正前后效果,结果显示:校正方法有效抑制了光谱中的高频噪声,使光谱变得平滑、清楚,特征峰等细节获得凸显,信噪比得到改善,三行光谱的均方误差分别由校正前的0.03777、0.02733、0.03099降低到校正后的0.01331、0.01220、0.01234,定量说明了方法的有效性。

关键词：空间外差光谱仪噪声主成分分析校正

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