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1.27 μm O_(2)(a^(1)Δ g)气辉临边观测辐射传输特性

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光谱学与光谱分析 2024年第4期44卷 1088-1097页

作者：王道琦王后茂何微微胡向瑞李娟李发泉武魁军烟台大学物理与电子信息学院山东烟台264005 中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院湖北武汉430071

1.27μm波段的O_(2)(a^(1)Δg)气辉辐射具有辐射信号强、空间跨度大、自吸收效应弱等诸多内禀优势,是临近空间大气遥感的重要目标源,对于中高层大气的动力学及热学特性研究,全球温室气体探测,以及臭氧浓度三维层析等卫星遥感具有重要的... 详细信息

1.27μm波段的O_(2)(a^(1)Δg)气辉辐射具有辐射信号强、空间跨度大、自吸收效应弱等诸多内禀优势,是临近空间大气遥感的重要目标源,对于中高层大气的动力学及热学特性研究,全球温室气体探测,以及臭氧浓度三维层析等卫星遥感具有重要的科学意义和应用价值。首先基于O_(2)(a^(1)Δg)光化学反应模型,研究了O_(2)(a^(1)Δg)气辉的产生机制及湮灭机理,在此基础上,计算得到了O_(2)(a^(1)Δg)气辉体辐射率廓线,并基于HITRAN数据库给出的谱线强度及爱因斯坦系数,提出了两种计算O_(2)(a^(1)Δg)气辉光谱分布的方法。采用最新的分子光谱参数、光化学反应速率常数及F10.7太阳紫外通量等参数,结合光化学反应模型计算得到的O_(2)(a^(1)Δg)气辉体辐射率廓线信息,借助逐线积分算法,建立了1.27μm O_(2)(a^(1)Δg)气辉临边观测辐射传输理论模型,并分析了自吸收效应对不同临边观测高度处气辉辐射光谱强度的影响。然后,利用剥洋葱算法,对大气图像扫描成像吸收光谱仪(SCIAMACHY)在临边观测模式下测得的O_(2)分子近红外大气带的气辉辐射信号进行处理得到了目标层O_(2)(a^(1)Δg)气辉辐射光谱,并通过谱积分算法反演得到了O_(2)(a^(1)Δg)气辉的体辐射率廓线信息。最后通过对比气辉临边观测辐射传输理论模型计算得到的以及SCIAMACHY仪器测量反演得到的1.27μm O_(2)(a^(1)Δg)辐射光谱及体辐射率廓线信息,验证1.27μm O_(2)(a^(1)Δg)气辉临边观测辐射传输理论模型的可靠性与合理性。基于比对结果,对O_(2)(a^(1)Δg)气辉临边辐射强度和体辐射率的影响因素进行了分析。分析结果表明,在50 km以上的高空区域,理论计算结果与卫星实测结果吻合性较好,而随着海拔高度的降低,两者的偏差逐渐增大,这是因为在临边观测模式下,中低空区域的卫星遥感信号受自吸收效应及大气散射效应影响严重。此外,与HITRAN数据库给出的谱线强度参数相比,基于爱因斯坦系数建立的O_(2)(a^(1)Δg)气辉临边辐射模型与卫星实测结果更加吻合。1.27μm O_(2)(a^(1)Δg)气辉临边观测辐射传输理论模型的建立,对于临近空间大气遥感,奠定了理论基础。

关键词： O_(2)(a^(1)Δg)气辉体辐射率临边观测辐射传输理论模型

基于O_(2)分子1.27μm气辉反演临近空间温度廓线的新方法

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红外与毫米波学报 2024年第2期43卷 215-225页

作者：王道琦王后茂胡向瑞何微微李发泉武魁军烟台大学物理与电子信息学院山东烟台264005 中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院湖北武汉430071

1.27μm波段O_(2)(a^(1)Δg)气辉的辐射强度高、自吸收效应弱,是反演临近空间大气温度的理想目标源。基于O_(2)分子气辉光谱理论以及“剥洋葱”算法,利用扫描成像大气吸收光谱仪(SCIAMACHY)的近红外临边观测数据,成功反演50~100 km区域... 详细信息

