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光谱学与光谱分析 2021年第2期41卷 368-371页

作者：叶函函王先华李勤勤王晓迪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

大气CO2卫星遥感监测的关键在于高精度,而植物叶绿素荧光存在与大气散射相似的光谱特征,干扰大气散射相关参数的反演结果,从而影响CO2的反演精度。因植物叶绿素荧光强度微弱且影响特征与大气散射高度相关而难以准确校正。鉴于现有大气CO... 详细信息

大气CO2卫星遥感监测的关键在于高精度,而植物叶绿素荧光存在与大气散射相似的光谱特征,干扰大气散射相关参数的反演结果,从而影响CO2的反演精度。因植物叶绿素荧光强度微弱且影响特征与大气散射高度相关而难以准确校正。鉴于现有大气CO2卫星遥感精度不足,以及植物叶绿素荧光对大气CO2反演存在不可忽视的影响程度和复杂性,设计了O2-A、1.6和2.06μm CO2三个光谱带协同的参数化校正方法。首先通过对大气散射采取基于光子路径长度概率密度函数(PPDF)的参数化建模,降低叶绿素荧光与大气散射参数的光谱相关性;其次,针对叶绿素荧光强度弱,难以准确反演的问题,基于轨道碳观测器(OCO-2)的叶绿素荧光产品构建了5km分辨率的全球叶绿素荧光先验信息库,增强CO2与叶绿素荧光同步反演中对叶绿素荧光的先验约束,提高叶绿素荧光的反演精度。通过O2-A、1.6和2.06μm CO2三个光谱带的协同同时反演大气散射、叶绿素荧光和大气CO2,并结合叶绿素荧光丰富的先验信息,能够较准确剥离大气散射和叶绿素荧光而提高大气CO2的反演精度。选择叶绿素荧光强度明显较高的柱总碳观测网络(TCCON)中的Park Falls(45.945°N,90.273°W)站点开展验证,对该站点近4年每年8月份的温室气体观测卫星(GOSAT)数据进行反演,发现植被叶绿素荧光导致GOSAT XCO2反演结果系统偏低2×10^-6(ppm)左右,通过本文的方法进行校正,反演结果的低估程度有明显改善,最大低估由2.58 ppm降低到1.49 ppm,且离散程度也有一定程度的改善,明显控制了CO2反演中叶绿素荧光的影响,对于实现1%(~4 ppm)的CO2反演精度来说,提供了有力支撑。

关键词： CO2 植物叶绿素荧光校正先验信息库 PPDF

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基于光谱分解和PSOBP组合模型的光谱重构研究

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量子电子学报 2024年第1期41卷 47-56页

作者：胡春晖张黎明李鑫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

针对R矩阵光谱重构法面临的问题,提出了一种基于相机响应特性的光谱分解方法,对分解出的同色异谱黑的反演建立粒子群优化BP神经网络模型(PSOBP)以实现网络训练权重的优化,并利用全局训练样本和局部训练样本的二次光谱重构方式进行了仿... 详细信息

针对R矩阵光谱重构法面临的问题,提出了一种基于相机响应特性的光谱分解方法,对分解出的同色异谱黑的反演建立粒子群优化BP神经网络模型(PSOBP)以实现网络训练权重的优化,并利用全局训练样本和局部训练样本的二次光谱重构方式进行了仿真实验。结果表明,在D65光源下,利用所提出的方法, RGB相机观测下重构两种测试集均方误差平均值分别至少降低了1.71%和0.51%,色差最大值分别为3.5579和2.3776,满足人眼辨别颜色阈值要求;WorldView3观测下光谱重构精度均方误差在410~510、555~565、590~685、705~740 nm波段内不超过2%,适应度系数表示的可接受样本占比均为91.667%,色差最大值分别为1.6002和1.1177,其光谱重构精度以及色度精度较其他方法均有所提高,且6通道多光谱相机已能满足较高精度光谱重构的要求。

关键词：遥感光谱重构同色异谱黑粒子群优化神经网络齐次非线性扩展

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适用于无人机搭载的轻小型成像光谱仪光学系统设计

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量子电子学报 2024年第5期41卷 713-728页

作者：李亮亮李新张允祥张权安徽建筑大学机械与电气工程学院安徽合肥230601 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

