中性原子成像探测的物理设计与仿真

研究了磁层-电离层-热层耦合星座(MIT)卫星计划中高能中性原子成像仪(NAIS-H)探测方案的原理设计和模拟仿真. 以双星中性原子成像仪设计思想为基础,依据MIT卫星计划的总体科学目标和磁层卫星的轨道环境及相应自旋姿态,给出中性原子成像仪的技术架构,并针对地磁偶极场的环电流模型进行了模拟仿真. 仿真结果表明,所研制的NAIS-H以其高时空分辨能力适用于监测和反演磁暴期间磁层等离子体的全球动力学过程.      

上行离子源区卫星探测的轨道需求分析

极区从电离层到磁层的上行粒子流探测研究是空间天气建模中的重要问题,其起源和加速机制是磁层-电离层-热层耦合小卫星星座计划的主要科学目标. 磁层-电离层-热层耦合小卫星星座计划拟定由两颗磁层星和两颗电离层/热层星组成星座对极区进行联合观测. 其中,上行粒子源区附近的就位探测是电离层-热层耦合机制研究的重点,也是电离层/热层星轨道设计的关键. 根据相关空间探测计划和卫星观测结果,通过比较圆轨道和椭圆轨道两种方案,确定电离层/热层星采用椭圆轨道.      

代数重建法反演环电流分布的初步结果

TC-2卫星携带了高能中性原子成像仪.在理论上可以根据对中性原子的探测通过反演获得磁层中环电流的空间分布.开发了一种新的反演技术和算法来反演环电流的分布.文中将层析成像技术引入反演环电流区离子分布,把磁层空间环电流区域划分为网格并依据层析成像常用的代数重建法反演环电流的分布.反演前后的电流离子分布具有一致性,证实了这种反演方法的可行性.通过对比反演结果与初始分布,模型通过较少的假设和简单的步骤就可以获得全面的环电流信息.      

喉区极光的机器识别

喉区极光是一种发生在电离层对流喉区附近的极光现象,是极光卵向低纬侧延伸出的南北向分立结构,其可能对应由磁鞘高速流与磁层顶作用引发的磁层顶重联过程.喉区极光研究对深入理解太阳风-磁层-电离层耦合过程具有重要意义.从长期观测所积累的大量全天空极光观测数据中准确高效识别出喉区极光结构,是开展喉区极光统计研究的基础.本文利用北...     

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划背景型号任务研究简介

2016年6月,中国科学院遴选出5个空间科学卫星项目,争取在2020年前后发射,“磁层-电离层-热层耦合”（MIT）小卫星星座探测计划就是其中之一。该计划对于深入理解空间天气的一些重要物理过程有着重要意义,与国际同领域的任务相比,他具有独特的切入点和创新思想。     

磁鞘等离子体密度统计建模

利用理想磁流体LFM模型的模拟数据,基于非参数统计方法对2004年11月14日03:00UT-07:00UT磁暴恢复相期间磁鞘等离子体平均密度进行建模.分析磁鞘等离子体平均密度与上游太阳风参数、行星际磁场参数及地磁扰动参数的统计关系,建立基于数据降维的经验模型.结果表明,电离层扰动强度因子、太阳风-磁层耦合强度因子和日地空间因果链耦合强度因子是影响磁鞘等离子体平均密度的三个主要方面.磁暴恢复相期间电离层上行离子是磁层环电流和磁尾等离子体的重要离子来源.建模分析过程表明,利用经验模型对空间物理过程开展建模,数据的严重多重共线性通常会导致模型的精度较差.而利用SIR和LPR建立的磁鞘等离子体平均密度随相关参数变化的经验模型可以有效解决该问题,具有较好的预测精度,统计特征显著.      

等离子体鞘层效应对磁层探测电场仪设计的影响

在空间环境探测中,卫星与等离子体的相互作用会改变背景环境的粒子和电位的分布,从而影响探测器对空间电场的测量.为了给磁层卫星电场探测仪器的研制和设计提供参考,本文以中国未来的磁层电离层探测为背景,针对不同轨道高度的等离子体环境,利用SPIS (Spacecraft Plasma Interaction Software)...     

冷而密的等离子体片及其对磁尾等离子体片分布特性的影响

地球磁尾等离子体片在太阳风-磁层耦合过程中起着重要的作用，其中冷而密的等离子体片是地磁活动平静期太阳风等离子体进入磁层的重要区域.以往的研究通常没有利用局地探测数据针对冷而密的等离子体片发生率在地心太阳磁层坐标系（GSM）中xy平面分布的统计分析.本文利用GEOTAIL卫星1996-2016年的局地测量数据，给出了等离子体片密度、温度及冷而密的等离子体片发生率的二维分布.与温度具有晨昏对称分布不同，等离子体片数密度呈现明显的晨昏不对称性，并且冷而密的等离子体片发生率在晨侧较高.      

