VIRR/FY-3A分裂窗波段与AIRS/AQUA和IASI/METOP-A数据的交叉辐射定标

实际应用显示搭载在风云三号A星(FY-3A)上的可见光红外扫描辐射计(VIRR)的两个分裂窗波段(IR4,~10.8μm;IR5,~12.0μm)存在定标偏差。本文选择高光谱卷积法,用AQUA卫星搭载的大气红外探空仪(AIRS/AQUA)和METOP-A卫星搭载的干涉式红外大气探测仪(IASI/METOP-A)的观测数据对VIRR/FY-3A的两个分裂窗波段进行交叉辐射定标。根据卫星轨道特点,选择北极地区(60°N~90°N,180°W~180°E)作为研究区域,并选择2010年6月、9月、12月以及2011年3月作为研究时间段。首先,分别将AIRS/AQUA和IASI/METOP-A数据与VIRR/FY-3A的第4波段和第5波段的光谱响应函数进行卷积;对观测数据进行重采样,并基于普朗克黑体辐射公式实现辐射值和亮度温度之间的转换。然后,使用两个相关的匹配条件提取VIRR/FY-3A分别与AIRS/AQUA、IASI/METOP-A在第4波段和第5波段的匹配观测点对。最后,对匹配观测点对进行回归分析,得到交叉辐射定标偏差订正方程的系数。结果表明AIRS/AQUA和IASI/METOP-A的在轨辐射定标非常一致。以AIRS/AQUA和IASI/METOP-A波段的辐射定标为标准,VIRR/FY-3A第4波段的平均定标偏差分别为2.39K和2.06K,第5波段的平均定标偏差分别为0.59K和0.44K。实验指出定标偏差与亮度温度有关。     

FY-3/中分辨率光谱成像仪星上黑体的在轨太阳污染模拟与抑制

对风云三号(FY-3)中分辨率光谱成像仪(MERSI)的黑体进行了在轨太阳污染模拟,以掌握在轨太阳污染对面源黑体的影响,同时研究了抑制太阳污染的措施。模拟了FY-3卫星轨道及全轨道周期内太阳光的入射角,使用Tracepro软件建立了太阳污染模拟的模型,利用太阳光入射与MERSI的相对位置对太阳污染进行仿真,分析了污染随光谱成像仪扫描镜旋转和卫星飞行位置的变化。最后,根据分析结果设计了太阳污染抑制措施,并对抑制效果进行了仿真验证。结果表明:在扫描镜附近区域设置遮光板,有效地抑制了太阳光的污染,使辐射量级小于0.1 W,整个太阳污染功率下降了97%以上,对黑体有良好的保护效果。另外,提出的方法提高了面源黑体温度的均匀性和稳定性,保证了红外通道星上定标精度。     

基于多种亮度稳定目标的FY-3C/中分辨率光谱成像仪的反射太阳波段辐射定标

分析研究了风云-3C中分辨率光谱成像仪(FY-3C/MERSI)发射一年以来反射太阳波段的辐射定标精度,利用位于全球范围内的沙漠、盐湖等12种亮度稳定目标,结合中分辨率成像光谱仪(MODIS)的地表和大气参数产品和大气辐射传输模型,计算出了卫星过境时刻入瞳处的波段反射率,并将其作为在轨绝对辐射定标精度检验的参考真值,对2014年1月~10月期间,FY-3C/MERSI反射太阳波段的辐射定标精度进行了验证分析。结果表明,FY-3C/MERSI大部分波段在高低端的定标精度大小不一致。有些波段明显呈现高端定标偏差大,低端定标偏差小的特点;有些波段呈现高、低端定标偏差大,中间低的特点。在仪器发射一年以来,波段1~4,9~11,15~16和波段19仍能保持5%的定标精度。各波段定标精度的时间变化表明:在整个研究时期内,除蓝光波段和水汽吸收波段,其他波段的定标精度变化幅度基本在5%以内。实验结果显示:使用沙漠及盐湖等多种亮度稳定目标,有效地掌握了更宽动态范围内FY-3C/MERSI的辐射定标精度情况。     

2008年FY-3A扫描辐射计可见近红外通道在轨场地定标

FY-3A扫描辐射计发射后的首次在轨场地定标试验于2008年9月在甘肃敦煌中国遥感卫星辐射校正场展开。通过使用ASD FR光谱仪测量场地地表反射比,使用CE318太阳光度计测量气溶胶光学厚度,使用敦煌国家气候观象台加放的探空观测计算水汽总量,获取了3天的有效试验数据。定标采用反射比基法并配合新的地表反射比修正算法开展：过境时刻地表反射比由陆表各向异性二向反射比模型算法计算得到,并使用实测的地表反射比数据进行修正;表观反射比通过6S模型计算并进行太阳天顶角余弦修正和日地距离修正。在非水汽吸收通道,计算得到的多天定标斜率稳定(相对标准差在2.6%以内),使用定标结果计算23种观测目标的表观反射比,与TERRA/MODIS相应通道结果一致。     