设计了一种适用于无人机搭载的轻小型成像光谱仪(Light and compact imaging spectrometer,LCIS)光学系统。该光学系统的工作波段覆盖400~1000 nm,F数为3.3,视场大小为11°,光谱分辨率优于3 nm。采用Zemax对该光学系统进行仿真和优... 详细信息

设计了一种适用于无人机搭载的轻小型成像光谱仪(Light and compact imaging spectrometer,LCIS)光学系统。该光学系统的工作波段覆盖400~1000 nm,F数为3.3,视场大小为11°,光谱分辨率优于3 nm。采用Zemax对该光学系统进行仿真和优化,优化结果表明,点列图均方根(RMS)半径最大值为4.221μm,小于单个像元尺寸的一半,谱线弯曲最大值为1.30μm,色畸变最大值为1.16μm,分别占像元尺寸的8.69%和7.73%,在33 lp/mm处的调制传递函数(MTF)值优于0.7,各项指标评价结果均表明该光学系统具有较好的成像质量。此外,该光学系统体积为190 mm×160 mm×90 mm,表明该系统不仅光谱分辨率高、成像质量好,还具有体积小、结构紧凑的优点。本研究为轻小型成像光谱仪的研制提供了核心技术支持,为基于无人机搭载成像光谱仪开展遥感器在轨辐射定标工作奠定了基础。

关键词：光学设计成像光谱仪凸面光栅光学系统

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时空联合调制型空间外差干涉成像仪运动误差评估与校正

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光学学报 2022年第5期42卷 111-120页

作者：丁毅罗海燕李志伟施海亮李思亮熊伟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

时空联合调制型空间外差干涉成像光谱仪(TS-SHIS)在对目标推扫成像过程中,指向镜推扫误差、指向镜定位误差或卫星运动平台振动等会引起目标对应像点(x′,y′)偏离理想位置(x,y),导致其与相邻的若干空间分辨单元之间存在光谱掺杂现象,进... 详细信息

时空联合调制型空间外差干涉成像光谱仪(TS-SHIS)在对目标推扫成像过程中,指向镜推扫误差、指向镜定位误差或卫星运动平台振动等会引起目标对应像点(x′,y′)偏离理想位置(x,y),导致其与相邻的若干空间分辨单元之间存在光谱掺杂现象,进而影响干涉数据重构及复原光谱精度。基于TS-SHIS机理,针对运动误差引起的目标光谱线性混叠、不同程度的地表反射率差异对复原光谱精度的影响等问题进行了分析;建立了以相邻目标掺杂比、地表反射率差异为变量的混合目标干涉函数关系。依据MODIS卫星载荷观测数据,对中国地区不同空间分辨率地表反射率差异进行了分析;以相对光谱二次误差为评价函数,讨论了典型高轨平台姿态参数对不同空间分辨率目标复原光谱精度的影响,该研究为下一代高轨、高时空分辨温室气体探测技术提供技术基础。

关键词：测量时空联合调制空间外差干涉成像光谱仪运动误差地表反射率差异相对光谱二次误差

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基于相对响应校正的多角度偏振成像仪几何定标精度提升方法

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光学学报 2022年第12期42卷 111-117页

作者：向光峰孟炳寰李双韩琳盛庭芮孙亮骆冬根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

高精度的质心定位是基于单平行光管与分离式二维转台的几何定标方法的关键,但仪器的相对响应差异会影响质心定位精度。因此,提出了一种基于相对响应校正的质心定位精度提升方法,可有效地提升质心定位精度,进而提升几何定标精度。基于多... 详细信息

高精度的质心定位是基于单平行光管与分离式二维转台的几何定标方法的关键,但仪器的相对响应差异会影响质心定位精度。因此,提出了一种基于相对响应校正的质心定位精度提升方法,可有效地提升质心定位精度,进而提升几何定标精度。基于多角度偏振成像仪的实验室几何定标实验证明了所提方法的提升效果。提升效果在大视场区域中更为显著,最大几何定标精度约为0.1 pixel。最终,基于所提质心定位精度提升方法在实验室中获得了高精度的多角度偏振成像仪几何模型参数,模型拟合残差优于0.1 pixel。

