超大视场红外凝视成像技术及其应用浅析

超大视场红外凝视成像技术具有视场大、实时探测、系统体积小等突出优势,广泛应用在空间探测、视频监控、大气环境监测、军事目标预警等重要领域。文章首先主要介绍了大视场红外凝视成像技术的突出优势及研究现状,然后阐述了相关的关键技术及研究方法,并评价和分析了这些方法在实际应用中的效果和不足。针对这些不足,提出了一些改进方法,最后分析了大视场红外凝视成像技术的潜在应用,展望了这项技术的改进和发展方向。     

空间非合作目标的天基光学组合探测系统

为了实现对天基空间非合作目标探测、成像,提出了一种空间非合作目标的光学探测、成像组合系统.该系统由两套光学子系统和转台子系统组成,成像相机子系统能够对宽视场相机给出的重点目标高分辨率成像,宽视场相机可以在大范围内自主实现对中低轨上运行的距离800 km以上空间目标的探测,并能够在目标接近到150 km～30m的范围内实现对目标的连续跟踪和成像.该光学组合探测成像系统与转台配合可以实现对目标的全域普查以及区域特定目标的详查.两套子系统之间相配合能够实现大范围、远近距离目标的识别、跟踪及成像,应用于空间飞行器防撞系统中,对于保障空间飞行器的安全具有重要意义.     

基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系 统设计

针对凝视型红外成像告警设备中对场景目标进行大视场广域搜索与小视场精确识别一体化的应用需求,设计了一种基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系统.该系统采用由多层共心球透镜和可连续变焦的独立次级小相机阵列级联而成的二次成像结构,能够有效实现大视场高分辨率无畸变成像.此外,采用全动变焦设计的独立次级小相机阵列在对搜索到的目标进行探测、识别和跟踪的一体化检测的同时保持像面稳定,实现对成像场景的分区域管理.设计结果表明,该红外成像系统在全变焦范围内的调制传递函数(MTF)曲线均接近衍射极限,且变焦曲线平滑,避免了变焦过程中卡滞、冲击等不利现象的产生,能有效实现大视场监测及小视场识别的功能.     

大视场红外凝视系统在靶场探测中的可行性研究

针对目前靶场试验目标丢失后(特别是在发射阶段),红外经纬仪难以寻回的问题,提出了利用大视场红外凝视成像技术进行改善的方案.首先分析了靶场目标的最佳红外工作波段;其次,分析了大视场中靶场目标的成像和运动特殊性;最后,根据靶场的探测性能要求,论证了大视场红外系统的视场大小.综合多项因素,论证了视场角在57.4°～74.65°的大视场红外系统可满足靶场的探测需求,也可改善靶场试验目标丢失后难以寻回的现状,降低了漏警率.     

空间目标可见光特性与探测距离估算

在空间目标可见光探测系统中,对探测能力的分析和评估是进行可见光相机设计的前提之一.分析了天基空间目标可见光反射特性和探测背景,并进行了探测噪声分析,又从辐射学角度导出了空间目标可见光反射体探测距离估算方程,结合实例求解了最大探测距离.当目标充满可见光相机的瞬时视场时,相机获取的目标信息与距离无关,而与本身的瞬时视场有关.最后通过采用积分球模拟反射体测试辐照度,反求系统信噪比,间接验证了可见光相机对空间目标的探测能力.     

一种超大视场中红外弱小运动目标的快速检测方法

超大视场红外凝视成像系统具有视场大、被动探测、凝视探测等独特优势,但当系统用于弱小目标检测时,由于背景复杂、噪声干扰、目标信息少等问题,检测的准确性和效率往往不高。本文通过采用超大视场中空时域融合处理的思想,提出了一种基于最大化背景模型进行背景抑制的改进方法。该方法首先通过图像预处理、多帧差分选取研究区域;然后通过改进的背景预测模型检测疑似目标点;最后,利用邻域相关准则判定真实目标。通过实验证明:该方法将原方法中的目标信噪比提高了5倍以上,灰度值提高了10倍以上,而且保留了更多的目标信息。同时目标检测时间减少了50%以上,提高了检测准确性和检测效率。     

基于时－空过采样系统的点目标检测性能分析

为了提高扫描成像系统对于点目标的探测性能,提出了时-空过采样点目标探测体制,并对其进行了目标检测性能分析。首先,分析了单采样体制在点目标探测中易存在跨像元导致的目标能量分散问题,以及探测器随机高强度噪声及空间质子流尖峰信号导致的虚警问题;然后,提出了用于点目标扫描探测的时-空过采样体制。最后,基于图像信噪比对相同光学系统下单采样和时-空过采样系统的目标检测性能进行了比较分析。分析结果表明,通过过采样方式能够实现目标能量集中到一个像元,保证了图像信噪比需求。通过高分辨率融合使得目标尺度大于噪声及尖峰的尺度,目标尺度最大扩展至3?3像元,基于目标空间相关的处理可以有效降低虚警,提升系统检测性能。     

