基于红外探测器焦平面成像的白天测星技术研究

对于大气层以下的传统可见光天文导航,存在白天日照强烈而无法观测星体,数据缺乏连续性,可观测恒星数量少,无法实现全天时天文导航等问题。文中设计并探究利用红外探测器焦平面成像技术来取代可见光CCD成像技术的短波红外天文导航方法,分析短波红外波段相对于可见光波段,在大气层内白天观星实现全天时天文导航的优势,并对其可行性进行实验分析。实验结果表明,基于红外探测器的天文导航方法,在太阳辐射较弱的清晨或黄昏等时段,可以成功拍摄到可见光CCD仪器无法观测到的短波红外波段的恒星,对于实现全天时天文导航具有一定的参考意义。夜间短波红外波段的可供观测恒星数量远远多于可见光恒星数量,这对于增加多余观测量,保证连续测量输出,提高天文导航定位定向的精度,具有实际的应用价值。     

红外遥感器自身引起的背景辐射研究

针对折反射光学型式的红外遥感器,结合各组件辐射的传输特性,建立系统自身辐射的计算模型,分析了遥感器自身热辐射所形成的背景辐射.通过将背景辐射与目标辐射相比较,分析其对红外探测的影响,并讨论了背景辐射影响的消除方法.最后,利用该模型分析了天宫一号高光谱成像仪红外观测谱段的背景辐射,并讨论了光瞳像差的影响.     

成像光谱和热红外多光谱技术地质制图研究

根据高光谱分辨率的航空成像光谱（ＭＡＩＳ）和热红外多光谱（ＴＩＭＳ）图像数据中遥感信息特点，即可从其数据获得成像地物光谱，利用航空成像光谱图像处理和分析方法，可有效和精确地对地物特性进行识别和提取。此次以调查沉积岩地区地质地层单元、岩性识别为研究内容的中日联合遥感研究所采用的图像数据，是由中国科学院上海技术物理研究所新开发的ＭＡＩＳ和ＴＩＭＳ获取的。研究结果表明，利用计算机图像处理方法，对ＴＩＭＳ图像进行主成分分析（ＰＣ），ＭＡＩＳ的短波红外（ＳＷＩＲ）图像的假彩色合成图（ＦＣＣ），以及可见近红外（ＶＮＩＲ）图像波段差值处理，可将研究区内出露的白云岩、灰岩以及红色砂岩、绿色砂岩等岩性识别出来，同时圈出了研究区内出露的各个时代的地层，证明了ＭＡＩＳ和ＴＩＭＳ在地质制图方面有较大的潜力。     

中波红外图像模拟生成技术研究

基于中波红外图像获取困难的现状,利用高分辨率可见光图像,分别提出基于近似模型和辐射传输模型的中波红外图像模拟方法。在近似模型中,对可见光图像分类,结合不同地物的发射/反射特性,建立起待模拟中波红外图像与源图像之间的灰度映射关系;在辐射传输模型中计算出地面的辐射亮度值,并利用MODTRAN4进行大气改正;利用这两种方法,得到了不同条件下的模拟图像,并给予初步的评价。模拟结果表明,两种方法均能反映出中红外波段下不同地物的相应特征,并在制导等军事应用中有一定的价值。     

星载红外高光谱传感器温度廓线反演综述

全球变暖是当前国际社会的热点话题,温度廓线是大气热力状态的重要参数,准确高效地获取其时空分布信息是天气预报和气候变化研究的前提.与传统的地面观测方式相比,卫星探测数据具有高空间、时间分辨率的优势,为气象观测提供了数据支持.本文分别针对星载红外高光谱传感器3种常见观测模式(天底、掩星及临边观测模式)下的国外7个传感器代表...     

高分五号可见短波红外高光谱相机在轨辐射性能评估

对遥感器及其图像的在轨辐射性能(信噪比、相对辐射定标精度、绝对辐射定标精度和动态范围)评估是检验遥感器定量应用能力的重要任务之一。本文结合高分五号卫星可见短波红外高光谱相机AHSI (the Advanced Hyperspectral Imager)在轨性能评估任务,依据卫星发射以来的在轨测试数据,介绍了AHSI相机在轨辐射性能评估的原理、方法及相应测试情况。测试结果表明:AHSI信噪比可见近红外最高达到近700,短波红外最高达到近500;相对辐射定标精度误差小于0.5%,星上绝对辐射定标不确定度小于3%,场地绝对辐射定标真实性检验精度误差小于5%;动态范围在轨可见短波均可以256档增益精细调整。AHSI在轨辐射性能良好且稳定,能够有效支持后续定量化应用需求。     

