方向自适应的光子计数激光雷达滤波方法

提出一种自适应滤波方向的光子计数激光雷达点云滤波方法,定义了一种可调节主滤波方向的滤波核,通过遍历得到最佳滤波方向的密度值并剔除远离地物的噪声点,根据密度值与邻域内其它点的密度值差值剔除接近地物的噪声点。通过实验数据对算法进行了验证,结果表明算法能有效剔除与地面非常接近的噪声点,适用于低密度地物点云的滤波处理,其中植被滤波精度91.86%,地面点滤波精度97.89%。

轻小型全天时远程光子计数激光雷达系统技术

对提升激光雷达作用距离的方法进行了分析,针对2 km以上的远程探测应用,提出了一种轻小型能够全天时工作的光子计数激光三维成像雷达解决方案,可用于轻小型飞行器制导,无人机、直升机、船舶导航与避障,铁路轨道障碍物探查等有远程探测需求的应用场合。该系统采取光子计数高探测灵敏度方案,光学应用收发共光路设计,收发望远镜巧妙采用了共轭光学设计,二维扫描机构放置于望远镜的后方,不但扩大了望远镜口径,提升了作用距离,同时也缩减了扫描镜尺寸,有利于扫描速度的提高,激光收发采取窄发散角和瞬时视场共视场扫描设计,再结合超窄带滤波器的应用,使得系统能够实现强烈背景噪声条件下的工作。最后讨论了高重频微脉冲激光器、发射杂散光干扰、偏振激光雷达适应性以及光子计数背景滤波去噪处理技术等技术难点。

锰钴镍氧浸没式探测器制备及性能

基于化学溶液法制备了尖晶石结构氧化物锰钴镍氧Mn1.56Co0.96Ni0.48O4（MCNO）薄膜材料,研究了其电学性质及红外器件的探测性能,包括器件的响应率,时间常数和探测率.制作了厚度为8μm的MCNO薄膜及红外热敏探测器件,测量了材料的阻值-温度曲线.制作了基于半球形锗透镜的浸没式MCNO薄膜探测器,具有时间常数较小（~18 ms）,响应率高（~4.4×103V/W）和探测率高（~5×108cm·Hz0.5/W）的优点.

城市河网尺度的水体光谱指数适宜性分析研究

城市地表水是城市生态环境的重要组成部分,地表水环境高光谱遥感是高光谱遥感的重要应用方向,水体提取是地表水环境高光谱遥感的第一步,其主要任务是从高光谱遥感数据中提取地表水水体轮廓。基于光谱指数的水体提取方法充分利用光谱信息,计算简单,实现容易,提取效果优异。归一化植被指数(NDVI)、归一化水体指数(NDWI)、高光谱差异化水体指数(HDWI)和基于指数的水体指数(IWI)等光谱指数已经广泛应用于湖泊、大江大河等开阔水体提取。近些年来,随着成像光谱技术的发展,高光谱遥感数据的获取能力也突飞猛进,空间分辨率和光谱分辨率不断提高。与江河湖基本在流域内沿地形分布不同,城市地表水一般细小,纵横交错,形成河网。在高光谱遥感数据用于城市体表水提取时,其面临的图像空间分辨率、地物类型和地物复杂等,与江河湖水体提取有很大不同。因此,需要对这些常用的光谱指数在城市地表水提取中的适宜性进行评价。以此做为出发点和目标,以河网密布的江南水乡中国浙江省嘉兴市为研究对象,以应用型航空成像光谱仪(Airborne imaging spectrometer for applications,AISA)获取的高空间分辨率机载高光谱遥感数据为数据源,通过Youden指数确定最佳阈值,将总体分类精度、错分误差、漏分误差、Kappa系数作为衡量指标,分析评价了NDVI,NDWI,HDWI和IWI 4种光谱指数在城市河网提取中的适宜性。结果表明,阴影与水体光谱变化趋势类似,是造成水体提取过程中高错分误差的主要因素。四种指数都可以准确抑制落在植被中的阴影,但无法有效抑制落在建筑物中的阴影。HDWI虽然可以在一定程度上抑制建筑物中的阴影,但是无法有效地抑制亮建筑物背景。通过对不同类型水体和阴影(笼罩下地物)光谱的进一步分析,虽然水体和阴影光谱曲线变化趋势相似,均在560~600nm附近存在波峰,但是水体和阴影波峰高度存在差异,水体波峰值较大而阴影波峰值较低。因此,通过充分挖掘水体和阴影在560~600nm处光谱反射信息,有望进一步抑制建筑物阴影,提高城市河网水体提取精度。

