激光3D成像系统主被动探测技术的研究进展

随着探测器件技术的进步,新概念的主/被动3D成像技术将主被动探测技术优势有机结合起来,能同时获得目标更加丰富的图像信息(如距离像、强度像、距离-角度像等),从而为正确识别和跟踪目标提供更多的决策信息,大大提高了目标识别概率和可靠性。本文首先介绍了激光3D成像系统的发展现状,重点介绍了林肯实验室研制的Gen-III系统和美国航空航天局的自主精确着陆和危险的检测避免技术项目的 3D闪光激光雷达系统,接着结合HgCdTe雪崩光电二极管(APD)器件的特点介绍了下一代激光3D成像系统主被动探测技术的发展。最后对激光3D成像系统主被动探测技术的未来应用前景进行了展望。

基于椭球聚类的毫米波主被动复合探测信息融合

在毫米波主被动复合探测数据融合中,考虑信号在特征空间中各向异性的分布情况,将描述模式不确定性的隶属度函数引入到证据理论中,提出椭球聚类的方法来确定隶属度及基本概率赋值函数,再根据组合规则进行融合。实验表明该方法是一种有效的数据融合方法,能获得较高的目标识别率。

线性模式主被动碲镉汞APD探测器测试研究

碲镉汞雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)探测器在主被动模式下能同时获取目标物体的强度信息和时间信息,实现实时的三维探测。高精度时间标定的测试方法是验证三维测距的基础。文中分析了盖革模式和线性模式的优缺点,针对一种线性模式主被动HgCdTe APD探测器的读出电路结构进行了分析,并对TOF计算方法进行了研究,在此基础上搭建了一套高精度时间标定的测试平台,对系统和环境噪声进行了测试,得到噪声带来的时间抖动为179 ps。对测试仪器带来的固定时延进行了校准,对影响TOF精度的电压、电容、斜坡发生器的精度以及高精度电压源的精度等参数进行了理论分析,在77 K下完成了线性模式HgCdTe APD探测器的主、被动信息的测试。测试结果得到低温下电路线性度高达99.9%,饱和电荷容量为7 Me-,时间精度抖动的均方根为2.107 ns,证明该测试平台和方法能有效地评估探测器的性能,为红外精准探测提供了参考。

中频分频式主被动复合毫米波探测器

为了提高抗干扰和目标识别概率 ,该文提出了一种新型的分频式主被动复合毫米波探测器。主被动通道共用天线和毫米波前端 ,通过中频分频来处理主被动信息 ,再进行信息融合 ,获得敏感目标的主被动复合探测。这种体制降低了系统的成本和体积 ,有利于真假目标的识别。实验结果表明这种探测器是可行的。

空间近距离非合作目标的光学主被动复合探测

以天基空间目标探测研究为背景,提出了一种空间近距离非合作目标的光学主被动复合探测系统。该系统由扫描和凝视两套被动成像子系统和一套主动激光雷达子系统组成。两套成像子系统的配合能实现大范围搜索,高精度定向及目标的识别、跟踪,克服了以往空间探测器在设计中存在的大视场与高分辨率的矛盾。激光雷达子系统具有对目标精确测距、测速的能力,再配合被动成像子系统给出的目标方位信息,使整套系统可对空间目标进行球坐标定位,计算其轨道参数。在假定条件下进行了系统设计举例,分析了设计中的各个关键技术,给出了系统相应的关键设计参数。为星载光学探测系统设计提供了一种新思路、新途径。

羊八井站多波段多大气成分主被动综合探测系统(APSOS)科学目标

青藏高原以其复杂的地形结构、独特的生态环境和特殊的生态系统类型,以及它对亚洲季风、东亚大气环流、海气作用过程(如El Nino-Southern Oscillation,ENSO)、全球气候变化等重要的影响,受到国内外众多生态和大气科学家的关注。由于青藏高原气象观测站数量少,且受探测技术的限制,高原许多地区大气成分的时空分布观测几乎为零。位于西藏羊八井宇宙线国家野外科学观测研究站的多波段多大气成分主被动综合探测系统(Atmosphere Profiling Synthetic Observation System,APSOS)作为一个全中性大气层多要素、高垂直分辨率、准连续探测系统,能够获取青藏高原高时空分辨率大气要素第一手地基观测数据,可为区域气候变化的长期监测和卫星遥感的地面验证提供关键数据,也能为研究对流层顶、急流区、中间层顶的复杂过程,以及全球变化中的大气上下层对太阳活动和地表的响应过程等科学问题提供基础数据。