FY-3A中分辨率光谱成像仪热红外通道的多探元辐射定标

FY-3A中分辨率光谱成像仪(MERSI)红外通道采取40探元跨轨并行扫描方式,针对其辐射定标要比传统单元探测器的辐射定标复杂的问题,研究了MERSI红外通道的多探元辐射定标方法。首先,基于星上黑体观测进行逐探元的辐射定标处理,消除探元辐射响应差异条纹;然后,利用各探元与基准探元光谱响应对不同温度黑体光谱辐亮度建立比值关系,基于其随着辐亮度呈非线性变化的关系,对逐探元定标后图像进行探元光谱差异的辐亮度归一化补偿,从辐射机理上最大限度地消除图像条纹,实现了多探元观测目标辐射信号的光谱响应差异归一化。为了验证MERSI红外通道辐射定标精度,文中还利用同时过星下点观测(SNO)交叉定标方法,将MERSI定标结果与美国Terra中分辨率成像光谱仪(MODIS)定标结果进行比对,结果显示,相对于后者,MERSI的红外通道亮温高1K左右,认为这可能与两者的通道带宽不同有关。     

红外高光谱干涉仪辐射定标误差敏感性因子的仿真分析

鉴于对高精度高时空分辨率大气探测资料日益增长的科研和业务需求,我国正大力发展星载红外高光谱探测系统。星载红外高光谱干涉仪光机结构复杂,仪器状态会显著影响其定标精度。本文通过理论分析和仿真实验,分别讨论了内黑体发射率、低温黑体发射率、内黑体与环境温度差、非线性系数以及直流电压演算等误差敏感性因子影响辐射定标精度的特征。分析表明定标辐射偏差的绝对值与内黑体/低温黑体发射率呈线性关系,且与内黑体与环境温度差、非线性系数、直流电压呈正相关;提高内黑体发射率和低温黑体发射率到0.985以上、控制内黑体与环境温度差在0.6 K左右、控制干涉仪的非线性效应系数低于0.04,这些方案均是实现0.1 K辐射定标精度的必要条件;辐射定标参数对定标辐射的影响特征结合地面真空实验的定标参数估计,可以迭代得到已测得和未知的定标参数的最优估计,从而提高定标精度。本文的研究结果对于红外高光谱干涉仪的参数设计以及辐射定标误差来源的识别和订正有着十分重要的意义。     

应用内外定标修正实现红外测量系统辐射定标

由于现有的大口径短波红外测量系统的辐射定标需要制备大口径红外平行光管,不仅机动性差且成本较高,故提出了一种基于内、外定标修正的辐射定标新方法。该方法将一个中、高温腔型黑体置于红外系统内部,通过切换反射镜,将中、高温腔型黑体辐射引入红外光学系统,并对部分光路进行中、高温段的内定标。然后,使用大面源黑体对全系统进行中温段的外定标;提取并处理公共温度范围的内、外定标数据以获取内、外定标之间的修正系数。最后,对中、高温段的内定标数据进行修正从而获取全系统的辐射定标数据。使用该方法对某Φ400mm口径的红外测量系统进行了辐射定标,并根据定标结果反演了黑体的辐射亮度和温度。结果显示:辐射亮度反演的最大误差为1.67%,温度反演的最大误差为1.02℃。实验结果证明了该方法可以准确、有效地对大口径短波红外测量系统进行辐射定标。     

FY-3C卫星紫外臭氧总量探测仪的在轨替代定标

风云三号气象卫星C星(FY-3C)搭载的紫外臭氧总量探测仪因太阳辐照度观测值异常而无法进行常规在轨星上定标,导致臭氧总量产品无法正常生成。在研究了风云三号气象卫星B星(FY-3B)TOU辐照度观测数据的特点以及仪器衰减规律后,结合FY-3C/TOU辐照度和辐亮度实测数据,探索了基于晴空海洋像元观测值计算仪器的衰减系数法。本文选取受陆地气溶胶影响较小的热带太平洋海区,用矢量辐射传输模式模拟云量较小的像元对应的晴空辐亮度,比较观测值与模拟计算值,通过统计筛选晴空像元,估算FY-3C/TOU探测器随时间的衰减系数。在确定仪器衰减系数后对FY-3C/TOU历史数据进行处理,反演获得了全球臭氧总量并与WMO/WOUDC地基观测数据进行对比。结果表明,基于晴空辐亮度估算的仪器衰减系数进行的臭氧总量反演的均方根误差在5%以内。在星载紫外探测器星上辐射定标失败的时候,可以利用晴空海洋像元确定仪器的定标系数。     

