云与气溶胶探测技术研究

发布时间：2020-11-15 09:02

　　 气溶胶是指大气中悬浮的直径在0.01μm~100μm范围内的固体和液体粒子,是大气三大活跃成分之一。气溶胶对气候、环境和遥感定量化都存在较大的影响,逐渐成为影响人类生存和社会发展的严重问题。实现大气气溶胶全球分布探测,对研究气溶胶反演和预测具有重大意义。无论是在时间尺度还是在空间尺度上,气溶胶的数量与种类的变化都非常巨大,造成大气气溶胶全球探测和反演十分困难。为实现全球尺度的气溶胶探测,采用卫星遥感作为气溶胶探测的手段。卫星遥感探测气溶胶需要首先解决三个问题:一是有云区域的确定;二是地表反射噪声的剔除;三是大气分子散射的消除。通过对云、大气分子、地表和气溶胶等物质散射特点的分析,确定了能够有效进行云与气溶胶探测的六个波段(380 nm、410 nm、670 nm、865 nm、1610 nm和2200 nm)。依照用户需求,设计一种结构紧凑,视场角为±36°,刈幅宽度为1000 km,地面分辨率优于1 km的广角成像光学系统。该光学系统选择负正透镜组分离(负光焦度透镜组作为前组,正光焦度透镜组作为后组)的反远距光学结构,可以同时满足广角和长工作距离的要求。考虑到滤光片的干涉原理,利用像方远心设计减少各视场主光线在滤光片上的入射角度,避免了像面上不同位置的光谱响应曲线出现较大差异,有利于气溶胶的高精度反演。采用像差渐晕法,增加离轴视场的渐晕系数,用于提高光学系统的像面照度均匀性。根据光学系统的结构特点,开展了原理样机性能检测和定标实验研究。在装调过程中,重点解决了多光轴光学系统光轴调校的技术难题,通过实验验证,各通道光轴之间的夹角小于15″。此外,提出了一套既可用于线阵探测器焦面安装,又可用于畸变检测(几何定标)的通用型实验设备,角度监测误差小于5″,采用该检测方法检查出原理样机的畸变小于1.8%。应用传统方法对镜头和整机进行性能评价,镜头检测结果与设计结果吻合,整机测试结果达到指标要求。通过搭建高精度光谱定标装置,使样机光谱定标精度达到±0.017 nm,并得到样机的光谱响应曲线。经分析,各视场的光谱响应曲线的中心波长差异小于0.7nm,验证了像方远心光路能够有效减少不同视场光谱响应差异的设计思想。根据大视场辐亮度定标的困难,采用分割视场法对原理样机进行辐亮度定标。对辐亮度定标结果进行计算,样机的像面照度均匀性达到84.5%,证明了像差渐晕法能够有效提高像面照度均匀性。通过本文的研究,主要取得了以下几个方面的成果:得到广角低畸变气溶胶探测仪设计方案;有效解决了广角光学系统中消除光谱差异和提高像面照度均匀性两个问题;提出并验证了多光轴光学系统装调和检测的新方法;研制了一台各项指标均满足应用要求的云与气溶胶成像仪原理样机。同时,云与气溶胶探测仪的刈幅宽度和地面分辨率都远超国际同类仪器,为今后多谱段云与气溶胶成像仪研制奠定了技术基础。
【学位单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P407
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 课题研究背景及意义
        1.2.1 大气气溶胶的组成和影响
        1.2.2 大气气溶胶反演特点及难点
        1.2.3 国内外发展情况
        1.2.4 论文研究意义
    1.3 本论文研究内容
第2章 云与气溶胶探测理论
    2.1 云与气溶胶反演方法
        2.1.1 云筛选判别方法
        2.1.2 云筛选方法
        2.1.3 气溶胶反演理论
        2.1.4 云与气溶胶成像仪探测波段
    2.2 探测器选择
    2.3 仪器主要技术指标要求
        2.3.1 有效焦距
        2.3.2 视场角
        2.3.3 相对孔径
    2.4 本章小结
第3章 云与气溶胶成像仪设计与集成
    3.1 光学结构设计
        3.1.1 光学系统结构选择及计算
        3.1.2 畸变校正
        3.1.3 照度均匀性计算
        3.1.4 提高照度均匀性方法
    3.2 光学系统优化设计
    3.3 公差分析
    3.4 原理样机集成
        3.4.1 原理样机光机集成
        3.4.2 多通道光学系统集成方法
        3.4.3 焦面调节方法
    3.5 本章小结
第4章 云与气溶胶成像仪性能评价
    4.1 镜头光学性能检测
        4.1.1 波像差检测
        4.1.2 光学传递函数检测
        4.1.3 焦距测量
    4.2 原理样机性能检测
        4.2.1 整机空间分辨率和整机传函检测
        4.2.2 整机畸变检测及修正
        4.2.3 外场图像畸变处理
    4.3 样机线性度检测
        4.3.1 同一积分时间下线性响应
        4.3.2 同一信号下线性对应关系
    4.4 样机信噪比检测
    4.5 本章小结
第5章 云与气溶胶成像仪定标方法研究
    5.1 云与气溶胶成像仪光谱定标
        5.1.1 光谱定标装置
        5.1.2 光谱定标方法及结果
    5.2 云与气溶胶成像仪辐亮度定标
        5.2.1 定标光源
        5.2.2 积分球光谱辐亮度传递
        5.2.3 原理样机辐亮度定标
        5.2.4 定标不确定度分析
    5.3 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 结论
    6.2 论文主要创新点
    6.3 展望
参考文献
在学期间学术成果情况
指导教师及作者简介
致谢

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本文编号：2884584