综合孔径辐射计偏微分方程近场图像反演算法

针对综合孔径辐射计傅里叶变换成像算法在近场条件下失效的问题,提出了一种基于局部自适应偏微分方程的精确数值图像反演算法.该反演算法根据待反演亮温图像的局部特征,在图像背景区域进行各向同性扩散来抑制噪声,在图像目标区域进行自适应扩散来保持图像边缘细节.近场仿真结果表明,该算法有效地降低了可视度测量噪声对亮温图像反演的影响.用一套8 mm波段二维综合孔径辐射计BHU-2D-U进行了成像实验,实验结果证明了该近场图像反演算法的有效性.      

粒子滤波及其在航天器交会对接相对导航中的应用

在全面分析粒子滤波原理的基础上,提出一种改进高斯粒子滤波方法.该方法利用确定性采样滤波算法进行时间更新,替代高斯粒子滤波算法中的随机采样过程;另外,针对厚尾噪声情况,利用鲁棒统计方法对确定性采样滤波方法进行鲁棒性改进,并将其应用于所提出的改进高斯粒子滤波.将粒子滤波算法应用于交会对接相对导航问题,仿真结果表明,在多种测量噪声情况下,改进高斯粒子滤波较其他粒子滤波,能够在不过多损失估计精度的同时有效降低计算量.文中的研究成果为将粒子滤波应用于航天器导航问题提供了理论参考.     

基于均方根容积粒子的SMC-PHD算法

传统的序贯蒙特卡罗概率假设密度(SMC-PHD)算法采用状态转移密度作为重要性采样函数.当目标非线性运动时,少数粒子将具有较大的权值,导致估计精度低、结果发散.针对上述问题,提出了一种基于均方根容积卡尔曼滤波(SCKF)和统计门限技术的重要性采样函数设计方法.在重要性采样函数估计时,首先利用SCKF对重要性采样函数的均值和协方差阵进行预测,而后利用统计门限技术提取与重要性采样粒子相关联的量测.通过相应的权值对所提取的量测进行合并,更新重要性采样函数的均值和协方差阵.在此基础上将设计的重要性采样函数应用于SMC-PHD的强度预测和更新,最终实现多目标状态和数目的估计.实验表明,本算法在非线性多目标跟踪中具有精度高、估计结果稳定的优点.      

改进的GPS掩星滑动频谱方法

在大气多路径和噪声的条件下,高斯白噪声会造成滑动频谱方法获得的弯曲角与真值之间的偏离,无法获得较好的反演结果。为此,文章提出了一种改进的滑动频谱方法,即利用信号的振幅和谱能量信息对滑动频谱方法进行修正,削弱了信号中噪声的影响,与真值较为接近。分别用改进前后两种方法对中华卫星三号计划（Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate,COSMIC）的掩星进行反演,并将其折射率计算结果和通过全谱反演方法获得的折射率一起,与欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium Range Weather Forecasts,ECMWF）的分析场资料进行了统计比较。结果表明：改进的滑动频谱方法删除了信号中的部分噪声,减少了系统偏差;与全谱反演方法进行比较,发现两者具有相当的反演精度。     

包络均值滤波算法实时检测微弱信号

在强噪声环境下提取微弱信号一直是信号处理方法研究的难点,提出一种基于包络均值滤波(EMF,Envelope Mean Filter)的微弱信号提取算法,可以实时恢复出深埋在均匀分布噪声中的微弱缓变非周期信号的波形.EMF算法通过对混有均匀分布噪声的信号进行过采样,对信号的包络线进行实时分析,并用上、下包络的均值作为真实信号的估计值.为了使输出信号平滑、无跳变,采用实时滑模平均滤波器对估计值进行滤波,最终恢复出的原始信号.通过仿真研究对包络的分析算法、最优衰减系数的选取、过采样系数、平滑序列长度和不同信噪比的微弱信号对还原精度的影响进行了研究.EMF算法简单,可使信噪比提高60 dB以上.已经成功用于IEEE 1588精密时钟同步的时钟伺服算法中.     

