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仪器设备
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2012-03-06

 

高空和中低空相结合的空基遥感平台

      实验室基于航空遥感飞机、飞艇和无人机平台,建立了覆盖高空和中低空空基遥感观测平台。

      航空飞机遥感平台

      依托单位遥感地球所建有的航空遥感系统也是中科院重大科技基础设施,拥有两架专用于科学试验的美国赛斯纳“奖状S/II”型高空遥感飞机,并已建有高效能航空遥感系统。该航空遥感系统配有先进的GPS导航和POS姿态测量系统,安装了可见光、红外、微波等多种遥感仪器,可进行不同波谱范围的遥感飞行试验,获取技术指标先进的高分辨率光学、热红外及雷达遥感影像。2012年,航空遥感中心回归中科院遥感地球所后,也成为遥感科学国家重点实验室的重要支撑部门。在2012年黑河流域星机地遥感综合试验和2014年河北怀来星机地遥感综合试验中发挥了重要作用。以高空遥感飞机为核心,辅以飞艇、低空有人机、固定翼和单/多旋翼等十余架航空遥感试验平台,实验室形成了高分辨率光学影像、多高光谱、Lidar、雷达等对地观测数据获取能力,具有了开展光学、红外、微波、大气海洋航空遥感试验的组织保障能力。

      飞艇定位遥感平台

      由于飞机不具备定点观测能力,重点实验室专门研制了飞艇平台以及相配套的遥感载荷,形成了以航空飞机和飞艇相结合的空基遥感平台。

      无人机遥感平台

      近几年无人机技术迅速发展,重点实验室研制了无人机遥感平台——“超低空无人机大幅面遥感成图轻微型传感器载荷系统”,以无人机超低空航测能力基础,具有续航时间长、影像实时传输、高危地区探测、成本低、机动灵活等优点,是航空飞机、飞艇等空气遥感的有力补充。

 

自主研发的仪器平台

      为了支撑遥感科学的基础研究的“星-空-地”平台和室内实验平台,实验室购置了一系列相关仪器设备,并有针对性的自主研发和升级改造了以下重大仪器和设备:

(1)超低空无人机大幅面遥感平台

     针对低空无人机单次成像面积较小的不足,为提高无人机遥感作业以及后续的图像拼接、三维成图等效率与精度,开展无人机遥感的大幅面轻微型光学传感器载荷系统的改造、研制与试验验证。超低空无人机大幅面遥感成图系统由无人驾驶飞行平台、飞行控制系统、四相机组合相机遥感传感器系统、同步曝光控制系统、数据可视化展示系统和数据处理系统组成。具有高时效性、机动、灵活对地观测、调查监测能力,系统有人工干预遥控和自动巡航两种工作控制模式,具有较好的可靠性、控制精度和成像质量,满足工程化、实用化的相关标准规范。

 

大幅面微型传感器载荷系统                                                                   影像拼图效果展示

 (2)室内多角度(BRDF)测量系统

     地球表面的各向异性反射是自然界中物体对电磁波反射的基本宏观现象,获取地表各向异性的反射模式对研究辐射与地表相互作用机制具有重要作用。研制的室内二向反射分布函数BRDF(Bidirectional reflectance distribution function,BRDF)测量系统则包含三大部件:光源、探测器和运动及控制系统。本系统选用光谱匹配性、光强稳定性和照射均匀性均为A级,光斑直径达300mm的光源为太阳模拟器(SAN-EI XES),采用竖直向下的照明方式。选用的探测器为AVASpec光谱仪。设计通过控制运动系统,实现BRDF测量所需要的任意天顶角和方位角转动。根据运动的相对性,通过使样品盒的运动与探测器的运动相结合,或者使样品盒的运动与光源的运动相结合来达到使光源的运动和探测器的运动相结合的效果。

 

BRDF测量系统实物图

测量软件运行界面

(3)典型目标微波特性室内测试与仿真系统

     目前平台已经完成物质介电特性测量系统,以矢量网络分析仪为主体设备,实现地表基本物质(固体、液体、半固体)和基本目标介电特性的全频段室内定量测量;完善对典型目标微波特性的认知,包括土壤、矿物/岩石、农作物等,积累基础科学数据,配合目标极化/散射特性测量系统实现对目标雷达响应的定量化理解。本平台还配置了手持矢量网络分析仪,建立野外移动测量站,实现对采样困难区域的实地观测。

介电常数测量系统

 

