FY-4卫星闪电成像仪设计与实现

介绍了我国第一台探测闪电的空间光学遥感仪器——风云四号(FY-4)卫星装载的闪电成像仪的设计与实现。给出了空间光学闪电探测原理。FY-4A星闪电成像仪采用小F数透射光学系统,用双镜头拼接实现大视场覆盖;采用高稳定度超窄带多腔干涉滤光片实现闪电信号滤波,以高速多抽头大光敏元CCD器件为敏感元件获取闪电与背景图像,由实时事件处理器在积分时间内按像元完成焦面数据的多帧背景评估、背景去除、阈值比较和闪电事件编码;采用与闪电事件一致的视场分辨率进行空间滤波,降低云层、陆地和海洋等背景信号对闪电信号的影响。研制的闪电成像仪由闪电成像仪主体、闪电信息处理盒、闪电管理与温控盒和闪电配电盒组成,设计了闪电探测、地标观测和FPGA程序上注三种工作模式。FY-4A星闪电成像仪研制中突破了闪电成像仪分系统总体、超窄带滤光片应用、高帧率CCD器件、实时事件处理器,以及闪电成像仪实验室标定与验证等关键技术。闪电成像仪的指标与国际同类仪器相当。至目前为此在轨测试表明:该闪电成像仪能实现对不同强度闪电事件实时探测,具备对强对流天气过程完整监测和跟踪能力。展望了后续我国闪电成像仪技术的发展和应用需求。     

卫星导航接收机陷波器级联抑制窄带干扰研究

为了在有用信号失真较小的情况下有效抑制具有一定带宽的窄带干扰,本文首先推导了IIR陷波带宽控制参数α与陷波带宽和陷波深度的定量表达式,在统筹考虑陷波频率、陷波带宽、陷波深度和实时性基础上提出了基于多级开环IIR陷波器级联的滤波算法。每一级IIR滤波器负责抑制一个子带内的干扰,在保证陷波深度的条件下实现较为陡峭的带阻特性,在窄带干扰被有效抑制的情况下使有用信号失真达到最小。仿真结果验证了算法的有效性。
     

航天光学遥感探测器滤光片环境考核方法

滤光片是航天光学遥感探测器的关键部件,其环境稳定性直接影响到探测器的光谱响应特性。文章以现有的航天器、电子元器件、光学膜层等环境考核标准为基础,参考欧空局、DALSA(加拿大数字影像器件公司)等的考核条件,并结合在遥感相机研发生产过程中与滤光片相关的环境考核项目,首次提出了一套针对航天光学遥感探测器滤光片的环境考核方法,给出了考核项目、考核流程、参考试验条件、测试项目、测试方法。考核项目包括高低温循环、热真空、热存储、湿度、辐照考核;测试项目包括光谱特性测试、膜层牢固度测试。该方法已在遥感型号产品上实施并得到在轨和地面试验验证,可作为滤光片环境考核的参考。     

紫外-短波红外航天遥感探测器光电性能测试装置的研制和标定

为解决紫外-短波红外探测器光电性能测试和评价问题,研制了一套探测器的光谱响应、时间响应和偏压响应测试装置,为紫外-短波红外探测器的光谱响应和光电特性参量测试提供测试装置和评价依据,以便评价其综合性能指标是否满足设计和使用要求。介绍了测试装置的研制和标定过程,该测试系统由宽光谱复合光源、样品室、单色仪、锁相放大器、标准探测器等构成,实现了200～2 500 nm光谱范围内光电探测器绝对/相对光谱响应度、量子效率、归一化探测率、频响特性、偏压响应度和时间响应参量的测试功能。最后分析了照明光斑波长校准和光谱辐射照度标定的重要性,并给出标定方法和结果。     

静止轨道闪电光学探测的光谱选择及影响分析

闪电产生于强对流云或对流云系,是强对流灾害性天气的"示踪器"。闪电成像仪在静止轨道上利用瞬态闪电和缓变的云层、陆地与海洋等背景噪声之间存在时间、空间和光谱特性上的差异,采用光谱滤波、空间滤波、多帧-帧背景去除等三种方法组合来实现瞬态闪电的增强与探测。由于中国缺少云顶闪电辐射、闪电分布、闪电瞬态特性等参数,静止轨道闪电光学探测仪器的设计重点之一是光学探测谱段的选择与评价。针对中国存在的闪电光学性能研究不足和空基天基的光学探测手段较少的情况,在地面采用光谱仪对人工模拟闪电、自然界闪电进行光学特性探测,对获取到的地基闪电光谱数据进行分析和反演,从而得出天基闪电探测的参数选择。文章重点论述了闪电的空间光学探测仪器的探测谱段选取、仿真计算、试验验证等内容,为静止轨道闪电光学探测载荷研制提供基础数据和保障。     

