基于最优估计法的瑞利激光雷达反演大气温度研究

基于瑞利激光雷达的回波光子信号对中层大气进行探测，结合最优估计法，对大气温度进行反演。本文基于瑞利散射激光雷达方程建立正向模型，选择大气模型的温度廓线作为先验状态信息，构建用于最优化处理的成本函数，利用Levenberg-Marquardt最优化算法对成本函数执行最优化处理，得到大气温度的反演结果，对反演结果的不确定度分析的同时利用平均核矩阵对反演结果中真实信息的贡献进行评估。利用瑞利激光雷达方程产生的模拟回波信号进行了大气温度的反演处理与分析，对中国科学院国家空间中心提供的瑞利激光雷达实测数据进行大气温度的最优估计反演。结果表明，90 km以下的反演不确定度在10 K以内，且相较于CH方法，最优估计法具有反演有效范围高的优势；在回波光子信噪比较高的区域，反演不确定度较小，且真实信息对反演结果的贡献占主导地位。     

基于三维最小二乘方法的空间直线度误差评定

空间直线度误差是评定机械产品精度的一项重要指标,实际工程中对空间直线度误差评定算法的精度要求越来越高.为了准确评定空间直线度误差,参照国家标准(GB/T 11336—2004),采用三维最小二乘方法建立了空间直线拟合的数学模型,并给出了该数学模型的精确解.基于最小二乘拟合中线,采用空间投影、坐标变换和格点法求得最小二乘中线包容圆柱面直径.采用数值算例验证了新方法的有效性.提出的空间直线度误差评定方法精度高、鲁棒性好且易于编程实现.     

艇载声波测量临近空间风场可行性分析

提出一种临近空间艇载原位测量大气风场的新方法,该方法利用声波传播时延差测量临近空间大气风场.介绍了该方法的原理,分析了测风误差来源和测风精度.通过分析声波在临近空间高度的衰减,对信号载波频率和传播距离进行了选择,并对不同信噪比条件下声波时延估计精度进行了仿真分析.结果表明:在临近空间20~50km高度,传播距离为2~5m,距离测量精度为1mm,平台测速精度为0.1m·s-1,信噪比优于-2dB条件下,时延估计精度优于1μs,利用该方法测风精度能达到0.2m·s-1的较高水平.      

太赫兹大气临边探测仪遥感中高层大气风仿真

太赫兹大气临边探测仪（TALIS）是中国正在预研的第一台THz频段的临边探测仪，主要用于高精度、高分辨率的大气遥感测量.TALIS的观测目标主要包括大气温度、大气压强、大气成分（例如H₂O，O₃，HCl，ClO，N₂O，HNO₃等）的垂直分布以及长期变化趋势.由于TALIS的频段覆盖了许多重要的吸收谱线，其观测数据中包含大气风的多普勒信息，因此可以用于反演中高层风的廓线.本文针对TALIS视线多普勒风的观测进行仿真，利用辐射传输模型（ARTS）评估了TALIS测风的潜力和相应的反演精度.结果表明，TALIS的118GHz谱仪具有较好的测量精度，在70km处的精度为12m·s-1.183GHz，633GHz和658GHz谱仪也有一定的测量信息，反演精度分别为19m·s-1（60km），19m·s-1（50km），16m·s-1（50km）.TALIS有一个候选的测风谱仪位于655GHz频段，其在55km处的反演精度为11m·s-1.此外，虽然降低谱分辨率能有效提高系统灵敏度，但并不能提高反演精度，需要通过降低系统噪声来提高测风的精度.      

太赫兹火星大气临边探测仿真研究

对火星大气进行连续高分辨率观测是研究火星大气物理和化学过程的重要手段.太赫兹临边探测技术通过测量火星大气中的风和光化学循环中的重要气体（CO，O₃，H₂O，H₂O₂等）提高对火星的认知.针对火星大气遥感的探测需求，分析了300～1000GHz频段的频谱特征.针对探测卫星对于载荷质量、功耗等参数的要求，提出一个560GHz频段的火星大气太赫兹临边探测仪设计方案，并利用辐射传输模型ARTS中的行星工具箱进行仿真.仿真结果显示:火星大气温度的反演精度优于4K，其中45km高度以下优于2K；H₂O丰度的反演精度在90km以下优于50%，30km以下优于2%；H₂O₂的反演精度在40km以下优于50%；O₃的反演精度在50km以下优于60%；大气风速度的反演精度在65km以上优于5m·s-1，最高可以达到2m·s-1.研究结果表明，利用太赫兹波段的吸收谱线可以很好地探测火星大气中各成分的丰度、变化趋势以及中高层大气的风，可为后续火星表面及大气探测提供参考.      

