大气遥感高光谱分辨率激光雷达研究进展

高光谱分辨率激光雷达由于可实现对大气参数的精确反演,在大气遥感领域具有较好的发展前景。介绍了高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶、大气温度以及风速的基本原理以及目前国内外的研究进展,并重点介绍了高光谱分辨率激光雷达系统中的鉴频技术、激光技术、锁频技术以及数据处理技术等几项关键技术。

球面绝对检测方法的误差影响分析及实验研究

球面绝对检测方法可以去除参考面面形误差的影响,从而提高了被检面的检测精度。在此高精度的检测中,被检面机构调整误差和环境扰动误差是影响检测结果的两个主要因素。将机构调整误差理解成一种特殊的面形误差,通过这一思路分析了该误差对最终检测结果的影响。为了提高检测精度,根据高阶离焦模型去除了调整误差中的离焦误差,并且设计了一种简易有效的旋转角度控制机构用来控制旋转错位误差。将环境扰动误差看作是随机误差,分析了该误差对三步检测每一步的影响,并采用多次测量取平均的办法减小其影响。基于Zygo干涉仪,使用六自由度高精度调整机构对精度优于λ/40的被检球面进行了绝对检测。绝对检测三步法测得的被检面面形误差的评价值小于单步法的测得结果对应的评价值,各评价值置信概率为0.99的置信区间长度很小,说明采用文中的装置和数据处理方法能实现绝对检测的高重复性和有效性。

“以课堂为主向课内外结合转变”的教学方法改革

为了切实提高人才培养质量,浙江大学光电信息工程学系多门本科专业课程通过采取"设计探索性作业,引导发散思维;布置综合性作业,提高应用能力;开展项目型设计,提升实践能力;构筑虚拟课堂,拓展教学时空"等方法,在理论教学、实践教学和教学资源等方面开展了多项教学改革与实践,使教学从以课堂为主转变到课内外结合,受到学生的欢迎和好评。改革所取得的富有特色的阶段性成果表明,这一转变能有效地提升大学生自主学习、分析问题和解决问题的综合能力,同时有利于培养其创新精神和团队合作精神。

两位置球面面形检测方法研究

三位置球面面形绝对检测方法在一定的条件下可以简化为两位置球面面形检测方法.本文在研究三位置绝对检测原理的基础上,提出了基于菲索干涉系统新的两位置球面面形检测方法.该方法的简化条件分为参考面面形误差偶对称或被检面面形误差偶对称两种不同的情况.实验结果表明,两位置检测方法可以有效实现PVr值λ/30的高准确度检测,且检测结果PVr值重复性在±λ/300范围内,RMS值重复性在±λ/4 000范围内.采用两位置检测方法得到的面形误差分布结果与三位置绝对检测方法非常接近,PVr值相差小于λ/300,RMS值相差小于λ/2 500.因此在一定条件下,两位置检测方法可以有效简化实验装置和检测步骤,且不失三位置绝对检测方法的准确度和重复性.

高精度子孔径拼接中参考面误差的去除方法

基于最小二乘拟合的传统干涉子孔径拼接方法实现了小口径干涉仪对大口径光学元件的检测,然而在子孔径测试过程中,由于干涉仪上的参考面存在面形误差,将使获得的各子孔径的面形数据偏离真实值,所以在进行高精度面形测量时,获得参考面的面形误差并将其补偿掉是非常必要的。因此,提出了一种在拼接过程中用Zernike项对子孔径间重叠区域数据进行拟合的方法来求得参考面面形。首先在传统的目标函数上加入一系列Zernike项表征待求参考面,然后按照最小二乘法对函数进行求解得到各项系数,从而得到拟合的参考面。对平面和球面分别进行了子孔径拼接实验,拟合得到的参考面面形与QED拼接干涉仪计算得到的参考面面形的PV值偏差小于5nm,RMS值偏差小于0.2nm,拼接后的重叠区域不匹配误差值小于10nm。实验结果表明,在子孔径拼接过程中可以补偿参考面误差而得到更真实的拼接面形。

基于CUDA的快速全景环带图像展开

全景环形镜头将以透镜为中心的360°视场内的景物投影到环形区域内,具有大视场和无穷远的景深。由于全景环形镜头所拍摄到的图像具有较大的失真,为了方便人眼观看,需要利用坐标变换,将全景环形镜头获得的环带图像展开为条幅状图像。图像变换过程需要大量处理的数据,尤其对于高分辨率图像而言,采用传统的基于中央处理器(CPU)的坐标转换算法耗时较长,图像停顿和滞后严重,无法实现实时显示。为解决此问题,文中提出采用最新出现的基于通用图形处理器(GPGPU)的并行处理技术实现图形的展开,大规模并行计算的使用缩短了图形展开的时间,从而实现了大视场、高分辨率、实时监控显示。