FY-3C/臭氧总量探测仪太阳辐照度偏差的修正

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%。     

FY-3B/C中分辨率光谱成像仪在轨初期传递函数的评价和比较

针对极轨气象卫星的特点,提出了利用极地冰雪目标进行风云(FY)卫星中分辨率光谱成像仪(MERSI)传递函数(MTF)测试的刃边方法。该方法沿着冰雪和海洋之间的边缘进行取样,然后将获得的点扩展函数经过傅里叶变换得到最后Nyquist频率点处的MTF值。该方法能够应用于绝大多数MERSI通道。MTF测试结果表明:在轨初期,FY-3B/C-MERSI图像在卫星飞行方向的MTF结果都在0.31左右,图像质量较高,能够满足设计指标。但两颗卫星的MERSI传感器图像空间频率特性沿扫描方向都不是很好,1 000m分辨率的FY-3C图像测试结果集中在0.12左右,FY-3B集中在0.10左右,且FY-3C星结果系统偏高于B星,B星250m分辨率的测试结果只有0.07。分析认为导致这种图像频率特征质量在扫描方向严重下降的主要原因是设计MERSI时为保证信噪比保留的像元重叠扫描,建议在下一代FY-3号气象卫星设计时考虑这种重叠扫描的处理。     

风云卫星的红外遥感亮度温度国家计量标准装置

综述了国际上美国、德国、俄罗斯的典型红外遥感亮度温度标准装置的研究现状,着重介绍了由中国计量科学研究院研制的用于风云卫星红外载荷黑体定标的红外遥感亮度温度国家计量标准装置(VRTSF)。给出了VRTSF的设计方案,描述了它的结构和光路。设计了满足风云卫星红外载荷定标黑体工作环境的真空低背景实验舱,建立了满足量值溯源需求的标准黑体辐射源作为量值标准器。标准变温黑体辐射源的温度覆盖190K~340K,口径为30mm,空腔发射率为0.999 9,温度不确定度优于50mK@300K/10μm(k=2)。该装置的光谱为(1-1 000)μm,光谱分辨率为0.2cm-1,可满足多种红外载荷的定标需求。该装置具有高温度不确定度水平、高光谱分辨率和扩展性强等特点,如未来该装置温度覆盖至(100-500)K,将会满足大部分红外载荷量值的溯源需求。     

高频响伺服刀架的建模与控制

考虑目前应用压电陶瓷驱动器的伺服刀架只能提供单向驱动力,设计了一种基于双压电陶瓷驱动器的快速伺服刀架。涉及的两个压电陶瓷驱动器分别为刀具的进给和回复提供驱动力,其呈对称布置,用于有效提高刀架的整体刚度。为了对两个压电陶瓷驱动器进行联动协调控制,建立了PI迟滞模型和其逆模型,并设计了相应的联动协调控制方法。利用PI逆模型作为PID反馈控制的前馈环节构成复合控制用于调节快速伺服刀架的输出位移。实验验证了新型快速伺服刀架的响应频率、响应时间、位移响应特性和定位精度。结果显示:新型快速伺服刀架的响应频率为871.86 Hz,响应时间为0.000 45s;三角波信号的最大定位误差为3.366 1μm,误差百分数为7.63%,平均绝对误差为0.698 0μm,误差百分数为1.58%;正弦波信号的最大定位误差为3.244 4μm,误差百分数为7.67%,平均绝对误差为0.930 9μm,误差百分数为2.20%。     

涡轮叶片三维叶尖间隙光纤检测系统

航空发动机涡轮叶片叶尖间隙呈三维变化特点,传统光纤式叶尖间隙检测系统的测量结果受维间耦合影响精度差,信息源单一。本文利用一种沿直角等腰三角排布的三路双圈同轴式光纤传感基元组成的传感探头,通过BP神经网络解耦方法,实现了从传感器输出到叶尖端面径向间隙、轴向倾角和周向倾角三维参量的解耦。设计加工三维测量光纤传感器和后续调理电路并对检测系统进行了静、动态实验验证。实验结果表明:该系统径向间隙静态测量的最大误差为47μm,标准差为10μm,轴向和周向倾角的静态测量最大误差分别为0.49°和2.32°,标准差分别为0.13°和0.36°。系统具有良好的重复性和可靠性,径向间隙的动态测量标准差小于18μm,轴向和周向倾角的动态测量标准差小0.2°和0.5°,能够满足航空发动机涡轮叶片叶尖间隙三维参量快速实时检测的需求。     

