留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

2021年  第50卷  第6期

特约专栏-海洋激光雷达遥感$仪器实验类
特约专栏-海洋激光雷达遥感$算法类
特约专栏-海洋激光雷达遥感$应用类
红外技术及应用
线性模式主被动碲镉汞APD探测器测试研究
章琪文, 梁清华, 郭慧君, 陈洪雷, 丁瑞军
2021, 50(6): 20200460. doi: 10.3788/IRLA20200460
[摘要](151) [HTML全文] (75) [PDF 1734KB](23)
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。
DIMM中计算公式的分析及验证实验
于龙昆, 何冰, 沈红, 温小辉, 李智祥
2021, 50(6): 20200414. doi: 10.3788/IRLA20200414
[摘要](82) [HTML全文] (33) [PDF 1139KB](8)
差分像运动监测仪(DIMM)是目前被广泛应用的大气相干长度测量仪,其传统计算公式中对接收子孔的要求限制了仪器的小型化。通过理论分析与数值计算,文中明确了计算公式中的物理意义,并提出采用新的计算公式能够降低对仪器几何结构的限制。用两个紧挨着的6 cm子孔替换原来标准DIMM中的子孔面罩,得到小型化DIMM测试原型,利用该小型化DIMM原型与一台标准DIMM放在一起同时观测相同的恒星开展大气相干长度测量对比实验。对于小型DIMM,实验结果显示,采用传统计算公式得到的纵向大气相干长度明显大于横向,而采用新计算公式得到的纵向与横向大气相干长度统计上更相一致。验证了文中关于DIMM中计算公式的论述。
硒化锌晶体超精密切削材料去除机理研究
耿瑞文, 谢启明, 张万清, 康杰, 梁悦青, 杨晓京, 李芮
2021, 50(6): 20200403. doi: 10.3788/IRLA20200403
[摘要](120) [HTML全文] (33) [PDF 1982KB](20)
硒化锌晶体在红外成像与激光系统中有着广泛的应用,作为典型软脆性材料,其材料去除机理目前尚不清晰,获得超光滑表面仍极具挑战。文中采用槽切法研究刀具负前角对硒化锌晶体脆塑转变临界深度的影响。通过分析最大未变形切削厚度随切削参数变化规律,提出实现硒化锌晶体塑性域切削的理论模型。借助场发射扫描电子显微镜、白光干涉仪和拉曼光谱仪,系统分析了进给率对工件表面粗糙度、表面完整性及亚表面损伤的影响,提出表面缺陷形成机理,进而揭示硒化锌晶体材料去除机理。
光学设计
Fish-eye lens system design based on sixth-order wave aberration theory
Hou Guozhu, Lv Lijun, Cao Yiqing
2021, 50(6): 20200505. doi: 10.3788/IRLA20200505
[摘要](80) [HTML全文] (35) [PDF 1287KB](15)
The fish-eye lens system has the characteristics of plane symmetry, large field of view and large aperture imaging. That makes fish-eye lens design very complicated. Wave aberration theory is an important means to study optical system. Because the fish-eye lens system has the imaging characteristics of plane symmetry, Seidel primary aberration and higher-order aberration theory based on axisymmetric optical system are no longer suitable for aberration analysis and design of the fish-eye lens systems. The theory of sixth-order wave aberration was introduced, including the sixth-order intrinsic wave aberrations, the fifth-order aberration, transverse aberrations and the influence of the second-order accuracy of the aperture ray on the wave aberration. The flow chart of fish-eye lens system design based on sixth-order wave aberration theory was given. The former optical group of fish eye lens was designed based on sixth-order wave aberration theory, and the latter optical group design was obtained by balancing the aberrations of former group and latter group. Finally, a fish-eye lens system with good imaging quality was obtained. Its focal length is 5.989 mm, its field of view angle (FOV) is 180°, and its relative aperture is 1/3.2. The design results show that the modulation transfer function (MTF) of the fish-eye lens system is no less than 0.56 when the spatial frequency is 60 lp/mm. This fish-eye lens system has better imaging quality.