(4)显微成像光谱测量系统

     显微光谱成像系统结合显微成像技术和光谱成像技术,在获得样品亚微米分辨率空间信息的同时得到超高细分的光谱信息,即可以得到样品x,y,λ三维数据立方体。亮度属性和光谱属性是图像中每个像素点都具备的两个属性。可以从图谱两方面对样本进行分析。该系统覆盖的光谱范围为:400-711nm,光谱分辨率约为1-5nm,空间分辨率为micrometer,空间像元尺寸1382*1040,可采集284个波段。

     显微高光谱成像系统主要是基于AOTF的分光计、显微镜、面阵CCD和计算机几部分组成。下图所示为该系统框图和系统实物图,卤素灯发出宽谱白光通过半透半反射镜反射,物镜聚焦到人体细胞切片(图2)和石英切片(图3)样品,样品的漫反射光经过物镜收集,透过半透半反镜,由汇聚透镜中继AOTF器件,经过AOTF分光和CCD采集,得到不同波段的光谱数据.在此仪器开发的基础上,申请发明专利3项。

显微成像系统

 

DN值转换为反射率后的细胞不同区域的影像及波谱曲线图

 

石英分类后的影像及各部分的波谱曲线图

(5)高架塔四维平台

     轨道式高架四维数字化遥感试验平台是怀来试验场的重要观测遥感观测平台,在原来基础上实验室对平台进行了以下升级改造,实现的运动包括:1)沿地面的80米的水平行走;2)塔臂360度的水平旋转;3)竖直方向28米的垂直升降;4)沿塔臂方向的38米的水平变幅。改造后的系统运动控制精度高,运动幅度大,成为为遥感实验理想的较大范围实验平台。另外,仪器平台的有效载荷最大可以达到530kg,可以满足多传感器同时搭载的要求,有利于展开多传感器协同遥感实验。具体升级改造的内容包括:1)重新维护和漆装塔吊观测平台的硬件系统;2)将原有塔吊旋转部分以上由多条电缆直接供电方案改为旋转集电器方案,其他系统的控制信号由有线传输改为通过电力线载波技术传输;3)主供电线路由电缆供电改造为五级10平方毫米滑线管式供电线路;4)重新设计制造吊臂变幅小车,供电方式改为无缝安全输电滑线方式,并配备吊臂小车倾角计;5)设计安装了仪器转台升降、供电装置,并安装转台升降测长器及XY轴水平姿态传感器;6)重新设计布置电器控制柜,编制控制软件及人机界面。四维轨道塔吊观测平台改造后,硬件系统更稳定安全,控制系统数字化程度更高,操作系统人机交互能力更强,为遥感机理试验提供更适合的地基观测平台。

说明: D:\work\work\材料撰写\仪器设备功能开发技术创新20111009\塔吊照片\DSC02608.JPG

高塔遥感平台

     2013年改造升级项目完成后,设备功能得到扩展,可以实现姿态的自动测量或控制及自动伺服校正,提高测量数据的准确性。传感器搭载平台上的电源系统为多传感器提供充足电源,可以保证长时间的连续测量。设备改造将为更好地开展地面遥感实验提供便利,将为支撑遥感科学基础研究提供更好的条件。申请专利一项。

(6)机载一体化GNSS-R海洋遥感器研制

     研制了机载一体化GNSS-R(Global Navigation Satellite System- Reflection)海洋遥感器。设备采用双基雷达异源观测模式,突破了多源信号同步接收与实时相关处理、海洋环境要素反演和试验验证等关键技术,将遥感任务规划、信号接收处理、海洋参量定量反演、数据可视化分析等功能组件一体化集成,为海面风场、有效波高、海面高程等海洋环境要素探测提供了新型海洋微波遥感手段。相关成果获2011年度军队科技进步一等奖。

(7)光学遥感器室内定标系统研制

     研制了系列高精度辐射、光谱和几何定标设备,满足不同波段不同性能仪器设备的定标需求。目前室内光学定标拥有光学积分球、一套标准红外黑体辐射源及红外定标系统、一套可见/近红外单色仪与红外单色仪、一套长焦距平行光管、一套几何检校靶标、一套单频窄线宽激光器。通过配套的光学稳定平台、电动旋转台/升降台/平移台、高精度直流电源,对成像或非成像的可见光、近红外、短波红外及热红外波段的传感器进行光谱通道中心波长位置、光谱响应、辐射亮度、内方位元素、几何参数等物理量进行检测和标定。此外,通过为现有的BOMEM MR304型红外光谱仪配备红外积分球,实现了室内发射率的高精度测量。改进了现有的黑体桶测量装置,实现准确、易行的野外发射率测量系统。研制了小型红外相机系统,利用辐射定标系统和热红外定标系统进行准确的辐射定标和温度校正。

