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高光谱应用的带可调复位时间CDS的低噪声红外焦平面读出电路

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红外与毫米波学报 2024年第2期43卷 268-278页

作者：吴双梁清华陈洪雷丁瑞军中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049

低辐射量的高光谱应用对红外焦平面读出电路(ROIC)提出了低噪声的设计要求。相关双采样(CDS)是常用的减少噪声的结构。本文通过调节钳位和采样保持之间的时间间隔来改进CDS,可灵活消除低频噪声。采用180 nm CMOS工艺设计和制造了640×51... 详细信息

低辐射量的高光谱应用对红外焦平面读出电路(ROIC)提出了低噪声的设计要求。相关双采样(CDS)是常用的减少噪声的结构。本文通过调节钳位和采样保持之间的时间间隔来改进CDS,可灵活消除低频噪声。采用180 nm CMOS工艺设计和制造了640×512规模、15μm像元中心距的读出电路。输入级集成了低噪声CTIA与本文提出的可调复位时间CDS(AICDS),所设计的时序产生器使CDS复位时间可以延长0~270个时钟周期。通过延长复位时间减少这个时间间隔,噪声电子数可以由39 e^(-)减少到18.3 e^(-)。SPECTRE仿真结果和实验测试结果证实了提出的AICDS结构可以提升高光谱应用读出电路的噪声性能,因此可以广泛应用。

关键词：高光谱成像读出电路可调时间间隔 CTIA CDS 低噪声

基于卷积滤波的谱元法在长时程波场模拟中的应用

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红外高光谱大气探测仪(FY-3E/HIRAS-Ⅱ)在轨数据非线性校正方法

地球物理学报 2024年第5期67卷 1832-1838页

作者：任骏声张怀周元泽张振石耀霖中国科学院大学计算地球动力学重点实验室北京 100049

地震波波场数值模拟是深入认识复杂地下介质的重要手段.谱元法兼顾了有限元方法的传统优势,并提高了数值精度和稳定性,已成为目前地震波波场数值模拟中最常用的方法之一.随着超大规模并行计算的普及和发展,高分辨模拟所需的网格尺寸越... 详细信息

地震波波场数值模拟是深入认识复杂地下介质的重要手段.谱元法兼顾了有限元方法的传统优势,并提高了数值精度和稳定性,已成为目前地震波波场数值模拟中最常用的方法之一.随着超大规模并行计算的普及和发展,高分辨模拟所需的网格尺寸越来越小,网格规模越来越大,导致长时程模拟的大步长需求越来越高,成为倍受关注的研究热点.区别于传统的保结构算法,本文采用时间频散变换对时间离散引起的误差进行补偿,并引入空间滤波用于打破CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)条件对时间采样间隔的限制.为了克服谱元法中因为非均匀空间采样点引起的滤波频谱计算难题,本文采用空间卷积滤波替换传统频率域滤波,有效的降低了算法的计算需求.该滤波方法也适用于复杂起伏模型的波场模拟.将本文方法用于保结构算法,并针对四阶辛Nyström方法进行了测试,显著增大了四阶辛Nyström方法的时间采样步长.新方法可以有效的用于地球自由振荡的模拟以及其他需要长时程数值模拟的工作中.

关键词：长时程波场模拟卷积滤波谱元法 CFL条件数值稳定性

来源：博看期刊评论

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红外与毫米波学报 2024年第1期43卷 98-105页

作者：黄硕顾明剑胡勇杨天杭邵春沅张春明中国科学院红外探测与成像技术重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所上海200083 中国科学院大学北京100049

风云三号E星(FY-3E)搭载的高光谱大气探测仪(HIRAS-Ⅱ)能够实现大气的垂直探测,具有高光谱、高灵敏度、高精度的特点。仪器在轨之后由于仪器衰减和环境变化的原因产生非线性响应,影响在轨定标精度。针对非线性响应的问题,提出了一种基... 详细信息

风云三号E星(FY-3E)搭载的高光谱大气探测仪(HIRAS-Ⅱ)能够实现大气的垂直探测,具有高光谱、高灵敏度、高精度的特点。仪器在轨之后由于仪器衰减和环境变化的原因产生非线性响应,影响在轨定标精度。针对非线性响应的问题,提出了一种基于带内光谱的非线性校正方法。首先基于带外低频光谱的非线性特征求解非线性校正系数,将此系数作为初值输入到辐射定标模型中,以星上测量的黑体带内光谱与理想光谱的偏差为目标函数,通过迭代优化非线性校正系数。通过辐射定标实验得出,校正后的黑体亮温偏差明显低于未校正和基于带外光谱的校正方法。将HIRAS-Ⅱ的观测数据与IASI进行交叉比对并计算平均亮温偏差和偏差绝对值,经过带内校正法非线性校正后的亮温平均偏差为-0.13 K,优于带外校正方法。