基于柔性纳米压印工艺制备中红外双层金属纳米光栅

用纳米压印工艺制备红外金属光栅时,硬模板压印极易造成光栅结构缺陷致使光栅性能下降。本文采用柔性纳米压印工艺作为替代方法制备了适合在3-5μm波段工作,高度为100nm,上下金属层厚为40nm的双层金属纳米光栅,其光栅结构参数为:周期200nm,线宽100nm,深宽比1∶1。该方法采用热纳米压印工艺将母模板光栅结构复制到IPS(Intermediate Ploymer Sheet)材料上,制作出压印所需软模板;随后通过紫外纳米压印工艺将IPS软模板压印到STU-7压印胶,得到结构完整均匀的介质光栅;最后在介质光栅上垂直热蒸镀金属铝,完成中红外双层金属纳米光栅的制备。对所制备光栅进行了测试,结果表明,所制备光栅在2.5~5μm波段的TM偏振透射率超过70%,在2.7~5μm波段的消光比超过30dB,在2.72~3.93μm波段的消光比超过35dB,显示了优异的消光比特性和偏振特性。该研究结果在红外偏振探测、红外偏振传感等方面具有潜在应用。     

基于3-CCD显微视觉的高精度靶位姿控制

针对高功率激光物理装置中的靶自动准直实验平台,提出了一种基于三路显微视觉的高精度靶位姿控制方法。该方法采用基于图像的显微视觉控制策略,通过对送靶机构的主动运动控制,实现了图像雅可比矩阵的在线自标定;利用增量式PI控制方法对送靶机构进行控制,实现靶的快速定位及姿态调整。本文对比了基于图像的显微视觉控制和之前研究中所提出的基于位置的显微视觉控制两种方法。其中,基于图像的控制方法靶的定位误差为0.07μm,姿态调整误差为0.02μrad;而基于位置的控制方法靶的定位误差为0.16μm,姿态调整误差为0.07μrad。实验结果表明:基于图像的显微视觉控制方法对系统中的运动学误差、视觉标定误差等因素具有较好的鲁棒性,靶定位及姿态调整的精度高且稳定性好。     

圆弧金刚石砂轮三维几何形貌的在位检测和误差评价

针对非球面光学元件加工对圆弧金刚石砂轮形状误差测量的需求,提出了砂轮三维几何形貌在位检测与误差评价方法。建立了砂轮外圆面螺旋扫描轨迹测量数学模型,利用位移传感器获取了砂轮表面轮廓数据;对得到的数据匀滑滤波后沿圆周展开并进行插值处理,得到砂轮三维几何形貌。然后,根据非球面平行磨削加工特点,提出评价圆弧砂轮形状精度的指标。通过提取三维几何形貌轴截面轮廓,进行最小二乘圆弧拟合得到不同相位处的圆弧半径与圆心坐标,并由误差分离获得砂轮表面圆弧的圆度误差、圆周跳动误差及轮廓圆心轴向偏差。最后,对非球面加工圆弧金刚石砂轮进行检测,获得了砂轮的三维几何形貌以及多个关键尺寸及其误差数据:即圆弧金刚石砂轮的平均圆弧半径为55.442 3mm,半径波动极差为0.16mm,中央±8mm环带内圆弧的圆度误差约为5μm,圆周跳动误差约为2μm,截面轮廓圆心轴向位置相对偏差为0.008mm。根据检测结果,进行了大口径复杂非球面磨削实验,得到的元件面形P-V值为4.62μm,RMS值优于0.7μm,满足工程的实际需求。     

检校场标定长焦航测相机参数

为实现长焦航测相机内参数及畸变参数标定,提出利用室外检校场对相机进行标定的方法。介绍了该方法由初值到精确值的两步法的求解步骤、计算过程及实验过程。首先通过给定已知特征点位置信息以及不同角度不同位置下拍摄的影像,通过特征点提取及匹配,根据像点坐标与世界坐标的线性对应关系,基于直接线性变换算法建立约束方程求取相机参数初值,进而通过混合LMQN(Levenberg-Marquardt与Qusai-Newton)迭代优化加速求解精确值。与精密测角法比无需精密设备的操作及记录,只需不同位置不同姿态拍摄多张包含精确位置信息的检校场影像即可。最后进行标定实验并对结果分析,基于检校场的标定方法在参数解算中特征点最大投影误差为2.471pixel,标定参数主点精度为9.7μm(2pixel),主距精度为4.3μm(1pixel),解算相机拍摄位置精度0.035m,满足测绘应用的精度需求。