风云四号红外高光谱GIIRS中波通道亮温偏差订正

变分同化风云四号干涉式大气垂直探测仪（Geostationary Interferometric Infrared Sounder,GIIRS）中波通道亮温偏差要求满足高斯分布,因此需进行GIIRS资料偏差订正。在Harris B A等人提出的“离线”法的基础上,发展了基于随机森林（Random Forest,RF）的GIIRS偏差订正方法。在具体执行过程中,基于风云四号多通道扫描成像辐射计（Advanced Geosynchronous Radiation Imager,AGRI）云产品对GIIRS资料进行了云检测。试验结果表明,经过偏差订正的GIIRS亮温偏差满足高斯分布的假定。与“离线”法相比,RF法的订正效果更好。     

高光谱GIIRS中波通道的最优选择及其对云检测的影响

风云四号A星干涉式大气垂直探测仪（Geostationary Interferometric Infrared Sounder,GIIRS）中波通道的最优选择是有效变分同化此资料的关键技术之一,能减少冗余信息所引起的变分同化和反演的不适定性。将通用的熵减法（Entropy Reduction,ER）用于GIIRS通道优选。此外,由于红外探测器观测容易受云影响,在变分同化GIIRS亮温资料时,需要进行云检测以获得晴空视场点或云参数信息。采用最小剩余法对GIIRS资料开展了云检测研究。该方法不仅能判识视场点是否有云,而且还能得到视场点的有效云量和有效云顶气压信息。但检测精度受不同通道组合的影响,因此基于台风“利奇马（2019）”资料进一步探讨了该影响。     

FY-3B红外分光计亮温观测模拟偏差订正的初步研究

变分同化FY-3B红外分光计(InfraRed Atmospheric Sounder,IRAS)的通道亮温要求亮温观测模拟偏差满足高斯分布。由于卫星数据处理以及数值预报模式等包含的误差不服从高斯分布,因此需要对偏差进行订正。首先对IRAS资料进行云检测等初步质量控制;在统计了IRAS的20个通道亮温之后,发现扫描偏差具有星下点对称性;最后对扫描和气团偏差进行了订正。结果表明,订正后IRAS高层通道1、10以及近地面通道14的偏差绝对值有所增加,水汽通道13和地面通道20的偏差标准差有所增加,其它15个通道亮温观测模拟偏差均值从1.04 K减小到了-0.30 K,相应的标准差从2.28 K减小到了1.99 K。偏差概率分布更具高斯性。     

可见光/中波红外双波段共口径光学系统设计

设计了适用于制冷型640×512中波红外凝视焦平面阵列探测器和1920×1080的CCD的可见光/中波红外共口径光学系统。该系统在中波3.6~4.8?m,可见光0.45~0.9?m,环境温度-40℃~60℃工作,可见光系统焦距500 mm,视场角为0.38°×0.43°,F/#为4;中波红外系统焦距600 mm,视场角为0.38°×0.43°,F/#为4.8,满足100%冷光阑效率。本设计利用共用卡塞格林系统,利用分光镜实现可见光与中波红外光谱分光,之后接各自校正像差的镜组。该系统满足工程光学的要求,能够良好成像,双波段系统在-40℃~60℃环境温度下的也能够正常工作,并能够实现可见/中波红外远距离识别。     

FY-3B红外分光计亮温资料的云检测算法研究

结合风云三号B星(FY-3B)载红外分光计(InfraRed Atmospheric Sounder,IRAS)资料的通道特性,分析了云在不同波段的光谱特性。与通道亮温偏差阈值法不同,利用通道多光谱信息以及基于平滑梯度和通道信噪比的方法对FY-3B/IRAS资料进行云检测方法研究,更有效地识别出了有云视场点。对2013年1月9日00时至1月14日00时共5天的IRAS资料数据进行了偏差订正,然后采用以上方法进行了IRAS资料云检测。结果表明,经过云检测后的通道亮温偏差服从高斯分布,满足后期变分同化IRAS通道亮温的要求。     

