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光学学报
光学学报

曹健林

月刊

0253-2239

aos@siom.ac.cn

021-69918427

201800

上海市嘉定区清河路390号（上海800-211信箱）

光学学报/Journal Acta Optica SinicaCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本学报是国内外公开发行的光学学术刊物，反映中国光学科技的新概念、新成果、新进展。内容主要包括量子光学、非线性光学、适应光学、纤维光学、激光与物质相互作用、激光器件、全息和信息处理、光学元件和材料等。为我国光学科技人员与国内外同行进行学术交流、开展学术讨论以跟踪学科前沿和发展我国光学事业服务。
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    基于星载多光谱辐射计成像仪的云底高度反演算法研究进展

    谭仲辉马烁刘超艾未华...
    1-10页
    查看更多>>摘要：云底高度作为描述云垂直分布的基本参数,与云辐射效应、降水形成和发展密切相关,是气候变化分析、人工影响天气、航空气象保障等方面都迫切需要的气象信息.星载多光谱成像仪具有观测范围大、时空分辨率高、光谱灵敏度高等优势,是当前云特性遥感的主要手段.经过数十年的发展,基于星载多光谱成像仪已形成了云检测、云相态、云顶特性、云光学与微物理特性等多种云特性产品.然而,由于可见光和红外辐射对云的穿透能力有限,利用星载多光谱成像仪观测数据反演云底高度具有较大的挑战性,当前绝大多数气象卫星尚未提供云底高度业务产品.为了利用星载多光谱成像仪获取大范围、高精度的云底高度,实现对云三维结构的有效监测,国内外学者已付出了不懈努力.本文首先分析了云底高度反演面临的主要科学问题,然后回顾了近年来在云底高度反演理论、方法与产品方面的进展,最后提出了对其未来发展的思考与讨论.

    云底高度光学遥感光谱成像仪云垂直结构

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    空间X射线、极紫外、远紫外波段光学技术及应用(特邀)

    王孝东龚博文王彭郭权锋...
    11-22页
    查看更多>>摘要：空间X射线、极紫外、远紫外波段光学技术是太阳、空间环境监测的有效手段之一,利用该波段成像和光谱监测技术:一方面可监测太阳耀斑爆发、磁场爆发和日冕物质抛射等对地球空间环境影响最大的太阳活动现象,预报和预警太阳变化;另一方面可监测地球磁层、等离子体层和电离层乃至高层大气的变化和分布,预报和预警空间环境.简要回顾国际和我国该波段空间载荷的发展,重点介绍中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在该波段的光学技术研究进展及其在空间环境监测中的应用.

    X射线极紫外远紫外空间光学技术空间天气

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    高光谱分辨率激光雷达分子透过率在线定标

    吴凌云梁宇辰陈非同蒋铖冲...
    23-30页
    查看更多>>摘要：高光谱分辨率激光雷达(HSRL)具有无需雷达比先验假设、探测信噪比高的优势,但由于其对出射激光频率及鉴频器稳定性要求严格,目前还未获得广泛应用.基于误差传递方法分析了HSRL频率波动引起的探测误差,提出了一种基于层次识别的分子透过率定标方法,通过实时定标校正HSRL系统鉴频性能波动引起的探测误差,提高探测精度.使用该方法对北京地区的观测数据进行了校正,该方法得到的数据与被动遥感仪器得到的数据的拟合相关度为0.94,证明了该方法有效提高了探测精度.

    激光雷达高光谱分辨率激光雷达系统定标层次识别

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    基于多角度偏振成像仪数据的动态分辨率水云滴谱反演

    余海啸孙晓兵提汝芳涂碧海...
    31-40页
    查看更多>>摘要：基于水云偏振辐射特性和辐射传输理论,提出多角度偏振数据的动态分辨率云滴谱反演方法,根据卫星成像几何和云特性对视场内不同尺度的反演可行性进行定量评估.所提方法通过逐像元选定最优像元合并策略,在保证反演精度的同时提高反演的分辨率,该反演方法可应用于多角度偏振成像仪(DPC)观测数据.结果显示,相较于POLDER(polarization and directionality of the Earth's reflectance)云滴谱产品采用的 25 pixel × 25 pixel 的固定反演尺度,所提方法的反演尺度在1 pixel ×1 pixel至7 pixel × 7 pixel之间动态调整,实现了反演分辨率的提升.与MODIS(moderate resolution imaging spectroradiometer)的云有效粒子半径产品对比发现,云有效粒子半径的反演结果误差小于2.05 μm的占比超过50％,整体分布具有较好的一致性.这说明所提方法可以在提供更精细反演结果的同时,保持较高的反演精度.该研究为进一步提高国产多角度偏振数据的利用效率和云滴谱反演精度提供了思路.