自适应OFDM采样频偏估计算法

修正了基于数据判决的采样频偏估计公式,提出一种自适应采样频偏估计算法,利用离散导频估计频偏变化,从而得到参与估计的数据符号间隔,并且同时使用信道估计结果和接收数据对采样频率偏差进行估计,达到提高估计精度的目的.仿真表明,在高斯白噪声信道下,新算法估计精度比基于数据判决算法和基于离散导频算法高3 dB左右;在多径信道下,新算法的估计精度比其他两种算法提高5 dB以上.实验结果表明,该算法的星座收敛速度快,提高了接收机性能.      

一种基于等效采样的周期信号谐波分析方法

为了突破周期信号谐波分析中采样保持与模数转换时间对分析信号频率范围的限制,将准均匀采样与等效采样相结合,提出了一种新的等效采样周期信号谐波分析方法。首先,给出了在奇数个信号周期内进行2的整数次方次均匀采样的等效采样谐波分析理论;其次,计入定时时钟周期对采样时间的影响,在等效采样中结合准均匀采样以实现同步采样;进一步分析了采样过程中的时间离散与幅值量化所带来的谐波分析误差;最后,给出了新的等效采样谐波分析的具体算法。借助含有小幅谐波分量的实验信号对等效采样谐波分析算法进行了数值仿真。理论分析和数值仿真均表明：新方法有效拓宽了分析信号的频率范围,并且可直接利用FFT进行快速计算。     

基于Fabry-Perot干涉仪气辉观测数据反演中性风速方法比较

利用半径法、完整傅里叶级数描述法和非线性回归法分别对安装在河北省境内国家天文台兴隆园区（40.2°N,117.4°E）的Fabry-Perot干涉仪（FPI）获得的地基中高层大气气辉观测数据进行风速反演.反演结果表明,半径法、完整傅里叶级数描述法和非线性回归法均能很好地反演风速,在误差范围内反演结果存在很好的一致性.相对于半径法和完整傅里叶级数描述法,非线性回归方法更完整地利用了观测数据信息,反演结果可信度较高.      

基于小波域的图像椒盐噪声密度估计

提出一种基于小波域的椒盐噪声密度估计方法.利用图像信号在小波域的系数具有稳定近似的分布,以及噪声对小波系数影响的特点,定量地分析了含噪图像的系数幅值直方图与原始图像的系数幅值直方图之间的偏离程度随噪声密度的变化规律,揭示这种变化关系对图像具有强的鲁棒性,从而利用这种关系对噪声进行估计.仿真结果表明,相对于目前方法,提出算法性能更佳,能够获得更准确的估计值和更小的估计偏差.     

基于氧气A波段临近空间大气温度反演的贝叶斯与最小二乘法对比

基于氧气A波段的临边辐射模拟数据进行临近空间大气温度廓线的反演，分析比较了贝叶斯和最小二乘两种不同反演算法的特点.80km以下，信噪比为66～337时:基于贝叶斯理论反演的三条谱线761.59，762.2，764.05nm的反演误差平均值分别为5.52，3.94，4.73K；采用最小二乘法的反演误差平均值分别为10.57，7.04，8.80K.信噪比为6～34时:基于贝叶斯理论反演的三条谱线的反演误差平均值分别为18.27，12.18，18.27K；采用最小二乘法的反演误差平均值分别为103.18，68.79，85.98K.研究结果表明，基于贝叶斯理论的反演方法，利用先验信息对反演结果进行约束和修正，在有噪声的情况下获得了更合理的解，从而提高了反演精度和抗干扰能力.这为星载探测临近空间大气温度的算法研究和开发提供了参考，也为提高光谱仪器信噪比并进而提高温度反演精度提供了理论基础.      

135.6nm夜气辉峰值电子密度反演算法及误差

根据夜间135.6nm大气辉光光强与F₂层峰值电子密度N_mF₂平方成正比的物理机制,在前期夜间135.6nm气辉辐射激发模型研究的基础上建立了峰值电子密度的反演算法,把全球经纬度分成若干格点,每个格点的电离层及中性成分信息分别由IRI2000和MSISE90提供,将电离层及中性成分廓线输入夜气辉辐射激发模型,计算每个格点135.6nm气辉的辐射强度,然后将各个格点的135.6nm气辉辐射强度与电离层廓线输入的N_mF₂平方拟合得到气辉强度与N_mF₂的转换因子.利用此方法可获得不同地方时、季节和太阳活动周期的转换因子组成查算表,进而根据实际探测的135.6nm气辉辐射强度反演相应时空的N_mF₂.最后对该算法的反演误差进行了综合分析,为该算法适用的时空特性提供重要理论支撑.      