风云三号气象卫星红外分光计在轨交叉定标精度监测系统

为了满足定量遥感对红外探测仪器定标精度监测的需求,采用风云三号气象卫星红外分光计(IRAS)与国际基准红外高光谱探测仪器进行交叉比对的方法,建立了FY-3C气象卫星红外分光计与高光谱仪器IASI的在轨交叉定标精度监测系统.通过对2014年一年的IRAS观测数据的定标精度监测和分析,结果显示,IRAS与IASI的相关系数均在0.98以上,通道1和18的定标偏差最大,分别为-3.7 K和2.1 K,通道9和16也有超过1K的偏差,其他通道的平均偏差均在1 K以内.地表观测通道8、9、18、19、20由于受卫星观测时空变化频繁的影响偏差标准差较大,在1.5~3 K左右,其他通道观测误差稳定性较好,均在1.5 K以内.通道2、3、4,10~13的定标偏差随目标亮温变化趋势不明显,通道14~20定标偏差随目标亮温变化趋势最强,最低和最高目标亮温对应的定标偏差之间的差别最大可达到5 K.定标偏差的时间序列分析表明大部分通道的定标偏差在一年的时间内保持稳定,变化幅度不超过0.3 K;通道15、19、20的定标偏差变化幅度约为1 K,通道1、14、16、17、18定标偏差一年的变化范围达到2~4 K.总之,在轨交叉定标精度监测系统为实时监测定标精度的变化提供了有效工具,为诊断仪器性能和改进定标方案提供了参考依据.     

风云四号A星干涉式大气垂直探测仪在轨定标及性能评价

干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)是风云四号A星(FY-4A)的三大主载荷之一,其主要功能是实现大气温度和湿度参数的垂直结构观测.为了满足卫星数据定量化应用的要求,FY-4A星成功发射之后,围绕GIIRS开展了一系列的在轨定标和性能评价工作.评价结果表明:除部分通道受到有机挥发物的影响,85%的通道灵敏度优于设计指标;利用大气辐射传输模式,通过比较观测光谱与模拟光谱的均方根误差来确定激光有效采样频率,实现了GIIRS在轨光谱定标,精度达到10 ppm;利用星上面源黑体,考虑到非理想干涉图的相位影响,采用改进后的两点式外黑体定标法,实现了星上在轨辐射定标,长波和中波的平均亮温偏差均小于1 K,优于设计指标.     

FY-4A干涉式大气垂直探测仪（GIIRS）资料云检测技术

目前FY-4A/GIIRS资料同化中直接采用多通道扫描成像辐射计（AGRI）的云检测结果,云污染视场内全部通道被剔除,部分可用通道信息丢失。为了获得这些可用通道信息,基于McNally给出的云检测原理,利用GIIRS观测和RTTOV模拟晴空结果,结合GIIRS灵敏度等辐射特性,提出了自主的GIIRS云检测方法。结果表明：GIIRS与AGRI的云检测结果一致性较好,当GIIRS视场中存在细云或碎云时,二者存在一定差异;利用得到的云顶高度,可获得云污染视场中的可用通道,通道使用率增加13.76%。该云检测方法为GIIRS资料同化提供了重要参考。     

基于FY-3E星载红外观测的交叉定标匹配不确定性分析

星载红外高光谱传感器与多通道光谱传感器在轨交叉定标时能够提升数据精度和质量,交叉定标样本通常采用星下点交叉方式匹配筛选,包括空间、时间、观测几何角度和光谱匹配,匹配误差的不确定性将对最终交叉定标精度产生影响。采用FY-3E同平台红外高光谱大气探测仪HIRAS-II和中分辨率光谱成像仪MERSI-LL均匀晴空背景进行观测,根据视线向量匹配HIRAS-II星下点瞬时视场内的MERSI-LL像素,分别通过模拟视场偏移、观测天顶角偏差和光谱响应函数变化单独分析空间、观测几何角度和光谱匹配误差引入的匹配不确定度。结果表明,空间失配引起观测背景辐射亮温变化,偏移一半像元视场时的相对不确定度约为10%,达到一个像元时为25%～30%;观测几何角度失准引起光谱辐射亮温变化,观测天顶角偏移20°时的不确定度优于0.2%;光谱响应函数差异引起光谱等效辐射亮温变化,响应函数发生展宽时对吸收通道的不确定度最大约为2.5%,窗区通道为0.4%,收缩时的不确定度整体优于0.3%,平移引起的不确定度相对较小,移动5倍波长间隔时优于0.1%。     