关键词： HIRAS-Ⅱ 非线性校正在轨定标带内光谱

消除CDS折叠效应的增益自适应红外焦平面读出电路

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红外与激光工程 2024年第5期53卷 83-94页

作者：吴双张健怡陈洪雷丁瑞军中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外成像材料与器件重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049

高动态范围是红外焦平面探测技术的先进发展方向之一。高集成度像元读出电路的动态范围受到小电荷存储容量和噪声的限制。所设计的增益自适应像元读出电路,小信号下为电容反馈跨阻放大器(CTIA),大信号下自动转换为变阻抗电阻反馈跨阻放... 详细信息

高动态范围是红外焦平面探测技术的先进发展方向之一。高集成度像元读出电路的动态范围受到小电荷存储容量和噪声的限制。所设计的增益自适应像元读出电路,小信号下为电容反馈跨阻放大器(CTIA),大信号下自动转换为变阻抗电阻反馈跨阻放大器(RTIA),实现小信号大增益、大信号小增益的自动切换,将集成3.86 fF积分电容的CTIA电荷容量拓展到1.63 Me^(–)。在15μm像元中心距的像元内集成相关双采样(CDS)结构,大幅减小噪声。对CDS大信号注入产生的折叠效应进行理论分析,并设计抗折叠结构。采用180 nm 3.3V CMOS工艺,完成640×512规模的读出电路的设计、仿真、流片、测试。测试结果显示,该电路可消除CDS折叠效应,噪声电子数17 e^(–),动态范围拓展到99.66 dB。

关键词：红外焦平面读出电路增益自适应抗折叠CDS CTIA 高动态范围低噪声

镁铁-超镁铁岩的全岩和单矿物钴镍分布特征及其成矿指示

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岩石学报 2024年第8期40卷 2489-2502页

作者：崔梦萌苏本勋王静袁庆晗中国科学院矿产资源研究重点实验室中国科学院地质与地球物理研究所北京100029 中国科学院大学北京100049

本文对不同成因类型的镁铁-超镁铁岩石中全岩及主要造岩矿物中Co、Ni元素分布特征进行了总结,并探讨了不同类型地幔源区及其矿物元素含量差异对Co-Ni成矿的控制作用。结果表明,科马提岩的全岩Co(15×10^(-6)~250×10^(-6))、Ni(28×10^(... 详细信息

本文对不同成因类型的镁铁-超镁铁岩石中全岩及主要造岩矿物中Co、Ni元素分布特征进行了总结,并探讨了不同类型地幔源区及其矿物元素含量差异对Co-Ni成矿的控制作用。结果表明,科马提岩的全岩Co(15×10^(-6)~250×10^(-6))、Ni(28×10^(-6)~5045×10^(-6))含量均高于苦橄岩(Co=11×10^(-6)~177×10^(-6)、Ni=29.9×10^(-6)~2069×10^(-6))和玄武岩(Co=1.1×10^(-6)~300×10^(-6)、Ni=0.5×10^(-6)~2837×10^(-6)),表明地幔高程度部分熔融形成的熔体更加富集Co和Ni。地幔橄榄岩捕掳体的全岩Co(21×10^(-6)~220×10^(-6))和Ni(2.1×10^(-6)~4060×10^(-6))含量均显著高于辉石岩捕掳体(Co=7×10^(-6)~131×10^(-6)、Ni=4.58×10^(-6)~2311×10^(-6)),表明部分熔融过程中橄榄岩地幔源区相较于辉石岩地幔源区更容易形成富Co、Ni的玄武质岩浆。矿物学特征方面,地幔捕掳体中橄榄石的Co、Ni含量分别为41×10^(-6)~437×10^(-6)和148×10^(-6)~8970×10^(-6),尖晶石的Co、Ni含量分别为141×10^(-6)~745×10^(-6)和282×10^(-6)~9587×10^(-6),均高于共生的斜方辉石(Co=10×10^(-6)~364×10^(-6)、Ni=5.02×10^(-6)~4439×10^(-6))、单斜辉石(Co=4.09×10^(-6)~385×10^(-6)、Ni=11.1×10^(-6)~5931×10^(-6))和石榴子石(Co=0.47×10^(-6)~205×10^(-6)、Ni=0.09×10^(-6)~644×10^(-6))。同时,橄榄石和尖晶石的Co含量与其Ni/Co比值呈较好的负相关关系,而斜方辉石和单斜辉石的Co含量与其Ni/Co比值无明显相关性。这些特征表明部分熔融过程中尖晶石相地幔比石榴石相地幔更容易形成富Co、Ni的熔体。侵入岩中主要造岩矿物具有与地幔捕掳体中各矿物相一致的Co、Ni含量变化特征。这表明地幔部分熔融或岩浆结晶分异过程中,橄榄石和尖晶石是控制岩浆中Co、Ni含量的主要矿物相,并且可能造成岩浆中Co-Ni解耦,而斜方辉石和单斜辉石的熔融或结晶过程中Co-Ni倾向于共生。此外,蛇绿岩作为风化壳型镍矿床的成矿母岩,其橄榄岩和铬铁岩中尖晶石和橄榄石具有较高的Co和Ni元素含量,橄榄石的Ni(1280×10^(-6)~5789×10^(-6))含量明显高于尖晶石(229×10^(-6)~2616×10^(-6)),而其Co(41.2×10^(-6)~193×10^(-6))含量则明显低于尖晶石(176×10^(-6)~781×10^(-6)),表明风化过程中富集橄榄石的岩石更容易形成富Ni的风化壳型矿床,而富集尖晶石的岩石更容易贡献于风化壳型镍矿床中的Co矿化。

