开展可见光—红外线—太赫兹波成像系列实验培养解决真实问题人才

物理学的研究成果有力推动了三次工业革命的发展。进入新世纪以来,量子计算、低维物理、量子探测等现代物理研究成果正在促进第四次工业革命暨工业4.0向纵深发展。笔者在大学物理实验中规划布局多层次物理实验题目,以开展可见光-红外线-太赫兹波探测与成像系列实验为例,介绍了学生深刻理解不同波段的电磁波在新旧产业领域应用性的异同。这一教学模式有利于学生掌握近现代物理成果与实验综合技能,培养他们成为解决新产业领域面临的真实问题的新理工科人才,从容面对新技术革命与职业选择。

一种基于U^(2)⁃Net的红外热成像与可见光图像融合方法

为解决红外热成像分辨率低且成本高昂的问题,结合可见光图像分辨率高、成本低的特点,提出一种采用U^(2)‐Net结构模型对红外热成像与可见光图像中显著目标检测的方法。针对图像中显著目标,通过图像裁剪、轮廓提取、仿射变换、形心计算、尺寸变换、匹配定位与融合等操作,实现目标物体在红外图像与可见光图像中的融合。实验结果表明,通过所提方法将低分辨率红外热成像中目标物体与高分辨率可见光图像融合,能够有效提升目标物体在整体图像中的可视性。

采用无人机搭载高清可见光及红外热成像法进行外墙渗漏检测的应用与分析

无人机搭载高清可见光及红外热成像技术结合了无人机的灵活性与红外热成像的图像采集优势,通过捕捉墙体温差,快速精准识别外墙空鼓、渗漏等缺陷,检测效率较传统人工勘测方法可提升5倍。案例分析显示,该技术能有效检测并记录建筑外墙的质量缺陷,为制定修缮方案提供数据支撑。

可见光集成三波长激光成像系统分时复用薄膜器件的研制

针对激光医疗等在光学系统中成像和治疗多功能分时复用的需求,本文利用光学薄膜设计软件设计了覆盖可见光400~700 nm波段及980 nm、1064 nm、1470 nm 3个近红外波长的减反膜,采用电子束蒸发技术在K9玻璃基底上镀制薄膜。测试结果表明:可见光400~700 nm波段的平均透过率为98.2%,980 nm、1064 nm、1470 nm处的透过率分别为98.1%、98.4%、98.2%,可有效提高光学系统的光能效率和信噪比,能够满足激光医疗等光学系统中成像和治疗多功能分时复用的使用要求。

FY-3C/可见光红外扫描辐射计中红外通道太阳污染的识别和修正

基于风云-3C/可见光红外扫描辐射计（FY-3/CVIRR）的中红外通道（3.7μm）的太阳污染现象和发生规律,分析了太阳污染出现的时空特征,提出了初步判识并修正北半球太阳污染数据的方法,并就太阳污染对定标系数和黑体亮温的影响做了定量的评估。结果表明,对于FY-3C/VIRR的中红外通道,太阳光线照射到定标黑体时所形成的北半球高纬度太阳污染主要出现在太阳天顶角在85°~118°之间的位置时;由太阳污染导致的该区域地球观测亮温日平均偏差为4.5K左右,最大偏差达到15K左右。通过对逐日太阳污染数据进行识别,并采用污染前后定标系数进行线性求差值,可以初步修正太阳污染对定标系数带来的异常影响。

基于可见光红外成像辐射仪数据的地表温度反演

地表温度是农业旱灾和作物估产模型的重要参数。该文针对可见光红外成像辐射仪(visible infrared imager radiometer suite,VIIRS)传感器缺乏水汽通道的特点,联合Aqua卫星搭载的中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)数据提出了基于分裂窗算法的VIIRS地表温度反演方法。对地表发射率和大气透过率这2个关键参数的获取进行了详细分析,选取了处于作物生长期的2013年6月4日VIIRS数据进行实例验证分析。结果表明,与全国气象数据比较该文算法在大尺度上能够较好地获取中国地表温度;与MODIS数据温度产品在高温产粮区比较,该文算法与MODIS温度产品精度较一致,两者差值小于1 K。使用MODTRAN(moderate resolution transmission)软件对算法的精度进行了模拟评价验证,分析表明:在一定的水汽和地表发射率条件下,算法反演精度一般保持在1 K内,平均误差为0.431 K,误差标准偏差为0.247 K。能够为农业干旱、作物长势等农情信息监测提供所需的地表温度数据。