环境相对湿度对光学镜面散射特性的影响
陈壮, 田博宇, 缪麟, 孙年春, 张彬
2021, 50(6): 20210041. doi: 10.3788/IRLA20210041
[摘要](89) [HTML全文] (35) [PDF 1200KB](8)
在成像光学系统中,环境相对湿度会影响光学镜面污染粒子的散射特性,进而对成像光学系统性能造成影响。根据吸湿性,将污染粒子分为亲水性粒子和疏水性粒子。利用镜面污染粒子的光散射模型,分析了亲水性粒子散射效率因子随环境湿度的变化规律。在此基础上,结合亲水性和疏水性污染粒子的统计模型,分析了多粒子污染下,不同种类粒子占比和镜面洁净度等参数对光学镜面散射特性的影响。结果表明,污染粒子造成光学镜面的双向散射分布函数(BRDF)和全积分散射值(TIS)均随着环境相对湿度的增加而增大。并且,亲水性粒子比例越高,光学镜面散射损耗越强。随着光学镜面洁净度等级的减小,环境相对湿度对镜面散射损耗的影响有所减小。
依据近轴光学理论求解双焦系统初始结构
梁枭, 姜会林, 孙昊, 王春艳, 刘欢
2021, 50(6): 20200523. doi: 10.3788/IRLA20200523
[摘要](77) [HTML全文] (42) [PDF 1694KB](8)
为了快速得到双焦光学系统初始结构,依据近轴光学理论设计一款双焦、双视场光学系统。通过高斯光学理论及物像交换原则求解光学系统近轴光学元件的初始位置,分组将标准透镜插入到求解位置上,通过逐步增大近轴元件的焦距优化镜组及镜片间隔,使插入的透镜组焦距趋向该近轴元件焦距的理论计算值。以此类推完成每个镜组的优化设计。通过该方法设计了焦距为40/120 mm、视场为8.6°/2.9°的光学系统,所有镜片均为球面。在奈奎斯特频率100 lp/mm处,120 mm焦距时调制传递函数为0.58,接近衍射极限;40 mm焦距时调制传递函数为0.52。设计结果表明该方法适用于双视场光学系统,可快速得到光学系统初始结构,简化了设计难度。
消谱线弯曲PGP型成像光谱仪系统设计
武志昆, 石恩涛, 王咏梅
2021, 50(6): 20200433. doi: 10.3788/IRLA20200433
[摘要](209) [HTML全文] (94) [PDF 1391KB](34)
针对棱镜-光栅-棱镜(PGP)型成像光谱仪谱线弯曲(Smile)难校正的问题,提出了一种利用狭缝离轴和减小第一块棱镜顶角,再结合会聚镜畸变校正PGP型光谱仪谱线弯曲的方法。该方法在保留了PGP型光谱仪的布拉格(Bragg)衍射和系统共轴等优点的基础上,校正了光谱仪的谱线弯曲和色畸变(Keystone)。在相同的技术指标下,对传统型和改进型PGP模型做了谱线弯曲对比。为了验证该方法的可行性,设计了一款光谱分辨率为2.8 nm的光谱仪,点列图均方根(RMS)半径小于8 μm,满足成像质量要求,Smile为1.50 μm、Keystone为3.52 μm,均小于0.2倍像素。设计结果表明,通过减小棱镜顶角校正中心波长的Smile,利用狭缝离轴实现光谱仪系统共轴,利用会聚镜畸变校正剩余波长的Smile可以有效校正PGP型光谱仪的谱线弯曲。
长条形空间反射镜组件轻量化结构设计
曲慧东, 魏加立, 董得义, 胡海飞, 关英俊
2021, 50(6): 20200404. doi: 10.3788/IRLA20200404
[摘要](80) [HTML全文] (38) [PDF 1800KB](14)
针对某700 mm×249 mm长条形空间反射镜组件结构设计要求,对反射镜及其支撑结构进行了详细的光机结构设计。首先,从反射镜材料选择、径厚比、支撑方案及轻量化形式等角度出发,对反射镜进行结构设计。通过理论计算得到长条形反射镜的支撑点数。对支撑点位进行了优化,并探索了支撑孔位对反射镜自重变形的影响规律。其次,为满足反射镜组件的力、热环境适应性要求,设计了一种新型柔性支撑结构,并给出了柔性铰链薄弱环节对反射镜面形精度的影响;对支撑结构安装位置深度进行优化,给出反射镜面形精度关于支撑结构安装位置的变化曲线。然后,对反射镜组件进行了有限元分析,自重和5 ℃温升载荷工况下,反射镜面形精度峰谷(Peak Valley,PV)值和均方根(Root Mean Square,RMS)值最大分别达到58.2 nm和12.3 nm;反射镜组件一阶固有频率为259 Hz,低频正弦扫描振动条件下柔性支撑最大应力响应为138 MPa。最后,进行了动力学试验测试。测试结果表明,反射镜组件一阶固有频率为255 Hz,有限元分析误差为1.7%。分析和试验结果表明,反射镜组件结构设计合理,满足设计指标要求。
光电测量
多模GNSS伪距组合定位方法设计与验证
陈柯勋, 李灯熬, 邱伟
2021, 50(6): 2021G006. doi: 10.3788/IRLA2021G006
[摘要](56) [HTML全文] (44) [PDF 1445KB](4)
在卫星信号受干扰严重的复杂地貌环境中,由于可见卫星数目较少、卫星信号质量差,单模卫星定位导航的精度一直不尽人意,尤其是针对动态导航定位精度问题更为明显。为了提高动态导航定位精度,创新设计了一种多模GNSS的伪距组合定位算法,该算法属于一种有迭代组合定位算法,通过高度角先验定权模型确定初始迭代权矩阵,在加权最小二乘法解算过程中通过方差分量估计后验模型,不断迭代更新权矩阵,进而得到目标的精确位置,该算法需依赖初值和多次迭代,但定位精度要优于Gauss-Newton迭代算法和Helmert方差分量估计法。实验仿真结果表明,相较于Gauss-Newton迭代算法和Helmert方差分量估计法,文中设计的算法定位精度分别提高了45.1%和23%。最后结合实际空投试验分析表明,文中所述算法能够准确的解算出空投物资的落点,可以为飞行器导航系统设计人员提供参考,具有一定的理论意义和实用价值。
