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透视地球——新一代对地观测技术

遥感学报 2024年第3期28卷 529-540页

作者：周翔潘洁吴一戎中国科学院空天信息创新研究院北京100094

地球系统的观测正从看清地球的样貌深入拓展到探测、分析、认知地球圈层的内在。基于天基、空基、陆基等观测平台,利用电磁、微波、激光和重力等穿透性、多维度、高密度的新型透视遥感探测前沿技术,“透视地球”对大气圈、水圈、生物圈... 详细信息

地球系统的观测正从看清地球的样貌深入拓展到探测、分析、认知地球圈层的内在。基于天基、空基、陆基等观测平台,利用电磁、微波、激光和重力等穿透性、多维度、高密度的新型透视遥感探测前沿技术,“透视地球”对大气圈、水圈、生物圈、岩石圈等地球空间物理要素、内部结构及其演变过程进行精细、综合探测,获取地球各圈层更“精确”、更“深层”的信息,成为新一代对地观测技术发展的积极探索和重要方向。本文阐述了透视地球的概念和内涵,依据“透视方法—载荷集成—探测试验—参数反演—效能验证”的设计思路,提出透视地球原型系统的构建方案。通过多谱段耦合、多物理量融合,提升空基跨平台协同探测能力,改进遥感观测的信息维度、尺度和密度,以透视视角拓展人类对各圈层的认知边界,推动地球系统重大科学问题的突破,提升人类进行资源开发与利用、预测应对极端天气事件及环境变化的能力。

关键词：透视地球遥感对地观测大气森林固体地球海洋

电子温度各向异性对螺旋波m=1角向模功率沉积特性的影响

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物理学报 2024年第7期73卷 262-270页

作者：李文秋唐彦娜刘雅琳王刚中国科学院空天信息创新研究院北京100190 中国科学院大学北京100049

采用一般的径向密度非均匀分布假设,借助温等离子体介电张量模型,利用磁化等离子体中电磁波的一般色散关系,在高密度峰值、低磁场、低气压典型参量条件下,重点分析了电子温度各向异性对螺旋波m=1角向模功率沉积特性的影响.研究结果表明... 详细信息

采用一般的径向密度非均匀分布假设,借助温等离子体介电张量模型,利用磁化等离子体中电磁波的一般色散关系,在高密度峰值、低磁场、低气压典型参量条件下,重点分析了电子温度各向异性对螺旋波m=1角向模功率沉积特性的影响.研究结果表明:在典型螺旋波等离子体电子温度范围(3,8)e V内,电子有限拉莫尔半径效应应当予以考虑,而离子有限拉莫尔半径效应可以忽略.低磁场条件下|n|>1次回旋谐波对介电张量元素的贡献可以忽略.碰撞阻尼在功率沉积中占据主导地位,功率沉积在偏离等离子体柱中心轴的某一径向位置出现峰值,随着轴向电子温度T_(e,z)的增大,功率沉积强度逐渐增强.相比等离子体温度各向同性情形,等离子体温度各向异性显著改变了螺旋波m=1角向模的功率沉积特性,电子温度各向异性因子χ=T_(e,⊥)/T_(e,z)的增大或减小均导致功率沉积强度发生剧烈改变.

关键词：螺旋波等离子体各向异性传播特性功率沉积

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基于低频外差干涉的光纤环形器重合度检测

物理学报 2024年第8期73卷 138-147页

作者：戴玉张文喜孔新新沈杨翊徐豪张晓强中国科学院空天信息创新研究院北京100094 中国科学院大学光电学院北京101400

光纤点衍射环形器是激光相干多普勒测振系统中光纤光路和空间光光路耦合的关键器件,其耦合效率等性能参数对测振系统测量准确度和测量距离的提升具有重要意义.常规环形器重合度检测采用能量监测法和远场重合度监测法,不能对光纤失配因... 详细信息

光纤点衍射环形器是激光相干多普勒测振系统中光纤光路和空间光光路耦合的关键器件,其耦合效率等性能参数对测振系统测量准确度和测量距离的提升具有重要意义.常规环形器重合度检测采用能量监测法和远场重合度监测法,不能对光纤失配因素进行定量分析,环形器耦合效率的一致性无法保障.针对上述问题,提出了一种基于低频外差干涉的相位检测技术,利用干涉相位信息进行光纤相对姿态解算,可有效解决光纤环形器重合度定量检测的问题.对不同光纤相对姿态形成的干涉波前进行了仿真分析和实验验证,给出了光纤相对横向位移、纵向位移和光轴偏离角度与干涉相位PV(peak-to-valley)值、Zernike系数和环形器耦合效率间的规律,实现了干涉相位到光纤失配因素的分离解算,解算结果可指导光纤相对姿态的调整.最后通过实验验证了该技术的可行性,结果表明该技术对于光纤横向位移的检测精度优于1μm,为提升光纤环形器重合度提供了新的检测途径.