高速飞行器红外/激光复合凝视成像设计与约束条件分析

首先介绍了通用高速飞行器的应用背景,着重分析了红外/激光复合凝视成像获取复杂背景下特殊目标的多维光学特征的技术优势。其次确定了适合于通用高速飞行器平台应用的红外/激光复合探测系统的包括波段选择、空间分辨率、探测器选型、作用距离等在内的工作参数以及工作流程规划,并提出了双模共光学孔径、和结构复合两种适合于高速飞行器轻小型平台应用的复合成像机制。最后针对特定目标的目标特性分析了红外/激光复合探测系统在大气条件、气候条件、天时条件以及气动条件等方面的使用约束。

太赫兹立体相位光栅衍射特性分析

针对太赫兹谱成像对宽光谱、高光能利用率、实时探测分光器件的需求,提出了一种太赫兹立体相位光栅(MPMG)分光器件。MPMG通过刻槽深度的变化引入光程差,实现对入射光的相位调制,从而使反射太赫兹波前的不同区域具有不同的相位信息,其零级衍射光具备分光能力。在分析MPMG衍射场光强分布的基础上,讨论了光栅参数对衍射场分布的影响,并通过实验验证了MPMG的衍射特性。结果表明,MPMG各光栅单元在0.5 THz、0.34 THz的衍射效率理论值与实测值相吻合,证明了MPMG的零级衍射光具备分光能力。

天基逆合成孔径激光雷达高灵敏度接收技术

逆合成孔径激光雷达(ISAL)是一种主动式成像雷达,是合成孔径技术和激光雷达技术相结合的产物,具有极高的成像分辨率。由于无大气干扰,因此天基成像的环境十分有利于ISAL系统的部署,然而探测灵敏度不够,难以实现远距离探测的问题极大地制约了天基ISAL系统的应用。针对这一难点,提出使用高灵敏度相干平衡探测实现ISAL的空间远距离探测,计算了ISAL平衡探测的信噪比。在此基础上,提出了一种基于频率上转换的高灵敏度平衡探测接收方法,即信号光和本振光先经过频率上转换,再进行平衡探测,并实验验证了该方法的可行性。

基于透射变换和二维指向镜的大视场光谱成像研究

为了对大视场范围内的目标进行光谱成像,人们通常采用二维指向镜和面阵凝视光谱仪相结合的技术途径。当用二维指向镜对近距离目标进行成像时,在不同方位角与俯仰角下产生的像旋和畸变等都不同,从而给后续处理带来了困难。因此需要先建立目标实际坐标系、探测器图像坐标系和俯仰方位角三者之间的光学传递模型。根据该模型即可得到透射畸变图像与真实图像之间的变换关系。然后通过透射变换对透射畸变图像进行正视校正,便可对大视场图像进行拼接。外场实验结果表明,该方法可行性强,简单易行,稳定性好。

基于面阵凝视扫描成像的声光光谱成像系统及其图像拼接验证试验

可见—近红外波段(400~1000 nm)成像光谱仪是光谱探测的重要组成部分。基于地基可见—近红外成像光谱仪的实际应用要求,提出了一种采用面阵探测器的凝视扫描成像光谱仪。该光谱仪还采用了一种新型分光器件声光可调谐滤波器(Acousto-optic tunable filter,AOTF)。其特点在于光谱的选择和施加在它上的射频信号频率相关;通过程序控制射频信号,就可以控制光谱。利用设计的光谱成像原理样机进行了地基月球观测实验。基于实验的特点,在光学设计的基础上增加了另一路共轴辅助光学,以进行粗定位。在获取成像结果之后,进行了辐射定标和尺度不变特征变换(Scale Invariant Feature Transformation,SIFT)图像拼接处理。结果表明,利用二维指向机构和面阵凝视成像系统,结合SIFT图像拼接算法,可有效获取宽幅高分辨率光谱图像。