PCA特征提取和弹性BP神经网络的水下气泡识别
张银波, 李思宁, 姜鹏, 孙剑峰
2021, 50(6): 20200352. doi: 10.3788/IRLA20200352
[摘要](51) [HTML全文] (31) [PDF 1236KB](8)
针对水下激光雷达探测得到的尾流回波信号由于非稳态造成特征提取困难、不易识别的问题,提出了基于PCA特征提取与弹性BP神经网络结合的水下气泡识别算法。首先对连续采集的回波信号进行切片预处理,然后采用PCA算法对拼接的高维样本进行主要特征提取,确定特征值个数,其次对弹性BP神经网络进行参数的选择,确定能实现最优分类的隐含层节点数、特征个数等,最后根据室内搭建的尾流探测模拟平台,实现对气泡群和干扰目标的识别。实验结果表明:在隐含节点为12,增量因子为1.15,减量因子为0.55时,选取两个特征值能对有气泡、无气泡及干扰物进行有效分类;识别率随着气泡群密度的增大提升13.4%,在低密度下的识别率随激光能量的增加平均提升6.3%,识别率随距离的增加先增大后减小,气泡群在2.2 m时的目标峰特征明显,平均识别率提升3.5%。通过与自适应附加动量BP对比,该方法在减少识别时间的同时准确率达到99.1%,证明该算法可有效运用于激光雷达舰船尾流气泡的识别。
低信噪比下机载平台多脉冲激光测距机目标回波降噪算法
孙俊灵, 马鹏阁, 郭清源, 韩红印, 李伟, 陶然
2021, 50(6): 20210005. doi: 10.3788/IRLA20210005
[摘要](68) [HTML全文] (38) [PDF 1478KB](15)
针对远距离飞机目标,机载多脉冲激光测距机通常采用数字化处理体制,影响其测距精度的因素包括发射激光脉冲宽度的距离分辨率、大气传播及目标反射特性造成的波形展宽、回波信号接收处理通道的非线性相频特性等。数字化采样率、回波信号降噪、目标峰值点位置估计等数字化处理过程引起较大的目标距离定位误差。提出了基于经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)和重构的回波降噪方法,首先对脉冲激光目标回波波形进行建模,然后分析了现有数字化回波降噪算法的性能及其对定位精度的影响。实验结果表明,所提方法可以准确提取目标峰值点位置,改善激光测距机的目标定位精度。
面向大振幅、长周期振动校准的零差正交激光干涉测振方法
崔俊宁, 李伟, 边星元, 朱刚, 何张强, 邹丽敏
2021, 50(6): 20200329. doi: 10.3788/IRLA20200329
[摘要](93) [HTML全文] (55) [PDF 1646KB](11)
针对零差正交干涉测量应用于超低频超大振幅标准振动台性能测试时非正交相移误差补偿困难、所需采样率极高的问题,提出了一种欠采样零差正交激光干涉测振方法。在设计消偏振分光测量光路的基础上,提出波片偏航调整方法,进行非正交相移误差的硬件实时补偿;提出基于运动状态预估的卡尔曼正交信号解调算法,对深度欠采样的干涉条纹进行相位信号解调,以大幅降低所需的采样率及产生的数据量。实验和仿真结果表明,文中方法可大幅降低零差正交干涉的非正交相移误差及其对波片角度偏差的灵敏度,且在测量超低频振动时,卡尔曼正交信号解调算法所需的采样率和每通道数据采集点数降低至奈奎斯特采样定理的0.056%。文中提出的欠采样零差正交激光干涉测振方法较好地满足超低频超大振幅标准振动测试的需求。
基于dOTF的大口径透射光学元件检测技术
唐境, 张景旭, 安其昌, 李洪文
2021, 50(6): 20200358. doi: 10.3788/IRLA20200358
[摘要](67) [HTML全文] (31) [PDF 1871KB](12)
为了保证在重力变化下大口径巡天望远镜透镜组的成像质量,需要研究一种可以适用于大口径透镜组的波前检测方法,用于实现系统装调检测。首先,基于差分光学传递函数(differential optical transfer function,dOTF)建立了一套波前对准检测技术,在此基础上,分析了运算过程中相位解缠,CCD探测噪声以及大气扰动对检测算法造成的误差影响,结果表明检测误差分别小于10%、1%和2.5%,经过叠加可得整体的测量精度约为10.3%,满足一般大口径大视场检测系统设计指标。最后针对80 mm的透射式系统进行验证,由实验结果得到波前检测主要成分为彗差,与理论分析结果一致,符合几何光学预测结果。
工业相机自热引起像点漂移模型与补偿方法
柴家贺, 董明利, 孙鹏, 燕必希
2021, 50(6): 20200494. doi: 10.3788/IRLA20200494
[摘要](83) [HTML全文] (50) [PDF 1983KB](13)
为减小视觉测量中温度对工业相机像点坐标的影响,对相机自热引起的像点漂移进行研究,提出一种针对工业相机热致像点漂移补偿方法。通过Ansys Workbench对工业相机模型进行有限元仿真分析,得出工业相机自热会引起成像光路变化和传感器膨胀变化,定量分析光路变化与传感器膨胀对像点坐标的影响,建立图像像点漂移补偿模型。大量实验表明,利用模型补偿后的像点漂移误差从$0.4 \! \sim \! 0.6$ pixel降低到$0.1\! \sim \! 0.2$ pixel,与采用硬件热控方式达到的像点漂移抑制效果相当。但是相对于热控装置,使用模型进行补偿的方法具有结构简单、成本低的明显优势。该研究提出的温度补偿模型为减小视觉测量中相机自热导致的像点漂移误差提供了理论依据。
光学器件
二自由度快速控制反射镜系统固有频率优化设计
张玮钒, 颜昌翔, 高志良, 王思宇, 申箫, 袁静, 董有志
2021, 50(6): 20200450. doi: 10.3788/IRLA20200450