用于目标跟踪的多光路成像技术

用于目标跟踪的传统成像系统瞬时视场小、且为实现大范围覆盖需要对目标空域进行扫描,为了能解决宽视场覆盖和高分辨率的问题,提出一种新的基于空间多路成像技术的可直接判定宽视场中目标位置的目标跟踪方案。该方案利用多镜头阵列组合设计一种多光路、共焦平面、宽视场凝视成像系统结构,这种结构要求分割的各子视场之间有特定的重叠编码关系,以便同时成像之后解算目标位置。针对一维镜头阵列组合的情况,研究分析了镜头阵列的空间位置关系、各子视场编解码原理以及在目标跟踪技术中的应用,并在此情况下对简单目标跟踪算法做了研究和仿真。结果表明该方法能很好地实现在大视场中对目标的跟踪。     

远距离红外与微光/可见光融合成像系统

提出了一种基于查找表的硬件方法,实现了基于l空间色彩传递的图像融合,并以此为基础研制了一种红外热像仪/微光电视/CCD融合成像系统。微光电视和CCD分别在夜间和白天与热像仪融合,构成一全天时的融合成像系统。该系统能够获得近似自然色的图像融合效果,并具有较好的色彩一致性。系统还设计了两种视场,以适应大视场搜索、小视场跟踪的需要;增加了激光测距能力,以满足距离估算的需要。实验结果表明了该系统在导航、监控和目标探测等方面的应用潜力。     

条纹管激光成像雷达水下探测成像研究进展

条纹管激光成像雷达是一种新型的闪光式激光雷达,具有大视场、高分辨率及高探测灵敏度等特性.可直接给出目标的四维像(三维几何距离像+一维强度像),是目前激光水下三维成像的主要技术之一.自主研制了一套单狭缝条纹管激光成像雷达,可实现对远距离目标成像和系统集成.在水质较浑浊的黄海海域,利用此雷迭首先完成了若干水下目标探测实验,获得不同深度及不同表面材质的目标条纹像,最大探测深度为5 m;其次完成了海表面波成像实验,获得重构后的海表面波四维像,可清晰辨别海面粗糙度及波高变化.实验结果表明:条纹管激光成像雷达在水下探测、避障及海洋波谱分析等方面有较好的应用前景.     

多孔径分布式视场部分重叠仿生热成像理论与技术

热成像系统视场与空间分辨率(作用距离)的矛盾是常规成像模式难以解决的问题。多孔径热成像技术主要分为低重叠率、高重叠率和中度重叠率部分重叠成像模式。文中研究了一种视场部分重叠仿生热成像理论,利用4组红外物镜及IRFPA机芯构成了中心变分辨率4孔径分布式热成像系统,各子孔径的“并集”视场构成系统成像大视场,“交集”视场特别是中心重叠视场具有超分辨能力,从而构成空间变分辨率视觉模式,可减缓传统单孔径热成像问题;利用重叠视场可构成4目和2目近场目标场景的体视成像;通过子孔径检偏偏振片,中心视场可构成全偏振热成像模式;对角探测器分别采用长波或中波红外焦平面探测器,则可构成双色热成像模式。分析表明:这种多孔径分布式视场部分重叠仿生热成像具有仿生智能的特性,可针对感兴趣目标进行智能观测,提高复杂背景条件下的目标探测和识别能力,具有广泛的应用前景。     

用于导弹逼近告警的“日盲”紫外光学系统设计

紫外告警技术在军事应用中扮演着重要的角色。基于日盲紫外光学系统的最佳工作波段240~280 nm,设计了一款用于导弹逼近告警的光学系统。为提高系统接收的紫外辐射能、扩展系统探测范围以及简化系统结构,系统中采用了非球面和二元衍射光学元件。系统中含有5 片透镜,其焦距为50 mm,视场角为43。探测器采用ANDOR 公司的iKon-L 936 型CCD,其像元大小为13.5 m13.5 m,有效成像面积为27.6 mm27.6 mm。系统优化后,最大RMS 半径仅为11 m 左右,远小于像元尺寸。超过86%来自物方各视场的紫外辐射会聚在半径为6.75m 的圆内。像质表明,所设计的系统能够满足日盲紫外光学系统的工作条件。若减小焦距,则系统的视场角可进一步增大。     

基于稀疏和冗余表象的鬼成像雷达研究进展

基于稀疏和冗余表象的鬼成像雷达(Ghost Image via Sparsity Constraints,GISC Lidar)是一种结合光场空间涨落特性和现代信息论的全新雷达成像体制,其成像视场和分辨率无关,由此可在探测时采用大视场凝视成像模式捕捉运动目标以对其进行高分辨率成像探测。与闪光照相雷达需要将目标的反射光信号成像分布在焦平面阵列光电探测器件上相比,GISC雷达只需要一个无空间分辨能力的单像素探测器接收目标场景的全部反射光信号,因此可以极大地提升系统的成像探测灵敏度。此外,GISC雷达在成像探测过程中可以利用图像的各种先验约束,从而突破奈奎斯特采样定理对采样次数的要求,大幅度提高图像的信息获取效率。文中将结合上海光机所将鬼成像技术应用于雷达探测的研究历程,介绍GISC雷达研究进展,并指出GISC雷达工程化实际应用中仍待解决的若干问题。     