瑞利激光雷达反演中层大气温度算法

瑞利激光雷达是探测中层大气温度的重要设备,具有高时空分辨率且不存在探测盲区的优点.为充分利用激光雷达探测到的原始数据,改进了传统的Chanin-Haunchecorne方法,采用由均匀搜索生成温度初值的方式反演大气温度.位于北京延庆（40.3°N,116.2°E）的瑞利激光雷达具有589nm和532nm两个通道,将589nm通道用于计算,532nm通道作为参考.在150~250K区间等间隔选取多个温度初值,利用589nm通道反演60~70km高度范围内的大气温度廓线和大气密度廓线,利用参考密度廓线选取准确的温度初值,反演得到准确的大气温度廓线.将589nm通道和532nm通道反演的温度廓线相比较,发现二者具有较高的一致性.改进后的方法有效利用了信噪比较差的光信号,使589nm通道的温度探测上限从60km提高到70km.      

大气臭氧地基遥感反演的退卷积方法

本文提出了一种大气臭氧地基遥感信息处理的新方法,它利用非线性退卷积方法和等效仪器函数提高光谱分辨率,利用非线性最小二乘法进行大气臭氧反演计算,可以显着提高大气臭氧遥感的可探测高度和精度。      

K波段微波高光谱辐射计的晴空定标方法

K波段微波高光谱辐射计应用于大气探测方向,能够减少地表至对流层内的大气廓线误差和提高廓线的垂直分辨率.针对平均辐射温度在宽大气频谱和不同天空仰角下存在浮动的问题,结合所统计的北京地区往年廓线数据和晴空条件下的Liebe大气吸收模型（1993）,提出了一种微波高光谱下改进的晴空定标方法.相比于传统的晴空定标方法,该方法利用先验的气象数据对定标过程进行优化计算,有利于提高平均辐射温度的预测精度.误差分析结果表明当K波段微波高光谱辐射计采用改进的晴空定标方法时,能够有效减少平均辐射温度对其定标误差的影响.      

基于CLYC闪烁体的中子能谱测量及反演方法

空间中子是影响航天器和航天员安全的重要辐射要素之一。优化中子探测器，提高测量效率，提升反演精度是中子测量的难点。中国空间站将搭载一种基于新型中子探测材料Cs2LiYCl6:Ce（CLYC）闪烁体的中子探测器，该探测器具有同时测量热中子和快中子，以及探测效率高等特点。针对该新型探测器的中子能谱反演，分析了不同能量中子在该探测器中的响应特点，分析了中子反演常用的概率迭代法和非负最小二乘（NNLS）法的优缺点，考虑到这2种方法在CLYC探测器反演应用中的不足，提出了基于增广矩阵的非负最小二乘（AM-NNLS）法。数值实验结果表明:AM-NNLS法具有反演运算效率高和反演相对误差小的特点，验证了所提方法的有效性。      

氧气A(0,0)波段气辉体发射率和临边辐射强度模拟与分析

临近空间大气参数如温度、密度、风场等对预报模型精度及航天器运行安全等有较大的影响，而气辉的辐射模拟是大气参数反演的重要过程.本文基于光化学模型计算了氧气A（0，0）波段气辉的体发射率和临边辐射强度.基于氧气A（0，0）波段气辉的光化学反应机制、大气动力学和光化学反应理论，建立产生O₂（b1Σ_g+）的光化学模型.计算气辉体发射率，基于临边探测几何路径进行气辉辐射强度模拟.体发射率计算结果与AURIC模型结果的辐射值及辐射高度均一致.基于计算和模拟结果，对氧气A波段气辉体发射率和辐射强度的影响因素进行了分析.      

物质热力学函数温度系数的通用计算方法

物质热力函数（摩尔定压热容、熵、焓）是用于火箭发动机热力特性分析的常用函数.根据热力学关系,上述3种热力函数可表示为以温度为自变量,且含相同7个温度系数的多项式.由于精确分析物质热力特性的需要,需要各温度下更新更精确的数据值.将热力函数按温度高低分为不同区间,在保证各温度连接点函数值相等的情况下,采用最小二乘法的数学方法,通过编程计算,重新确定了135种火箭发动机常用物质的温度系数,得到300~ 5 000 K 内这些物质的函数计算值.进一步,对氮原子、液体铅、固体硅等相对误差较大的26种物质的摩尔定压热容利用最小二乘法再次进行了修正,使其精确度平均提高了100倍.所得到的热力函数计算值与标准值比较,误差小,精度高,使用方便,具有广泛的应用价值.      

