面向实际应用的GISC Lidar近期研究进展与思考

基于稀疏限制的鬼成像雷达（Ghost Imaging Lidar via Sparsity Constraints,GISC Lidar）属于一种全新的凝视成像雷达体制,具有探测灵敏度高、超分辨以及较好的抗干扰能力等特点。为了将GISC Lidar进行应用成果转化,文中在简述GISC Lidar机理和近期国内外研究进展基础之上,重点介绍了面向实际应用时GISC Lidar所需解决的核心问题以及该课题组在近期取得的主要研究成果,进而对GISC Lidar的发展趋势进行了展望和探讨。     

基于压缩感知的偏振鬼成像系统

偏振鬼成像系统结合了强度和偏振探测,扩展了鬼成像系统的信息量,可以进行有效的目标识别和探测。常规相关偏振鬼成像系统需要大量采样数,且复原结果信噪比低。为此提出基于缩感知的偏振鬼成像系统,利用系统获取物体的强度和偏振参数,采用压缩感知算法来反演获取物体的强度和偏振信息。利用仿真实验,采用具有相同反射率但不同偏振特性的物体进行研究,结果表明采用压缩感知算法可以在很少的采样数下获取高质量的物体强度和偏振信息,提高了系统的实时性,并与相关算法进行了对比。最后采用图像融合算法对强度和偏振信息进行了融合,通过融合信息可以有效地进行多种物体的识别。     

基于空间谱域填充的MIMO雷达成像研究

 雷达成像需要获得目标空间谱域一定范围和密度的采样以重建目标图像,目标空间谱域的填充方式与雷达成像的质量有直接关系.论文首先阐述了MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)雷达收发信号模型的空间卷积效应,基于电磁逆散射原理,推导出一种MIMO雷达成像方法,详细论述了成像性能与空间谱域填充的关系.讨论了收/发阵列配置对空间谱域填充的影响,得到阵列排布的基本准则,最后对成像算法的有效性和理论分析结果进行仿真验证.     

接收数值孔径和粗糙目标尺寸对稀疏限制的鬼成像影响研究

设计一种针对粗糙表面目标的基于稀疏限制的鬼成像(GISC)实验装置,研究并分析接收系统的数值孔径与粗糙目标尺寸对GISC成像性能的影响。结果表明,粗糙目标的GISC成像质量与接收系统的数值孔径和目标尺寸均呈正相关。本研究可以为GISC装置中接收系统的光路设计提供重要参考。     

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.     

全Stokes偏振关联成像技术研究

近年来,随着关联成像技术的高速发展,已被广泛应用于诸多领域内,并引起了高度关注。偏振探测技术能够区分不同材质物体,可以增强系统的探测识别能力。文中结合偏振探测和关联成像技术的优点,利用Walsh-Hadamard散斑对场景进行照明,并对场景反射光进行分时偏振探测,实现了对场景的全Stokes偏振关联成像。搭建相应的实验系统对多材质物体进行了成像实验,利用不同偏振探测信号与照明散斑计算并获得了物体的Stokes参数图像,实现了对同一场景中的不同材质物体和相同材质不同结构物体的区分。通过演化压缩采样复原技术,在不同采样率下对物体图像进行了复原,结果表明:演化压缩采样复原技术能在较低的采样率下,复原出清晰的场景全偏振信息。     

超大视场成像系统对空间目标的探测能力分析

随着大视场探测技术的发展,超大视场成像系统已被应用于导弹预警、航天器舱外摄像、机载预警等许多领域。探讨了超大视场成像系统的空间应用问题,分析了系统对典型目标的探测能力。结果表明:与小视场红外成像系统相比,超大视场系统空间漏警率大为降低,这使得系统探测盲区更小;超大视场系统的空间分辨力较大,这使得目标像在单个像元上驻留时间更长,有利于目标的提取和检测;但超大视场系统探测灵敏度和探测距离性能相对较差。综合考虑,超大视场成像系统难以适用于远距离目标的探测,但是系统大视场成像的特殊优势使其在近距离全向空间态势感知和强辐射威胁的实时预警方面有很大的应用潜力。     

基于距离多普勒概念的全息雷达成像算法

全息雷达成像系统具有电离辐射小、穿透衣服等优点,在人体安检等领域具有广泛的应用前景.然而,现有系统尚存在多运动目标补偿及快速成像能力不足的问题,限制了其在火车站等人流量大的场景中的应用.本文提出了一种基于距离多普勒概念的全息雷达成像方法,其优点是成像速度快、运动补偿方便,具有多运动目标快速成像的潜力.该方法利用了信号在时间采样和空间采样上的对称性,将合成孔径雷达成像中常用的距离多普勒算法引入全息雷达成像.本文对距离多普勒全息雷达成像算法进行了推导,通过仿真及试验,验证了该成像方法具有多目标运动补偿及快速成像的能力.     