[摘要](95) [HTML全文] (43) [PDF 1597KB](7)
在二自由度快速控制反射镜系统设计中,为提高系统的控制带宽,应尽量降低工作方向上的低阶固有频率,提高非工作方向上的高阶固有频率。该课题以某深切口柔性铰链快反镜系统作为研究对象,首先对系统前四阶固有频率的振型运动方向进行了分析,并针对传统刚度计算方法不适用于第三阶振型方向的问题,重新推导了第三阶振型方向上的刚度计算公式;其次,利用能量法和卡式第二定理对深切口柔性铰链上的工作刚度进行了推导,并进行了非线性拟合化简,得出的简化计算公式计算结果与有限元仿真结果误差不超过8.9%,证明了推导的铰链工作刚度理论公式的准确性;然后,将第三阶振型方向刚度计算公式和柔性铰链刚度计算公式代入固有频率计算公式,并进行有限元验证,结果表明理论公式计算结果与有限元仿真结果误差不超过1.7%,证明了新的三阶振型方向上的刚度计算公式的准确性。最后利用遗传算法,对系统前四阶固有频率进行了多目标优化设计,到达设计要求,所求出的优化结构较初始结构有明显优化,工作方向刚度减小19.04%,非工作方向刚度提高297.83%和77.09%。此外还对其进行了有限元仿真验证,结果证明一、二阶固有频率减小8.08%、5.40%,三、四阶固有频率提高了112.59%、16.80%。证明优化结构较初始结构有较大提高,能有效提高系统控制带宽。
Research on structure design of optical mount with high stability in laser system
Zhang Chao, Tang Gengxiu, Liu Zhigang, Zheng Liunian, Jiang Youen, Zhang Donghui, Zhu Jianqiang
2021, 50(6): 20210087. doi: 10.3788/IRLA20210087
[摘要](92) [HTML全文] (23) [PDF 1691KB](9)
Laser system requires that optical beam has excellent pointing stability after long optical path transmission, which is directly determined by the structural stability of optical mounts. In order to achieve beam pointing stability and alignment, optical mount is often required to have excellent structural stability and adjustability. Due to the existence of clearance fit, the adjustability will lead to instability. Aiming at the instability caused by grease in adjustment screw structure of the mount, a structure improvement design was proposed. Axial slots were machined on the internal thread surface of the nut in the adjustment structure. Combined with the proposed structure, a heat treatment process was further proposed, which can greatly reduce the instability introduced by grease. Change of axial clearance of two adjustment structures were tested. Structure stability of optical mount with slotted adjustment structure was compared with the un-slotted mount before and after heat treatment. The results show that the slotted adjustment structure after heat treatment can greatly improve the stability of optical mount.
小型化高集成宽带光收发组件
王茂旭, 于优, 汤振华, 肖永川, 王超, 高晖
2021, 50(6): 20200513. doi: 10.3788/IRLA20210513
[摘要](97) [HTML全文] (52) [PDF 1279KB](14)
当前分立光子器件的体积和成本严重制约着微波光子技术在雷达系统中的应用。受限于当前的集成能力和材料体系,微波光子单片集成芯片短时间内难以实现工程应用。为满足雷达等应用场景对高集成微波光子器件的迫切需要,研制了一种新型小型化高集成光收发组件。该组件采用光电异构集成封装技术,将MZM调制器芯片、微波芯片、探测器芯片以及光环形器、波分复用器进行高度集成,单模块体积仅为85 mm×35 mm×10 mm,与传统MZM调制器体积相当。实验结果表明,其性能可与传统分立元器件相媲美。在6~18 GHz范围内,组件能够实现±1.5 dB的平坦度,上行能够实现18 dB以上的增益,下行能够实现−1 dB以上的增益,且链路噪声系数小于30 dB,平面化、小型化设计使其能够应用于相控阵雷达、电子战等多种应用场景,具有广阔的应用前景。
光通信与光传感
大容差中波红外激光通信终端光学天线研制
徐新瑞, 孟祥翔, 吴世臣, 王健隆, 白素平
2021, 50(6): 20200331. doi: 10.3788/IRLA20200331
[摘要](87) [HTML全文] (21) [PDF 1659KB](19)
