激光主动探测图像散斑自适应滤波抑制方法研究

激光主动照明成像具有作用距离远、系统分辨率高、可在低照度背景等复杂环境下获取目标图像等优点,但探测图像会受散斑噪声干扰。把高斯滤波、均值滤波和自适应滤波方法分别应用到仿真实验中进行散斑噪声抑制,实验表明:与高斯滤波和均值滤波相比,自适应滤波能有效抑制图像噪声,保留图像的边缘和细节信息。利用自适应滤波方法对获取的单帧和多帧累加平均的激光主动探测图像进行散斑抑制实验,使用散斑对比度进行定量分析,结果表明多帧短曝光图像累加平均可有效抑制图像的散斑噪声,自适应滤波可进一步降低图像的散斑噪声.

差分吸收激光雷达探测二氧化硫实验研究

二氧化硫是大气中最常见、最重要的污染物之一。差分吸收激光雷达探测二氧化硫具有高时空分辨率、高探测精度等优点。用两台Nd：YAG激光器泵浦两台染料激光器后,通过倍频晶体得到测量大气二氧化硫所需的两个波长,它们分别是λon=300.05 nm和λoff=301.5 nm。将两束光束用几组反射镜合为一束光束,经扩束镜6倍扩束后垂直发射进入到大气中。接收望远镜收集两个激光波长的大气后向散射信号,信号采集单元记录两个波长的后向散射回波信号的垂直高度分布。通过数据反演获得二氧化硫的高度分布。初步实验结果表明,实验期间合肥西郊董铺岛垂直高度0.3~1.6 km的二氧化硫在0~14 ppb范围内波动。最后分析并估算了该二氧化硫差分吸收激光雷达的四个主要误差来源。

可用于探测大气CO_2垂直廓线的无线传感系统

大气CO_2是一种温室气体,在气候变化等领域起着关键作用。基于NDIR技术研制了可用于探测大气CO_2垂直廓线的无线传感系统。系统采用电调制型的红外辐射光源、双通道探测器并结合超低功耗单片机实现大气CO_2信号的采集与控制。提出采用调制信号周期内扣除信号起伏与背景噪声的方法,使得本系统具有0.29%的相对测量误差。通过分时工作的方式解决了数字式无线电探空仪中高频发射机对CO_2检测电路运算放大器的电磁辐射干扰,进而实现了气象探空仪与小型化的CO_2探测系统的高度集成。通过与地面LI-COR LI7500对比分析,两者表现出较好的一致性,24 h测量数据的相关性达0.89,表明所研制的探测系统的稳定性与准确性。为实现大气CO_2垂直廓线的探测提供一种选择。

基于加速正则化RL算法的大气湍流退化图像盲复原方法

提出了一种基于加速正则化Richardson-Lucy(RL)算法的大气湍流退化图像盲复原方法(AccRLTV-IBD)。在总变分(TV)正则化RL算法的基础上,引入二阶矢量外推加速技术对其进行加速,形成加速正则化RL(AccRLTV)算法,并将该算法应用到迭代盲目反卷积(IBD)算法中。使用长曝光大气湍流光学传递函数(OTF)的物理模型或根据图像来获取初始的点扩散函数(PSF),在灰度平均梯度(gray mean grads,GMG)的基础上定义了一个相对灰度平均梯度(relative gray mean grads,RGMG)参数作为无参考图像复原质量的评价标准.模拟图像和实际湍流退化图像复原结果表明,基于RL的IBD算法要优于基于Wiener滤波的IBD算法,并且与RL-IBD算法相比,AccRLTV-IBD收敛速度更快,复原效果更好。

“光电探测与成像新技术及应用”专辑前言

光电探测是获取信息的主要手段之一。随着激光、光纤、光电子、计算机等领域中相关技术的快速发展,各类新型光电探测与成像技术如雨后春笋般不断涌现,其在军民领域的应用也越来越广泛,如弱信号检测、目标识别技术、激光雷达探测技术、单像素成像技术等,不仅受到广大业内人士的普遍关注,同时也是国家核心科技的重要组成部分。