磁层－电离层电动耦合与中纬地磁指数的变化

本文探讨磁层一电离层耦合过程内中纬地磁指数的变化特点，并与极光电集流和赤道电集流（指数）变化相比较．相关分析和时序叠加分析均表明，高、中、低纬地磁指数变化可归结为磁层一电离层电动耦合的统一物理图象．有Ｒ事件的磁暴主相初期和无Ｒ事件的磁扰期内，赤道电集流和中纬地磁指数的变化各不相同．这再次证明，耦合分析中将磁层源扰动的直接穿透作用与经电离层内动力过程的效应二者加以区分和综合研究是很重要的．     

不同上边界条件下的极区电离层数值模拟

利用一维自洽的极区电离层模型,研究了沿磁力线方向不同电离层-磁层耦合条件下极区电离层的响应.此模型在110-610km的电离层空间区域内,综合求解描述极区电离层的连续性方程、动量方程和能量方程,以得到电离层数值解.研究发现,上边界条件在200 km以上的高度能显著地影响电离层参量的形态.较高的O+上行速度对应较低的F层峰值和较高的电子温度.不同边界O+上行速度对应的温度高度剖面完全不同.200km以上电子温度高度剖面不但由来自磁层的热流通量所控制,同时还受到场向O+速度的影响.对利用电离层模型研究电离层内部物理过程提出了建议.      

无依托状态加速度计的新型标定方法

为解决加速度计性能参数时变性的问题,提出了无依托状态下加速度计标定方法.在无需借助转台等传统标定设备、无需拆卸惯性元件的条件下,充分利用惯导系统(INS,Inertial Navigation System)自身资源,以静基座初始对准获得的准确姿态信息为前提,利用当地重力g作为标定基准,考虑到误差模型非线性的特点,引入非线性寻优策略辨识零位偏差,将误差模型蜕变为线性后,运用线性最小二乘方法辨识安装误差矩阵和刻度因数误差,从而实现加速度计关键参数标定.数值仿真结果显示:经过标定后加速度计测量误差可减小20倍,说明在无依托状态下具有工程实用价值.      

基于定点旋转的遥操作前端视觉自标定

为解决遥操作过程中当前端视觉内参数改变时的标定问题,特别是在一些危险的或是人无法到达的环境下,在前端放置标定物用传统的方法进行标定是不可能的,因此采用了一种基于定点旋转的自标定技术来进行标定.对基于定点旋转的自标定方法进行了理论推导,得到了标定步骤.在试验过程中,摄像机固定在一种旋转装置上进行拍摄,采用SIFT(Scale Invariant Feature Transformation)算法对拍摄的图像进行特征点检测和匹配,采用牛顿算法进行计算.为和传统的标定方法进行比较,对自制的平面模板进行拍摄,利用Harris算子对平面模板图像进行角点检测,用传统的标定方法重新对摄像机进行标定.结果表明两种方法得到的答案相近,用传统标定方法标定结果是接近摄像机真实参数值的,说明这种新的标定方法是一种有效的标定方法.      

低温环境下红外辐射标定技术研究

低温环境下红外场景生成装置的标定是对低温红外目标特征评估和精准探测的前提。通过标定过程中热辐射-光子-电子转换测量的传递途径,建立基于红外热像仪灰度的低温标定模型,用最小二乘法进行拟合,得到模型中的辐射出射度响应函数和系统固有偏置。搭建了低温标定实验装置,根据热像仪对低温辐射源不同辐射出射度的测量结果,得到标定方程。分析了理论值和实际测量值的误差,在低温黑体辐射出射度9.79W/m2处,热像仪的辐射出射度误差最大,为-0.17W/m2,此时的灰度误差为-9.91DN。     

Sensor calibration impacts on dust detection based on MODIS and VIIRS thermal emissive bands