为了降低激光通信光学系统公差要求,节省研制成本,减小大气散射对激光通信链路的影响,采用波长工作在大气窗口的中红外激光器作为激光通信光源,研制了与之匹配的中波红外激光通信终端光学系统。首先,利用激光通信能量链路传输方程,根据中波红外激光器光束参数和接收端探测器灵敏度,计算出光学天线口径、发散角等设计参数,并给出激光通信收发光学系统波像差要求。接着,利用ZEMAX软件进行了中红外激光通信收发光学系统的设计与公差分析,对两系统进行了加工、测试,完成了系统研制。测试结果显示,中红外激光通信发射光学天线光学传递函数与理论值最大偏离9.3%,接收光学系统波像差RMS为0.075λ (λ=4.7 μm),满足设计要求。结果表明:采用中红外激光作为激光通信光源可降低光学天线的加工装调难度。
基于深度学习的光纤网络异常数据检测算法
刘云朋, 霍晓丽, 刘智超
2021, 50(6): 20210029. doi: 10.3788/IRLA20210029
[摘要](83) [HTML全文] (44) [PDF 1126KB](11)
从大规模光纤网络的海量数据中快速识别异常数据是光纤通信技术的一个关键性问题,也是近年来优化光纤通信网络及提高通信准确性的一个重要研究方向,主要解决异常数据的监测精度和收敛速度之间的制约关系。针对此问题提出了一种基于深度学习与遗传算法相融合的监测算法。该算法通过深度学习完成初始数据的分段预处理,再将具有分段属性的交叉概率与变异概率引入遗传算法,从而增强异常数据特征的保留效果。分段预处理将原有数据根据不同属性进行划分,从而大幅缩减了初始滤波的数据量,达到提高异常数据检测速度的目的;将分段属性导入遗传算法的遗传因子使其结果具有加权效果,增加了数据的可分性,从而提升了监测精度。将所提算法与未优化遗传算法、聚类算法进行对比实验,结果表明,所提算法、传统遗传算法和聚类分析算法的异常数据量最小相对误差分别为0.029、0.093和0.104;偏差平均值分别为0.047、0.155和0.156,平均收敛时间分别为5.84 s、12.6 s和9.32 s。由此可见,所提算法在监测精度、稳定性及时效性方面均得到了较好的优化。
图像处理
基于联合相机路径的红外视频稳像算法
尹丽华, 杭娟, 康亮, 刘士建
2021, 50(6): 20200405. doi: 10.3788/IRLA20200405
[摘要](65) [HTML全文] (53) [PDF 2364KB](14)
针对由于视差变化而导致的红外视频稳像技术难题,文中提出了一种基于联合相机路径的红外视频稳像算法,该算法主要包括:预处理、联合相机路径求解、多路径优化、运动补偿四个步骤。首先,要对红外图像进行直方图均衡化、特征点提取和匹配处理、预映射。接着,要将每帧图像分为m×n个网格单元,利用基于网格的映射运动表征,将每一帧中对应网格得到的局部单应性矩阵进行相乘得到联合相机路径。然后,对联合相机路径采用“多路径优化”策略进行平滑处理。最后,利用平滑后路径进行运动补偿稳定视频。实验结果表明,该方法能有效地处理由于视差而引起的非线性运动,相比传统的稳像算法效果更好,当特征点存在部分遮挡时,也能取得不错的稳像效果。
偏振参数最优重构的水下降质图像清晰化方法
李荣华, 唐智超, 朴俊峰, 李宏亮
2021, 50(6): 20200426. doi: 10.3788/IRLA20200426
[摘要](99) [HTML全文] (41) [PDF 1704KB](23)
针对水体浑浊情况下,水中悬浮粒子对光的吸收和散射作用造成图像模糊、对比度低等问题,提出了一种偏振参数最优重构的水下降质图像清晰化方法。首先,通过局部最小值滤波估算水下背景光图像,引入 Stokes 矢量原理计算偏振度,通过归一化互信息进一步优化偏振度信息,获取成像区域最优的重构偏振参数;其次,采用形态学的方法重建图像自动估计水下无穷远处背景光值;最后,搭建了水下环境模拟平台,通过单通道偏振探测器实时获取水下偏振图像;为了验证算法的有效性,通过三种客观评价指标与其他复原方法进行比较,结果显示算法效果优于其他的水下图像复原方法。
二维压缩感知多投影矩阵特征融合的SAR目标识别方法
吴剑波, 陆正武, 关玉蓉, 王庆东, 姜国松
2021, 50(6): 20200531. doi: 10.3788/IRLA20200531
[摘要](82) [HTML全文] (39) [PDF 1153KB](11)
针对合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)目标识别问题,提出联合多层次二维压缩感知投影特征的方法。采用二维压缩感知投影作为基础特征提取算法,具有不依赖训练样本、效率高等显著优势。构建多个二维压缩感知投影矩阵提取原始SAR图像的多层次特征。不同投影矩阵获得的特征具有差异性,从不同方面描述SAR图像的灰度分布特性;同时,这些特征源自相同的输入图像,因此也具有一定的内在关联性。采用联合稀疏表示对提取的多个特征矢量进行表征分析,在内在关联性约束下考察不同特征的独立鉴别能力,从而提升每一类特征的稀疏表示精度。最终,根据求解的稀疏表示系数,分别在各个训练类别上对测试样本的多类特征进行重构,获得重构误差。根据最小误差的准则,判定测试样本所属目标类别。通过综合运用多层次二维压缩感知特征提取和联合稀疏表示分类,提高SAR目标识别的整体性能。利用MSTAR数据集中的多类目标SAR图像对方法进行测试验证,结果反映其在标准操作条件(standard operating condition,SOC)和扩展操作条件(extended operating condition,EOC)均可保持可靠的识别性能。
特约专栏-海洋激光雷达遥感
涡旋光场在强散射环境中的应用
杨苏辉, 廖英琦, 林学彤, 刘欣宇, 齐若伊, 郝燕
2021, 50(6): 20211040. doi: 10.3788/IRLA20211040
[摘要](155) [HTML全文] (69) [PDF 1007KB](44)