1.27μm波段O_(2)(a^(1)Δg)气辉的辐射强度高、自吸收效应弱,是反演临近空间大气温度的理想目标源。基于O_(2)分子气辉光谱理论以及“剥洋葱”算法,利用扫描成像大气吸收光谱仪(SCIAMACHY)的近红外临边观测数据,成功反演50~100 km区域的大气温度廓线。与SABER、ACE-FTS及激光雷达的观测结果对比表明,在55~85 km的切线高度范围内温度测量误差优于±10 K,而在55 km以下与85 km以上空间区域,由于受到自吸收效应、大气散射以及OH气辉的光谱污染等干扰,温度反演结果出现显著偏差。

关键词：临近空间 O_(2)(a^(1)Δg)气辉临边观测剥洋葱算法温度反演

MIGHTI对中间层-低热层大气温度廓线的反演与验证

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MIGHTI对中间层-低热层大气温度廓线的反演与验证

作者：胡向瑞烟台大学

学位级别：硕士

中间层-低热层（Mesosphere and Lower Thermosphere,MLT）通常指距地球表面90～140 km的空间区域。准确探测MLT区域温度具有重要的科学意义以及应用价值。近几十年来,地基、天基和空基等不同探测手段为反演中高层大气温度场提供了重要... 详细信息

中间层-低热层（Mesosphere and Lower Thermosphere,MLT）通常指距地球表面90～140 km的空间区域。准确探测MLT区域温度具有重要的科学意义以及应用价值。近几十年来,地基、天基和空基等不同探测手段为反演中高层大气温度场提供了重要的途径。然而,针对MLT区域,以往的温度探测手段仍存在着空间覆盖不足以及温度探测精度低等问题。2019年,美国NASA发射的电离层连接探索卫星（Ionospheric Connection Explorer,ICON）上搭载的迈克尔逊全球高分辨率热层成像干涉仪（Michelson Interferometer for Global High-resolution Thermospheric Imaging,MIGHTI）,使用五个不同波长的离散通道（754.1、760.0、762.8、765.2、和780.1 nm）对O A波段气辉辐射强度进行测量,给MLT区域大气温度的反演带来了新的机遇。然而,目前针对MIGHTI数据的MLT温度高精度、全覆盖反演模型尚且缺乏。因此,本研究将以MLT区域的大气温度为研究对象,以MIGHTI为数据源,基于MIGHTI采样通道对大气温度的响应特征,构建MLT温度反演模型。研究成果将丰富MLT大气温度反演方法体系,为MLT区域的大气研究提供温度数据支撑。本文围绕MIGHTI光谱通道对MLT温度的响应特征、MIGHTI光谱通道目标层强度提取方法以及MLT温度反演模型构建进行了研究。主要研究成果和结论如下:（1）基于O A波段气辉的温度反演原理以及大气辐射传输模型,系统分析了MIGHTI光谱通道采集得到的O A波段对MLT温度的响应特征。结果显示,B、C、D三个光谱通道对MLT区域温度变化最为敏感,且随温度变化的响应趋势并不相同。基于此,可利用MIGHTI的B、C、D光谱通道响应特征的差异进行温度廓线的反演。（2）基于MIGHTI不同通道对温度的响应特征,校正了MIGHTI滤光片的中心波长偏移,构建了MLT温度比值反演模型。首先利用“剥洋葱”算法对MIGHTI临边光谱强度逐层分析获得目标层的相对强度,然后在不同的高度层选取合适的MLT温度反演曲线对MIGHTI探测通道的滤光片中心波长偏移进行校正,建立了MLT温度比值反演模型。（3）基于MIGHTI观测数据和MLT温度的非线性关系,构建了优化的BP神经网络MLT大气温度快速反演模型GA-BP。首先利用遗传算法优化了BP神经网络模型,然后利用“剥洋葱”算法得到的目标层强度数据与比值反演模型得到的大气温度数据特征作为模型的输入对GA-BP模型进行学习训练,获取了最优的神经网络模型参数。（4）系统验证了比值和GA-BP反演模型对MLT温度反演的有效性。滤光片中心波长校正后,比值模型反演的MLT温度相对误差从40%降低至10%。同时,利用比值模型反演的MIGHTI两个视场的温度具有高度自一致性（相关系数R=0.99、均方根误差RMSE=17）。将比值模型的反演结果与大气模式2.0对比,两者在全球尺度上的温度分布基本一致。与ICON官方数据同SABER、ACE卫星以及激光雷达的温度产品对比,比值反演模型不仅具有较高的准确性（R、RMSE与平均温度偏差均优于ICON数据）,同时能够补充MIGHTI温度产品在120～140 km垂直以及大西洋区域水平空间覆盖上的不足。将GA-BP神经网络模型与比值反演模型进行对比,表明GA-BP结果具有较高的准确性（R=0.99、RMSE=8.96）,同时GA-BP神经网络模型的反演速度是比值反演模型的28倍,验证了其快速反演MLT温度的有效性。反演不确定分析表明,模型温度反演误差在92 km处约为2 K,在130 km处达到7 K。

