1 西安工业大学电子信息工程学院, 陕西 西安 710021
2 西南交通大学高温高压物理研究所, 四川 成都 610031
3 西北机电工程研究所, 陕西 咸阳 712099
冲击物理温度是**弹药性能测试、 极端环境材料状态的重要参量, 温度的精准获取在**建设和工业制造领域有重要意义。 冲击过程由于持续时间短、 较难接触式测量以及温度范围广等特性, 常规测温方法较难满足要求。 利用多光谱辐射测温法, 获取材料辐射强度值, 以普朗克辐射定律为基础建立温度反演模型, 从而获取目标的冲击物理温度值。 实际中, 由于不同目标发射率存在一定随机性, 在模型反演温度时误差较大。 冲击压缩下材料的结构可能发生相变, 发射率随之变化, 因此直接将发射率模型假定用于冲击物理温度求解, 很难准确的获取温度值。 基于约束优化理论, 将多光谱测温实验中温度求解问题转为约束优化问题。 针对每个通道获取到的温度值应该相同, 将物体发射率限制在特定范围, 利用约束优化算法计算获取目标温度和发射率, 克服了未知发射率对于冲击物理温度求解的障碍。 同时, 将平衡优化器算法（EO）与序列二次规划法（SQP）相结合应用于温度模型的求解中, 避免了单一算法求解稳定性差和速度慢的缺点, 提高了温度反演的效率和准确性。 对四种常见的发射率模型在3 000 K时的发射率数据进行了仿真验证, 结果表明温度反演误差均小于1%, 反演时间小于3 s。 最后利用本算法对冲击压缩下金属铜的温度进行了反演, 并与最小二乘法和内点罚函数法进行了对比, 结果表明所提出的方法得到金属铜的冲击物理温度值更接近理论计算结果。 因此, 该方法为其他未知发射率模型目标的冲击物理温度值获取, 提供了一种有效的反演方法。
多光谱测量 冲击物理温度 发射率 反演算法 Multi-spectral measurement Shock temperature Emissivity Inverse algorithm 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3666
1 中国科学院空天信息创新研究院国家环境保护卫星遥感重点实验室，北京 100101
2 中国科学院大学，北京 100049
3 安徽师范大学地理与旅游学院，安徽 芜湖 241003
4 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116
5 北京环境特性研究所，北京 100143
6 航天东方红卫星有限公司，北京 100094
全球气候治理和温室气体减排已经到了刻不容缓的地步。自工业革命以来，大气甲烷（CH4）体积分数一直持续上升，目前全球平均值已达约1895.7×10-9，加上CH4全球变暖潜能值比二氧化碳（CO2）高约27~30倍，因此对大气CH4的监测成为碳减排的重点与热点。利用卫星遥感探测速度快、覆盖范围广、获取信息丰富等优势，可以实现高精度、高时空分辨率且全球覆盖的大气CH4浓度监测。据此，首先对大气CH4探测卫星及传感器的发展进行梳理与介绍，从早期的被动热红外探测，到对近地CH4浓度变化更为敏感的被动短波红外探测，再到以甲烷遥感激光雷达任务（MERLIN）为代表的主动型探测，CH4探测传感器空间分辨率提升至5~10 km，探测精度提升至10×10-9以内，并朝着高时空分辨率、高精度和连续观测一体化的目标不断发展；然后，对各类传感器不同算法的原理、适用条件和反演精度等进行归纳总结，其中精度最高、应用最为广泛的全物理算法的反演精度已达到了0.3%；最后，结合大气CH4卫星遥感发展现状与双碳目标的战略需求，对CH4卫星遥感和反演研究的发展趋势进行总结与分析，旨在为我国大气CH4卫星遥感体系建设提供一定的参考。
大气遥感 传感器 碳减排 温室气体 甲烷 反演算法 光学学报
2023, 43(18): 1899904
1 北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院，北京 100875
2 北京大学物理学院大气与海洋科学系，北京 100871
臭氧是大气中重要的痕量气体，可影响对流层与平流层大气状态和过程。约90%的臭氧集中在平流层，可吸收下行紫外太阳辐射，保护地球生命系统；约10%的臭氧位于对流层，其空间分布多受局地生成和跨区域输送的影响。目前，臭氧已逐渐成为我国甚至全球首要污染物，臭氧污染防治也相应地成为我国未来大气污染防治的重点。本文回顾了卫星遥感臭氧的发展进程，包括臭氧卫星探测传感器、反演算法和应用进展，并着重分析了臭氧污染相关内容，包括臭氧污染时空特征分析、典型污染事件分析、臭氧污染与气象条件相互作用等。多种卫星探测载荷的仪器设计和反演技术的不断发展，使得卫星遥感臭氧反演和监测应用成为可能。卫星可通过紫外谱段和红外谱段而获取臭氧整层信息和垂直分布信息，目前臭氧柱总量监测精度较高，但对流层下层和近地面臭氧浓度反演精度还有待提高。根据现阶段的技术水平，可采用多种技术方法相结合来提升中低层臭氧的探测能力。臭氧污染的监管和防控需要摸清来源，准确评估污染的成因，可从前体物排放、化学转化、气象影响、三维传输等方面逐步进行解析。此外，氮氧化物（NOx）和挥发性有机物（VOCs）的协同减排是我国臭氧治理的根本所在，也是下一步的重点研究方向。
