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%。     

风云三号A星紫外臭氧垂直探测仪反演产品的比较和评估

为了考察和评估我国首次自主研制并由新一代极地轨道气象卫星风云三号携带的紫外臭氧垂直探测仪SBUS的观测数据和反演产品的精度和稳定性,利用SBUS在轨观测数据开展了臭氧垂直氧廓线反演试验,并将反演产品与NO-AA卫星同类仪器SBUV/2产品数据进行了系统比较。首先使用自主研发的风云三号紫外臭氧垂直廓线反演算法FY_V1.0开展臭氧廓线反演试验,输入数据为SBUS2008年7月17日～8月30日在轨观测数据。然后,采用3种方法,即匹配像元数据直接比较,赤道地区平均反演廓线比较以及反演廓线与先验廓线残差比较,将反演结果与SBUV/2产品进行了比较。最后,基于各种比较结果进行分析和评估。结果显示,与NOAA-16和17卫星SBUV/2反演产品相比,SBUS反演产品多数高度层相对偏差百分率在±10%之间,部分层相对偏差达到±15%;在20°N～20°S比较平均反演臭氧垂直廓线,最大差异为5.4DU,最小差异为0,多数在±0.3DU之间;比较反演廓线与先验廓线的残差表明,较大残差发生的高度以及残差正负性等方面存在明显差异。结论认为,在未对数据做任何订正的条件下,SBUS反演臭氧垂直廓线产品在多数高度层精度尚可,但是,与SBUV/2产品相比,SBUS获取的臭氧垂直廓线存在较大的系统性偏差,需要通过与SBUV/2的交叉定标进行订正。     

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。     

FY-3A紫外臭氧垂直探测仪数据预处理及验证

开发了提取FY-3A紫外臭氧垂直探测仪遥感数据并进行处理的星上数据预处理软件。预处理包括引入仪器光谱响应度地面辐射定标数据,进行角度响应修正、非线性修正、换档比及漫反板衰减修正等。介绍了软件修正功能的原理,结合紫外臭氧垂直探测仪的在轨测量模式建立了相应数据修正算法和模型,并将修正算法和模型转化为功能丰富的星上数据预处理软件。使用该软件得到了在轨测试的太阳紫外光谱预处理数据,并以此为例给出了验证结果。分析比对表明,FY-3A星紫外臭氧垂直探测仪的全部软件功能均已得到实现,所测太阳紫外光谱与国外仪器数据比对其一致性达到±5%以内,验证了数据预处理软件的正确性。     

FY-3A紫外臭氧垂直探测仪程控设计与实现

描述了FY-3A气象卫星紫外臭氧垂直探测仪的组成和4种主要工作模式,即大气测量模式、太阳连续测量模式、太阳分立测量模式及标准灯测量模式。在此基础上对在轨运行的任务进行了分析说明。针对仪器运行参数多、测量模式转换复杂等特点,提出了合理的在轨运行控制方案,介绍了其程控设计要点与实现。给出了FY-3A星紫外臭氧垂直探测仪在轨测量的太阳模式和大气模式紫外辐射遥感数据,其太阳分立模式波长重复性为±0.03nm,自动增益转换功能使系统的动态范围达到106量级。实验结果表明,FY-3A星紫外臭氧垂直探测仪在轨工作正常,测量模式转换和执行准确,其运控方案完备,数据获取有效,仪器在轨工作处于最佳性能状态。     

地外太阳紫外光谱测量

介绍了我国自主研制的用于地外太阳紫外光谱测量的FY-3紫外臭氧垂直探测仪,利用该仪器成功获得了地外太阳紫外光谱数据。该紫外臭氧垂直探测仪是一台结构紧凑,工作波段为160～400nm的紫外-真空紫外光谱辐射仪。报导了该探测仪的组成和工作原理,描述了它的3种工作模式,即大气模式、太阳模式和标准灯模式。介绍了太阳模式下该探测仪的光谱辐照度定标,受光源性能所限,光谱辐照度定标分160～300nm和250～400nm两个波段进行。最后,给出了利用紫外臭氧垂直探测仪获得的太阳紫外光谱和数据处理结果。结果表明,利用该探测仪在轨获得的160～400nm太阳连续光谱和250～340nm间12个特征波长的太阳分立光谱与美国SBUV/2获得的测量数据的一致性在±5%以内。     