涡旋光场具有螺旋形的波前和相位奇点,光场中的每个光子都携带轨道角动量。其独特的性质使得涡旋光场可以在空间上区分不具有空间相干性的散射光与具有空间相干性的非散射光,从而可以作为系统中的空间滤波器件使用,并且在强散射环境里这种空间滤波效果尤为显著。分析了涡旋光场所具有的空间滤波作用的原理,并介绍了近年来利用涡旋光场在强散射环境中进行空间滤波的研究。设计了使用涡旋光场的水下激光雷达测距实验,从而证明涡旋光场在强散射环境中可以通过其空间滤波作用提高激光雷达水下测距的精度,并且散射越强,这种空间滤波作用对测距精度的提高越明显。

高光谱图谱仪与激光雷达及其在海洋生物检测方面的应用
何赛灵, 李硕, 陈祥, 徐展鹏, 边秋莞, 罗晶, 罗龙强
2021, 50(6): 20211033. doi: 10.3788/IRLA20211033
[摘要](126) [HTML全文] (27) [PDF 3651KB](26)

海洋是涵盖超过70%地球表面的连续海水,发展先进的海洋生物光学监测手段对海洋生态系统的保护至关重要。文中综述了笔者团队在小型高光谱图谱仪与激光雷达系统搭建及其在海洋生物检测等应用上的部分近期工作。图谱仪方面介绍了不同空间扫描方式的高光谱图谱仪在透射、反射及荧光等不同工作模式下,对数种藻类、斑马鱼等海洋生物进行了图谱检测,并且基于图谱数据结合机器学习算法实现了微藻种类的精准分类和藻类生长周期的准确预测;在激光雷达方面详述了使用非弹性高光谱沙姆激光雷达系统在实验室和近岸实地环境进行了多次水生生物的测量实验,成功获取其荧光高光谱,证明了非弹性高光谱沙姆激光雷达系统在海洋生物监测应用中的巨大潜力。此外,笔者团队还搭建了一套四维凝视成像探测系统能实现高光谱分辨率(3 nm)、高空间分辨率、高深度精度(27.5 μm)的精准探测。

用于海洋宏生物原位观测的水下激光雷达相机
王新伟, 孙亮, 雷平顺, 陈嘉男, 杨于清, 张岳, 钟鑫, 何军, 王敏敏, 周燕
2021, 50(6): 20211039. doi: 10.3788/IRLA20211039
[摘要](72) [HTML全文] (16) [PDF 1702KB](14)

海洋宏生物原位“观”和“测”对于海洋生态环境、海洋生物资源和海底矿产资源的研究和评估具有重要的意义。目前用于海洋宏生物原位观察的传统水下摄像机存在目标辐射特性、水体光散射、距离信息丢失等导致的低对比度目标探测难的问题。针对此,提出了水下激光雷达相机,可以兼顾并超越传统激光扫描雷达与摄像机复合的技术方案,利用单一系统同时获得百万像素高对比度的二维强度图像和高分辨率的三维图像,且二维图像中的像素和三维图像中的体素一一对应,并介绍了基于该技术研制的“凤眼”系统,其光立体采样区体积可调,距离分辨率优于1 cm,像素数为1360×1024。自2018年起,“凤眼”在我国南海海域进行了4个航次的海上试验,获取了海底宏生物及微地形地貌图像,最大工作深度达到3 291 m。

基于布里渊散射的海洋环境激光遥感技术研究进展
许佳琪, 王元庆, 徐杨睿, 梁琨, 郑永超, 苏云, 张景豪
2021, 50(6): 20211036. doi: 10.3788/IRLA20211036
[摘要](161) [HTML全文] (86) [PDF 1765KB](24)

布里渊激光雷达是探测海洋环境参数的重要手段之一。首先介绍了布里渊激光雷达系统的基本工作原理,然后从理论基础出发,重点介绍了三种依据布里渊散射光谱特征:布里渊频移、布里渊线宽、以及综合二者与海洋环境参数之间的耦合关系建立的反演模型;其次,作为布里渊激光雷达的关键技术,介绍了多种布里渊散射光谱的测量方法:F-P扫描干涉仪探测、边缘探测、F-P标准具- ICCD探测, 以及多边缘探测。

近180°水中悬浮颗粒物体积散射函数测量
陈都, 刘秉义, 杨倩, 唐军武, 吴松华
2021, 50(6): 20211029. doi: 10.3788/IRLA20211029
[摘要](104) [HTML全文] (39) [PDF 1402KB](9)

针对目前国内外现有的体积散射函数测量系统在后向小角度散射测量上的局限性,提出了基于离轴反射式光路的近180°水体体积散射函数测量方法并研发了实验室测量系统。系统采用离轴抛物面反射镜,将后向小角度散射光和入射激光分离,减小了系统后向小角度散射的测量盲区,而且能够获取全方位角的后向小角度散射光信号。选取聚苯乙烯标准粒子用于测量系统定标检验,结果表明,定标后的测量系统能够完成在173°~179.4°范围内水中悬浮颗粒物体积散射函数的测量,角度分辨率为0.01°。经对比分析,体积散射函数测量值与米散射理论值具有很好的一致性,验证了系统测量近180°水体体积散射函数的准确性和可行性。