关键词：中间层-低热层温度反演气辉辐射临边观测 BP神经网络

MIGHTI/ICON卫星的中高层大气温度反演与验证

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光学学报 2023年第12期43卷 55-63页

作者：胡向瑞李发泉王后茂张子豪郭建军武魁军何微微烟台大学物理与电子信息学院山东烟台264005 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院湖北武汉430071 中国科学院国家空间科学中心北京100190

中间层顶-低热层区域是地球大气中重要的空间区域。基于剥洋葱算法及氧分子气辉光谱理论,利用迈克耳孙全球高分辨率热层成像干涉仪(MIGHTI)测量的O2-A波段气辉辐射强度图像,反演得到海拔为92~140 km的大气温度廓线。首先,根据氧分子气... 详细信息

中间层顶-低热层区域是地球大气中重要的空间区域。基于剥洋葱算法及氧分子气辉光谱理论,利用迈克耳孙全球高分辨率热层成像干涉仪(MIGHTI)测量的O2-A波段气辉辐射强度图像,反演得到海拔为92~140 km的大气温度廓线。首先,根据氧分子气辉光谱理论,结合MIGHTI仪器参数,计算了其各光谱通道信号强度随温度的变化关系;然后,利用剥洋葱算法提取各光谱通道的目标层信号强度,并结合信号强度与温度的函数关系,反演得到大气温度廓线;最后,通过与SABER卫星的观测结果及NRLMSIS-00大气模型的仿真数据的对比,验证了MIGHTI温度反演的可靠性与合理性。误差分析结果表明,MIGHTI的温度探测误差随高度增加而增大,在92 km处为1 K,在140 km处为13 K。

关键词：大气光学温度反演气辉辐射临边观测剥洋葱算法

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临近空间星载测风干涉仪覆盖性分析

红外与激光工程 2023年第10期52卷 236-246页

作者：文镇清冯玉涛傅頔朱军王超中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室陕西西安710119 中国科学院大学北京100049 航天东方红卫星有限公司北京100094

星载测风干涉仪采用临边观测模式测量大气气辉谱线的多普勒频移来实现大气风场探测,干涉仪有效覆盖性会受到探测目标源及卫星平台模式的限制,在卫星任务规划前端对观测数据进行分析,判断其是否满足科学目标,对风场数据应用具有重要意义... 详细信息