大气光学 臭氧 卫星遥感 反演算法 精度验证 空气质量 平流层侵入 光学学报
2023, 43(18): 1899905
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
4 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
激光外差光谱（LHS）系统具有光谱分辨率高、探测灵敏度高和体积小等特点，在高分辨率太阳光谱和整层大气透过率测量等应用中受到关注。以3.93 μm分布反馈式带间级联激光器（DFB-ICL）作为本振光源搭建了激光外差光谱测量系统，以太阳光作为信号光，利用Zemax光学仿真软件对太阳光与激光的耦合进行设计和仿真。基于开普勒望远镜原理设计了太阳光整形结构。光斑整形后有效提高了外差耦合效率，将系统信噪比提高至162.1，比无整形条件下获得的信噪比提高了一倍。利用搭建的激光外差系统实测了合肥地区整层大气N2O吸收光谱，采用最优估算法反演了N2O的柱浓度，均值为0.311×10-6，反演结果与EM27/SUN的实测结果进行比较，两种方式获得的N2O柱浓度相关性为0.856。测量结果表明，激光外差光谱测量系统的光学结构经设计和优化后，光学耦合效率和系统信噪比均得到有效提升，基于实测太阳光谱反演获得的N2O柱浓度也与商用仪器观测结果具有较好的一致性。
光谱学 激光外差 信噪比 光斑整形 光学仿真 反演算法 中国激光
2023, 50(14): 1411001
1 南昌大学资源环境与化工学院， 江西 南昌 330031
2 南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，江西 南昌 330031
3 东南大学能源与环境学院，江苏 南京 210096
差分吸收光谱（DOAS）技术能够精确实时地监测烟气成分的浓度，是从源头上控制烟气污染物排放的有效手段。在DOAS系统中，光源强度变化是影响测量长期可靠性的重要因素。针对这一问题，提出一个新的光强免校准的DOAS反演算法。该算法利用邻域宽带截面对气体特征吸收的窄带截面进行归一化，从而获得不受光源强度变化影响的等效吸收强度参数αeq(λk)，通过比较该参数的测量值与标准截面的计算值，进而可以推算出气体浓度。与传统算法相比，该算法不需要进行多项式拟合、信号滤波等复杂计算，更便于硬件实现。搭建测量系统，用氮气与高浓度NO标气制备不同浓度NO，以NO测量数据为例，结果表明，NO的特征吸收峰只出现在195.5 nm（吸收峰1）、204.7 nm（吸收峰2）、214.8 nm（吸收峰3）、226.2 nm（吸收峰4）等4个位置，且该4个吸收峰的半高全宽均为1 nm左右。采用该算法，特征吸收峰4（226.2 nm）的线性回归决定系数R2达到了0.998 17，验证了新算法的可行性。
差分吸收光谱 反演算法 一氧化氮 免校准 differential absorption spectroscopy inversion algorithm nitric oxide calibration free
1 中国海洋大学信息科学与工程学部，山东 青岛 266100
2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237
3 青岛海洋科学与技术试点国家实验室“观澜号”海洋科学卫星工程部，山东 青岛 266237
激光雷达能够提供高时空分辨率的大气风场数据，为了提高激光雷达在海上浮标等运动平台上的观测精度，开展了基于漂浮式测风激光雷达系统的海气边界层风场反演算法研究。利用自主研发的漂浮式测风激光雷达系统的观测数据，使用浮标平台姿态和径向速度校正方法、速度方位显示（VAD）风场反演方法，以及数据质量控制方法，提高风廓线反演结果的准确性。将同步观测实验结果与风廓线反演结果进行比对验证，结果表明水平风速和风向的比对误差分别为0.3 m/s和2.0°，决定系数分别为0.986和0.996，表明了漂浮式激光雷达风廓线反演算法的准确性。
海洋光学 激光雷达 浮标 风廓线 反演算法 质量控制 光学学报
2022, 42(24): 2401002
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院,安徽 合肥 230601