星敏感器APS装配标定系统

星敏感器是一种精度达到角秒级的空间姿态测量装置,它的成像组件包括光学镜头和图像传感器(以CMOS APS为主流)。本文主要关注星敏感器APS的装配,从理论上推导了APS的空间位姿参量对计算观测矢量的影响,从而提出了一种在装配过程中控制及标定这些参量的方法并研制了相应的实物系统。测试数据表明,该系统对倾斜的两个分量的标定重复性误差分别为±1.05″和±1.09″,对滚转的标定重复性误差为±9.4″,对偏心的两个分量的标定重复性误差分别为±0.53μm和±0.55μm。

基于光栅侧面耦合的宽光带集光技术

利用光栅侧面耦合技术多为单波长或窄带光耦合,用于光纤激光器泵浦、光波导集成等领域,而用于可见光宽带耦合的研究很少。通过在波导上集成亚波长衍射光栅结构,可以引导太阳光在波导的侧面进行出光汇集,作为一种新型的太阳能集光器结构。利用时域有限差分算法软件(FDTD)对光栅结构进行仿真,以获得最大衍射效率的光栅结构参数,并对不同入射角度下的衍射耦合效率进行了分析。结果显示,在宽波段的光谱范围内,以上光栅结构均达到较好的衍射效率,其中闪耀光栅衍射效率最大,其衍射效率可达48.8%。这种利用亚波长衍射光栅结构的小型集光器有望应用在有关太阳能能量的收集应用中,例如照明、太阳能电池等。

“以学生为中心”的教法、学法、考法改革与实践

针对目前大学教学仍未摆脱"传授、应试"的传统教学组织模式,浙江大学光电学院在专业核心课程中,开展"以学生为中心,以能力培养为主导"的教法、学法、考法相结合的教学方法改革。教法改革,鼓励教师对课程教授方式开展多模式的改革和尝试;学法改革,促进学生开展课内外结合的自主性、研究性学习;考法改革,完善课程考核和评价体系,促进学生脚踏实地、求真务实地学习和提高;"教法"改革促进了"学法"转变,"考法"改革促进了"学风"转变。这些改革和转变,具有促进学生发展、教师提高的功能,对于课程的教学改革具有较好的借鉴作用。

多纵模高光谱分辨率激光雷达研究

提出了一种新型的采用多纵模激光器作为发射光源的大气气溶胶遥感高光谱分辨率激光雷达(HSRL)技术。该技术将视场展宽迈克耳孙干涉仪(FWMI)作为光谱鉴频器,并在设计FWMI时使其周期鉴频特性与多纵模激光器的模式间隔相匹配,因而每个纵模的回波信号可被FWMI鉴频器进行效果一致的精细光谱分离。详细阐明了所提出的多纵模HSRL的原理和实现方式,定量讨论了制约多纵模HSRL中FWMI鉴频性能的主要因素。在1064nm波段采用计算机仿真验证了所提技术的性能。多纵模HSRL技术可避免目前HSRL对单纵模激光器的依赖,既能减小HSRL中激光器的成本、体积和重量,又可以大幅提升了HSRL激光系统的稳定性,对我国机载和星载HSRL的研制具有一定的借鉴意义。

基于偏振分光棱镜的高精度偏振分光系统

针对现有普通偏振分光棱镜(PBS)消光比低、偏振串扰等不足,提出一种由PBS和偏振片构成的高精度偏振分光系统。在PBS的反射通道和透射通道插入偏振片,并调整偏振片的透光轴方向,以便最大程度地抑制偏振串扰。理论计算和数值仿真一致表明,该偏振分光系统能够实现更高精度的偏振分光。实验测得,当入射光强度比为-47.5dB时,普通PBS的偏振分光误差为57.3%,添加了偏振片的偏振分光系统的偏振分光误差为14.3%;而当入射光强度比为47.8dB时,普通PBS的偏振分光误差为15.5%,添加了偏振片的偏振分光系统的偏振分光误差为8.6%。提出的偏振分光系统简单实用,可广泛应用于偏振光学系统中。