用瑞利激光雷达16年观测数据分析合肥地区大气密度分布特征（英文）

介绍了L625瑞利激光雷达系统结构以及基于瑞利散射理论探测大气分子数密度的原理．提出了反复迭代修正大气透过率的计算方法，并通过模拟仿真验证了该算法的可靠性．通过误差分析得到影响大气分子密度不确定度的主要因素为回波信号信噪比以及参考点处大气分子数密度值，给出了回波信号误差产生的主要来源以及参考点选取方法．最后，分析了激光雷达16年观测数据反演的结果，得到合肥地区大气分子数密度的月份以及年份分布状况，结果表明：中层大气分子数密度分布呈现明显的季节性分布特征，冬季分布稀疏，夏季分布密集，随年份分布则较为平稳．通过将统计平均得到的密度廓线与1976美国标准大气模式比对分析，发现由激光雷达观测反演得到的结果较模式值大，二者的比值在1．05～1．13之间．

空间编码复用散斑多信息融合关联成像(特邀)

提出空间编码复用散斑技术来实现单个单像素探测器对多个物体信息的同时探测获取。使用空间编码复用散斑对多个物体信息进行照明,使用单像素探测器对回波信号进行探测,利用关联算法获取混叠多物体信息,然后用空间编码信息对随机采样的多个物体信息进行解码,最后采用压缩感知技术对完整的多个物体信息进行复原。使用该技术分别实现了对多空间、多光谱和多偏振信息的同时探测获取,实验结果证实了该技术的有效性,该技术可有效降低系统数据量,提高关联成像系统的成像效能。

大气对光学成像的影响及校正技术

目标高分辨光学成像在众多光电工程领域中具有重要的应用价值。然而,在很多目标观测场景中,光波都要经大气进行传输,从而导致成像质量的退化,克服复杂大气干扰获取高质量图像一直以来都备受各国学者的关注。特别是近年来随着激光技术的进步,由于激光雷达在距离分辨、三维成像等方面的优势,主动成像技术也取得了很大发展,其中大气的影响和校正同样是一项不容忽视的问题。大气对成像的影响主要包括两个方面:大气湍流和大气悬浮粒子。针对这两方面对成像的影响进行分析,同时对国内外学者发展的消除大气影响、进行高质量成像的主要技术进行了简要介绍,并结合本课题组在相关领域的长期研究,对几个值得关注的方面进行了总结和展望。

基于稀疏采样技术的激光雷达三维成像方法研究

为提高基于距离选通的三维成像激光雷达成像效率及实时性,提出了一种由CCD单帧曝光图像反演获取场景三维和强度信息的方法,应用于距离选通激光雷达成像系统。提出的方法利用稀疏采样矩阵对回波信号进行编码,用相关算法对距离进行解码,用压缩感知技术对信息进行复原。通过模拟仿真与室内成像实验对所提方法进行了研究,结果表明提出的方法能有效降低数据量,提高系统成像效率。

光谱编码计算关联成像技术研究

现有的多光谱成像技术通常采用光学分光的方式,使用多个探测器对成像场景的光谱图像进行采集,导致现有成像系统复杂,数据量大、效率低。针对现有技术的不足,提出基于正交调制模式的光谱编码计算关联成像技术。通过正交光谱编码矩阵融合Hadamard基图案构造投影散斑对宽带光源进行调制,单像素探测器收集成像物体与调制光源相互作用后的反射信号;应用演化压缩技术复原成像物体的混叠光谱图像;利用编码矩阵的正交性质解码出欠采样的光谱分量图像,对分离出的图像应用组稀疏压缩感知算法重构全采样的光谱分量图像,最后融合出成像物体的多光谱图像。通过数值模拟与实验两方面验证了所提方法的高效性。所提的技术简化了多光谱关联成像系统,降低了数据量。光谱编码方法可以扩展到更多的光谱通道,也可以应用在偏振关联成像、信息加密等领域。