基于DTW的HJ-1B卫星地表温度产品质量检验

HJ-1B卫星热红外数据应用广泛,但其地表温度反演产品的质量检验工作尚不完善。以黑河流域为研究区,利用普适性单通道算法得到HJ 1B地表温度,基于7个地面站点（下垫面为荒漠、沙漠、植被、农作物、雪地和湿地）同步观测资料和MODIS地表温度产品（MOD11A1）,引入动态时间规整方法（DTW）对站点处HJ 1B地表温度进行验证。试验结果表明：HJ 1B地表温度反演产品与地面观测值的偏差值在沙漠和荒漠站点为1K以内,均方根误差在05K左右;对于植被和农作物站点的偏差在2K以内,均方根误差为1~2K;基于DTW的验证对时序不匹配的数据评价结果与现有指标表现一致。HJ-1B地表温度反演产品与地面站点的相对偏差均低于其与MODIS地表温度反演产品的相对偏差。     

GNSS-IR双频数据融合的土壤湿度反演方法

目前全球导航卫星系统反射信号干涉测量（GNSS-IR）土壤湿度反演研究仅针对单一频点展开,提出用熵值法将2个频点数据进行融合以改进土壤湿度反演精度。首先,利用频谱分析法分别解析出各频点的信噪比（SNR）序列的振荡频率,计算出对应的等效天线高度,并利用最小二乘法求解各频点信噪比序列相位;然后,通过熵值法进行2个频点的相位观测量融合;最后,利用融合结果与实测土壤湿度建立经验模型,实现土壤湿度反演。利用地基观测实验获得的全球定位系统（GPS）L1和L2信噪比数据对该方法进行了验证,结果表明:L1和L2双频融合反演结果平均标准差为0.6%,比L1单频反演结果提高64.73%,比L2单频反演结果提高32.12%;均方根误差为0.37%,比L1频点降低72.8%,比L2频点降低73.4%。      

Roll deconvolution of space telescope data

Roll deconvolution is a speckle method that can improve the resolution of the 2.4m Space Telescope at short UV wavelengths. In digital simulations we have investigated the dependence of the signal-to-noise ratio of the reconstruction on photon noise (10⁴ to 10 photons per pixel), the object size, the telescope point spread function and guiding errors.     

高动态EMCCD星敏感器总体参数设计方法

从高动态星敏感器动态性能需求出发,分析了电子倍增型电荷耦合器件（EMCCD,electron multiplying CCD）噪声来源,推导恒星探测中EMCCD的信噪比公式.针对EMCCD总体参数设计优化问题,提出了EMCCD中电子倍增电压和致冷温度的设计方法,并应用该方法进行高动态星敏感器中EMCCD总体参数设计及仿真.仿真结果表明,角速度为10（°）/s时姿态测量精度优于30″.提出的EMCCD参数确定方法可以为高动态星敏感器设计提供参考.     

超流体陀螺相位波动噪声自适应抵消系统分析

针对超流体陀螺相位波动噪声影响陀螺角速度检测精度的问题,提出了一种基于递推最小二乘（RLS）算法的陀螺自适应噪声抵消系统。首先,建立了超流体陀螺的相位检测模型,得到了陀螺输出薄膜幅值和相位的关系。其次,考虑热运动的影响,建立了相位波动噪声的等效输入角速度模型,探索了陀螺参数对角速度噪声的影响,得到了陀螺角速度噪声幅值范围。在此基础上,考虑该角速度噪声与输入角速度的互不相关性,将超流体陀螺薄膜幅值解算输出的混合角速度信息作为抵消系统的期望输入,将相位波动噪声引起的角速度噪声作为RLS自适应滤波器的参考输入,通过自适应调节参数使得RLS自适应滤波器的输出与混合角速度信息的噪声部分相抵消。通过与最小均方（LMS）算法仿真对比表明,在大角速度、大噪声情况下,该抵消系统能够有效消除陀螺混合角速度信息中的噪声成分,且具有较快的收敛速度和较好的稳定性。      

最大相关熵准则自适应滤波器的分数阶长算法

对自适应滤波器最佳阶长的准确估计可以有效平衡自适应算法的稳态性能与计算复杂度,而基于最小均方差(MMSE)准则的变阶长最小均方(LMS)算法在非高斯噪声环境下的收敛性能变差。针对这一问题,提出一种最大相关熵准则(MCC)自适应滤波器的分数阶长(FT)算法——FT-MCC算法。该算法从MCC自适应滤波器最佳阶长的定义出发,利用不同阶长滤波器产生的相关熵之差实现阶长更新。理论分析和实验表明:相比现有变阶长最小均方算法,FT-MCC算法在非高斯噪声环境中具有较强的鲁棒性;通过恰当的参数选择,算法可较好地实现对最佳阶长的跟踪和估计。