关键词：光纤失配对准误差外差干涉测量耦合效率

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国产高可靠高功率纳秒绿光激光器的新进展

科学通报 2024年第11期69卷 1399-1400页

作者：樊仲维刘昊邱基斯陈艳中王昊成王天齐刘悦亮孙凯华中国科学院空天信息创新研究院北京100094 中国科学院大学北京101408

空间碎片已对航天事业甚至国家安全构成极大威胁[1,2].激光探测技术是空间碎片精密测量最直接有效的手段,探测原理遵循雷达方程,因而对于特定的激光测距系统,望远镜口径、光学传输效率、探测器效率等已基本固定,提高激光器性能成为提升... 详细信息

空间碎片已对航天事业甚至国家安全构成极大威胁[1,2].激光探测技术是空间碎片精密测量最直接有效的手段,探测原理遵循雷达方程,因而对于特定的激光测距系统,望远镜口径、光学传输效率、探测器效率等已基本固定,提高激光器性能成为提升探测成功率的最根本途径.高功率纳秒激光器作为空间碎片探测系统的核心光源,激光重复频率和峰值能量密度决定了探测距离和精度,尺寸影响系统集成化程度.

关键词：激光探测技术雷达方程绿光激光器重复频率探测距离光学传输激光测距系统空间碎片

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系留气球结构参数对稳态响应的影响研究

空天技术 2024年第3期2024卷 103-112页

作者：庞策王谦杨纯祎姜毅何泽青中国科学院空天信息创新研究院中国科学院大学

针对系留气球系统结构参数对系留气球稳态响应影响的研究不足，本研究应用CFD方法计算出外部稳定流场作用于系留气球体心的稳态气动力系数，采用“弹簧-质点”模型对缆绳进行数学建模，建立了系留气球系统稳态平衡方程，并给出求解方法... 详细信息

针对系留气球系统结构参数对系留气球稳态响应影响的研究不足，本研究应用CFD方法计算出外部稳定流场作用于系留气球体心的稳态气动力系数，采用“弹簧-质点”模型对缆绳进行数学建模，建立了系留气球系统稳态平衡方程，并给出求解方法以及通过实验验证了其正确性，分析了载荷重心位置、球体初始俯仰角以及主系点位置等参数对系留气球稳态响应的影响规律。得出系留气球在风场中理想的稳态响应为俯仰角随着风速增大而不变或略微减小，并对此提出新的球体气动特性优化设计要求：在保证气动力系数尽可能小的前提下，通过优化球体形状使得升阻比增大、俯仰力矩系数减小。

关键词：系留气球稳态响应迎风低头载荷重心数值仿真

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

超光谱热红外数据通道选择方法在O_(3)和CH_(4)廓线反演中的应用

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遥感学报 2024年第2期28卷 385-397页

作者：姚微源张贝贝王宁马灵玲钱永刚王新鸿李传荣唐伶俐中国科学院空天信息创新研究院定量遥感信息技术重点实验室北京100094

与高光谱热红外数据相比,超光谱热红外数据中包含了臭氧(O_(3))和甲烷(CH_(4))在大气垂直剖面上更多的状态信息,为提升O_(3)和CH_(4)廓线的反演精度提供了可能。然而,超光谱热红外数据通道之间的间隔较窄,这在给数据引入一些特有可反演... 详细信息

与高光谱热红外数据相比,超光谱热红外数据中包含了臭氧(O_(3))和甲烷(CH_(4))在大气垂直剖面上更多的状态信息,为提升O_(3)和CH_(4)廓线的反演精度提供了可能。然而,超光谱热红外数据通道之间的间隔较窄,这在给数据引入一些特有可反演信息的同时还引入了大量的相似信息,这些特征均无法被现有的基于高光谱热红外数据的通道选择方法识别。为了保证超光谱热红外数据反演O_(3)和CH_(4)廓线的效率和精度,我们提出了一种基于大气灵敏度和雅可比剖面的通道优选方法(OWSP法)。该方法首先通过分析通道对不同气体的灵敏度情况,优选出受其他气体干扰较小的通道为初选通道;其次,深度分析通道雅可比特征后提出了优化雅可比矩阵的策略,具体为将通道雅可比量化为表征通道信息容量的因素,并采用迭代的方法获取最终的通道选择结果。本文将OWSP方法应用在阿拉善、北京—天津、长江三角洲和珠江三角洲4个典型地区的冬夏季大气条件下,与常用的最佳灵敏度法(OSP法)相比,OWSP方法所选的通道集合中冗余信息少,同时也可以识别一些具有特殊有效信息但灵敏度相对较低且受其他干扰因素干扰较大的通道。反演结果进一步表明,在多数情况下,OWSP方法可以有效提升廓线的反演精度,O_(3)廓线的平均反演精度提高了9.30%,CH_(4)廓线的平均反演精度提高了4.90%。本文能为中国超光谱热红外载荷开发以及数据应用提供必要的技术支撑,具有重要的理论和应用价值。