Electron density retrieval from occulting GNSS signals using a gradient-aided inversion technique

In the coming years, opportunities for remote sensing of electron density in the Earth’s ionosphere will expand with the advent of Galileo, which will become part of the global navigation satellite system (GNSS). Methods for accurate electron density retrieval from radio occultation data continue to improve. We describe a new method of electron density retrieval using total electron content measurements obtained in low Earth orbit. This method can be applied to data from dual-frequency receivers tracking the GPS or Galileo transmitters. This simulation study demonstrates that the method significantly improves retrieval accuracy compared to the standard Abel inversion approach that assumes a spherically symmetric ionosphere. Our method incorporates horizontal gradient information available from global maps of Total Electron Content (TEC), which are available from the International GNSS Service (IGS) on a routine basis. The combination of ground and space measurements allows us to improve the accuracy of electron density profiles near the occultation tangent point in the E and F regions of the ionosphere.     

稳态等离子体推进器羽流场数值模拟

采用二维轴对称模型,使用粒子网格法(PIC)和直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)相结合的方法,对稳态等离子体推进器(SPT)羽流场进行了数值模拟.采用DSMC方法中的随机取样频率法(RSF)求解粒子碰撞过程,并对比了不同的分配电荷方式、电子运动模型及SPT出口条件时的羽流场.将不同条件计算得到的羽流场中距SPT出口0.1?m,0.5?m及1.0?m处的离子电流密度和电荷密度与实验结果进行了对比,得出在采用面积权重法分配电荷、等熵模型描述电子运动和用实验值设定发动机出口参数时对SPT羽流场数值模拟的电流密度和轴向附近的电荷密度结果与实验结果符合程度较好的结论.     

基于最大似然估计的远紫外遥感反演电离层电子密度算法

原子氧135.6 nm夜气辉主要由氧离子O+与电子的辐射复合反应生成,一些星载远紫外遥感观测任务证实135.6 nm夜气辉可用于反演电离层电子密度。针对远紫外临边遥感观测反演电离层电子密度,分析了135.6 nm夜气辉辐射强度与电子密度之间的非线型前向模型,基于离散反演理论设计了从夜间135.6 nm临边观测数据反演电子密度高度分布的反演算法,算法应用最大似然估计通过迭代求解电离层参数的最佳拟合值。通过仿真计算了TIMED卫星上全球紫外成像仪GUVI观测的反演结果,验证了本反演算法的可行性。对GUVI的实际观测数据进行反演,获得了电子密度高度分布。通过与GUVI数据的电离层参数对比分析得出,本文建立的反演模型使N_mF₂被高估,同时使h_mF₂被低估。对于不同的太阳活动强度,N_mF₂和 h_mF₂的系统误差分别在10%和5%以内,能较精确地获得电离层参数。精确获得电离层电子密度信息对于提高空间天气预报及电离层模型的修正具有重要意义。      

微阴极电弧推力器羽流探针诊断研究

微阴极电弧推力器（micro-cathode arc thruster,μCAT）具备功率低和结构简单的特点,能够满足微纳卫星的任务需求,具有良好的发展前景。μCAT羽流的诊断可以揭示推力器的加速机理,对提高其性能具有重要意义。利用朗缪尔三探针对μCAT羽流进行诊断,得到了μCAT羽流不同位置的电子温度、电子密度和离子速度等羽流特性,研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对羽流特性的影响。研究结果表明,μCAT放电初期产生的等离子体电子温度较高,密度较大;随着等离子体向下游运动,电子温度和电子密度降低,离子速度增大;外加磁场的磁感应强度越强,电子温度和离子速度越高,电子密度有所降低;磁场位置适当向推力器下游平移,能够有效提高推力器中轴线的电子密度;μCAT充电时间越长,电子温度、电子密度和离子速度越大;相比于CuW和AgW阴极,Ti阴极羽流的电子温度更高,电子密度更低。     