FY-3气象卫星中分辨率光谱成像仪和扫描辐射计11μm红外窗区通道的比较

在中国新一代气象卫星风云三号搭载的遥感器中,不同遥感器设有相近的通道.针对扫描辐射计(VIRR)第四通道(波段范围10.3～11.3μm)和中分辨率光谱成像仪(MERSI)第五通道(中心波长11.25μm),应用精确的逐线辐射传输模式(LBLRTM)模拟计算了红外波段8～14μm大气顶向外出射的光谱辐射率,大气廓线采用ECMWF再分析产生的具有代表性的全球52条大气廓线数据集.结合上述两个通道的光谱响应函数,计算了卫星接收到的大气顶出射辐射,从理论上分析了两个通道观测亮温之间的关系.应用2008年9月青海湖辐射校正场FY-3实际观测数据,检验了两个通道的关系.比较结果表明:LBLRTM模拟计算得到的MERSI和VIRR两个红外窗区通道的亮温有较好的一致性和线性关系,MERSI稍低于VIRR,偏差随温度的升高而线性增加.实际观测数据受诸多因素的影响,通道对比结果与理论模拟有一定的差异,VIRR观测亮温低于MERSI.结合MODIS的观测数据,分别与两个通道的观测结果进行了对比,确认了VIRR可能较低地估计了温度,MERSI与MODIS的符合程度在温度探测的绝对精度范围之内.该研究结果有助于评价MERSI和VIRR两个红外相似通道观测结果的异同性.

FY-3气象卫星可见光红外扫描辐射计冷空间基准采样区观测到月球后的现象

FY-3气象卫星可见光红外扫描辐射计(VIRR)冷空间基准采样区在特定时刻观测到月球,使该时刻遥感图像出现地球区信号码值减小甚至无码值的条带状异常区域,对遥感数据产生影响。根据VIRR轨道运行特点、在轨工作模式和冷空间数据采样机理,分析了VIRR冷空间采样区观测到月球并影响遥感数据的原因,阐述了VIRR扫描镜像旋转引起冷空间采样时月球图像通道间配准错位的机理,通过卫星轨道仿真计算了一年周期内出现此种现象的时间及规律,对受影响的遥感数据提出了处理建议,对数据修正作了初步尝试并对数据修正的可能性作了分析。

可见光/近红外成像系统共轴折叠反射镜干涉检测技术(特邀)

由共用镜坯、径向折叠的多个环带反射镜组成的成像系统具有紧凑化、免装调的特点。为确保各反射镜的面形精度和相互位姿精度,提出了计算全息(Computer Generated Hologram,CGH)补偿干涉测量方法。针对可见光/近红外成像需求,基于共轴折叠思路设计了环带四反射镜成像系统;应用金刚石车削工艺加工了多环带共体反射镜;重点针对其中共体的主镜、三镜和次镜、四镜分别设计了CGH补偿器,通过合理选择离焦载频和CGH轴向位置,有效分离了干扰衍射级次的鬼像,实现了多个反射镜面形与相互位姿误差的同步检测。干涉测量结果表明,多个反射镜同时达到接近零条纹状态,面形精度和相互位姿精度较高,且无鬼像干扰。系统对100 m远处目标探测实验表明,反射镜不需要额外装调即可实现良好成像,具有集成度高、研制周期短、成像质量高的优点。