CALIOP反演海洋颗粒物后向散射系数方法概述
陶雨婷, 赵泓楷, 周雨迪, 卓文淇, 刘群, 崔晓宇, 刘斌, 乐成峰, 潘孙强, 刘崇, 刘东
2021, 50(6): 20211037. doi: 10.3788/IRLA20211037
[摘要](110) [HTML全文] (49) [PDF 1275KB](17)

颗粒物后向散射系数(particulate backscattering coefficient, bbp)是海洋光学应用于海洋生态学和生物地球化学研究的核心参数。但目前常用的原位方法短时间内无法完成大范围的探测,被动水色遥感无法在缺乏光照以及有云的条件下工作,相比之下,主动遥感方式星载激光雷达可以突破以上限制,在海洋探测方面具有极大的优越性。2006年发射的CALIOP成为首个能够提供全球海洋bbp数据的星载激光雷达,特别是为极地观测和昼夜观测提供了重要数据。文中详细介绍了CALIOP系统原理及其三级主要数据产品,重点梳理了利用CALIOP 532 nm偏振通道退偏比反演bbp的方法以及后续的退卷积校正系统瞬态响应等改进措施,总结出了一套详细完整的反演流程,开发出对应算法并展示了bbp的反演结果,旨在为我国未来星载海洋激光雷达的数据处理及应用工作提供参考。

海洋激光雷达图像处理提取海水深度的方法
黄宜帆, 贺岩, 胡善江, 侯春鹤, 朱小磊, 李凯鹏, 刘芳华, 陈勇强, 郭守川
2021, 50(6): 20211034. doi: 10.3788/IRLA20211034
[摘要](99) [HTML全文] (12) [PDF 1572KB](16)

机载激光雷达已经应用于浅海地形测绘,与激光器、接收望远镜和探测器一样,水深提取算法也是决定系统最大测深能力的关键环节。常规的水深提取算法是对单个激光雷达采集的波形数据进行处理,通过提取波形中的海表和海底位置实现水深测量,这种方法在提取水深较深的海底微弱回波信号时,易受海水散射层强信号的影响,导致水深提取能力和准确度下降。为了解决这一问题,将一维回波波形数据按采集顺序组合成二维的回波强度图像,图像的每一列代表一条回波波形,图像的灰度值对应着回波信号强度。利用图像的横向相关性,通过双边滤波、局部阈值二值化等图像处理方法,提取出海底回波信号廓线。该方法一方面提升了海底回波的提取能力,一方面避免散射层信号对海底微弱信号的干扰,为浅海地形、水下目标一体化探测提供新的数据处理方式。

海洋激光雷达测量水体剖面偏振信号的仿真模拟
李珂, 刘秉义, 杨倩, 唐军武, 吴松华
2021, 50(6): 20211035. doi: 10.3788/IRLA20211035
[摘要](90) [HTML全文] (52) [PDF 1553KB](10)

基于蒙特卡洛模拟方法,建立了一个水中激光偏振辐射传输模型,用于模拟分析船载偏振激光雷达水体垂直剖面的偏振探测回波,分析了不同光学参数的水体和激光雷达测量模式下的偏振测量误差。使用高斯分布设置了三种深度分布在10~30 m的低、中、高浓度散射层,其叶绿素a峰值浓度分别为0.1 mg/m3、1 mg/m3和10 mg/m3。模拟了激光发射波长为532 nm,接收视场角为10~1000 mrad的船载海洋激光雷达的偏振回波信号,并分析了影响偏振测量误差的主要因素。研究结果表明,由于激光在水中的多次散射过程,随着探测深度、叶绿素a浓度和接收视场角的增大,激光雷达接收光信号的单次散射率不断降低,导致激光雷达直接测量的退偏振比的误差随之增大。以100 mrad接收视场角为例,中浓度散射层情况下,在散射层上(0~10 m)、散射层中(10~30 m)和散射层下(30~40 m)的退偏振比相对误差分别为16%、125%、281%;在散射层中,低、中、高三种浓度散射层的退偏振比相对误差分别为54%、125%、731%。视场角从10 mrad增大到1000 mrad时,退偏振比相对误差逐渐增大,在中浓度散射层情况下,其在散射层上、散射层中和散射层下的变化范围分别为6%~28%、17%~452%和10%~734%。文中结果表明,偏振海洋激光雷达探测水体退偏振比时,由于多次散射过程的影响,传统的退偏振比算法会引入较大误差,有必要在反演算法中对其进行校正,以提高激光雷达的探测精度。

ICESat-2 ATL03数据预处理及校正方法
俄相颖, 戴光耀, 吴松华
2021, 50(6): 20211032. doi: 10.3788/IRLA20211032
[摘要](126) [HTML全文] (75) [PDF 1684KB](18)