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。     

相关滤波器与支持向量机结合的激光成像雷达目标识别算法

激光成像雷达能成清晰的目标三维距离像和一维强度像,可提高目标识别率,因而成为国际上的研究热点.当大视场高分辨率激光成像雷达垂直探测目标时,视场内目标增多,要求目标识别算法既能同时检测多目标,又要具有平面内旋转不变性.为了满足上述要求,提出将具有平面内旋转不变性的CHF-MACH相关滤波器和支持向量机(SVM)相结合,组成一种新的目标识别系统,其中相关滤波器能同时检测定位多个感兴趣目标,再用SVM分别对图像内的已定位的目标进行识别.以仿真激光成像雷达图像为实验数据,分别对4类目标进行识别.实验结果表明,CHF-MACH滤波器对本类目标有较好的检测率,对非本类目标有一定的抑制作用;SVM能以较高的精度分类已检测目标.所以,该方法能有效地对大视场内多目标进行识别,适用于激光成像雷达.     

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。     

反雷达伪装成像检测系统二维超分辨实现

设计和完成了一套微波成像系统.根据反雷达伪装微波成像的应用需求,系统采用阶跃调频连续波体制和合成孔径技术,可实现对外场全尺寸伪装目标的高分辨二维成像.传统FFT成像方法计算过程比较简单,但分辨率低,图像相对比较粗糙,对50米远处目标的二维分辨率仅能达到0.5m×0.5m.非线性空间谱估计(DOA)即超分辨技术可大大改善在系统带宽内处理空间信号的估计精度和分辨率.随着该技术的日益完善,近年来被广泛应用于雷达成像领域,用来提高距离和方位分辨率.2D-RELAX算法是较易实现的一种精度高、鲁棒性好的超分辨算法.通过对某型伪装示假目标的成像结果表明,在同样的硬件条件下,其对分辨率确有较大改善,可以达到0.25m×0.25m,接近系统分辨率的理论最小值,图像也较精确.     

采用衍射主镜的大口径激光雷达接收光学系统

衍射光学系统在大口径激光雷达接收器应用方面很有潜力。分析了衍射主镜引入的负色散对激光雷达成像质量的影响。讨论了插入高色散玻璃和基于Schupmann原理的两种消色差方案的优劣。基于Schupmann原理的消色差系统质量轻、像质好,系统光透过率在60%以上。设计了1 m口径、f/8、最大视场角1 mrad的激光雷达接收光学系统。成像质量接近衍射极限。     

一种共照射源超空间分辨率三维重建方法

受到制造工艺限制,现有的3D非扫描激光雷达APD阵列无法做到高度集成。为了提高3D非扫描激光雷达的空间分辨率,满足高分辨率空间采样需求,文中提出了一种共照射源3D激光雷达和2D探测器超空间分辨率信息获取方法。该方法使用高分辨率共照射源2D探测器对3D激光雷达进行辅助成像,将2D探测器得到的激光回波强度信息与3D激光雷达得到的目标深度信息进行数据融合,并对不同孔径的成像结果基于非相参合成孔径成像原理进行修正,实现超越3D非扫描激光雷达空间分辨率的目标三维重建。实验结果表明,该方法能够有效提高3D非扫描激光雷达的空间分辨率。     

APD三维成像激光雷达研究进展

三维成像激光雷达因获取信息丰富、抗干扰能力强、分辨率高等优势已广泛应用于地貌勘测、自动驾驶、智能交通、视觉跟踪等国防与民用领域。随着雪崩光电二极管（APD）探测器件的发展与三维成像体制的多样化(例如:微机电系统扫描、相控阵、闪光等),激光雷达性能较早期已得到大幅提升。立足于军民领域对激光雷达的新需求,迫切需求新方法、新体制进一步提升三维成像的综合性能。首先从APD三维成像激光雷达的发射单元、接收单元、算法单元（数据处理单元）三方面关键技术展开分析。然后,以载荷应用需求对三维成像激光雷达进行了分类阐述与讨论,重点以车载环境感知为例深入讨论了现有激光雷达的应用现状与军民应用所面临的难点问题。基于APD器件的三维成像方法多元化发展,讨论了两种适用于APD器件的新型三维成像方法（异构变分辨率与鬼成像）。最后,在分析三维成像激光雷达研究现状的基础上,总结了三维成像激光雷达正朝着大视场、高分辨、高精度、实时性、模块化、智能化的方向发展,为进一步研究高性能三维成像激光雷达奠定基础。     