分布式主/被动成像探测系统目标空间协同定位方法研究

利用分布式主/被动成像探测系统探测到同一关键目标后,需要融合目标多源信息,综合主/被动成像探测器的不同定位精度,解算关键目标的精确空间位置。针对分布式主/被动成像探测系统成像体制不同、定位解算模型不同、定位精度不同的问题,本文提出一种统一的目标空间协同定位数学模型,并采用线性加权-遗传算法对该数学模型进行联立求解,获得目标空间协同定位结果。仿真试验结果表明,本文构建的目标空间协同定位数学模型以及基于线性加权-遗传算法的目标空间位置求解方法,为分布式主/被动成像探测系统的目标空间协同定位问题提供了统一的模型架构与解算途径,同时也解决了不同成像体制探测器带有不同定位误差情况下的目标多源信息融合问题,在分布式无人机集群、分布式巡航导弹群以及分布式战斗机集群对重要目标的探测任务中,能够有效提高探测系统的精确探测、制导、打击、拦截能力。

机载主被动一体化微波探测仪结构设计与分析

利用机载主被动一体化微波探测仪进行土壤湿度的探测对高精度土壤水分反演具有重要意义。文中根据探测任务需求以及机载试验复杂的力学振动环境和温度环境,开展了探测仪的结构设计,并对系统结构开展了力学仿真分析和热设计,验证了结构设计的合理性。经过机载校飞试验的实际考核,样机满足机载环境使用要求,探测仪系统工作正常。该探测仪结构具有布局紧凑、精度高、工作稳定、安装方便等优点,可为同类机载校飞载荷的结构设计提供参考。

基于HgCdTe-APD的32×32主被动成像读出电路

设计了一款基于线性模式下HgCdTe-APD的主被动双模式读出电路。被动模式下通过积分电容进行光信号的强度测量,主动模式下利用两段式TDC进行光子飞行时间(ToF)的标记。TDC采用面阵共享的数字计数器进行粗计数,像元内置时间幅度转换电路(TAC)进行精细测量,同时利用积分电容的切换修正时刻鉴别误差。焦平面阵列规模为32×32,工作温度为77 K,采用标准SMIC 0.18μm CMOS工艺进行电路设计及版图绘制。仿真验证结果显示,电路满阱容量约为7.5 Me^(-),在3.2μs的动态范围ToF分辨率小于0.5 ns,DNL和INL分别在-0.15 LSB~0.15 LSB和-0.2 LSB~0.2 LSB范围内。读出电路帧频为4.5 kHz,功耗小于180 mW。

激光红外主被动像素读出电路设计

提出一种面向激光红外主被动探测的像素电路设计,其中像元中心距为30μm。所设计电路中引入了直流电流(DC)消除反馈回路,提高了激光探测灵敏度,并结合脉冲宽度调制技术,实现了红外成像动态范围扩展。电路采用互补金属氧化物半导体(CMOS)180 nm工艺进行设计与验证,在激光探测模式下,可消除DC大小高达5.3μA,并且能实现0.5μA的幅值灵敏度和2.3 ns的脉冲宽度灵敏度;在红外成像模式下,传统高增益和低增益工作模式的动态范围分别为65.3 dB、69.1 dB,脉冲宽度调制技术可将动态范围扩展60 dB。

高精度3mm波段探测器信号处理系统

详细阐述了3 mm波段毫米波主被动复合探测器的工作原理,针对其高速小型化应用的要求,基于TMS320F2812设计了探测器的信号处理系统。鉴于传统ADC采样方法测距的缺点,采用DSP定时器捕获方法,实现了精度为±2 m的主动测距功能。基于模糊综合评判方法进行目标识别,并综合单个特征分量识别效果及专家评分权重两个因素,改进了确定特征分量模糊综合评判权重的方法,使系统对金属目标的识别率达到了81%。