FY-3气象卫星中分辨率光谱成像仪和扫描辐射计11μm红外窗区通道的比较

在中国新一代气象卫星风云三号搭载的遥感器中,不同遥感器设有相近的通道.针对扫描辐射计(VIRR)第四通道(波段范围10.3~11.3μm)和中分辨率光谱成像仪(MERSI)第五通道(中心波长11.25μm),应用精确的逐线辐射传输模式(LBLRTM)模拟计算了红外波段8~14μm大气顶向外出射的光谱辐射率,大气廓线采用ECMWF再分析产生的具有代表性的全球52条大气廓线数据集.结合上述两个通道的光谱响应函数,计算了卫星接收到的大气顶出射辐射,从理论上分析了两个通道观测亮温之间的关系.应用2008年9月青海湖辐射校正场FY-3实际观测数据,检验了两个通道的关系.比较结果表明:LBLRTM模拟计算得到的MERSI和VIRR两个红外窗区通道的亮温有较好的一致性和线性关系,MERSI稍低于VIRR,偏差随温度的升高而线性增加.实际观测数据受诸多因素的影响,通道对比结果与理论模拟有一定的差异,VIRR观测亮温低于MERSI.结合MODIS的观测数据,分别与两个通道的观测结果进行了对比,确认了VIRR可能较低地估计了温度,MERSI与MODIS的符合程度在温度探测的绝对精度范围之内.该研究结果有助于评价MERSI和VIRR两个红外相似通道观测结果的异同性.     

温度冲击下背向集成微透镜阵列红外探测器热应力分析

针对温度冲击下红外探测器芯片的高碎裂几率问题,借助ANSYS分析软件,对背向集成微透镜阵列锑化铟探测器热应力随阵列规模的演变规律、以及64×64大面阵探测器热应力及其分布进行了研究.首先针对8×8小面阵背向集成微透镜阵列锑化铟红外探测器进行热应力分析,得到芯片上最大应力值达到最小时探测器的结构参数.以此为探测器典型结构参数,使阵列规模从8×8倍增到64×64,从而在较短的时间内得到温度冲击下探测器中热应力随阵列规模的演变规律,以及64×64探测器的热应力值及其分布.结果表明:背向集成微透镜阵列锑化铟红外探测器最大应力值出现在锑化铟芯片上,并随阵列规模的增大近似呈线性增加,显示出热应力与阵列规模的相关性.在64×64红外探测器中,锑化铟芯片上表面热应力明显集中在微透镜边缘区域,铟柱阵列上表面热应力分布呈现出由外至内的环状梯度分布,而其它接触面上的热应力分布则呈现出明显的均匀性、集中性.     

77 GHz汽车角雷达宽波束平坦增益阵列天线设计

设计了一款基于波束赋形技术的宽波束、平坦增益平面阵列天线,用于汽车角雷达系统. 该阵列天线由三个1×10串馈线阵组成,串馈线阵采用单元不等间距分布的Dolph-Chebyshev天线综合法进行设计以降低副瓣. 为了满足汽车角雷达宽视场角（field of view,FOV）的需求,对平面阵列天线采用波束赋形技术以展宽方位面的波束宽度并提高增益的平坦度. 仿真与实测结果吻合较好,实测结果表明1×10线阵副瓣电平为?19.7 dB;3×10平面阵列天线的方位面3 dB波束宽度为106.4°,方位面增益平坦度可达?45°~45°,其最大增益为11.3 dBi.     