关键词：遥感热红外数据超光谱通道选择雅可比气体敏感性 O_(3)和CH_(4)廓线反演

微波光子SAR最优子带融合的全分辨伪彩图生成方法

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雷达学报（中英文） 2024年第2期13卷 485-499页

作者：海宇刘玲李中余蒲巍王晓婷武俊杰李王哲李若明黄钰林杨建宇电子科技大学信息与通信工程学院成都611731 中国科学院空天信息创新研究院北京100094 中国科学院空天信息创新研究院微波成像技术重点实验室北京100190

微波光子(MWP)雷达是一种通过光子器件对传统微波雷达硬件架构进行改进的新型雷达系统。借助光子器件卓越的物理特性,MWP雷达能够发射超宽带、高线性度的高质量线性调频信号,从而实现对目标的超高分辨率探测与成像。在目标成像与探测过... 详细信息

微波光子(MWP)雷达是一种通过光子器件对传统微波雷达硬件架构进行改进的新型雷达系统。借助光子器件卓越的物理特性,MWP雷达能够发射超宽带、高线性度的高质量线性调频信号,从而实现对目标的超高分辨率探测与成像。在目标成像与探测过程中,不同结构和特性的目标区域对不同频率信号的响应存在差异。因此,微波光子雷达具备通过散射差异生成伪彩图像的潜力,从而进一步提升微波光子合成孔径雷达(MWP-SAR)的信息获取能力。传统的遥感技术生成的伪彩图像分辨率较低,无法达到厘米级的分辨。因此,该文提出了一种在保证MWP-SAR高分辨率的前提下合成伪彩图像的方法。该算法首先建立了最优子带回波搜索模型,随后采用最优子带搜索算法对超宽带回波进行处理,以获取散射特性相差最大的子带回波通道。再对多子带差异图像进行色彩合成,通过这一处理步骤,能够生成对目标散射特性最佳描述的伪彩图像。同时,为了确保MWP-SAR的分辨率不受到损失,建立了一个融合模型,将全分辨率的SAR图像与多子带图像相融合,以维持伪彩图像的高分辨率。最终,通过实测的机载MWP-SAR数据成功地合成了全分辨率的伪彩色图像,从而验证了该算法的有效性。该算法可以使得MWP-SAR在成像时获取更多的目标信息,为成像雷达微波视觉的实现提供辅助。

关键词：微波光子(MWP) 合成孔径雷达(SAR) 伪彩色图像目标散射特性最优子带

基于NSGA-Ⅲ的机载雷达空空射频隐身探测参数设计

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系统工程与电子技术 2024年第1期46卷 97-104页

作者：刘俊崔宁谢佳昕行坤中国科学院空天信息创新研究院北京100094 中国科学院大学电子电气与通信工程学院北京100049

目标探测任务要求雷达具备较大的发射功率,但这又会增大其辐射特征,从而降低射频(radio frequency,RF)隐身性能,因此如何权衡RF隐身与探测性能成为机载雷达RF隐身探测的难点问题。为此,本文提出一种用于机载雷达空中运动目标RF隐身探测... 详细信息

目标探测任务要求雷达具备较大的发射功率,但这又会增大其辐射特征,从而降低射频(radio frequency,RF)隐身性能,因此如何权衡RF隐身与探测性能成为机载雷达RF隐身探测的难点问题。为此,本文提出一种用于机载雷达空中运动目标RF隐身探测的多目标优化参数设计方法。所提方法首先建立空中运动目标射频隐身探测多目标优化模型;然后利用非支配排序遗传算法Ⅲ(non-dominated sorting genetic algorithmⅢ,NSGA-Ⅲ)对该模型求解,获得帕累托最优解集;最后采用层次分析逼近理想解排序法对候选解集进行多属性决策获得最终方案。数值实验结果表明所提方法可有效应用于空中运动目标射频隐身探测参数设计。

关键词：机载雷达空中运动目标探测射频隐身多目标优化