大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪设计与实现

GF-5卫星的大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪是中国目前光谱分辨率最高的红外超光谱探测载荷,它基于时间调制傅里叶变换光谱探测技术,通过太阳掩星观测方式在750~4 160cm–1(2.4~13.3μm)光谱范围内,实现光谱分辨率0.03cm–1的大气透射光谱探测。该载荷的两大技术特点和难点是高光谱分辨率和自主精密太阳跟踪,采用大光程差摆臂角镜傅里叶变换光谱仪实现了红外宽谱段、高分辨率光谱探测,研制了图像反馈太阳跟踪装置实现在轨自主精密太阳跟踪。文章回顾了该载荷的系统设计、关键技术及实现情况,给出了地面测试与试验结果,可为同类载荷研制提供参考。     

卫星ATM网络中自适应FEC情况下的有效带宽估计

针对采用自适应前向差错控制（AFEC）的卫星异步传递模式（ATM）网络，研究了两种有效带宽估计方法。由于AFEC码率的动态特性使业务实际的传输速率具有不固定性，因此估计有效带宽时要考虑AFEC的影响。首先针对一般卫星时变信道和多码率AFEC情况下的卫星ATM，应用流体近似方法分析了有效带宽的计算，然而该方法要求的条件及计算复杂度均比较高，应用中有局限性。以此方法为基础，提出了采用修正因子的估计方法。数值结果表明采用修正因子的有效带宽估计方法比较简单可靠，适用面较广。     

超光谱仪光栅面形对光谱性能影响的仿真分析

鉴于普通光学镜面分析技术研究光栅面形对超光谱仪光谱性能的影响具有精确度低且过程复杂的劣势,文章提出了一种用于分析光栅面形的全链路仿真分析方法。该方法综合考虑衍射和像差信息,利用有限元建立超光谱探测仪光栅结构变形模型,采用Zernike多项式作为结构分析与光学分析之间的接口工具,对光栅面形数据进行处理,得到光栅面形拟合结果,通过光学软件Zemax计算得到光栅面形对光谱畸变和光谱分辨率的影响。仿真分析结果表明,光栅面形的变化对系统的光谱畸变(如光谱弯曲和色畸变)影响较小,基本控制在1/5个像元内;对系统的光谱分辨率影响较大,当光栅面形导致其刻线位置发生较大误差时,对光谱分辨率有明显影响。     

大孔径静态干涉成像光谱仪的坏像元检测修正

大孔径静态干涉成像光谱仪在实际应用中因为器件问题产生大量坏像元,其特殊的时空联合调制成像方式导致传统的光谱图像域坏像元修正方法无法使用。而设备在轨运行期间坏像元的不断恶化、复杂背景地物的干扰更是为坏像元的自动检测修正处理带来巨大挑战。基于对坏像元分布和变化特征的长时间分析研究,文章提出一种在原始帧的差分域而不是光谱影像上进行坏点自动检测的新方法,很好地克服了现有方法中坏点检测效率较低、阈值计算精度低且所需时间长等缺陷,通过实际数据验证表明,坏像元修正后的复原光谱影像坏线得到了很好的消除,且与理想光谱的相对误差保持在0.2%以内。     

环境-1A超光谱成像仪相对辐射定标方法应用研究

介绍了环境-1A卫星上装载的新型有效载荷超光谱成像仪的工作原理。指出我国使用超光谱干涉仪尚处于试验阶段,对在轨数据处理方法还需要完善。文章针对干涉仪的数据立方体特性提出一种空间维的基于统计方法的在轨干涉数据相对辐射定标处理方法,并通过对卫星实际在轨数据的对比处理来验证其处理效果。结果表明,相对辐射定标处理可以修正CCD响应的不均匀性和入射光场的不均匀性,减小非线性相位偏移,提高复原光谱的精度。     

基于SBS的微波光子滤波器技术研究

文章针对微波域滤波器只能对提前设计好的特定频段、特定带宽使用的局限性而提出微波光子滤波器，其中，基于受激布里渊散射效应（SBS）的微波光子滤波器不仅拥有可调谐、可重构特性，而且由于其阈值低、调谐范围大和系统稳定性较好等优点而引起广泛关注。文章对比总结了从2011年以来国内外学者在该滤波器方面取得的重大研究成果并得出其未来的发展趋势。选取性能更优越的光频率梳技术进行SBS增益谱叠加，进而利用滤波器频谱带宽可重构的方法来实现基于SBS的滤波器设计。通过optisystem和matlab软件进行仿真分析，得到了3dB带宽为137MHz、形状因子为0.75、可调谐范围为0~20GHz的基于SBS的微波光子滤波器。从滤波器性能得出其可应用于包括卫星通信系统在内的各系统中的收发机，将大频率带宽范围的GHz宽带信号划分为并行的百MHz窄带信号，以便于用低频器件进行相关处理。     