紧凑型偏视场多光路耦合同轴四反光学系统设计

随着轻小型卫星技术的不断发展,紧凑型光学载荷成为空间光学领域一个新的研究热点。偏视场多光路耦合同轴四反光学系统具有长焦距、大视场和高轻量化水平等优点,可以更好地满足光学载荷高分辨率、多功能性、轻小型和低成本的应用需求,因此在轻小型光学遥感载荷领域有着广泛的应用前景。以高斯光学和三级像差理论为基础,对同轴四反光学系统的初始结构进行了分析。以一种适用于推扫成像的偏视场可见光、中波红外耦合成像光学系统为例,实例中可见光通道焦距4 m,工作谱段0.45~0.85 μm,相对孔径1∶10,中波红外通道焦距1.6 m,工作谱段3.7~4.8 μm,相对孔径1∶4,各通道视场角均为1.4°×0.2°。同时对系统成像质量及公差进行了分析,从分析结果可以看出,各通道成像质量均接近衍射极限,系统光学总长优于f’_visible/5.48,具有较高的压缩比,且系统的加工和装配公差较为宽松,易于实现。     

新息增量法评估FY-3E/HIRAS-II观测质量

FY-3E/HIRAS-II作为世界上第一个晨昏轨道的星载红外高光谱仪器,评估其观测资料质量对提高资料同化分析场和全球数值天气预报精度具有十分重要的作用。本文基于2021年12月-2022年1月及2022年3月共35天的HIRAS-II观测,采用新息增量法检验了其在轨辐射观测资料质量,按陆地和洋面分别统计了O-B偏差和标准差的分布特征;进一步匹配相同时间段、相同区域的MetOp-B/IASI观测资料,使用双重差异的O-B法分析了HIRAS-II观测资料质量,可消除偏差中辐射传输模式模拟的影响。结果表明,不论海洋还是陆地,HIRAS-II长波与中波大部分通道的O-B平均偏差均小于0.5 K、标准差在1 K以内,陆地上标准差比洋面偏大（尤其是窗区通道）。664~665 cm^-1 CO₂吸收带和1 300~1 680 cm^-1 水汽吸收带,由于再分析资料的偏差引起RTTOV模拟的辐射值存在系统性误差,使得偏差较大;980~1 080 cm^-1 O₃吸收带和1 300 cm^-1 CH₄吸收带附近较大的偏差是由于辐射传输模式RTTOV中吸收气体浓度采用固定的气候廓线值造成的,这些波段与MetOp-B/IASI相比的double O-B偏差均趋近于0 K,说明O-B偏差主要是由于辐射传输模式模拟误差造成的,而不是仪器观测的质量低。短波大部分通道的O-B平均偏差在2 K~2 K之间,标准差在2 K以内。1 920 cm^-1附近通道由于是仪器中波与短波的交界处,采用的探测器不同造成较大的O-B偏差。2 267~2 380 cm^-1较大的偏差是由于RTTOV模拟亮温时没有考虑非局地热力平衡NLTE效应的影响。波数大于2 400 cm^-1的短波波段由于太阳污染使得偏差和标准差都逐渐增大。HIRAS-II O-B偏差随扫描角存在不对称现象,使用时需要进行扫描角偏差订正。     

红外卫星资料的云检测对台风数值模拟的影响

为提高红外卫星资料的利用率,需将更多的资料同化进入数值预报模式初始场,尽量减小云污染的影响。针对大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)卫星资料,用云检测方法识别了云顶高度。在验证该方法的有效性之后,在大范围卫星视场的含云区域中保留所有云顶以上的通道,并将这些通道的亮温数据同化进入数值预报模式初始场,通过对比分析不同方案下台风的模拟路径来评估云检测方法对台风数值模拟的影响。结果表明,该云检测方法的效果较好,检测出的晴空区及云区的分布与实际观测对应,检测得到的高云顶区域与台风云系的对应性较好。将云顶以上的通道亮温加以利用后,红外卫星资料的利用率得到很大提高,数据是原数据量的2.4倍。在台风路径模拟方面,同化云层以上的通道数据后,数据量的增加使路径模拟变得更精确了,与观测值明显接近。     

