激光云粒子成像探测仪研制

为了研究云粒子微观特性, 采用激光成像技术、高斯光束匀化处理技术、高分辨率阵列探测器以及图像抽帧还原算法, 研制出激光云粒子成像仪。通过地面模拟测量及实际飞行试验, 对仪器性能进行了测试。结果表明, 研制仪器可实现对25 μm~1550 μm云粒子的成像, 分辨率为25 μm, 粒径测量误差小于9.5%;实测的冰晶粒子形态符合云粒子自然分布规律, 粒子尺度谱符合指数分布, 决定系数在0.58~0.97之间。该研制仪器可为云降水微物理研究提供基础观测数据。     

一种CCD相机辐射定标的方法

讨论了影响CCD相机辐射测量性能的因素及进行辐射定标所采用的方法。在已建立的实验装置上,对CCD相机进行了辐射定标实验,实验结果证明了所采用的方法,是一种有效的辐射定标方法。     

运动补偿下短波红外成像光谱仪的信噪比特性

为研究运动补偿下成像光谱仪的信噪比特性,首先推导出探测器像元采集到的光谱辐射信号与瞬时视场光轴摆角的关系式.据此,在短波红外(1.0～2.5μm)光谱范围内,计算不同摆角下系统采集到的光谱辐射信号及系统信噪比相对于观测星下点(对应光轴摆角为0°)的变化情况.结果表明:与观测星下点相比,运动补偿过程中系统采集到的总光谱辐射能量随光轴摆角的增大而减小,并且其中地面目标辐射所占的比例也随之减小.信噪比有类似的特性.要使整个观测过程信噪比提高的倍率保持或接近预期的补偿倍率,光轴摆角尽量小于30°.     

AOTF的高光谱成像光谱仪的辐射定标技术

基于声光可调谐滤波器(AOTF)的高光谱成像光谱仪不同于传统的成像光谱仪,它利用声光调制的分光原理,在像面上得到空间信息和任意一个波段的光谱信息.但由于其分光原理和分光器件自身性能的特殊性,辐射定标的方法尚不成熟,辐射定标技术的精度和长期稳定性不能满足遥感应用的更高要求.结合AOTF高光谱成像光谱仪自身的性能和对辐射定标的要求,提出了基于探测器的定标方法和改进的数据处理算法,并对辐射定标的精度进行了分析.实验结果表明:定标后的成像光谱仪能够真实地反映地物目标的信息,有效地提高了成像光谱仪的信息定量化水平.     

喇曼激光雷达探测云及其附近气溶胶光学参量

为了研究喇曼激光雷达探测云与气溶胶相互作用相关光学参量的可行性,研制了一台607nm喇曼激光雷达。采用适当提高喇曼激光雷达配置的方法,提高了喇曼回波信号信噪比。通过实验取得了晴空少云天气下云和气溶胶的消光系数垂直廓线,给出了喇曼激光雷达观测云与气溶胶相互作用的个例分析,说明利用地基喇曼激光雷达,可以为研究云与气溶胶之间相互作用的物理过程提供基础数据,并指出正在研制的多波长喇曼-偏振激光雷达技术探测云与气溶胶相互作用的技术优势。结果表明,喇曼激光雷达具备定量探测中低自由对流层内薄云层和气溶胶消光系数的能力。     

高密度模块化TDI CCD成像系统设计

为提升遥感相机的高密度组装技术,采用厚膜集成电路技术设计了高集成度的TDI CCD成像系统,并对该成像系统中的具体设计做了详述。首先TDI CCD焦平面通过机械拼接方式拼凑成可复制的单元。然后,通过三极管射极跟随器增强CCD输出图像信号强度传送给模拟前端芯片LM98640中转换成14 bit的数字信号,再传给现场可编程门阵列芯片XC5VLX50T-1FFG1136C缓存和整合处理。最终,通过TLK2711高速LVDS输出芯片传输给数据采集卡并在计算机上成像。该成像系统中所有的驱动信号和处理时序都是通过现场可编程门阵列产生的,计算机可以通过RS422通信总线对成像系统进行控制和部分参数修改。该系统中的驱动电路和CCD二次电源电路采用厚膜集成电路技术设计,提高了系统的集成度。实验结果表明:整个系统基于厚膜技术,驱动电路PCB电路板减少了2/3的面积,同时采用了机电热一体化的设计,实现了相机的高密度组装。该系统总数据输出速度达到3.6 Gbps,饱和输出图像信噪比52.6 dB。     