基于模式识别的激光雷达遥感灰霾组分识别模型

提出了一种基于贝叶斯模式识别的激光雷达大气遥感灰霾组分识别的方法。介绍了灰霾组分模式识别模型的建立过程,并利用具体的贝叶斯判别函数作为灰霾粒子光学特征向量的选择依据对灰霾粒子进行识别分类。采用计算机仿真实现了该灰霾组分模式识别模型,并通过两种自验证方法检验了模型的正确性和稳定性。讨论了该模型对现有大气遥感激光雷达的适用性,凸显了偏振高光谱分辨率激光雷达(HSRL)的优势。

基于全景环带成像的语义视觉里程计

视觉里程计在智能机器人、自动驾驶等领域有着广泛的应用。但是基于有限视场(FOV)针孔相机的经典视觉里程计算法容易受到环境中运动物体和相机快速旋转的影响,在实际应用中鲁棒性和精度不足。针对这一问题,提出全景环带语义视觉里程计。通过将具有超大视场的全景环带成像系统应用到视觉里程计,并将基于深度学习的全景环带语义分割所提供的语义信息耦合到算法的各个模块,减小运动物体和快速旋转的影响,提高在应对这两种挑战性场景时算法性能。实验结果表明,相较于经典的视觉里程计,所提算法在实际环境下可以实现更加精确和鲁棒的位姿估计。

视场展宽迈克耳孙光谱滤光器增透膜容差评估

分析了视场展宽迈克耳孙干涉仪(FWMI)用作高光谱分辨率激光雷达(HSRL)光谱滤光器时一个未引起广泛重视却又非常重要的问题:FWMI增透(AR)膜反射率容差评估。由于FWMI不同材料分界面的AR膜无法做到100%透射,一旦光线经过该表面,将引起部分光被反射,且这部分光线将成为游离光线在干涉仪主体中不断被多次反射。分析了AR膜反射率导致的多次反射对FWMI滤光性能的影响机理,并采用光谱分离比(SDR)作为性能量化指标,提出了一种迭代算法来定量评估FWMI光谱分离特性与AR膜反射率的关系。分析结果表明,AR膜反射尽管对大气分子散射信号的透射率影响不大,但会较大的降低FWMI对气溶胶散射信号的抑制能力,最终总体上导致SDR的降低。本方法对FWMI AR膜反射率容差评估具有较大的参考价值,是保证FWMI良好设计性能的重要方面之一。

全景环带成像系统的杂散光分析及抑制

全景环带透镜(PAL)在有强光的实际运用中经常会出现像杂散光较强和信噪比降低的情况,对产生的杂散光的分析及抑制非常重要。分析了PAL光学系统中杂散光的主要来源,并提出了一种针对透射面反射产生的杂散光的抑制方法。利用ASAP软件进行仿真,分析了基于该方法设计的PAL光学系统的杂散光情况,结果表明,对比普通的同光学参数的PAL系统,在50°～85°半视场时由透射面反射引起的杂散光减少了约85%,其他视场时杂散光未增多。设计了杂散光对比实验,实验结果验证了仿真结果,表明提出的杂散光抑制方法可以有效抑制PAL光学系统中的杂散光。

近红外高光谱分辨率激光雷达光谱滤光器性能分析

近红外高光谱分辨率激光雷达(HSRL)分子散射回波信号具有频谱展宽窄、能量弱等特点,相对于紫外和可见光HSRL研发难度大大增加。光谱滤光器作为HSRL的关键器件之一,与HSRL系统的反演精度密切相关。根据光谱滤光器的信号透射率和光谱分离比与HSRL系统反演精度的关系,通过分析1064 nm HSRL散射回波的特点,对两种具有代表性的干涉光谱滤光器进行了建模和仿真分析。结果表明,在光束发散角较小时,Fabry-Perot干涉滤光器具有较好的滤光性能,但对面形精度要求较高,不易于加工和装调;视场展宽Michelson干涉滤光器(FWMI)对光束的发散角不敏感,集光能力强,且对面形精度的要求相对较低,在实际应用中更适合用于近红外HSRL系统光谱滤光器。

基于评价函数的二维小波变换轮廓术小波脊提取方法

小波脊提取是小波变换轮廓术的关键步骤,在抑噪能力和速度方面,前者直接影响后者。提出了基于评价函数的二维小波变换的一种新的小波脊提取方法,利用二维小波变换系数模信息、条纹瞬时频率信息以及局部条纹结构方向信息建立评价函数指导小波脊提取;并设计了快速动态优化算法。计算机模拟和实验验证了所提方法的有效性。