智能实验室物理实体的形式化方法

通过引入Petri网对可表示静态物理世界W的知识重构与抽象模型进行扩展,以增强其描述物理实体动态行为的能力.将改进后的模型运用于智能实验室,结果表明,其能满足智能实验室物理实体形式化的要求.

中波红外数字域640×8 TDI成像系统设计及验证

时间延迟积分(Time Delay Integration,TDI)探测器被广泛应用于弱光成像和航天遥感等领域,这种探测器能够在保持空间分辨率和平台运行速度的条件下有效提高探测器的等效积分时间,提高系统成像质量和探测率。近年来,红外数字域TDI探测器因具有动态范围大、积分级数连续可调和高帧频等优点而受到越来越多的关注和研究。通过对红外数字域TDI技术进行原理分析和数字系统设计,结合国产640×8中波红外数字域TDI探测器设计成像系统进行性能的分析及验证,重点研究了红外数字域TDI探测/成像系统的盲元补偿、非均匀校正、像元调整、时间延迟累加和过采样等关键技术,为未来红外数字域TDI探测器在空间遥感中的应用提供了技术支持。

天基星图预处理技术研究

随着人类逐渐将活动范围扩展到宇宙太空,地球外部空间特别是地球同步轨道越来越拥挤,废弃的航天设备、太空活动垃圾等产生大量空间碎片。散落的空间碎片可能引发太空事故,导致航天设备损坏或脱轨,因此空间目标探测系统对保证太空环境安全具有重要意义。星图预处理可以提升图像质量和目标信噪比,这无论是对后续空间目标识别追踪还是航天器导航定姿均有重大意义。主要对图像去噪、背景校正、阈值处理和质心提取这几个方面进行研究,总结现有处理方法和它们的优缺点,并提出相应的改进方法。在图像去噪和背景校正部分,使用真实星图来验证不同算法,利用信噪比增益和背景抑制因子来分析算法处理效果,分析对不同信噪比目标的影响,并提出邻域最大值滤波和改进的背景校正法。在阈值处理部分,分析真实星图所具有的直方图特性,并据此提出基于迭代自适应的阈值方法。在质心提取部分,使用盖亚星表做出基于高斯点扩散函数的模拟星图,在添加白噪声后分析不同算法的亚像素质心提取误差和计算时间。最后,指出未来空间目标识别的迫切需求,并根据本文研究提出相关建议以供参考。

风云三号降水卫星多角度偏振成像仪的观测特点和应用潜力

准确测量大气中云和气溶胶的辐射特性对数值天气预报和气候变化具有重要意义。搭载在风云三号降水卫星上的偏振载荷是国内首个具有短波红外通道的多角度偏振成像仪(Polarization and Multi-Angle Imager, PMAI),计划于2023年年初发射,为气溶胶-云-降水观测链条提供重要支撑。该仪器运行在非太阳同步的倾斜轨道,可提供3 km(星下点)空间分辨率和700 km幅宽的图像。PMAI的观测通道包括1030 nm、1370 nm、1640 nm的偏振通道和相应的非偏振通道,可提供14个角度的观测信息。PMAI将利用自然目标的在轨替代定标和同平台仪器的交叉定标,实现5%的辐射测量精度。观测和仿真数据表明PMAI拥有描述云和气溶胶特性的独特优势。全新的短波红外通道的多角度偏振测量可以优化云相态识别和云微物理参数反演、气溶胶的地气解耦以及地表方向反射特征的表述。处于非太阳同步轨道的PMAI具有独特观测几何,可以获得大气粒子辐射更宽的散射角分布信息。此外,PMAI可联合同平台中分辨率光谱成像仪的可见近红外和热红外通道的观测信息,进行云和气溶胶的协同反演。

基于自适应对比度增强的红外小目标检测网络

红外探测系统需要尽早发现目标以便及时拦截,但是红外图像上的小目标检测是一个挑战十足的任务。为了提高检测准确率,提出一种基于自适应对比度增强的红外小目标检测方法。为了利用自注意力机制和卷积各自的优势,设计了一个高效的特征提取网络和一个面向小目标的检测头。同时为了解决实际应用中出现的弱目标,在检测子网络前添加了一个图像预处理子网络,该模块可以自适应地调节图像对比度。在红外空中小目标数据集上的实验表明,提出的方法能达到93.76%的检测精度,与经典的检测方法相比,能够更好地平衡检测精度和召回率,证明了方法的巨大应用潜力。

风云四号辐射成像仪及其数据在卫星气象中的应用

人类社会的发展与气象观测密不可分,通过气象卫星观测气象是气象预报的重要手段。气象卫星主要分为极轨气象卫星和静止气象卫星两类。辐射成像仪一般是各类气象卫星的核心载荷,用于获取目标不同光谱波段的辐射数据。卫星气象是指对气象卫星获取的辐射数据进行分析处理,利用分析结果进行气象和气候预报。本文重点介绍了中国最新研制发射的第二代地球静止气象卫星——风云四号辐射成像仪的性能和技术特点,并介绍了辐射成像仪数据产品在卫星气象中的应用。