机载L波段主被动一体化微波探测仪辐射计定标

遥感试验是进行遥感原理的验证、遥感模型与反演方法的发展、遥感产品的真实性检验,推动卫星计划的论证实施及其观测在地球系统科学中应用的重要途径。在闪电河流域水循环与能量平衡遥感综合试验中,利用机载L波段主被动一体化微波探测仪开展了以土壤水分为首要目标的大型航空遥感试验。其中,被动探测部分即微波辐射计采用微带天线,辅以机械扫描方式进行多角度成像观测。为有效支撑微波辐射计数据的处理及定量反演,必须对机载微波辐射计进行实时定标,本文采用分步定标法进行辐射亮温的定标,即在实验室对定标链路中的噪声源进行定标,得出对应的辐射亮温;飞行试验中,利用该两个参考点得到辐射计输出电压和亮温的关系,同时选取试验区域附近的水体作为外定标参考点,进行定标方程的修正。结果表明,机载辐射亮温与地面参考点(草地)模拟亮温比较吻合,二者对比结果显示均方根误差最小为0.93 K(2018-09-26,H极化),无偏均方根误差最小为0.96 K(2018-09-24,V极化),有效支撑了国产L波段微波辐射计相关卫星计划的论证以及后续的定量反演与降尺度等相关研究工作的开展。

利用Ka波段云雷达对青藏高原三类重要天气系统云宏观参数日变化特征的研究

青藏高原上空云宏观参数的日变化受大尺度环流、当地太阳辐射和地表过程的联合作用,对辐射收支、辐射传输及感热、潜热的分布等有重要影响。由于缺乏持续定量的观测,对各类天气系统云宏观参数日变化特征的了解还十分不足。多波段多大气成分主被动综合探测系统APSOS(Atmospheric Profiling Synthetic Observation System)的Ka波段云雷达是首部在青藏高原实现长期观测云的雷达。本文基于2019年全年APSOS的Ka波段云雷达资料,采用统计和快速傅里叶变换方法研究了西风槽、切变线和低涡三类重要天气系统影响下的有云频率、单层非降水云或者降水云非降水时段的云顶高度、云底高度和云厚日变化的时域和频域特征,得到了统计回归方程。主要结论有:(1)西风槽系统日均有云频率为56.9%,切变线系统为50.8%,低涡系统达73%。(2)尽管西风槽和切变线系统的成因不同,但两类系统云宏观参数的日变化趋势和主要谐波周期相似:日变化趋势基本为单峰单谷型,日出前最低,日落前最高。有云频率表现为日变化和半日变化,单层云云顶高度、云底高度和云厚主要表现为日变化。(3)低涡系统云宏观参数的日变化特征与前两类系统明显不同:日变化趋势表现为多峰多谷型,虽然有云频率和单层云云顶高度、云底高度主要谐波中均以日变化振幅最大,但频谱分布分散,云厚主要变化中振幅最大的是周期为4.8 h的波动。(4)得到了各系统有云频率、单层云云顶高度、云底高度和云厚日变化的统计回归方程。

利用星载GNSS-R相干信号探测南亚洪水

洪水监测不仅在防洪减灾中发挥着重要作用,而且对了解洪水的时空演变以及洪灾的预报、预警具有重大的实际意义。全球导航卫星系统反射(global navigation satellite system-reflectometry,GNSS-R)测量的出现为洪水监测提供了一种新的解决方案。首先介绍了一种基于旋风全球导航卫星系统(cyclone global navigation satellite system,CYGNSS)原始计数时延多普勒图(delay-Doppler map,DDM)的相干信号探测方法;然后利用星载GNSS-R信号对洪水的敏感性,分析了南亚洪水发生前后的空间范围和时间序列变化;最后与地表反射率监测洪水的方法进行比较分析。结果表明,在旱季,两种方法与土壤湿度主被动探测卫星(soil moisture active passive,SMAP)的监测范围基本相似;而在雨季,地表反射率的探测范围比SMAP卫星探测范围约大6.69%,功率比的探测范围比SMAP卫星约小3.6%。因此,所提方法比地表反射率更加准确,且该方法无需考虑地表特征等对非相干散射功率的影响,是一种简单有效的洪水探测方法。