星载测风干涉仪采用临边观测模式测量大气气辉谱线的多普勒频移来实现大气风场探测,干涉仪有效覆盖性会受到探测目标源及卫星平台模式的限制,在卫星任务规划前端对观测数据进行分析,判断其是否满足科学目标,对风场数据应用具有重要意义。首先,建立了临边观测几何模型,对卫星运行期间仪器的临边切点分布情况进行仿真;其次,探讨了影响仪器有效观测的主要因素,并以昼气辉探测为例,分析在不同时段下,太阳入射角与干涉仪有效时空覆盖性之间的关系;最后使用分离变量法研究卫星轨道参数对测风干涉仪有效覆盖性的影响,并评估不同轨道参数下的干涉仪对欧亚大陆的覆盖百分比。结果表明:1)影响仪器有效观测的因素主要为太阳天顶角和太阳散射角,太阳入射角影响切点纬度覆盖范围和切点地方时;2)卫星轨道倾角和轨道高度共同决定仪器有效覆盖效率,且轨道倾角为欧亚大陆覆盖百分比的主要影响因素,当轨道倾角在60°~80°之间时,覆盖百分比可达到百分百。文中为星载干涉仪的后续设计及性能评估提供了观测几何框架,实现了载荷观测覆盖效能的定量分析,且该模型具备泛用于其他各类大气光学遥感载荷观测模式分析的能力。

关键词：星载测风干涉仪临边观测数据有效性覆盖性覆盖百分比

星载多普勒差分干涉仪杂散辐射分析与抑制技术研究

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星载多普勒差分干涉仪杂散辐射分析与抑制技术研究

作者：李俊杰中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

风场是表征大气特征的重要参数,60～90 km中层大气风场探测在航天任务的顺利进行、空间科学研究、精准的天气预报等方面具有重要意义。多普勒差分干涉仪基于多普勒效应,通过探测目标谱线的多普勒频移测量风速,具有高灵敏度、高光谱分辨... 详细信息

风场是表征大气特征的重要参数,60～90 km中层大气风场探测在航天任务的顺利进行、空间科学研究、精准的天气预报等方面具有重要意义。多普勒差分干涉仪基于多普勒效应,通过探测目标谱线的多普勒频移测量风速,具有高灵敏度、高光谱分辨率、大光通量、加工装调精度要求低的特点。星载多普勒差分干涉仪采用临边观测模式,不受天气和地理的限制,可进行全球尺度全天候遥感探测,同时具备高空间覆盖率和高垂直分辨率的特点。但在该观测模式下,能量较强的低层大气背景辐射靠近观测视场,容易引起严重的杂散光问题。为保证仪器测风精度,需要对星载多普勒差分干涉仪进行杂散光分析并设计相应的抑制结构。本文以500 km轨道高度的用于60～90 km大气风场探测的近红外多普勒差分干涉仪系统为研究对象,分析了其杂散光来源和特性、设计了相应的抑制结构并评估了抑制效果。首先,根据星载多普勒差分干涉仪原理和观测模式,将其面临的杂散光分为视场外非成像杂散光和视场内成像杂散光。视场外非成像杂散光为大气背景辐射,视场内成像杂散光主要为视场内鬼像和闪耀光栅非工作级次能量。其次,为抑制视场外非成像杂散光,计算仪器在工作轨道和观测几何下接收到的大气背景辐射。通过仿真仪器轨道和观测几何,建立观测模型,输出观测点经纬度、太阳星下点经纬度、目标点经纬度等轨道数据。选取特征观测线在81种大气环境（9种气溶胶类型,9种地表类型）下分别在春分、夏至、秋分、冬至计算大气背景辐射,结果表明选择海军海洋型气溶胶并地表覆盖云层时,大气背景辐射最强,总辐亮度最大值出现在轨道昼半球中间时段。为保证仪器能够全天候工作,选择海军海洋型气溶胶并地表覆盖云层,计算仪器在-30～100 km（负值表示观测线与地球相交）面临的最强大气背景辐射,结果表明大气背景辐射随高度降低持续增强,20 km以下大气背景辐射将达到观测范围内平均气辉辐亮度的1～8倍。最后,对星载多普勒差分干涉仪进行杂散光抑制设计和效果评价。对于视场外非成像杂散光,根据计算出的大气背景辐射强度,选择遮光罩抑制的云顶高度,设计遮光罩并添加挡光环。对于视场内成像杂散光,分析系统内关键面并设计抑制结构,仿真闪耀光栅非工作级次光路并分析其对干涉图的影响。通过计算点源透过率曲线和仿真像面照度图评价杂散光抑制效果,点源透过率曲线表明,在水平方向和对角线方向的视场外0.2°处,以及竖直方向的视场外0.04°处,多普勒差分干涉仪点源透过率下降到10以下。像面照度图表明大气背景辐射和鬼像能量占像面能量的1.35%。结果表明,所提杂散光抑制措施是有效的,能够满足对60～90 km进行风场探测的星载多普勒差分干涉仪对杂散光抑制的技术要求。