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。

基于光学滤波的水面弱纹理提取方法研究

水下潜体运动产生的内波反映到水表会形成一定的红外弱纹理信号,这使得利用红外遥感手段探测成为可能。但是这种纹理信号的对比度很弱,而且往往和振幅很强的背景杂波混在一起,给信号的提取造成很大困难。比较了已有水面弱纹理探测方法的优缺点,提出光学滤波的方法增强水面弱纹理信号的信杂比,使这种信号的提取更容易。基于非相干光学滤波的原理和特定信杂比评估弱纹理信号提取性能的方法,对不同特定频率信号的光学滤波方法采用信杂比进行分析和评估,然后在此基础上,针对特定频率的信号优化了相应的非相干光学传递函数,通过仿真和实验验证了该方法的可行性,同时表明优化的双孔径非相干光系统对弱纹理模型和信号具有较好的提取能力,该优化的系统可以得到7%以上的信杂比增强,再结合后续的数字对比度增强技术可以进一步有效提高对弱纹理信号的提取能力。

长波QWIP-LED量子阱红外探测器杜瓦研制

在用于封装长波QWIP-LED量子阱探测器的杜瓦研制中,详细阐明了一种用于封装长波QWIP-LED量子阱红外探测器的结构,结构采用侧罩式设计,光信号从红外窗口进入,近红外窗口透出,提出了一种探测器胶接在管座上,管座整体再螺接在冷头的方法,提高探测器的互换性,通过热适配设计,降低低温应力对探测器影响,选择低冷损的TC4材料,降低杜瓦漏热,基本解决了长波QWIP-LED量子阱探测器杜瓦组件的关键技术,性能指标达标,成像效果良好,达到工程封装要求。

用PCS提高QWIP-LED光提取效率的仿真研究

量子阱红外探测器发光二极管(Quantum Well Infrared Photodetector Light Emitting Diode,QWIP-LED)是一种新型红外上转换器件,配合电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)能够实现中波红外成像探测。与常规红外成像器件相比,QWIP-LED最大的优势在于成本低。然而,QWIP-LED较低的光提取效率(约2%)严重制约了该器件的广泛应用。以提高QWIP-LED的光提取效率为目标,在LED表面引入二维光子晶体薄膜(Photonic Crystal Slab,PCS)结构,采用时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)计算了其对光提取效率的改善效果,并对PCS的结构参数进行了优化。仿真结果表明,优化的PCS可以使QWIP-LED的光提取效率提高2.32倍。最后,基于PCS的能带理论以及等效介质理论,对PCS结构提高器件光提取效率的机理进行了分析。

基于中心点的实时红外目标检测方法

针对仅配备CPU的红外成像系统,本文提出了一种基于中心点的实时目标检测方法。遵循轻量化的设计原则,首先引入了低计算成本的特征提取网络,并在此基础上设计了相应的特征融合模块以充分利用不同阶段提取的空间和上下文信息。同时为了进一步提高网络的表征能力,提出了一个背景抑制模块以完成对前景区域的特征增强,并最终通过轻量检测网络实现对目标中心点及其相应属性的预测。在红外空中目标数据集上的实验表明,本文所提方法能够在CPU上以21.69 ms每帧的速度达到90.24%的检测精度。与经典的Tiny-YOLOv3相比,在计算量和参数量仅为前者21%和11%的前提下,检测精度提高了10.94%,并且检测速度提高了10.02 ms,证明了方法在实时红外系统中的巨大应用潜力。

基于光线追迹的长线列摆扫式热像仪在轨几何成像仿真方法

针对卫星发射前在轨数据缺乏导致的无法进行成像质量评估、链路分析及几何处理算法验证等问题,提出了一种基于光线追迹的长线列摆扫式热像仪在轨几何成像仿真方法。首先根据光学系统结构及成像特点,构建了长线列摆扫式热像仪严格几何定位模型;然后,基于姿轨仿真数据、DOM和DEM辅助数据,通过光线追迹及重投影算法实现了像元视矢量的空间投影及成像仿真;最后,提出了基于“广义”修正矩阵的几何检校方法,通过修正定位模型提高了仿真影像定位精度。实验结果表明,该方法可实现长线列摆扫式热像仪任意轨道位置的几何成像仿真,检校后仿真影像定位精度优于2个像元。该研究为空间光学载荷在轨几何成像仿真提供了新思路,对成像链路误差源分析、几何定位及检校方法研究具有重要意义。