基于列相关的热红外高光谱遥感图像非均匀性校正

由于探测单元之间响应不一致、电子增益和偏置发生变化、焦平面污染和损伤等因素,推扫式热红外成像光谱仪获取的图像常常表现为图像列之间不均匀,条带噪声严重,影响了热红外高光谱遥感图像的后续处理和应用。结合推扫式成像光谱仪非均匀性的来源和成因,以相邻地物的相关性为理论基础,提出了适用于热红外高光谱遥感图像的非均匀性校正方法。该方法的步骤是,首先逐波段对原始热红外高光谱遥感图像进行标准矩匹配校正,得到标准矩匹配校正图像;然后,以标准矩匹配校正图像为基础,选择相邻两列像元中相同的地物像元;最后,用两列中相同的地物像元,通过线性回归得到后一列的校正系数,并对其进行校正,顺次遍历一个波段的所有列,完成一个波段图像的非均匀性校正。按照此过程,遍历一幅热红外高光谱遥感图像的所有波段,完成一幅热红外高光谱遥感图像的非均匀性校正。将该方法应用于推扫式热红外光谱成像仪实际获取图像的非均匀性校正中。结果表明,相比矩匹配方法,在保证非均匀性校正效果的情况下,本文方法的各列均值和标准差更符合实际情况。

拉普拉斯约束低秩表示的高光谱图像异常检测

伴随高光谱图像的广泛使用,高光谱图像技术得到长足的发展,其中高光谱图像异常检测技术越发受到重视。为了解决传统高光谱图像异常检测技术的实用性和检测效果不佳的问题,提出一种新颖的低秩表示检测算法。对于高光谱图像,大部分背景像元均可以被少量主要的背景像元组合近似地表示,且它们的表示系数将会位于低秩的空间中。在剩下无法被主要背景像元表示的稀疏部分中存在着异常像元,则可以被检测算法提取出来。在低秩表示中,背景像元字典的构建将会影响高光谱图像中背景像元的表示。如直接从现有高光谱图像中提取背景像元构建字典,会导致异常像元对背景像元字典的污染。而利用待检测高光谱图像观测数据和由光谱组成原理可合成的潜在未观测数据来构建背景像元字典,提取出背景像元的主要特征,有利于更好地分离出稀疏异常像元的信息。并且高光谱图像数据存在高维几何结构特点,通过引入拉普拉斯矩阵来约束空间中局部相似的像元对于待检测像元的表示作用,获得更接近于真实的表示系数。实验结果分别在仿真数据和真实数据上验证,与传统方法相比,提出的方法通过有效地突出异常像元提高了检出率和抑制了背景像元,降低了误检率。

异分辨率高光谱图像的空间配准

近年来,高光谱成像仪迅速发展,可应用于越来越多更复杂的应用场景。人们对遥感图像处理精度等方面提出了更高的要求。图像配准作为遥感图像处理的重要步骤,对遥感图像的后续处理至关重要。遥感图像的配准方式很多,目前比较成熟的配准方式大多集中在不同传感器、相同分辨率下的配准;对于不同传感器、不同分辨率的遥感图像配准成果很少,所以本文对此进行了研究。提出了基于边缘特征寻找同名点的遥感图像配准算法,得到了图像配准结果,并对其进行了验证。相对于现有的配准算法,本文算法使得不同传感器、不同分辨率的遥感图像的配准精度大大提高。

基于快速软阈值迭代的高光谱图像异常检测算法

高光谱图像数据光谱分辨率的提高,使高光谱图像数据量成倍增加。为进行快速的异常检测并提高异常检出的效果,提出一种新颖的基于快速软阈值迭代的高光谱图像异常检测算法。该算法是通过构建的背景字典重建出高光谱图像中背景像元,而异常像元无法被背景字典表示。背景像元通过背景字典线性拟合进行重建,并通过L1范数约束表示系数的稀疏性。同时将引入背景字典中各个原子与待检测像元的距离约束系数的表示能力。实验将在圣地亚哥数据和城市数据中进行验证,并同传统的算法进行对比分析。结果表明当所提出的算法检出率为100%的时候,比其他传统算法检测率提高了10%以上,且时间消耗比其他利用稀疏表示算法快0.5倍以上。

基于传递函数的超稳激光器光学参考腔热仿真研究

当采用Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术将激光频率锁定在Fabry-Pérot(FP)腔时,激光的频率稳定性完全取决于FP腔的腔长稳定性,而外界环境的温度波动是参考腔腔长稳定性的重要影响因素之一。以典型的FP参考腔真空系统为研究对象,着眼于参考腔对外界温度变化的响应情况,通过理论分析推导出FP参考腔温度与外界温度的传递函数关系,并基于参考腔的温度敏感度曲线,给出参考腔温度敏感度的近似计算公式。数值计算结果证明了传递函数关系的正确性,敏感度近似计算公式的结果虽与理论值存在一定误差,但具有形式简单、参数直观、计算方便等特点,对超稳激光系统设计具有重要的指导意义。