关键词：多普勒差分干涉仪大气背景辐射杂散光遮光罩临边观测

空间遥感仪器探测器工作温度对信噪比的影响分析

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光谱学与光谱分析 2012年第3期32卷 786-789页

作者：李占峰王淑荣黄煜中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院研究生院北京100049

临边观测是一种新的空间大气遥感探测方式,但大气散射光谱辐射随临边高度的增加而迅速减弱。所以信噪比是临边遥感仪器的关键性能指标。在深入分析典型仪器信号光谱辐射传输特性和噪声来源的基础上建立了随探测器制冷温度变化的信噪比模... 详细信息

临边观测是一种新的空间大气遥感探测方式,但大气散射光谱辐射随临边高度的增加而迅速减弱。所以信噪比是临边遥感仪器的关键性能指标。在深入分析典型仪器信号光谱辐射传输特性和噪声来源的基础上建立了随探测器制冷温度变化的信噪比模型,并在一台临边遥感光谱仪原理样机上模拟试验验证了空间环境下临边高度70km处的信噪比,理论分析和实验结果一致表明:探测器制冷到一定温度时,仪器的信噪比达到了一个极限值。在综合考虑功耗、散热等问题的基础上获得了探测器的最优工作温度。

关键词：大气遥感信噪比探测器制冷临边观测辐射传输

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用于大气临边探测的紫外全景成像仪光学设计

光学学报 2013年第4期33卷 180-184页

作者：薛庆生王淑荣中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033

发展紫外全景成像仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求。提出一种紫外全景成像仪光学设计思路,利用桶形畸变和光阑像差改善像面照度的均匀性,根据应用要求采用折反式结构,设计了一个中心波长在360nm,带宽为10nm,视场为360°×(70.9°～7... 详细信息

发展紫外全景成像仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求。提出一种紫外全景成像仪光学设计思路,利用桶形畸变和光阑像差改善像面照度的均匀性,根据应用要求采用折反式结构,设计了一个中心波长在360nm,带宽为10nm,视场为360°×(70.9°～73.3°),焦距为5mm,相对孔径为1…3.3的紫外全景成像仪光学系统。在奈奎斯特频率38.5lp/mm处,调制传递函数大于0.72,点列图半径的均方根(RMS)值小于1/2pixel,80%的能量集中在一个像素内,f-θ畸变小于0.05%,像面照度均匀性达到89%,各项指标均满足设计要求。此系统结构紧凑,适合空间大气遥感应用。分析结果表明,该紫外全景成像仪光学设计思路是可行的,可推广到其他波段应用,对全景成像仪的设计具有指导意义。

关键词：光学设计紫外全景成像仪光阑像差大气遥感临边观测

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临边成像光谱仪的发展现状与进展

中国光学 2013年第5期6卷 692-700页

作者：张晶王淑荣黄煜薛庆生李博中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

介绍了临边观测模式的探测原理及其特点,给出了美国、欧洲等发达国家关于临边成像光谱仪的研究状况,并列出了各临边成像光谱仪的核心设计方案及具体的技术指标。最后,介绍了国内唯一一例临边成像光谱仪的开展情况,包括设计方案到技术指... 详细信息

介绍了临边观测模式的探测原理及其特点,给出了美国、欧洲等发达国家关于临边成像光谱仪的研究状况,并列出了各临边成像光谱仪的核心设计方案及具体的技术指标。最后,介绍了国内唯一一例临边成像光谱仪的开展情况,包括设计方案到技术指标。通过对比分析国内外临边成像光谱仪的研究进展,为我国进一步提高临边成像光谱仪的性能及技术指标提供了理论基础。

关键词：临边成像光谱仪临边观测大气遥感探测