Dust detection using remotely sensed measurements has been one of the challenging problems encountered by atmospheric scientists. MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) on the Terra (T) and Aqua (A) platforms have been a versatile sensor for well over 21 and 18 years respectively, and have been extremely useful in the retrieval of aerosol information over the entire globe. The MODIS radiances from the Level 1B in general are expected to be within 5% accuracy in the reflective wavelengths and within 1% in the thermal emissive wavelengths. In this paper, we evaluate the sensitivity of previously developed dust detection technique based on thermal emissive wavelengths, which correspond to MODIS bands 20, 29, 31, and 32 respectively. The Thermal Emissive Dust Index (TEDI) performed very comparably to the traditional Aerosol Optical Thickness (AOT) retrievals by MODIS reflective channels. Since the MODIS Thermal Emissive Bands (TEB) are well calibrated on-orbit using a BlackBody (BB) source, the calibration of these long wave infrared bands is quite robust. As A-MODIS continues to perform well beyond its designed lifetime of 6 years, the instrument has undergone various levels of degradation during its mission time. As a consequence, it is imperative to check the impacts of calibration on the higher-level retrievals. In this paper, we rigorously analyze the sensitivity of TEDI due to the impact of calibration by the afore-mentioned TEB. The perturbation of the dominant (linear) calibration term demonstrated the following: first, there was a correlation in the sensitivity of the TEDI due to the uncertainty in the linear calibration term. Based on a perturbation in the linear calibration term for all aforementioned bands over a range of ±5% yielded the TEDI sensitivity to vary from approximately ?3.2% to about ?3.6%. When considering the uncertainty in each individual band significant changes were observed. The least change was observed for the perturbation in the calibration of band 20 with the TEDI sensitivity and the largest sensitivity in TEDI was observed in the perturbation of band 31 calibration. Thus, in the case of TEDI, noticeable sensitivity due to calibration uncertainty was observed in bands 29, 31, and 32, reiterating the importance of the TEB calibration in these bands. Also, the dust detection scheme based on A-MODIS was successfully transferred to the follow-on sensors such as Suomi (SNPP) and NOAA 20 (N20) VIIRS. The results presented in this paper would be extremely helpful in understanding impacts of calibration on the higher-level products for both current and future missions based on the MODIS heritage. Finally, the work also identifies the importance of radiometric fidelity in maintaining the accuracy of the dust detection. Results presented will show drastic improvement of the Saharan dust detection after the reduction of the electronic crosstalk in the 8.5 µm channel of T-MODIS.     

一种点扫描形貌测量系统的现场标定方法

针对三角法点扫描形貌测量系统结构参数标定的非线性问题,提出并实现了一种简单易行的系统结构参数现场标定方法.利用二维靶标在测量空间内自由摆放,根据靶标上特征点及其像点间的位置关系,基于坐标系转换实现了点扫描形貌测量系统结构参数的精确标定.通过对平面及已知直径圆柱面进行测量,利用测量点到拟合平面或圆柱面的距离评价了系统标定的精度.所提标定方法无需精密调整靶标位置,具有较高的可靠性与实用性;也可用于其它基于三角法原理的三维形貌测量系统结构参数的标定.     

基于力传感器的压力电测系统准静态校准方法研究

针对现有基于落锤装置的比对式准静态压力校准方法中存在的问题,提出了一种通过力传感器来校准压力电测系统的方法。阐述了力监测压力校准方法的原理,介绍了专用力传感器的设计思路,推导了力和压力的理论模型,在此基础上开展了多组校准试验,通过最小二乘法得出了力和压力的线性关系数学模型,并通过多组重复性试验对模型的稳定性进行了考核。试验结果表明,力峰值和压力峰值之间存在良好的线性关系,而且模型的稳定性较高,与现有的比对式准静态校准方法测得的压力峰值相比,模型的计算误差不超过0.95%,该方法可作为一种有效的压力校准方法。     

热线探针对数校准方法研究及改进

开展了可压缩流体中热线探针校准方法的研究,以满足其在各种速度测量场合的使用需求。研究了对数校准数学模型,发现校准系数求解过程中存在矩阵奇异性过强的问题,导致在速度小扰动条件下方程求解稳定性差。对对数校准数学模型进行了参数无量纲化及添加正向偏置的改进,建立了无量纲化对数校准数学模型。在马赫数为0.3~0.5,引射压力为150~300 k Pa范围内进行了校准实验,利用对数校准数学模型对实验数据进行拟合,拟合优度为0.997 61,拟合速度平均偏差为1.378 m/s,校准系数求解过程中系数矩阵条件数为1.595×108,矩阵奇异性过强,加入速度小扰动(1 m/s)后,拟合优度为0.379 74,拟合速度平均偏差为43.81 m/s,方程求解稳定性差。利用无量纲化对数校准数学模型对实验数据进行拟合,拟合优度为0.998 95,拟合速度平均偏差为1.203 m/s,校准系数求解过程中系数矩阵条件数为3.655×102,且无量纲化方法不受速度小扰动影响。对流体速度进行不确定度分析,速度平均不确定度为3.168 m/s,无量纲化拟合速度平均偏差明显小于速度平均不确定度。实验结果证明了无量纲化对数校准数学模型应用于可压缩流体热线探针校准的可行性。     

基于局部线性嵌入的高光谱影像特征提取算法

特征提取能够消除冗余信息,提高高光谱数据处理的精度和计算效率,是分类等分析必要的预处理手段.传统特征提取算法基于线性变换,无法准确描述高、低维特征空间的关系,因此采用一种新型非线性特征提取算法,即局部线性嵌入(LLE,Locally Linear Em-bedding),挖掘高光谱影像的本征信息.针对分类问题,使用训练样本类别属性修正距离矩阵,并借鉴LLE计算未知样本低维映射的方法求解测试样本的特征向量,实现监督局部线性嵌入(SLLE,Supervised Locally Linear Embedding).使用机载可见光/红外成像光谱仪数据,与3种分类算法结合进行测试,实验结果表明:SLLE优于线性特征提取算法,能够解决高光谱影像的小样本分类问题.