联合热红外与微波的作物辐射方向性模型研究

热红外遥感提供地表表层辐射信息为主,被动微波遥感可更好地提供植被和土壤背景垂直结构的辐射信息。结合热红外与被动微波遥感的优势协同反演植被和土壤组分温度是提高组分温度反演精度的一种思路。本文在对热红外辐射传输模型和微波辐射模型进行比较的基础上,构建均匀作物的统一场景,将统一场景的参数分为直接参数和间接参数。基于统一场景,修改微波辐射模型的场景结构及叶倾角分布,并增加组分温度参数以计算辐射亮温,最终构建热红外与微波辐射联合模拟模型(UEasmmes模型)。针对均匀玉米作物,利用UEasmmes模型进行联合模拟,分析了组分温度、组分发射率、叶面积指数LAI及叶倾角分布LAD对热红外与微波的方向性亮温DBT的敏感性响应差异。分析结果表明:协同热红外与被动微波遥感反演植被和土壤组分温度是可行的,但对于如何克服组分发射率、LAI及LAD对植被有效发射率的影响而导致的微波辐射亮温变化以及实现热红外表皮温度与微波等效温度之间的转化仍是需要深入研究和探讨的问题。     

长波红外空间光学遥感器高精度辐射定标技术

为了满足中国环保、国土、农业、气象、减灾等行业对地表温度遥感高精度监测的需求,近些年来中国长波红外空间光学遥感器空间分辨率从公里尺度提高到十米尺度分辨率,定量化应用的需求也越来越高.高精度的辐射定标是保证红外数据定量化应用的关键,本文通过全链路分析了影响辐射定标精度的因素,结合某型号任务的研制过程的具体实际,分析了主要...     

红外高光谱资料反演有云时大气温湿廓线的模拟研究

在模拟星载红外高光谱辐射观测值对云高和有效云量的敏感性基础上展开了有云时大气温湿廓线反演的模拟研究,用特征向量统计反演法反演大气温湿廓线时进行云顶高度分类在一定程度上可提高反演精度,但在云顶以下高度反演误差仍然较大.在AIRS像元中加入匹配的晴空MODIS红外观测值,可以提高云顶以下高度的反演精度,云顶所在高度越高大气参数反演精度提高越大,尤其足温度反演精度,有云时模拟的均方根误差在整层大气中几乎小于2K.     

利用AIRS观测资料进行红外高光谱大气探测能力试验的研究

利用EOS Aqua卫星平台上搭载的光栅式高光谱分辨率大气红外探测仪器AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）的实际观测资料，采用经验正交函数展开法（特征向量法）进行了大气温度、湿度廓线的反演误差敏感性试验研究。试验内容包括光谱覆盖、通道覆盖、通道宽度等。通过这些试验，研究在中国现有的经济、技术条件下要达到在对流层1km气层温度、湿度分别小于1K和20％的反演精度和垂直分辨率所应该具备的光谱通道特征，为发展中国自己的红外高光谱分辨率探测技术提供科学依据。试验计算结果表明，基于中国现有的经济和技术基础，发展具有100个左右的光谱通道，通道宽度为2-4个波数的干涉式红外大气探测仪器（比中国目前FY-3初期的滤光片式红外分光计的光谱波段宽度减小3-4倍），可明显改善大气参数反演精度，基本满足现阶段使用要求。     

Retrieval of leaf water content spanning the visible to thermal infrared spectra

The objective of this study was to investigate the entire spectra (from visible to the thermal infrared; 0.390–14.0 μm) to retrieve leaf water content in a consistent manner. Narrow-band spectral indices (calculated from all possible two band combinations) and a partial least square regression (PLSR) were used to assess the strength of each spectral region. The coefficient of determination (R²) and root mean square error (RMSE) were used to report the prediction accuracy of spectral indices and PLSR models. In the visible-near infrared and shortwave infrared (VNIR–SWIR), the most accurate spectral index yielded R² of 0.89 and RMSE of 7.60%, whereas in the mid infrared (MIR) the highest R² was 0.93 and RMSE of 5.97%. Leaf water content was poorly predicted using two-band indices developed from the thermal infrared (R² = 0.33). The most accurate PLSR model resulted from MIR reflectance spectra (R² = 0.96, RMSE = 4.74% and RMSE cross validation RMSE_CV = 6.17%) followed by VNIR–SWIR reflectance spectra (R² = 0.91, RMSE = 6.90% and RMSE_CV = 7.32%). Using thermal infrared (TIR) spectra, the PLSR model yielded a moderate retrieval accuracy (R² = 0.67, RMSE = 13.27% and RMSE_CV = 16.39%). This study demonstrated that the mid infrared (MIR) and shortwave infrared (SWIR) domains were the most sensitive spectral region for the retrieval of leaf water content.     