图像融合在偏振关联成像中的应用

近年来,偏振关联成像受到了研究学者的广泛关注,其在目标探测、特征提取等领域有着一定的应用价值。全Stokes偏振关联成像系统可以获得目标的多个偏振态图像,利用这些图像可分别从不同的角度分析目标的本征偏振信息,但是这些图像之间具有很强的互补性和冗余性。为此将HSL-RGB图像融合技术应用于偏振关联成像系统中,将系统获取的多个偏振图像进行有效地融合,来全面描述目标结构,提高目标探测识别效能。实验结果表明该融合技术在提高偏振关联成像系统识别和探测性能上效果显著。

全Stokes偏振关联成像技术研究

近年来,随着关联成像技术的高速发展,已被广泛应用于诸多领域内,并引起了高度关注。偏振探测技术能够区分不同材质物体,可以增强系统的探测识别能力。文中结合偏振探测和关联成像技术的优点,利用Walsh-Hadamard散斑对场景进行照明,并对场景反射光进行分时偏振探测,实现了对场景的全Stokes偏振关联成像。搭建相应的实验系统对多材质物体进行了成像实验,利用不同偏振探测信号与照明散斑计算并获得了物体的Stokes参数图像,实现了对同一场景中的不同材质物体和相同材质不同结构物体的区分。通过演化压缩采样复原技术,在不同采样率下对物体图像进行了复原,结果表明:演化压缩采样复原技术能在较低的采样率下,复原出清晰的场景全偏振信息。

大气光学湍流廓线探测方法研究进展

激光在大气传输过程中,由于湍流折射率的随机起伏会引起波前畸变、光斑漂移、闪烁等一系列光学湍流效应,因此严重制约了遥感成像系统和激光通信技术的发展。通过分析大气光学湍流对多个领域的影响,指出了探测大气光学湍流廓线的重要意义。要想获取光学湍流的时空分布规律并准确评估光学湍流对光学成像或激光传输系统的影响,就必须对光学湍流进行准确的测量。以光学湍流特征参数为视角,介绍了目前国内外探测大气湍流廓线分布的方法和研究进展,总结了各技术方法的测量原理及优缺点。最后对拟开展的差分波前激光雷达探测大气湍流廓线的方法进行了简要介绍,该技术具有空间分辨率高且不存在聚焦焦移的探测优势。初步的仿真研究结果表明该雷达系统对大气光学湍流廓线的探测具有可行性。

单像素几何矩探测运动物体定位技术(特邀)

针对快速实时定位运动物体的需求,提出了一种使用几何矩探测的单像素快速定位运动物体的方法。该方法的核心是通过探测运动物体的质心实现快速定位运动物体。根据几何矩性质构造3个几何矩照明光,并照射运动物体,利用单像素探测器收集运动物体与调制光相互作用后的反射或透射光的强度值。根据单像素成像理论,探测强度值与物体的零阶和一阶几何矩值相对应。标识物体位置的质心参数可由物体的零阶和一阶几何矩值获取。结合数字微镜调制器(DMD)和时间抖动的方法产生几何矩照明光,利用所提方法在不成像的前提下分别实现了帧频约为500 fps和1 000 fps运动物体定位。所提方法获取质心的误差在1.63个像素以内,均方误差为0.118 3个像素。文中所提方法为使用单像素探测器实现快速追踪运动物体提供了一种新思路。

基于稀疏采样的关联成像算法研究

传统关联成像系统中对物体全部信息进行采样,而根据压缩感知理论可知绝大部分物体信息在某些变换下具有稀疏特性,因此对物体信息进行稀疏采样也可以复原出完整的物体信息.提出了利用关联成像对物体信息进行稀疏采样的方法,采用成像系统获取物体稀疏信息,再使用压缩感知算法对完整物体信息进行复原.对所提方法进行了实验研究,结果证实了使用稀疏采样能有效减少关联成像的数据量,提高系统的成像效率和质量.