关键词：几何光学几何定标多角度偏振成像仪相对辐射校正几何模型

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时空联合调制空间外差干涉成像仪自适应条纹模板研究

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光学学报 2022年第1期42卷 262-272页

作者：丁毅罗海燕施海亮李志伟李思亮熊伟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

时空联合调制型空间外差干涉成像光谱仪(TS-SHIS)推扫图像中有明显的干涉条纹,这会导致传统的图像配准方法对TS-SHIS推扫图像配准计算结果的影响较大。鉴于此,提出一种基于目标干涉数据的自适应条纹模板构建方法,采用该方法消除TS-SHIS... 详细信息

时空联合调制型空间外差干涉成像光谱仪(TS-SHIS)推扫图像中有明显的干涉条纹,这会导致传统的图像配准方法对TS-SHIS推扫图像配准计算结果的影响较大。鉴于此,提出一种基于目标干涉数据的自适应条纹模板构建方法,采用该方法消除TS-SHIS推扫图像中的干涉条纹,并利用曲面拟合加梯度法对消条纹后的推扫图像进行图像配准。仿真及实验研究结果表明,所提方法能够有效消除TS-SHIS推扫图像中零光程差处的干涉条纹;干涉条纹对配准计算的影响得到抑制;消条纹处理对图像配准计算结果的影响在0.02 pixel以内。

关键词：光谱学时空联合调制空间外差干涉成像光谱仪图像配准条纹模板

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基于高光谱自动化观测设备的高分二号卫星在轨定标应用与验证

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大气与环境光学学报 2024年第5期19卷 599-610页

作者：刘恩超潘琰韦玮李新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

为验证高光谱自动化野外观测设备的地表反射率数据的应用效果,基于反射率基法开展了高分二号(GF-2)卫星遥感器的在轨定标数据应用及验证。首先系统介绍了设备安装定标场的状况及多种自动化观测设备的工作方式及性能指标,并给出了仪器的... 详细信息

为验证高光谱自动化野外观测设备的地表反射率数据的应用效果,基于反射率基法开展了高分二号(GF-2)卫星遥感器的在轨定标数据应用及验证。首先系统介绍了设备安装定标场的状况及多种自动化观测设备的工作方式及性能指标,并给出了仪器的观测数据及地表反射率数据的计算方式。随后结合GF-2卫星遥感器定标的需求并利用卫星大气数据产品和GF-2遥感器的同步过顶观测影像,完成了GF-2多光谱相机(PMS)遥感器的在轨定标。最后根据获得的定标系数,利用不同时段的遥感器影像数据进行了验证。两种不同地表的应用验证表明,卫星表观辐亮度的数据整体相对偏差优于2%,验证了高光谱设备在卫星遥感器在轨定标上的可行性。

关键词：高光谱设备自动化观测地表反射率大气数据产品卫星在轨定标

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高轨高时空分辨大气二氧化碳监测仪

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环境工程 2023年第10期41卷 1-8,123页

作者：熊伟中国科学院合肥物质科学研究院合肥230031 中国科学技术大学合肥230026 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室合肥230031

与世界经济快速增长相伴的碳排放量增加导致了全球气候变暖加剧,已引起国际社会高度关注,减排的呼声高涨。卫星遥感具有宏观、快速、定量、准确等特点,是碳监测最可行、最有效的技术支撑手段之一。为解决现有低轨大气CO_(2)遥感探测中... 详细信息

与世界经济快速增长相伴的碳排放量增加导致了全球气候变暖加剧,已引起国际社会高度关注,减排的呼声高涨。卫星遥感具有宏观、快速、定量、准确等特点,是碳监测最可行、最有效的技术支撑手段之一。为解决现有低轨大气CO_(2)遥感探测中存在的时间分辨率低的问题,提出了一种地球静止轨道大气CO_(2)柱浓度探测的时空联合调制空间外差干涉成像光谱技术。基于该技术研制了高轨高时空分辨大气二氧化碳监测仪原理样机,具有O_(2)-A 0.76μm、CO_(2)弱吸收1.57μm和CO_(2)强吸收2.05μm 3个探测通道,空间分辨率优于3 km@36000 km,可实现CO_(2)探测精度优于2×10^(-6),覆盖中国区域时间分辨率优于3.5 h的探测能力。基于原理样机开展了外场试验以及航飞试验,有效反演了不同目标区域的CO_(2)浓度信息,验证了高轨高时空分辨大气CO_(2)监测仪的技术可行性,为下一代碳监测载荷研制和数据应用提供技术基础。