气象卫星最小的“千里眼”是怎样炼成的?——风云四号A星多通道扫描成像辐射计红外探测器芯片研制回顾

风云四号(FY-4)是中国新一代静止轨道(GEO)定量遥感气象卫星。多通道扫描成像辐射计作为FY-4上的主要载荷之一,被赞誉为风云四号的"千里眼"。它是迄今为止中国静止轨道卫星最先进的扫描辐射计,这与多通道扫描成像辐射计的核心部件——红外探测器研制水平的大幅提升是密不可分的。与现在正在运行的风云二号(FY-2)相比,风云四号的红外探测器实现了跨越式的发展:红外通道的数量从4个增加到了8个;探测器的波长已经延伸到了13.8μm;芯片的光敏元数量更是从单元发展到多元线列;每个光敏元尺寸只有56μm×56μm,是迄今为止中国研制的气象卫星中红外探测器光敏元尺寸最小的。这使得风云四号扫描成像辐射计红外探测器的研制遇到了许多前所未有的问题和困难,比如中短波光伏(PV)探测器的光敏面限制问题、水汽光导(PC)探测器的有效视场偏窄问题和长波光导探测器的高性能、高要求问题。本文介绍了中国气象卫星中最小的"千里眼"——风云四号多通道扫描成像辐射计碲镉汞红外探测器芯片的研制过程和关键技术。

基于卷积神经网络的红外与可见光图像融合方法

针对当前红外与可见光图像融合方法存在融合效果差、效率低等问题,为了获得更优的红外与可见光图像融合结果,提出了基于卷积神经网络的红外与可见光图像融合方法。首先收集待融合红外与可见光图像,采用Retinex算法对图像进行增强操作,提升图像亮度和细节信息,然后采用卷积神经网络提取图像融合特征,并设计红外与可见光图像融合规则,根据规则得到图像融合结果,最后应用多个数据集进行红外与可见光图像融合性能测试实验,结果表明,卷积神经网络的图像融合后整体视觉效果好,重要细节信息丰富,熵和平均梯度的值超过了6,融合时间低于1 s,整体性能优于其它红外与可见光图像对比融合方法。

美国雷神公司将研制第三台可见光红外辐射计组合仪

可见光红外辐射计组合仪（VIIRS）是美国国家海洋和大气管理局（NOAA）/美国航空航天局（NASA）的联合极轨卫星系统（JPSS）上将装载的用来保持气象监测数据连续性的重要仪器。

红外激光对可见光CCD成像系统的干扰

采用连续波红外激光对可见光面阵CCD成像系统进行了干扰实验,观察到饱和串扰、全屏饱和等干扰现象,并测到串扰阈值小于2.0×10^2W/cm^2,全屏饱和阈值为1.2×10^4W/cm^2。通过分析CCD输出电压、视频信号,提出基于有效干扰面积的干扰效果评估方法,并利用该方法对干扰面积与激光功率密度、辐照时间之间的关系进行了半定量分析。结果显示：激光功率密度对干扰效果的影响较大,而辐照时间在0.5～2.0 s之间时,辐照时间对CCD干扰效果的影响不明显。

从可见光到热红外全谱段探测的星载多光谱成像仪器技术发展概述

从可见光到热红外的全谱段探测的多光谱成像仪器能够同时对可见光、近红外、短波红外、中波红外、长波红外光谱范围内的多个谱段进行探测,是目前得到广泛研究及应用的成像光谱仪器。这类仪器在国土资源、环境监测、城市遥感、海洋监管等方面均有较高的应用价值。本文概述了此类仪器的国内外研究发展现状,对国外Landsat系列载荷、MODIS、国内的资源系列载荷、高分五号全谱段光谱成像仪等代表性仪器的技术指标和特点进行了总结。通过分析认为更加全面和精细的光谱覆盖、成像方式的改进与技术指标提高、定标手段和定量化水平提高、数据的持续性及稳定性是未来发展的趋势。

红外激光对可见光成像系统的硬损伤

采用波长为1315nm的连续波化学氧碘激光对某型摄像机进行了辐照实验,研究了可见光CCD成像系统在响应波段外红外激光辐照下的硬损伤效应。开展了光学系统变光圈尺寸下的激光辐照实验,发现当辐照水平一定的情况下,光圈尺寸越小,光学系统越难发生硬损伤,并解释了该现象的成因;测量到光圈尺寸最大、最小两种状态下的光学系统硬损伤功率阈值分别为几十W、几百W;得到CCD的激光损伤阈值为5.5×104W/cm2;结合相机输出的视频图像与显微镜拍到的被损感光器件实物照片分析了硬损伤机理。