基于加速阻尼Richardson-Lucy算法的湍流退化图像盲复原方法

提出了一种基于加速阻尼Richardson-Lucy(ADRL)算法的湍流退化图像盲复原方法,称为ADRL-IBD方法。在阻尼Richardson-Lucy算法的基础上,引入二阶矢量外推加速技术对其进行加速,形成ADRL算法,并将该算法应用到迭代盲目反卷积(IBD)算法中。使用长曝光大气湍流光学传递函数的物理模型或根据观测图像来获取初始的点扩展函数(PSF),利用阈值分割技术获取图像目标的可靠支持域,在每一次迭代中,对图像施加支持域约束。模拟图像和实际湍流退化图像复原结果表明,基于Richardson-Lucy算法的IBD算法要优于基于Wiener滤波的IBD算法,并且ADRL-IBD算法具有较强的抗噪性,与RL-IBD算法相比,收敛速度更快,复原结果更好。

基于多帧湍流退化图像的近视解卷积复原

根据贝叶斯和Parseval定理,引入了频域内多帧湍流退化图像的近视解卷积复原算法。以大气湍流长曝光光学传递函数作为估计的光学传递函数。根据频域代价函数的特点,提出分步牛顿法求解代价函数。本算法能够处理未匹配的多帧图像,并能获得理想的复原图像。计算机仿真多帧湍流退化图像的复原结果表明:即使多帧图像未匹配,在不同湍流强度和不同噪声情况下算法仍能复原出好的图像效果。

余弦编码复用多光谱关联成像技术研究

传统多光谱关联成像技术的发展受限于系统结构复杂和数据量大。为提高多光谱图像的复原效率,本文提出了余弦编码复用多光谱关联成像技术。将具有确定频率的余弦结构编码与正交Hadamard基图案复用为结构光对目标场景进行调制照明,并用一个宽带光电倍增管收集后向散射信号。在复原过程中,基于余弦编码的傅里叶频移特性可将多通道光谱混叠信息由空间域转换到频率域进行解码分离,最终复原出目标场景的多光谱图像。通过仿真分析了理想低通滤波器、高斯低通滤波器和巴特沃斯低通滤波器对多光谱图像复原质量的影响,并将所提方法与传统方法进行了对比实验。结果表明:所提方法能有效提高多光谱信息的获取效率,缩短图像重建时间;频域滤波时,选用高斯低通滤波器比理想低通滤波器、巴特沃斯低通滤波器更具优势。

大气湍流对空基光学成像系统影响的仿真研究

基于光波大气传输理论,模拟了斜程大气路径下空基光学系统的成像过程,分析了不同条件下大气湍流对成像质量的影响,并与理论结果进行了对比。当系统口径小于大气相干长度时,分辨率随口径的增大明显提高,而在系统口径大于大气相干长度后,分辨率随口径的增大逐渐趋于一稳定值,最佳口径值为2r_(0)(r_(0)为大气相干长度)。通过对不同折射率结构常数模型的仿真可以看出,随着传输距离的增加,最小可分辨长度先是逐渐增大,在传输距离大于50 km后,最小可分辨长度趋于一稳定值。由此可见,当传输距离小于50 km时,大气湍流对光学系统成像质量的影响较大。较弱的大气湍流对空基光学系统地面分辨率的影响为2~3 cm,而较强的大气湍流对空基光学系统地面分辨率的影响可达到7~10 cm。对流层顶的高空湍流对成像效果的影响较为显著,若不考虑此高空湍流的影响,分辨率可提升1.4倍左右。

差分波前激光雷达探测大气湍流廓线仿真

差分波前激光雷达是基于双孔望远镜探测的激光回波波前差分抖动方差来探测大气光学湍流强度的雷达系统。为评估与优化系统探测大气湍流的性能,进行了数值仿真。基于波动光学理论、大气湍流相位屏模型和大气消光模型来模拟激光在垂直大气路径上的传输,并结合网格采样的优化设计,得到了激光光束在传播路径上不同位置的光强分布。利用非相干光源成像原理,根据不同传输路径处的后向散射光强分布得到了探测器上两个光斑图像的分布信息。根据仿真结果,随着湍流强度的提高,光束波前畸变程度加深。成像光斑直径随着探测高度的增大而减小,探测高度为10 km时,成像光斑直径减小到2.45×10^(-4)m。通过对比仿真的反演结果与仿真输入的HV5/7(Hufnagel-Valley 5/7)的结果,发现两者具有较高的一致性,这初步证明差分波前激光雷达探测大气湍流的原理及方法的可靠性。