关键词：镁铁-超镁铁岩钴镍矿床造岩矿物钴-镍元素

基于辐射传输模型探究机载高光谱激光雷达的植被垂直生化组分探测能力

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光谱学与光谱分析 2024年第7期44卷 2083-2092页

作者：郝一硕牛沂芳王力毕恺艺中国科学院空天信息创新研究院遥感与数字地球重点实验室(中国科学院)北京100101 中国科学院大学北京100049

自然环境下的植被群落,由于各种群之间以及种群与环境间的竞争与选择,常呈现出一定的垂直结构,对于同一植株的不同生长阶段,在垂直方向也有着不同的生理生化参数。对这种三维立体分布特征进行探测,能够进行生态环境立体化定量评价,对森... 详细信息

自然环境下的植被群落,由于各种群之间以及种群与环境间的竞争与选择,常呈现出一定的垂直结构,对于同一植株的不同生长阶段,在垂直方向也有着不同的生理生化参数。对这种三维立体分布特征进行探测,能够进行生态环境立体化定量评价,对森林碳储量估算和生物多样性保护等具有重要意义。传统的被动光学遥感以及激光雷达在植被生化参数垂直探测方面有较大的局限性,而高光谱激光雷达(Hyperspectral LiDAR,HSL)这一新型探测仪器的出现为探测植被生理生化参数垂直分布提供了新的手段。但由于受到硬件方面的限制,HSL在机载平台下对森林复杂立体场景的适用性尚未得到充分研究。故首先基于HSL原型样机在实验室开展小尺度的室内测量,以火炬花植株为目标,验证其对空间信息和光谱信息的一体化提取能力;随后进一步使用三维辐射传输模型构建具有垂直异质性特征的森林场景,模拟机载HSL设备实现森林的高光谱三维点云提取,结合植被指数和随机森林模型对场景中三种不同植被冠层的叶绿素浓度和类胡萝卜素浓度进行反演。结果表明:室内实验证实了HSL回波信息可以有效区分植株不同高度处光谱曲线的差异,火炬花上部红色叶片和下部绿色叶片的归一化植被指数分别小于和大于0.5;基于三维辐射传输模型成功构建了虚拟森林场景的机载HSL高光谱三维点云,在得到的24组植被指数中,有17组指数表现出良好的探测精度(平均绝对百分比误差MAPE<13%);植被叶绿素反演模型R^(2)达到0.93,上层、中层和下层的平均绝对误差MAE分别为6.26、3.40和2.81;类胡萝卜素反演模型R^(2)为0.91,上层、中层和下层的MAE分别为1.59、2.58和0.39。该研究显示出HSL设备是一种立体化提取植被光谱信息的有效手段,在探测森林等复杂植被场景的生化组分垂直分布方面具有巨大的应用潜力。

关键词：森林立体场景机载高光谱激光雷达三维辐射传输模型植被生化组分

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南海洋脊跃迁的深地震探测数据分析

地球物理学报 2024年第6期67卷 2364-2377页

作者：全余杰关慧心赵明辉张佳政贺恩远程锦辉中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室中国科学院南海海洋研究所广州511458 中国科学院大学北京100049

洋脊跃迁事件是海底扩张阶段受强烈构造和岩浆作用的普遍现象,地球物理资料表明洋脊跃迁事件存在于南海多期次海底扩张过程中,然而关于洋脊跃迁的深部速度结构特征尚不清楚.2021年国家自然科学基金共享航次实施了深地震探测测线OBS2021... 详细信息