可见光电视/红外成像复合寻的制导技术

复合导引头技术是实现精确制导的一种新技术途径,它比单一体制的导引头具有更高的精度和抗干扰能力。成像制导技术可以直接获取目标外形或基本结构等丰富的目标信息,能抑制背景干扰,可靠识别目标,是复合导引头技术的重要发展方向。分析了可见光电视/红外成像复合寻的制导技术的特点,介绍了国内外的装备现状,重点阐述了系统组成及其关键技术。在此基础上,给出了可见光电视/红外成像复合寻的制导的设计实例,预测了该技术的发展趋势。

气象卫星可见光红外光学成像仪发展沿革

该文回顾了环境气象卫星可见光红外光学成像遥感仪器50多年的发展历程,从不同时期在轨运行的近百台（套）仪器中选择了12种作为代表,结合仪器功能性能技术指标和应用需求梳理分析了其历史发展脉络和主流业务发展趋势,并初步探讨了创新发展方向。50多年的发展可以分为3个阶段：早期探索20年,美国第1代探索性仪器,开创了气象卫星对地观测的先河;初步应用20年,基本形成初步应用格局,欧洲、中国等开始发展自己的环境气象卫星光学成像遥感仪器;稳定应用和进步发展10多年。新一代极轨卫星可见光红外光学成像遥感仪器,其典型特征是光谱波段20个以上,谱段带宽窄,光谱范围全面覆盖0.4-15μm,辐射测量精度高,空间分辨率为200-1000 m,其改进型仪器代表了未来极轨气象卫星主流业务发展趋势。静止气象卫星可见光红外光学成像遥感仪器未来主流业务发展方向的典型特点是光谱波段15个以上,谱段带宽较窄,光谱范围全面覆盖0.4-15μm,辐射测量精度高,空间分辨率为500-2000 m,圆盘图成像速度可达到分钟级,区域扫描速度更快。

宽光谱可见-短波红外成像光学系统设计

针对目前的红外成像光学系统在机器视觉工业检测领域难以同时实现成像质量好和结构紧凑设计的问题,提出了一种宽光谱可见-短波红外成像光学系统的设计方法。运用光学设计软件ZEMAX设计了一种适用于可见光和短波红外的红外成像光学系统。该系统由7组10片透镜组成,利用多组双胶合透镜来消色差,在第15个面使用非球面提高成像质量,最后对系统的成像质量进行研究。设计结果表明:该系统的的工作波长为0.4~1.7μm,全长为79.6 mm,F数为2.8,焦距为25.7 mm,畸变小于1.4%,调制传递函数值在奈奎斯特频率100 lp/mm处均大于0.4,接近衍射极限,成像质量良好。该系统可以对光滑表面的装配件进行缺陷检测,具有结构简单、易于加工装调的优点,有助于高效地完成机器视觉检测。

多模复合制导用可见光成像与红外成像融合技术研究

在现代战争的复杂光电对抗环境中,多模复合制导技术必将取代单一体制的制导技术,成为主流的制导技术。本文介绍了作为多模复合制导关键技术之一的可见光成像与红外成像信息融合技术,主要包括信息融合前的预处理、配准、加权平均融合方法,取大值融合方法和融合评价等。

基于可见光红外扫描辐射计杂散光建模仿真

杂散光对星载红外光学系统的影响体现在两个方面,一是成像质量会恶化,二是仪器定标精度会降低。因此,开展星载红外光学系统杂散光分析与抑制工作十分必要。本文以FY-3气象卫星的可见光红外扫描辐射计(VIRR)为研究对象,使用TracePro对仪器成像光学系统进行建模仿真,得到了不同光谱通道在不同维度的点源透过率(PST)曲线。结合在轨仪器备份产品的杂散光实验室复测,对模型仿真与实测结果做了定性比对分析。通过分析PST曲线,找到了仪器可能受杂散光影响的光照角度;通过对卫星轨道参数进行仿真和分析,在考虑载荷间相互影响的情况下模拟了卫星穿越晨昏线时的光照射情况,获得了杂散光量级的初步结果。该工作还可以为同类载荷的消杂散光设计和太阳污染抑制提供参考,同时为遥感历史数据再定标提供基础支撑。