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。     

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。     

风云三号红外高光谱探测仪的光谱定标

风云三号D星(FY-3D)于2017年11月15日成功发射,是我国第二代极轨气象卫星,其上搭载了红外高光谱大气探测仪(HIRAS),实现了地气系统的高光谱分辨率红外高精度观测,由于光谱频率的精确性会直接影响辐射精度,红外干涉仪器必须进行逐通道的光谱定标。首先对干涉图数据进行傅里叶变换获得粗定标结果,再基于仪器参数计算仪器线型函数,进行光谱精校正,开发了风云三号D星HIRAS的光谱定标技术,并用发射前和在轨数据进行了精度验证。光谱定标方法能有效订正由于仪器离轴探元设计引起的光谱位置偏差,基于地面单色激光测量数据验证,长波4个探元20×10~(-6)左右的偏差可订正到0.5×10~(-6)(1和2探元)和7×10~(-6)(3和4探元)以内;中波1四个探元50×10~(-6)左右的偏差可分别订正到6×10~(-6)(1和3探元)、8×10~(-6)(2探元)和13×10~(-6)(4探元)以内;基于在轨数据验证三个波段光谱订正后光谱精度偏差和标准差均可达到5×10~(-6)以内。三个波段光谱定标结果均满足卫星使用技术指标10×10~(-6)的要求,有效保证了辐射精度评估和后端遥感产品开发应用的要求。     

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。     

紫外辐照对绝对辐射计锥腔吸收率的影响

为了研究紫外辐照对星载太阳辐射监测仪的绝对辐射计锥腔吸收率的影响,进行了实验室模拟测量实验。用相当于太阳紫外辐照总量的汞灯照射绝对辐射计的锥腔,定期用可同时测量镜、漫反射率的全半球反射比吸收率测量装置测量其吸收率,监测其随时间变化情况。实验结果表明:太阳辐射监测仪在风云三号卫星上例行工作一年接收的紫外辐射量,使其吸收率下降0.002%,最大下降0.003%,该结果同国外星上测量结果基本一致。本实验反映出紫外辐照对绝对辐射计锥腔的吸收率是有影响的,可为将来的星载太阳辐射监测仪优化、实验、测量和校正提供必要的参考。     

Study on thermal behavior of a cuboid on reflecting platforms under transient weather conditions

The purpose of this study is validating the factors which affect the surface temperature of a cuboid under transient solar irradiance. The surface temperature is determined by considering the material property and weather conditions including the solar irradiance which plays a major role in thermal signature profile in clear daytime. This study focuses on verifying the unsteady temperature prediction result obtained from a SW developed in this study by comparing with those results obtained from a commercial SW and measurement. In this paper, a cuboid on reflecting platforms with different surface reflectivity is used for verifying the measured and calculated temperatures by considering a diurnal variation of climatic changes. The developed SW predicts the surface temperature of the cuboid considering the real-time weather data from measurements. From this study it is observed that the developed SW is compared fairly well with the commercial SW RadThermIR, and the developed SW shoes better agreements with the measured data as compared to the RadThermIR data. We also found that the use of proper radiative surface properties is very important to obtain more accurate modeled results especially for highly reflecting system with solar irradiation.     