关键词：二氧化碳卫星遥感地球静止轨道空间外差干涉成像光谱技术时空联合调制

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基于空间外差的拉曼信号处理方法研究

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光谱学与光谱分析 2022年第1期42卷 93-98页

作者：王新强胡峰熊伟叶松李树甘永莹银珊王方原桂林电子科技大学广西桂林541004 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

空间外差拉曼光谱技术是近年兴起的一种超光谱探测技术,它既具有拉曼光谱测量的非接触、快速、简单、可重复、无需样品准备等特点,更具有空间外差的超光谱分辨率、高通量、无运动部件优点,能在被测物质特征波长中心范围探测,实现微弱拉... 详细信息

空间外差拉曼光谱技术是近年兴起的一种超光谱探测技术,它既具有拉曼光谱测量的非接触、快速、简单、可重复、无需样品准备等特点,更具有空间外差的超光谱分辨率、高通量、无运动部件优点,能在被测物质特征波长中心范围探测,实现微弱拉曼光信号的直接测量。由于被测信号微弱、光学元件加工精度、器件封装及仪器安装误差等原因,会导致空间外差拉曼光谱仪(SHRS)接收到的干涉图存在光强分布不均匀、干涉条纹倾斜或扭曲等现象,从而使普通光谱恢复方法得到光谱信号准确度下降或无法识别。根据SHRS探测到的干涉图所存在的误差特点,将二维傅里叶变换应用于SHRS干涉图的光谱复原,提出基于二维频域谱重采样的最强直线方向光谱提取方法,以实现SHRS光谱的获取。提取过程为:将采集的目标干涉图进行二维傅里叶变换,获得二维频谱图,通过使用相同实验系统采集的单波长或多波长光源的二维频谱信号特征峰的位置信息,拟合获取光信息强度最大方向直线方程。然后根据该直线与目标二维频谱图各列交点坐标位置,确定重采样贡献像元及权重。对拟合直线方程经过的所有列像元进行重采样,得到最终的光谱信号。将该方法应用于自行搭建实验系统采集的三叶草干涉图数据,同时与其他方法光谱复原结果进行对比。结果表明:与一维行平均光谱法比较,该方法获取的光谱在探测波段中心区域信号强度更加明显,同时消除了探测器热噪声的影响;与二维频谱中心行直接提取法比较,该方法是该方法的改进版本,两者结果比较接近。但是由于考虑到干涉条纹y分量的影响,沿二维频谱信号最强方向重采样得到的最终光谱,其主峰半峰宽更窄、边频噪声强度更小,且随着y分量的增加,光谱复原效果及优势将越发明显。该方法是空间外差拉曼光谱技术数据处理的一种有益补充与尝试。

关键词：光谱学空间外差拉曼干涉图二维频谱图

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光谱扫描用音圈电机伺服驱动系统设计

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大气与环境光学学报 2024年第6期19卷 729-738页

作者：汪文韬洪津吴洋罗环许智龙中国科学技术大学安徽合肥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

星载高精度太阳辐射照度光谱仪是观测研究太阳辐照度的重要仪器之一,其波长扫描机构的精度很大程度上决定了光谱测量结果的准确性。为驱动光栅达到要求的定位精度,本文设计了以音圈电机为核心的伺服驱动系统。根据系统所需功能,设计了... 详细信息

星载高精度太阳辐射照度光谱仪是观测研究太阳辐照度的重要仪器之一,其波长扫描机构的精度很大程度上决定了光谱测量结果的准确性。为驱动光栅达到要求的定位精度,本文设计了以音圈电机为核心的伺服驱动系统。根据系统所需功能,设计了数字信号处理(DSP)加现场可编程门阵列(FPGA)的驱动控制器结构方案,并进行了功能划分,随后依据所需功能设计了硬件电路和软件程序。其中硬件电路主要包括电机驱动电路、高精度电流采集电路、位置反馈采集电路。软件程序包括DSP和FPGA两部分,DSP主要包括系统初始化、外部存储接口(EMIF)通讯、三环比例-积分-微分(PID)计算,FPGA主要用于配合DSP的三环PID算法,其功能主要包括电机驱动程序、模拟/数字(A/D)采样控制、编码器采样、与DSP数据交换。最后通过仿真验证、实验测试和实际应用,验证了驱动系统的有效性,实现了对音圈电机的三环PID控制,实际电机定位精度可以满足驱动光栅的设计需求。

关键词：音圈电机光谱扫描数字信号处理现场可编程门阵列比例-积分-微分控制器

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