冷空异常下热红外波段再定标及非均匀校正

海洋一号B星水色水温扫描仪(HY-1B COCTS)在轨工作时受到冷空未知辐射的干扰导致其九年数据均受到不同程度的影响。以两极受影响较小的数据做样本,建立基于再定标系数的响应修复模型和基于概率分布的非均匀校正模型,对地球目标信号进行修复,根据修复结果进行了对比和优化,并对修复模型的精确性和稳定性进行了验证。最后结果表明,在冷空辐射基准受影响的情况下,响应修复模型结合概率分布校正模型能够明显的对数据进行有效修复。

基于聚合通道特征的红外行人检测方法

基于红外图像的行人检测技术在夜间场景监控、汽车夜间辅助驾驶等相关领域具有重要的作用,然而受红外图像分辨率低、信噪比高等因素影响,当前的很多方法性能不佳。提出了一种基于图像特征通道的红外行人检测算法。利用快速特征金字塔技术在红外图像上进行了滑动窗口检测。实验结果证明,相对于其他常规算法,该算法在实时性和鲁棒性上都有很大的提升。

星上定标用分谱比辐射计的辐射探测性能研究

采用比辐射计进行比对测量是监测光学遥感仪器星上定标光源载体漫射板反射性能在轨变化的有效手段。用于海洋水色遥感的新一代星载成像光谱仪必须设计成以太阳作光源的在轨绝对辐射定标系统,才能满足定量化产品反演的使用要求。国外星上定标器的漫反射板长期跟踪测量结果表明,漫射板的反射性能一直在发生变化,且波长越短变化越大,而海洋水色遥感要素的探测恰恰集中在靠近紫外的波长区域。针对这个问题,设计了分谱比辐射计,并对其辐射探测性能进行了理论分析与实验测量。结果表明,在整个动态测量范围内线性相关系数优于0.9991,在轨输入能量条件下的分谱信噪比在整个使用波长范围内优于100,可以满足成像光谱仪星上定标源反射特性标定的精度要求。

基于光源近场模型的LED光学扩展量测量方法

基于精确的LED光源近场模型,提出了一种LED光学扩展量测量方法.通过追迹LED近场光源模型中的光线数据,可获得LED光功率关于光学扩展量的关系曲线,直观反映出LED光源的光学扩展量特性和光能利用率等信息.以紫外曝光系统中的UV-LED阵列面光源为例,对三款不同型号的UV-LED进行了实际测量.通过测量得到的光学扩展量和光能利用率曲线,可以对UV-LED的光束质量作出判断,并为阵列面光源的优化设计提供帮助.

一种编码器实时读出电路设计及处理方法

设计一个编码器实时读出系统。采用FPGA作为处理器对增量式编码器和绝对值编码器进行读值,然后将从编码器读入的数据信息转化为角度值,最后驱动液晶显示模块进行实时读出角度值。硬件部分主要包括一块FPGA控制器、两种编码器接入模块、一个LCD模块,以及外围配置电路。软件部分主要包括编码器数字信号接收、数据处理、LCD驱动显示。电路板可用于检验实验室采购的编码器,保障生产任务按时完成;也可以置于各种平台之上,用于实时显示方位角度值。

基于FPGA的绝对式圆感应同步器测角系统的设计与实现

为了实现对扫描控制机构的高精度角度测量,以绝对式圆感应同步器作为角度测量传感器,设计了高精度、高稳定度的测角系统。通过硬件电路设计,该系统实现了高测角精度和测角稳定度;通过FPGA程序实现了绝对角度测量的高可靠性。实际测试结果表明,该系统的抗干扰能力强,角度稳定分辨率可达0.1",角度标定指向精度优于1.1″(3σ)。

红外傅里叶光谱仪在轨光谱定标算法研究

风云四号A星上搭载的干涉式大气垂直探测仪的核心是一台红外傅里叶光谱仪,为了提高探测仪观测资料的定量化应用水平,必须对其进行精确的在轨光谱定标。对于傅里叶光谱仪来说,光谱位置由干涉图的采样点数和参考激光频率共同决定,因此光谱定标的关键是确保参考激光频率的稳定性。本研究利用逐线积分辐射传输模式得到参考大气吸收谱线,通过比较探测仪观测光谱与参考光谱的均方根误差来确定激光的有效采样频率,从而实现探测仪的在轨高精度光谱定标。该方法已应用于风云四号A星上搭载的干涉式大气垂直探测仪的在轨光谱定标中,具有较高的应用价值。

傅里叶变换光谱仪探测器非线性的影响及其校正方法

针对傅里叶变换光谱仪探测器引起的非线性进行研究,阐述了非线性的产生、分析了非线性对光谱的影响以及介绍了两种校正二次项非线性的方法:卷积法和迭代法。并采用这两种方法对干涉图进行二次非线性校正,然后在卷积法与迭代法的基础上提出一种更适用于实际数据的新方法。最后采用这三种方法对模拟数据以及实际采集数据分别进行非线性校正,实验数据说明校正后非线性能得到抑制。并且通过对比发现,新的校正方法有较好的精度及更快的速度。