基于合成孔径激光雷达的目标探测

为了研究合成孔径激光雷达在目标探测中的应用,从建立合成孔径激光雷达的信号传输及回波模型出发,理论分析了合成孔径激光雷达回波信噪比、探测距离、合成孔径时间和解线性调频处理4个方面的特点与优点,并与一般相干体制的激光雷达以及合成孔径雷达进行了对比。结果表明,合成孔径激光雷达比一般相干体制雷达具有更高的回波信噪比和更远的探测距离,且相对于合成孔径雷达具有更快的成像速度。这一结果有助于合成孔径激光雷达应用于远距离目标探测、跟踪与快速预警。     

基于增强型轻量级网络的车载热成像目标检测方法

车载热成像系统不依赖光源,对天气状况不敏感,探测距离远,对夜间行车有很大辅助作用,热成像自动目标检测对夜间智能驾驶具有重要意义.车载热成像系统所采集的红外图像相比可见光图像具有分辨率低,远距离小目标细节模糊的特点,且热成像目标检测方法需考虑车辆移动速度所要求的算法实时性以及车载嵌入式平台的计算能力.针对以上问题,本文提...     

平流层飞艇载综合脉冲孔径雷达系统研究

常规战术预警系统主要用于对空探测,战略预警系统主要用于对天探测,空、天之间的临近空间探测几乎处于空白状态。为了解决临近空间目标探测问题,提出以平流层飞艇为平台将综合脉冲孔径雷达(SIAR)升空,建设平流层飞艇载综合脉冲孔径雷达系统。分析了综合脉冲孔径雷达升空的优势,进行了初步的系统设计。计算与仿真表明,平流层飞艇载综合脉冲孔径雷达系统不仅可以完成临近空间目标探测任务,而且还具有很好的低空、超低空目标探测能力。     

Analysis of false alarm for imaging space-based laser warning system

In view of the problem of false alarm in imaging space-based laser warning system, the effects of sunlight and lightning on the threaten laser detection and attack event determination are studied by analyzing and calculating the radiant energy density and space-time feature of imaging spot, respectively. The results show that the main false alarm resourses of spacebased laser warning system are sunlight and lightning. The sunlight should exposure the detector directly in one ninth of the satillite orbital period, and the imaging spot of sun is similar to the attack laser. The lightning imaging spot is similar to the illumination laser. About 1.4 lightning events can occur in the field of view (FOV) of the warning system per second. It could not discriminate spots of sun, lightning and threaten laser by the frame subtraction technology.     

基于多照射源的被动雷达研究进展与发展趋势

该文从新体制被动雷达的功能和性能优势出发,首先简要回顾了被动雷达长达80余年的研究历程;然后较为全面地介绍了相关关键技术的研究进展,包括参考信号重构、多径杂波抑制、目标检测、目标跟踪、被动雷达成像等方面;在此基础上,从系统结构、技术参数、性能指标等方面分别展示了国外(尤其是欧洲相关国家)典型被动雷达实验系统的最新研究成果,接着重点介绍了武汉大学基于多照射源的被动雷达(MIPAR)系统的研发情况,给出了不同频段(HF/VHF/UHF/L) MIPAR系统的目标探测结果,展示了MIPAR系统在远程预警及近距离高精度监视等方面的应用潜力;最后从多照射源集成化、系统配置网络化、信息处理智能化等方面总结了被动雷达的发展趋势。      

空间光通信广角接收馈源研究进展

为了将光通信一些优越性能应用于空间光探测、空间光通信和民用个人通信,在目前光纤只有非常小的数值孔径的情况下,需要对微弱空间光信号进行厂角接收,以便使接收角度达数十度、以致半个空间的光信号能进入光纤接收系统。然后可以对其中光信号进行光放大和处理。文章将空间光厂角接收馈源分为传统接收馈源和耦合入纤接收馈源两大类,着重于讨论后者。前者由于受制于光学系统和传统滤波器对视场角的限制,其灵敏度和视场角难以同时得到提高。而后者有望解除这些限制,真正实现对微弱空间光信号的非扫描式广角接收,应该是今后的发展方向,具有广泛应用前景。空间光厂角接收的实现将有力促进空间光通信、个人通信和光探测技术的发展,加大空间通信的带宽,对未来通信将产生不可估量的影响。     

非成像式激光告警系统的光学设计及优化

针对非成像式激光告警系统的工作特点与要求,提出并设计了一种双片式柱透镜光学结构。对柱面光线追迹以及柱透镜成像进行了深入分析,提出了一种新型像差优化方法,使其在子午方向各个视场的调制传递函数得到最大幅度的优化。此光学系统由两片硒化锌柱透镜组成,满足了1.0~4.0 m 工作波长范围,并且克服了传统单片式柱透镜和柱面反射镜视场通常小于1且聚焦线斑不理想的缺点,其视场达到20,在7lp/mm 空间分辨率条件下,边缘视场子午方向的调制传递函数值优于0.7,达到了非成像式激光告警系统的要求。