2018年9月15日,美国航空航天局成功发射了ICESat-2卫星,ICESat-2搭载了地形激光测高仪系统(ATLAS),已经广泛应用于极地冰盖高程测量、海冰厚度估算、陆地高程测量、地表植被测量等多个研究领域。不同于GLAS/ICESat,ATLAS在信号探测系统中采用更为灵敏的单光子探测器,每秒发射10 000个脉冲(GLAS/ICESat系统每秒发射40个脉冲),可以获取到重复频率更高、光斑更小的高密度光子计数回波数据,进而实现高精度全球观测。由于ATLAS采用的探测器光电倍增管(PMT)after-pulse的影响,在回波信号脉冲输出后常会出现小幅度脉冲干扰,不能准确反映原始信号波形,所以在实际应用过程中,必须对测量信号进行校正。首先基于ATL03产品,对光子计数回波数据进行预处理,获得了海冰、海洋、陆地和沙漠的廓线信息,结果显示在主信号回波之后均存在两个小的脉冲回波(约2.3 m和4.2 m处),此外陆地和沙漠在10~45 m间存在一个更长时间延迟的脉冲回波,证实了不同反射表面均会受到PMT after-pulse影响。然后利用ICESat-2卫星过境撒哈拉沙漠地区的夜间观测数据,计算了不同波束下的脉冲响应函数,6个波束得到的脉冲响应函数整体形态相似,在主信号回波后出现三个不同幅度的脉冲回波(约2.3 m、4.2 m和6.5 m处)。最后利用6个波束的脉冲响应函数对同一海洋剖面进行校正,结果显示除ATLAS Beam2外,其余波束均可有效滤除主脉冲之后的小幅度脉冲,校正得到真实的水下回波信号。

CALIOP观测的渤海、黄海气溶胶类型时空分布特征
崔廷伟, 黄廷轩, 牟冰, 高飞, 肖艳芳, 刘荣杰, 马毅, 张杰
2021, 50(6): 20211030. doi: 10.3788/IRLA20211030
[摘要](107) [HTML全文] (41) [PDF 1450KB](14)

采用14年(2006~2019年)的CALIOP星载激光雷达数据,基于最新的激光雷达气溶胶类型划分方法,辨识了0.28~8.17 km高度范围内渤海、黄海主导气溶胶类型,揭示了各类气溶胶的垂直分布特征,分析了其长期演变趋势和季节差异。研究发现:(1)受到东亚大陆特别是沙尘输运的显著影响,渤海、黄海主导气溶胶类型为沙尘海洋型(36%)、沙尘型(25%)、清洁海洋型(17%)、煤烟型(11%)和污染沙尘型(9%)(合计>97%),其中与沙尘有关的3种气溶胶类型占比合计近七成。(2)各类型气溶胶的垂直分布特点鲜明:清洁海洋型和沙尘海洋型气溶胶主要分布在2.5 km高度以下;污染沙尘型和煤烟型气溶胶则主要分布在2.5 km高度以上;沙尘型气溶胶占比随高度增加而增大。(3)从长期演变来看,14年间污染沙尘型气溶胶占比呈波动下降趋势,清洁海洋型气溶胶占比逐年增加,煤烟型气溶胶占比逐年降低。(4)各类型气溶胶的占比及垂直分布均具有明显的季节差异。

东海有机碳存量估算
崔晓宇, 徐文韬, 关其锐, 骆维舟, 李敏然, 周雨迪, 徐沛拓, 刘斌, 潘孙强, 刘崇, 刘群, 刘东
2021, 50(6): 20211031. doi: 10.3788/IRLA20211031
[摘要](120) [HTML全文] (45) [PDF 1801KB](13)

海洋有机碳存量估算对研究碳循环过程和预估气候变化趋势有重要的作用。海洋有机碳存量可以通过遥感反射率、水体光学特性等参数反演得到。根据东海水域的水体特性,对比了多种有机碳反演算法,并结合东海有机碳垂直分布情况,得到一套完整的东海有机碳存量估算模型。利用2010年MODIS提供的遥感反射率数据和Argo提供的温盐数据,对中国东海区域的有机碳储量分季节进行计算分析。结果表明东海全水柱有机碳储量在1.530×1014 g到2.125×1014 g之间,真光层有机碳储量在4.119×1013 g到7.980×1013 g之间。全水柱有机碳储量整体呈现冬季高、春季低的特点,真光层有机碳储量整体呈现夏季高、冬季低的特点。从2006年至2015年,有机碳存量呈波动上升趋势。对东海有机碳存量进行了较为准确的估算,为今后我国海洋碳储量的评估提供了可供参考的思路。

偏振海洋激光雷达探测黄海水母特性
王晓彬, 赵泓楷, 周雨迪, 张芳, 徐沛拓, 刘群, 刘崇, 刘东
2021, 50(6): 20211038. doi: 10.3788/IRLA20211038
[摘要](119) [HTML全文] (49) [PDF 1460KB](17)

近年的研究表明:全球的许多海湾和海区出现水母数量增加甚至暴发的现象,对海洋生态环境、海洋渔业、滨海旅游业、核电安全等产生了负面影响。2017年8月,自主研制的船载偏振海洋激光雷达在黄海海域开展了实验测量,观测到丰富的强散射个体信号,结合视频监控信息,判断信号来源于水母(沙海蛰),证明偏振海洋激光雷达能够实现水母个体的遥感探测。研究结果表明,同一水域水母的光学特性表现出聚类的特点;不同水域的水母信号对比度相近、退偏率不同,说明水母的光学特性与其生存水域环境密切相关。因此,偏振海洋激光雷达可以高效、经济、精确监测水母分布和数量变动状况,其未来的推广可以完善我国海域水母动态监测手段。