静止轨道微波辐射计在轨冷定标方案初探

地球静止轨道微波辐射计利用大气吸收频段对温湿度廓线探测,辐射计在轨采用冷空作为低温定标源。当反射器指向冷空获取宇宙背景辐射亮温时,太阳或其他星体会进入冷空观测视场,由于其亮温远远高于冷空辐射亮温2.73 K,一旦进入会严重影响冷空观测值。为充分有效利用辐射计观测数据,本文主要分析最大影响源太阳对冷空观测亮温的影响,初步给出一种静止轨道微波辐射计冷定标方案,使冷空观测亮温与背景标准值的最大偏差降低至0.04 K,同时也分析了月球和卫星本体等因素对冷空观测亮温的影响。     

红外双视场光学系统的初始结构求解

介绍了红外双视场光学系统的变焦理论和二次成像理论,利用高斯成像原理物像交换原则求解了各透镜组元的焦距及间隔,详细介绍了双分离镜组初始结构的求解方法.分析了利用PW方法进行求解的基本理论.最后根据上述理论设计了基于中波红外致冷型320×240元凝视焦平面阵列的红外双视场光学系统,并利用光学调制传递函数对其像质进行了评价....     

InAs/GaSb超晶格/GaSb体材料中短波双色红外探测器

采用GaSb体材料和InAs/GaSb超晶格分别作为短波与中波吸收材料,外延生长制备了NIPPIN型短中双色红外探测器。HRXRD及AFM测试表明,InAs/GaSb超晶格零级峰和GaSb峰半峰宽FWHM分别为17.57 arcsec和19.15 arcsec,10μm×10μm范围表面均方根粗糙度为1.82?。77 K下,SiO_2钝化器件最大阻抗与面积乘积值RA为5.58×10~5Ω?cm~2,暗电流密度为5.27×10~(-7)A?cm~(-2),侧壁电阻率为6.83×10~6Ω?cm。经阳极硫化后,器件最大RA值为1.86×10~6Ω?cm~2,暗电流密度为4.12×10~(-7)A?cm~(-2),侧壁电阻率为4.49×10~7Ω?cm。相同偏压下,硫化工艺使器件暗电流降低1-2个数量级,侧壁电阻率提高了1个数量级。对硫化器件进行了光谱响应测试,器件具有依赖偏压极性的低串扰双色探测性能,其短波通道与中波通道的50%截止波长分别为1.55μm和4.62μm,在1.44μm、2.7μm和4μm处,响应度分别为0.415 A/W、0.435 A/W和0.337 A/W。     

四片式10×中波双视场光学系统设计和分析

本文介绍了用于像素阵列为640×512、像元尺寸为17mm×17mm的红外中波制冷探测器的四片式双视场光学系统设计,用相同的4片透镜实现性能最优的系统(像元尺寸小)。光学系统采用轴向移动一片透镜实现两视场的切换,F/#为3,宽视场(WFOV)为18.18°×14.58°,窄视场(NFOV)为1.84°×1.46°。系统应用二元光学技术,采用光学设计软件Code V优化设计,在空间频率30 lp/mm处,宽、窄视场的MTF均大于0.35;经高低温下成像分析及二次项成像分析,本光学系统完全满足要求。     

面阵激光雷达多通道时间间隔测量系统研制

为解决APD面阵激光雷达多路激光飞行时间测量这一关键技术,研制了多通道高精度并行时间间隔测量系统。系统硬件由研制的4个基本测量单元和1个数据打包单元组成,系统软件采用事件驱动模式编程,利用循环FIFO和中断技术实现与上位机数据通信。被研发的测时系统应用于5×5光纤阵列耦合APD面阵激光雷达试验后,面阵激光雷达所有25个通道最大的距离标准偏差为4.22 cm,测距偏差为-6.41 cm~10.58 cm,达到面阵激光雷达测距精度要求。