基于微透镜阵列的光场显微测量方法研究

与传统成像技术相比,光场成像技术能够利用光场中光线的传播方向信息,采用计算成像的方式极大地提高成像系统的景深。而传统的光学显微镜分辨率越高,景深越小。文章结合光场成像技术和传统光学显微镜,通过在显微镜一次像面插入微透镜阵列,提高显微镜景深,实现光场的显微三维测量。该系统通过单次曝光即可获得光场的四维光场信息,通过数字重聚焦技术和清晰度评价函数完成光场显微测量。实验结果表明,基于微透镜阵列的光场显微测量方法是可行的。测量系统以牺牲16倍横向分辨率为代价,将显微镜头景深提高了近100倍。     

条纹管成像激光雷达条纹数据提取算法

条纹管成像激光雷达(STIL)是一种新型闪光式激光成像雷达,具有大视场、高分辨率、高帧频等优点,其条纹数据的准确提取是后期目标图像三维重构的关键,现有的峰值探测法忽略了噪声与CCD采样误差对目标条纹数据偏差的影响,在提取条纹数据时存在较大的误差。针对其影响并基于对特定回波波形及理论回波波形的分析,提出了一种新的条纹数据提取算法,不但能够有效降低噪声和CCD采样误差对条纹数据提取的偏差,更能够方便地去除系统的整体综合噪声。为验证该算法的准确性,设计了阶梯目标成像实验,实验结果表明该方法可以明显提高条纹管成像激光雷达条纹数据提取的精度。     

基于光学相控阵的提高APD阵列三维成像分辨率方法

小面阵APD阵列较低的像元数量限制了其三维成像分辨率。提出了一种基于光学相控阵的提高APD阵列三维成像分辨率方法,用光学相控阵生成与APD阵列像元数量相同且位置匹配的光束阵列并实现扫描。光束阵列中子光束发散角小于APD阵列中单个像元的瞬时视场角,子光束在单个像元视场内扫描实现APD阵列对目标三维信息的多次采集,进而提高APD阵列的分辨率。在Matlab中基于二维标量衍射理论仿真了光束阵列在远场的分布,并分析了子光束发散角与扩展周期数之间的关系。最后采用液晶相位空间光调制器作为光学相控阵器件,结合CCD接收回波信号,进一步验证了提出方法的可行性。     

轴向运动目标的热光高阶鬼成像研究

提出一种基于B样条概率密度函数(PDF,probability density function)估计的复杂纹 理图像分类识别方法,主要包括图像纹理PDF特征学习、 表征以及纹理类型识别3个步骤。在图像纹理PDF特征学习和表征中,引入各向异性高斯导 数方向滤波器获得纹理图像多尺度和 多方向空间结构;然后基于预先固定的B样条基函数,将图像空间结构PDF估计转化为与 基函数相对应的权值向量估计;之 后采用最远邻聚类方法,获得图像空间纹理结构的PDF特征字典库;最后采用最近邻方法, 获得各类纹理在特征字典库上的直方图 分布表示。在纹理类型识别阶段,基于直方图距离测量结果实现纹理图像分类识别。在不同 纹理图像数据库上进行了大量的验证性和对比性实验,实验结果表明所提方法的有效性 和优越性。     

劈裂纳米矩形的Fano共振效应及对不同偏振角入射激光的衰减作用

为了探讨光场的高阶关联对于轴向运动目标鬼成像 成像质量的影响,将热光高阶鬼成像相关理论应用于轴向运动目标鬼成像的研究中。首先, 建立了理想热光高阶强度涨落的轴向运动目标鬼成像模型,给出轴向运动目标高阶鬼成像的 高阶关联函数;接着,设置不同仿真参数对建立的数学模型进行了数值模拟,同时给出了相 关仿 真图像;最后,采用峰值信噪比(PSNR)质量评价方法 比较仿真图像的成像质量,并对仿真结果进行了分析。结果表明,对于轴向运动目标,随着 参考光束的阶数增加,光场的高阶关联将会极大的增加背景 涨落的噪声,导致图像重建质量急剧变差;而信号光束的阶数增加对成像质量影响较小,但 是成像质量会 随着信号光束的增加而增加,最低阶的鬼成像得到的鬼像质量最好。