红外热像仪在喷焰羽流微波衰减测试中的应用

基于发动机喷焰羽流对微波信号衰减的机理和等离子体的电子碰撞速度和电子数与温度的关系,根据喷焰羽流的红外图像,可以将喷焰羽流分成几层。通过透镜天线和对衰减多通道同时测试的方案,可以得到喷焰羽流衰减分布,并计算微波信号不同角度穿越喷焰时的衰减。     

The impact of spherical symmetry assumption on radio occultation data inversion in the ionosphere: An assessment study

‘Onion-peeling’ is a very common technique used to invert Radio Occultation (RO) data in the ionosphere. Because of the implicit assumption of spherical symmetry for the electron density (N(e)) distribution in the ionosphere, the standard Onion-peeling algorithm could give erroneous concentration values in the retrieved electron density profile. In particular, this happens when strong horizontal ionospheric electron density gradients are present, like for example in the Equatorial Ionization Anomaly (EIA) region during high solar activity periods. In this work, using simulated RO Total Electron Content (TEC) data computed by means of the NeQuick2 ionospheric electron density model and ideal RO geometries, we tried to formulate and evaluate an asymmetry level index for quasi-horizontal TEC observations. The asymmetry index is based on the electron density variation that a signal may experience along its path (satellite to satellite link) in a RO event and is strictly dependent on the occultation geometry (e.g. azimuth of the occultation plane). A very good correlation has been found between the asymmetry index and errors related to the inversion products, in particular those concerning the peak electron density NmF2 estimate and the Vertical TEC (VTEC) evaluation.     

Rocket observations of propagating waves in the night time equatorial F-region over Brazil

A Brazilian SONDA III rocket carrying plasma diagnostic experiments was launched from the Brazilian rocket launching stations in Alcântara (2.31°S, 44.4°W Geog. Lat.) to measure the height profiles of electron density, electron temperature and the ambient electric field. High frequency capacitance probe was used to measure the height profile of the electron density and the Langmuir probe was used to measure the electron density and the spatial structures of plasma irregularities. An electric field double probe was used to measure the electric field fluctuations associated with the F-region plasma irregularities. Spectral analysis of the fluctuations in electron density and electric field indicated the presence of propagating waves in the night time F-region over a large height range. The electron temperatures estimated from the LP data showed abnormally high values in the base of the F-region during the upleg of the rocket and practically normal values in the same height region during the downleg. A brief study of the characteristic features of the spectra of electron density and electric field fluctuations and the associated electron temperature variations are presented and discussed here.     

离子发动机羽流空间电位诊断

离子发动机羽流空间电位分布不合理可能会造成一系列问题,以至于影响航天器的正常工作。试验使用发射探针对20 cm氙离子发动机束流区等离子体空间电位进行诊断,测点选取轴向距离发动机出口平面250～900 mm,径向0～450 mm,探针钨丝直径0.1 mm,加热电流1.5～2.5 A。发射探针诊断建立在电子热发射基础上,因其I-V曲线拐点较朗缪尔探针更为明显,所以测量得到的空间电位分布更为准确。国外已经广泛使用发射探针测量等离子体空间电位,发射探针的试验数据处理方法仍存在较大分歧。从发射探针工作时的物理过程着手,分析热电子发射多少对空间电位诊断结果的影响,采用不同的探针I-V曲线处理方法并对各种方法利弊进行讨论,分析偏离真实空间电位的原因,比较得到较为合理的结果,对发射探针的结构改造和加热电流的选取提供依据,为发动机性能的改善和羽流仿真模型提供参考。     

Estimation of probability of occurrence of F1 layer or L condition using tables and electron density profile models

An algorithm is proposed for evaluation of the probability of occurrence of an F1 layer or L condition, based on tables. Observations independent of the tables database are used for comparison between the estimated probability of occurrence, the formulation used at present in IRI, and the occurrence actually observed. The importance of the inclusion of L condition in the electron density profile model is shown.