滤波天线技术在微波能量传输中的应用研究

微波无线能量传输摆脱了传统能量传输的电缆限制,可以满足多个领域的应用需求,整流天线是完成微波-直流能量转换的重要装置。目前常规整流天线中存在的滤波器、阻抗匹配网络等损耗及常规微带天线的窄带特性,使得其效率及带宽等特性存在可提升的空间。文章在回顾滤波天线及整流天线的发展现状的基础上,提出将滤波天线的概念与整流电路相结合,开展滤波整流天线技术研究。将天线单元作为滤波器电路理论中的谐振单元开展滤波整流天线建模和分析理论研究,设计具有辐射、滤波、复数阻抗匹配等功能的天线及阵列结构,有望突破整流天线高效集成的技术难点,为微波无线能量传输效率提升提供技术基础。     

稀土掺杂漫反射板星上光谱定标技术

星上光谱定标是星载光谱成像仪光谱图像数据定量化应用的基础。文章针对某光谱成像仪特点和任务要求,在中国首次选用稀土掺杂聚四氟乙烯漫反射板法对其进行星上光谱定标,并进行了地面模拟。通过寻峰处理和回归分析计算出了光谱定标方程,模拟了载荷的星上光谱定标过程,并利用汞灯标准谱线和滤光片吸收峰波长对定标精度进行了检验。     

静止轨道气象卫星观测系统发展设想

介绍了静止轨道气象卫星发展的现状。对国内外静止气象卫星的平台能力和探测仪器性能进行了对标与分析。根据我国静止气象卫星应用需求,给出了所需的新型遥感仪器的需求。讨论了静止气象卫星的发展趋势。介绍了静止气象卫星采用光学成像星、探测星(光学、微波)、降水测量星组合配置,在同步轨道上同位或异位进行观测的发展设想,以及需配置的先进可见光红外成像仪、闪电成像仪、高光谱垂直探测仪、地球辐射收支仪、太阳X-EUV成像仪、地球静止轨道先进微波探测仪、地球静止轨道降水测量雷达等的主要功能与性能。     

基于紫外ICCD的导弹逼近告警系统研究

在200-400nm紫外波段,阳光辐射被大气中的臭氧层强烈吸收,存在所谓的“太阳光谱盲区”;而背景环境中景物的温度不足以产生有影响的紫外辐射。因此,在低空环境中,紫外探测器很容易探测到微弱的紫外辐射,具有很低的虚警率。开展了基于紫外ICCD的导弹逼近告警系统研究、紫外目标特性及大气传输研究、大视场窄带紫外光学系统研究及紫外图像处理等研究,进行了各种测试试验,取得了预期的研究成果。     

滤光片装调误差对成像品质的影响

采用离散滤光片分光技术设计了面阵全色/多光谱相机,针对相机高分辨率、高成像品质的要求,从理论上研究了滤光片装调误差对系统成像品质的影响,推导出滤光片仅存在俯仰或倾斜装调误差,以及两种误差同时存在时由于滤光片装调误差所引起的光学系统焦距的变化和成像位置在探测器像面上的移动量,仿真分析了两种误差独立存在和同时存在时对系统调制传递函数(MTF)的影响大小,以及不同入射角度下滤光片装调误差对成像品质的影响,为滤光片结构设计和装调提供了参考,飞行试验结果验证了理论分析的正确性。     

大气环境监测卫星紫外高光谱大气成分探测仪技术发展及应用

大气环境监测卫星是我国民用空间基础设施中长期发展规划中的科研卫星。本文介绍了搭载于该卫星的新一代紫外高光谱大气成分探测仪，通过发展紫外高光谱大幅宽高分辨超光谱成像技术，使紫外谱段高光谱大气观测空间分辨率提升一倍，大幅提升气态污染物监测能力，取得良好的应用效果。     

地球敏感器红外带通滤光片膜系设计及其研制

红外带通滤光片已成功地应用于我国自行研制的近三十颗卫星的地球敏感器上。本文详细介绍了用等效折射率概念、设计１４～１６．２５μｍ红外带通滤光片的原理和方法，给出了设计的膜系，分析了主要工艺及膜层厚度的控制对红外带通滤光片光学特性的相互影响，并与国内外同类滤光片的光学特性进行了比较。     

基于顶点成分分析的高光谱图像低概率异常检测方法研究

用低概率检测(LPD)方法对小概率异常进行检测时,由于在低频空间中选取正交向量作为背景光谱,使得小概率异常检测受噪声影响较大,存在漏检率较高的缺点。提出用顶点成分分析(VCA)算法提取端元光谱作为背景光谱,并将观测光谱向量投影到背景光谱张成空间的正交子空间中,从而有效抑制背景、突出目标进行异常检测。通过对高光谱原始数据的仿真分析,该检测方法降低了漏检率,提高了检测能力。     

基于循环互相关的窄带回波多普勒频移估计

针对雷达窄带回波信号的循环互相关估计多普勒频移问题进行了研究。利用信号循环平稳特性,分析了存在多普勒频移条件下雷达窄带回波信号的循环统计特性,在此基础上提出了基于循环互相关变换的多普勒频移估计算法,该方法能有效地估计多普勒频移参数。最后利用计算机进行了仿真实验,验证了该算法的有效性。