2 淮北师范大学污染物敏感材料与环境修复安徽省重点实验室,安徽 淮北 235003
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所!环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
4 中国科学院区域大气环境研究卓越创新中心,福建 厦门 361021
5 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230025
HONO作为大气OH自由基的前体物和重要贡献源, 影响着大气中污染物的氧化降解, 控制着对流层大气的自净能力, 对灰霾和光化学烟雾形成起到重要作用, 同时受污染排放特征、 垂直传输和混合、 非均相反应和大气光氧化等影响, HONO具有明显的垂直分布特征, 因此探究大气中HONO的垂直分布特征对于了解大气灰霾和光化学污染的形成和控制都十分重要。 MAX-DOAS作为一种被动遥感技术, 能够快速有效地获取大气中污染物的立体分布特征。 采用MAX-DOAS仪器对合肥市科学岛2017年12月冬季大气HONO和NO2进行了立体探测, 通过基于最优估算的气溶胶和痕量气体廓线反演算法PriAM获取了两种气体的垂直分布特征。 研究结果表明, 在观测期间NO2在近地面10 m内体积混合比(VMR)和垂直柱浓度(VCD)的范围分别在0.51×1011~20.5×1011 molecules·cm-3和6.0×1015~5.5×1016 molecules·cm-2, 在垂直方向上其浓度主要集中在1 km内, 且在近地面浓度混合均匀。 HONO的VMR和VCD分别在0.03×1010~5.1×1010 molecules·cm-3和3.5×1014~7.0×1015 molecules·cm-2之间, 浓度高值出现在100 m内, 浓度随高度的升高而明显下降。 通过对HONO和NO2的对比发现, HONO/NO2比值在0.17%~16.0%(VMR)和1.0%~25.0%(VCD)之间, 表明研究期间HONO主要来自于NO2的转化。 对冬季一次典型污染过程(2017.12.26—2017.12.31)分析, HONO/NO2的比值大于5%, 且HONO的浓度值升高(大于0.26×1011 molecules·cm-3), 表明污染条件下NO2向HONO的转化作用变强。 结合风场信息研究发现, 污染期间研究区域的NO2和HONO浓度受到合肥市城区、 安徽北部和西北部地区传输的影响。
多轴差分吸收光谱 二氧化氮 气态亚硝酸 垂直分布 反演算法 Multi-Axis differential optical absorption spectroscopy NO2 HONO Vertical distribution Inversion algorithm 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2039
1 西安工业大学电子信息工程学院, 陕西 西安 710021
2 西安工业大学理学院, 陕西 西安 710021
3 西南交通大学先进材料教育部重点实验室, 四川 成都 610031
材料的冲击辐射温度是高温-高压作用下状态方程研究的重要物理参量,对**研制、科学研究和工业制造意义重大。针对冲击辐射温度具有瞬时非接触、测量环境噪声复杂、温度反演发射率不可测等特点,设计了一种新的温度反演方法,以提高温度获取精度。根据约束优化理论,将乘子罚函数法与粒子群算法相结合,实现两种模型的串联,并改进粒子群-乘子罚函数算法。结果表明该混合模型求解方法充分结合了两种单一算法的优势,提高了冲击辐射测试数据的温度反演精度与运算效率,为研究材料冲击辐射的真实温度提供了保障。
测量 多光谱测量 辐射特性 温度 反演算法
1 中国科学院空天信息创新研究院, 遥感科学国家重点实验室, 北京 100010
2 中国科学院大学, 北京 100049
云是地球辐射收支、水循环和生物化学循环的主要调节者。自1960年人类第一颗气象卫星(TIROS)的发射起,被动卫星遥感已经发展成为获取云观测资料最高效的手段之一。被动卫星具有观测范围大、时间跨度久的特点,其中利用可见至红外波段(0.40~15 μm)的遥感成像仪相对高光谱成像仪、微波成像仪具有时空分辨率更高的观测优势。首先,针对极轨卫星多光谱成像仪、多角度偏振成像仪和新一代静止卫星成像仪三类载荷概述了被动卫星基于可见至红外波段的观测特点。然后,介绍了包括云检测、云相态、云顶参数、云光学和微物理参数的观测原理和应用方法。最后,通过总结和展望为被动卫星可见至红外资料的云特性遥感研究提供一些思考。