FY-3A太阳辐射监测仪的程控设计与实现

介绍了载于FY-3A气象卫星用来监测太阳辐照度变化的太阳辐射监测仪(SIM)的工作原理,描述了该监测仪的系统组成和工作模式。SIM由3台相同的太阳辐照绝对辐射计(SIAR)按一定角度排列构成测量三通道,3个通道可单独或同时进行测量,对获得的数据进行对比、查验和校正。分别介绍了太阳辐射监测仪的3种工作模式,即通道自测模式、太阳辐射测量模式和冷空间测量模式,在此基础上对其执行的在轨运行任务进行了分析说明。讨论了程控设计要点与实现,给出了SIM采用各测量模式获得的遥感数据。FY-3A太阳辐射监测仪从2008年6月开始执行在轨测量,得到的实验结果表明,设计的测量模式合理,运控参数有效,全部软件功能均已实现,测量得到的太阳辐照度与同国际同期卫星SORCE/TIM的测量数据在0.2%以内相符。     

光学元件清洗过程中同步辐射活化氧的研究

在同步辐射应用中,光学元件被污染是一个常见问题,而光学元件的污染会造成光通量的极大损失。为了有效地清洗光学元件,研究了清洗过程中的光化学反应,进行了氧气在同步辐射光作用下分解的实验。通过对实验中产生的气体成份分析,进行光化学反应研究。首先,测量通氧气时的气体成份;然后,测量通氧气和同步辐射光照时的气体成份。通过两者比较,分析氧气分解的情况。实验结果表明,氧分子在同步辐射光作用下发生分解,产生质量数为16的氧原子、氧离子和质量数为48的臭氧,它们的成份分别占1%和0.005%~0.01%。     

太阳/大气紫外光谱辐射测量

研制成太阳/大气紫外光谱辐射计,工作波段120nm至500nm,光谱分辨率0.08nm。它由标准光源,积分球,双光栅单色仪,探测器及电子学—计算机系统组成。用这台仪器进行了长春地区不同大气条件及大气质量太阳/大气紫外(260～500)nm波段光谱辐射测量。测量结果表明该仪器光谱响应稳定性好于1%/年,太阳/大气紫外波段光谱辐照度测量值(绝对值)不确定度好于3～5%。     

星敏感器遮光罩出口杂光的辐照度测试

面向星敏感器在轨应用时杂光抑制的迫切需求,开展了星敏感器遮光罩出口杂光辐照度分布定量测试。基于微型光纤光谱仪、二维高精度位移台以及太阳模拟器搭建了可逐点扫描的杂光测试平台,并将辐射测量软件与运动控制软件进行有效整合,开发系统集成测试软件,完成遮光罩出口杂光辐照度分布的实时定量测量。针对获取的不同光照入射角下遮光罩出口处的测量计数值,根据测量时设定的积分时间及保存的暗背景数据以及光谱仪定标数据计算获得遮光罩出口处的杂光辐照度分布。数据处理结果表明:遮光罩在出口处的杂光辐照度约为102 W/cm~2,而且分布不均匀。基于误差分析理论构建了测量误差模型,误差计算结果为4.87%,表明了测量方案的合理性和可行性。测量数据可为星敏感器系统方案设计、论证、测试、定型及应用提供重要的技术支持。     

基于IMAQ的零件图像特征提取和识别

提出了基于IMAQ的提取零件图像特征的方法,该方法是使用边缘检测算子对零件图像进行边缘检测,然后把检测的图像分成若干个区域并统计各区域的边缘像素量,各区域中的相对边缘像素系数作为特征,利用神经网络实现识别。文中给出特征样本的实验结果,结果表明文中提出的方法能够有效地识别零件。     

Real-time image compression for high-speed particle tracking

High-speed particle tracking with digital video creates very large data rates and as a result experimenters are forced to make compromises between spatial resolution, temporal resolution, and the duration over which data is acquired. The images produced in particle tracking experiments typically contain a large amount of black space with relatively few bright pixels and this suggests the possibility of image compression. This paper describes a system for real-time compression of high-speed video. A digital circuit placed between the camera (500 Hz, 1280 x 1024 pixels) and frame grabber compresses data in real-time by comparing input pixels with a threshold value and outputs a vector containing the brightness and position of the bright pixels. In a typical experiment, the compression ratio for an image ranges from 100 to 1000 and varies dynamically depending on the number of filtered pixels. The reduced data rate makes it possible to write directly to the hard disk. While previously data could only be acquired for 6.5 s into 4 GB of dedicated video RAM, the new system could acquire full resolution data continuously for up to a week into a 600 GB hard drive.