红外焦平面探测器信息获取与预处理电路设计

针对中国科学院上海技术物理研究所研制的1500元红外线列焦平面探测器的输出特性,提出了以低噪声运放为核心的信息获取电路和以FPGA(Field Programmable Gate Array)为核心的数据预处理的设计方案,实现了驱动电路和探测器的良好匹配,较好地发挥了探测器高灵敏度的特性.测试结果表明,该方案不仅对系统获得优于50 mK噪声等效温差的高灵敏度成像起到了重要作用,足够宽的量化设计还保证了系统的动态范围和图像的丰富层次.该设计方案已成功应用在一些其他类型的红外焦平面探测器中.     

A practical algorithm for estimating surface soil moisture using combined optical and thermal infrared data

Surface soil moisture (SSM) is a critical variable for understanding the energy and water exchange between the land and atmosphere. A multi-linear model was recently developed to determine SSM using ellipse variables, namely, the center horizontal coordinate (x₀), center vertical coordinate (y₀), semi-major axis (a) and rotation angle (θ), derived from the elliptical relationship between diurnal cycles of land surface temperature (LST) and net surface shortwave radiation (NSSR). However, the multi-linear model has a major disadvantage. The model coefficients are calculated based on simulated data produced by a land surface model simulation that requires sufficient meteorological measurements. This study aims to determine the model coefficients directly using limited meteorological parameters rather than via the complicated simulation process, decreasing the dependence of the model coefficients on meteorological measurements. With the simulated data, a practical algorithm was developed to estimate SSM based on combined optical and thermal infrared data. The results suggest that the proposed approach can be used to determine the coefficients associated with all ellipse variables based on historical meteorological records, whereas the constant term varies daily and can only be determined using the daily maximum solar radiation in a prediction model. Simulated results from three FLUXNET sites over 30 cloud-free days revealed an average root mean square error (RMSE) of 0.042 m³/m³ when historical meteorological records were used to synchronously determine the model coefficients. In addition, estimated SSM values exhibited generally moderate accuracies (coefficient of determination R² = 0.395, RMSE = 0.061 m³/m³) compared to SSM measurements at the Yucheng Comprehensive Experimental Station.     

无人机近红外遥感初探

针对无人机有效载荷的限制,目前可用于无人机的传感器单一,数据覆盖波段只局限于可见光这一问题,该文着眼于无人机搭载的近红外相机进行遥感应用研究。通过无人机红外数据与对应卫星数据的应用对比,集成对比因子为归一化差值植被指数(NDVI)和土壤调节植被指数(SAVI),验证无人机获取近红外数据遥感手段的可靠性,说明了该文提出的无人机红外数据获取方法可用于数据获取以及相应的遥感应用,对未来无人机遥感技术的深入发展提供一定的参考。     

海洋一号卫星水色水温扫描仪红外信息获取

对海温分布与变化的探测是海洋一号卫星主载荷水色水温扫描仪（简称水色仪，COCTS）的主要任务之一。考虑到对海冰和海洋上空台风等气象要素的同时探测，实际水温探测通道的动态范围要求涵盖200—320 K的温度区间。由于某些洋面区域微弱温度的变化将会导致严重天气灾害的发生，因此海温探测通道还需满足探测灵敏度与定量化的精度要求。本文旨在依据技术指标要求，设计水色仪红外通道的信息获取电路，包括对探测器微弱信号进行放大的前置放大电路，消除基础电平以提高动态范围的交流放大器，以及实现信号的直流恢复与动态范围调整的通道放大电路。基于对所使用的光导型红外探测器工作机理的研究，结合水色仪的系统组成与特性，为确保同时满足高动态范围与高灵敏度这一对相互矛盾的指标要求，通过理论分析计算、电路仿真等方法，确定各级放大电路的形式及参数。在真空环境模拟实验室对水色仪的系统性能进行测定，以验证信息获取电路设计的合理性。在实验室进行的红外辐射定标结果表明和在轨测试结果均表明，水色仪两个红外通道的动态范围和噪声等效温差（NETD）均能较好的满足技术指标要求。红外通道能够实时跟踪星上黑体信号随时间与周围环境的变化，可据此来对红外通道的定标系数进行即时修正，从而达到预期的在轨实时辐射定标的目的，为定量化反演海温奠定了基础，并能获取且制作出高质量的全球海温产品。