洋脊跃迁事件是海底扩张阶段受强烈构造和岩浆作用的普遍现象,地球物理资料表明洋脊跃迁事件存在于南海多期次海底扩张过程中,然而关于洋脊跃迁的深部速度结构特征尚不清楚.2021年国家自然科学基金共享航次实施了深地震探测测线OBS2021-1,该测线横穿南海东部次海盆洋脊跃迁(J3)区域.本文介绍了该测线数据的采集情况,完成了导航文件(Ukooa文件)的制作、原始数据的格式转换、炮点位置和海底地震仪(OBS)位置校正的前期数据处理工作.结果表明,OBS2021-1测线数据质量良好,经过炮点和OBS位置校正后,OBS综合地震记录剖面可识别出多组清晰的P波震相,包括Pw、Pg、PmP以及Pn震相.根据同船采集的多道地震处理解释和国际大洋发现计划(IODP)钻探数据,建立了沿测线的初始速度模型.使用RayInvr软件初步获得了OBS2021-1测线下方的正演速度结构模型,识别洋脊跃迁的深部速度结构特征.数据处理结果表明南海洋脊跃迁的地壳厚度增厚,在多道地震剖面上存在渐新世地层的缺失,为进一步研究南海洋脊跃迁过程与构建南海形成演化历史奠定了研究基础.

关键词：海底地震仪数据处理速度模型洋脊跃迁南海

铁还原细菌矿化产物及其对铁建造沉积的指示意义

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岩石学报 2024年第4期40卷 1299-1310页

作者：韩晓华潘永信中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

铁还原细菌是微生物诱导矿化的典范之一,它可以利用有机质或氢气作为电子供体还原三价铁,并在细胞外矿化形成多种含铁矿物,比如磁铁矿、菱铁矿、蓝铁矿和绿锈等矿物,从而广泛参与自然界中铁元素的生物地球化学循环过程。本文主要介绍铁... 详细信息

铁还原细菌是微生物诱导矿化的典范之一,它可以利用有机质或氢气作为电子供体还原三价铁,并在细胞外矿化形成多种含铁矿物,比如磁铁矿、菱铁矿、蓝铁矿和绿锈等矿物,从而广泛参与自然界中铁元素的生物地球化学循环过程。本文主要介绍铁还原细菌矿化产物的矿物特征、形成条件和影响因素。此外,通过实验室内建立严格厌氧的环境体系,以与微量元素共沉淀的水合氧化铁为底物,本研究分别利用Feap2+和铁还原细菌Shewanella oneidensis MR-4合成非生物成因和生物成因的磁铁矿,结果发现微量元素的存在会改变磁铁矿的形貌和粒径。结合前人提出的微生物可能参与铁建造沉积的过程,本文评估了微量元素作为识别矿物成因指标的有效性,探讨铁还原细菌矿化产物对铁建造沉积的潜在贡献。

关键词：铁还原细菌铁建造磁铁矿菱铁矿微量元素

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二维指向镜像旋校正及拼接方法

光学学报 2024年第12期44卷 217-224页

作者：李丹丹马超柴孟阳孙德新中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049

在卫星探测领域,为了扩大探测器的成像视场,研究人员提出了二维指向镜配合凝视成像的观测模式,二维指向镜具有体积小、质量轻的特点,能够实现全方位探测。由于二维指向镜绕俯仰轴和方位轴旋转,而探测器像面固定不动,这种工作模式会引入... 详细信息

在卫星探测领域,为了扩大探测器的成像视场,研究人员提出了二维指向镜配合凝视成像的观测模式,二维指向镜具有体积小、质量轻的特点,能够实现全方位探测。由于二维指向镜绕俯仰轴和方位轴旋转,而探测器像面固定不动,这种工作模式会引入像旋误差,如不加以校正将造成探测目标的离轴信息失真,无法得到探测目标的准确方位信息。为此,本文提出了一种二维指向镜像旋校正方法,根据像旋产生的光学机理,构建二维指向镜成像模型,通过对该模型的逆向推导实现像旋校正。此外针对卫星探测领域对大视场成像的需求,本文提出了一种像旋校正图像拼接方法,该方法不受图像之间重叠区域大小的限制,能够得到缝合紧密、自然的大视场图像拼接结果。最后,用探测器采集了一组九宫格像旋数据,并进行了像旋校正和图像拼接,结果表明,所提方法能够成功校正图像的像旋畸变并得到完整的大视场拼接图像。

关键词：二维指向镜像旋图像拼接大视场

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