(8)便携式自动多角度观测架

      针对多角度观测的地面验证问题,成功研制了便携式自动多角度观测架,并获得了国家发明专利,首次实现了光谱、温度及多角度图像的同步自动采集,克服了常规多角度观测的面积不确定性问题。以地面测量设备的视场效应为突破口,构建了描述行播作物方向性亮温的热辐射模型FovMod,模型模拟结果表明,地面多角度测量不确定性主要来自于传感器视场范围的变化。基于FovMod模型,首次给出了对遥感热辐射模型进行地面验证的最优视场。这一研究成果可为地面多角度测量提供重要理论依据,已成功用于2012年的黑河综合遥感实验中。

(9)像元尺度特征参数无线传感器网络

     在站外试验场地,以像元尺度关键地表参数的定量长时间序列观测和以遥感车移动观测的中低分辨率遥感产品真实性检验和过程模型机理研究为核心目标,建立了2.5×1.5平方公里的定量遥感产品真实性检验场,包括23套土壤水分传感器网络观测传感器、6套大气上下行全波段辐射计、6套叶面积指数观测子系统、一套卫星尺度土壤水热观测系统(一座40米7层气象塔、一座10米要气象塔、两套涡动相关系统、一台蒸渗仪、2套LAS系统),经过近3年的建设,已开始试运行观测。

(10)叶面积指数真实性检验无线传感器网络

    针对在遥感产品验证中地面“真值”获取困难的问题,研制低成本自动观测网络用于测量叶面积指数。产品测量精度优于现有商业设备,能够适用于遥感产品的大区域尺度、长时间序列连续检验的要求。形成3项专利和2项SCI文章,产品问世后,迅速实现了有效专利转化,已在甘肃黑河流域、内蒙古大兴安岭、青海等地区野外试验中应用。被环保部、成都电子科技大学、寒旱所等单位推广使用。

(11)大尺度水热通量观测系统

     大尺度水热通量观测系统是由发射器发射一定波长(880nm)的波束,经过大气中的传播,由接收端接收到光程路径上受温度、湿度和气压波动影响的光,并用空气折射指数结构参数(Cn2)表示大气的湍流强度,进而结合气象数据,根据相似理论迭代计算感热通量的仪器。同时依据地表能量平衡方程,利用观测的净辐射与土壤热通量数据,可推算出潜热通量。大尺度水热通量观测系统的测定距离一般为500-5000米,该系统主要由发射器、接收器、数据采集器、无线传输装置等组成。研制的大尺度水热通量观测数据的处理与分析软件,填补了我国在大尺度地表通量观测仪器以及相应数据处理软件上的空白。该系统分别在黑河流域生态-水文过程综合遥感观测试验(HiWATER)、中科院河北怀来试验站、大学和研究机构中推广应用。

(12)多光谱冠层成像仪

     叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)是表征植被冠层结构的核心参数,控制着植被冠层多种生物物理过程,影响全球能量循环尤其是碳循环,同时影响地气系统辐射乃至全球能量平衡。目前被广泛使用的LAI-2000、TRAC等商业化测量设备只有1个可见光波段,不能将枝、干和叶有效区分,测量到的结果受冠层木质组分的影响,从而可以引起最高40%的LAI估算误差。实验室研制了多光谱冠层成像仪(Multispectral Canopy Imager, MCI),可以明确区分叶片和木质组分,提出了不同观测角度森林区木质面积比和聚集指数的定量计算方法,突破了商业设备的理论和技术局限,进一步发现了聚集指数在不同观测角度上的明显差异,对于地基LAI测量的不确定性分析具有重要理论意义值。该设备于2011年获得了国家发明专利授权。

 

(13)无人机航磁探测系统

    依托国家行业公益性重大科技专项“深部探测技术与实验研究”(SinoProbe)中的固定翼无人机航磁探测系统研制课题,针对我国深部科学探测和矿产资源勘探需求,研发了多套小型化与高集成度的无人机航磁探测系统为地球深部探测、复杂地表条件和深部的矿产资源勘探开发,提供新型仪器设备和技术支撑。设备具有自主知识产权和高精度、高效率、低成本、人员安全等特点。

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