    水云云滴谱分布多角度偏振成像仪云异质性空间尺度

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    部分遮挡条件下的拉曼激光雷达几何因子校正方法

    蔡新元黄尧邓迁吴德成...
    41-49页
    查看更多>>摘要：针对水平实验测量中望远镜接收视场被部分遮挡的情况,对几何因子校正方法进行改进.通过改进的方法,分析得到激光雷达532 nm接收通道的几何因子,并利用2023年11月6日激光雷达和太阳辐射计的连续测量数据进行对比验证.结果表明,改进的几何因子校正方法消除了水平遮挡的影响,使得激光雷达与太阳辐射计测量结果的相关系数达到0.9779,平均相对误差为3.81％,最大相对误差为8.23％,改进方法的精度是原有方法的2.19倍,充分验证了激光雷达测量的可靠性以及改进的几何因子校正方法的准确性,这对激光雷达系统在外场测量中的实际应用具有一定的参考价值.

    气溶胶水汽拉曼激光雷达几何因子校正

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    双向长短期记忆网络在激光雷达风廓线预测的应用

    廉文超宋小全郝朝阳姜萍...
    50-59页
    查看更多>>摘要：当利用多普勒激光雷达进行测量时,由于断电、低云、降水等影响会产生风廓线数据的缺测.使用双向长短期记忆(Bi-LSTM)网络对风廓线进行预测,当风廓线观测结果缺失时使用预测结果进行插补,以提升风场数据的获取率和连续性.2021年4月,多普勒激光雷达在辽宁省觉华岛地区开展大气风场探测实验,针对因断电和天气条件导致的风廓线数据缺测,使用2021年4月18日-22日的10 min平均风廓线集,探究基于时序的Bi-LSTM模型在风廓线预测方面的性能,并与非时序卷积神经网络(CNN)的预测性能进行对比.实验结果表明,Bi-LSTM模型具有良好的风廓线短期预测能力,基于连续完整的443条10 min平均风廓线训练的Bi-LSTM模型,对未来15条10 min平均的风廓线预测效果较好:u分量和v分量的决定系数分别高于0.6和0.5,均方根误差分别低于2m·s-1和3 m·s-1,平均绝对误差分别低于2m·s-1和3m·s-1,其预测评估指标值均优于CNN模型.在本案例中,使用Bi-LSTM模型的预测结果对缺测风廓线插补,1000 m高度以下的数据获取率平均提升8百分点.

    大气光学多普勒激光雷达深度学习双向长短期记忆网络风廓线预测

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    光谱遥感揭示北京市在重大事件和节假日期间的NO2垂直廓线变化差异

    陈健邢成志林继楠刘诚...
    60-71页
    查看更多>>摘要：基于搭设于中国气象科学研究院的多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)站点,获得北京市2020年6月1日至2022年5月31日的二氧化氮(NO2)垂直廓线,底层体积分数与中国环境监测总站(CNEMC)官园站点的NO2质量浓度的相关性较高(R=0.7723).研究结果表明,北京市近地面NO2最高体积分数出现在1月(17.40×10-9),最低体积分数出现在4月(5.51×10-9).季节特征表现为冬季(15.71×10-9)＞秋季(15.39× 10-9)＞春季(8.52×10-9)＞夏季(8.06×10-9).不同季节NO2体积分数廓线均呈e指数型,春夏季NO2体积分数平均日变化呈现单峰模式,峰值出现在10:00之前,秋冬季NO2体积分数平均日变化呈现双峰模式,峰值分别出现在10:00之前和15:00以后.从体积分数变化的角度并未发现北京市NO2存在明显的周末效应,然而在日变化模式上却展现出显著的周末效应,主要表现为周六上午的NO2峰值(16.16×10-9)相较于工作日和周日更大,且在时间上相较于工作日和周日存在延后,而周日下午的NO2峰值显著高于工作日和周六,这可能与北京市周六集中跨城出行且在周日集中返回有关.此外,重大事件期间NO2降低幅度明显大于节假日期间.重大事件期间和节假日期间底层NO2平均体积分数相较于整个观测期间分别下降了29.0％和18.5％.本研究通过长期MAX-DOAS观测揭示了北京市NO2的垂直分布季节特征和日变化模式,发现了独特的周末效应,评估了政策性减排和节假日对NO2的影响,对深入理解和有效控制NO2污染具有重要意义.

    光谱学二氧化氮垂直分布季节变化周末效应冬奥会

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    固体基底辅助增强水下原位LIBS探测技术研究及试验验证

    郭金家秦云鹏隋明达张泽迎...
    72-77页
    查看更多>>摘要：激光诱导击穿光谱(LIBS)技术在水下原位探测过程中受水体影响,特别是在深海环境受到水体压力影响,存在连续背景强、特征谱线展宽严重、信号较弱的问题,亟需简单方便且能够适应于水下原位的增强方法.针对此需求,对基于固体基底辅助增强方法在实际应用的可行性进行了试验验证.本工作研制了一套固体基底辅助增强模块,并将该模块与水下LIBS系统相结合,先后开展了实验室、浅海和深海测试.实验对不同基底的增强效果进行了比较,选择硅基底作为增强材料,并进一步对连续工作条件下的增强效果进行了验证.浅海和深海测试都证明了该方法在水下原位测量中的有效性,在浅海条件下,硅基底辅助原位探测可以获得6倍以上的增强效果,单个基底靶的增强效果能持续30 min以上.1503 m深海条件下,铁基底辅助原位探测可以获得5倍的增强效果.海试试验,特别是深海试验的成功,为深海LIBS水体探测原位增强提供了一种方便、高效的方法.

    海洋光学激光诱导击穿光谱技术基底辅助增强水下原位深海海试

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    GEMS逐小时对流层NO2产品数据质量评价与提升:以华东地区为例

    高鸿睿秦凯何秦康俊亭...
    78-88页
    查看更多>>摘要：分别使用对流层监测仪(TROPOMI)和地基多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)对地球静止环境监测光谱仪(GEMS)对流层二氧化氮(NO2)柱浓度进行对比验证.结果表明,GEMS对流层NO2柱浓度产品与TROPOMI及地面观测结果均表现出较好的相关性,且其逐小时的观测优势能够更好地揭示空气污染过程的动态演变.进一步,针对GEMS产品数据在质量控制后空间覆盖度大幅降低的问题,采用基于经验正交函数的数据插值(DINEOF)方法进行缺失数据重构,从而提升该产品的应用价值.

    GEMS地球静止卫星NO2质量评价对比验证数据重构

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    基于U-Net神经网络的CALIPSO产品漏检层次分类

    耿亿霖臧琳毛飞跃徐维维...
    89-98页
    查看更多>>摘要：首先利用二维假设检验(2D-MHT)算法,实现了基于云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星(CALIPS O)探测的高精度层次检测.然后基于U-Net神经网络,以退偏比、色比、后向散射系数和纬度等为输入,构建云和气溶胶分类模型,对2D-MHT算法多检测的大气层次,即CALIPSO官方产品漏检层次进行云和气溶胶分类.为了保证与CALIPSO官方产品分类的空间分布一致性,本研究以长期的CALIPSO官方分类产品为参考对模型进行训练.独立验证实验结果表明,本研究构建的分类模型与CALIPSO官方产品的分类总体相似度可达90％.将本研究分类后结果(即同时包含CALIPSO成功检测与漏检层次)与Radar-Lidar联合观测进行比较.结果表明,本研究可以有效识别由于信噪比低而被官方算法丢失的云层信息,陆地和海洋区域CALIPSO云底探测误差分别减少约21％和25％.

    大气光学层次分类星载激光雷达未检测层次U-Net神经网络

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