长波红外高光谱成像光谱仪的辐射定标

红外辐射定标是红外遥感信息定量化的关键技术,对所测光谱进行定标是定量分析中的重要环节。采用自行研制长波红外高光谱成像光谱仪原理实验装置（简称 CHIPED-I）进行验证,用黑体对实验装置进行了两点线性定标,将测量的相对强度转化成目标的绝对辐射亮度谱,采用亮温法算出标定后的亮温光谱。结果表明,这种辐射定标方法用于长波红外高光谱成像光谱仪方法可行,这对进一步分析大气透过率和反演大气中红外活性气体浓度具有实际意义。     

星载光电成像系统建模与性能评估

星载光电成像系统可实现对空间目标的有效探测,而探测距离是评价系统性能的重要指标。以太阳辐射特性和深空背景特性为基础,分别建立了几何成像因素、探测器灵敏度、信噪比和成像分辨率影响下的系统作用距离的数学物理模型,推导了系统作用距离的表达式,对作用距离与曝光时间、探测器像元尺寸、有效通光口径等影响因素之间的关系进行了数值模拟研究。研究结果表明,对于有效尺寸为2 m×4 m、平均反射率为0.3的平面目标,当光学系统口径为100 mm、焦距为500 mm、探测器像元尺寸为3.5μm时,系统对目标的最大作用距离为12 km,作用距离主要受成像分辨率的限制。研究结果可为星载光电成像系统的设计以及系统性能评估提供一定的基础。     

气溶胶与边界层浅云的相互作用对远海高压型悬空波导数值模拟的影响

远海悬空波导陷获层底的位置通常与边界层浅云的云顶有很好的对应,气溶胶与边界层浅云的相互作用及其产生的辐射强迫将改变悬空波导的结构.文中利用天气预报-化学（weather research and forecasting-chemistry,WRF-Chem）模式通过设计不包含完整气溶胶-云-辐射的EXP0试验（相当于WRF模式）和包含完整气溶胶-云-辐射相互作用（即气溶胶直接和间接效应）的EXP1试验,对2016年5月观测到的一次珍贵的远海高压型超强悬空波导过程进行了模拟分析.结果表明:远海高压天气形势下,EXP1试验模拟的由气溶胶活化后形成的云滴数浓度比EXP0试验云滴数浓度预设常值（100个cm-3）偏低;当伴随边界层浅云出现时,EXP1试验模拟的波导顶高和强度较EXP0试验更接近于实测;夜间进行的3次观测位于高压中心附近的无云区,此时气溶胶的直接和间接效应均可忽略,因此两组试验模拟的差异极小.这一结果从侧面说明,在有边界层浅云出现的远海区域,包含完整气溶胶-云-辐射效应的WRF-Chem模式有利于提高悬空波导特征量的模拟效果.     

线阵CCD数据采集与存储

在各种高精度线阵CCD的应用中，对像元输出信号进行快速采样、存储是很重要的一部分内容。以高精度线阵CCD TCD1501D为例介绍了一种基于SOPC技术的线阵CCD数据采集与存储系统的实现方法。在Altera公司的Cyclone EP1C6Q240C8上实现了CCD的驱动电路和A／D采样控制电路，使用两个小容量的FIFO和DMA方法完成了A／D转换结果的快速存储。设计简单灵活、集成度高、占用CPU时间少。     

荧光法成像系统信噪比的实验研究

在药物荧光成像系统中较好的荧光像的信噪比和分辨本领,可最大限度地克服肿瘤诊断中出现的假阳性,降低误诊率。理论分析并近似计算了用蓝光作为诊断早期鼻咽癌的激发光源时,信号和背景光的亮度分别为4.5×10-2lm·m-2·sr-1和877lm·m-2·sr-1。结果表明,为了能从背景中分辨出信号,窄带栅滤光片的荧光透过率应尽可能大,而背景光要截止到原来的4.3×10-5的量级。根据有色玻璃的吸收特性,实验时适当增加光在玻璃中的行程和带宽,使信号和背景光的透过率之比增大,从而得到较好的荧光像的信噪比和分辨本领,提高了图像目视探测的灵敏度。     

红外偏振成像系统高速处理模块设计

基于中波制冷320256红外焦平面探测器，设计了以FPGA为处理核心，集SDRAM存储器及其他功能模块电路为一体，适用于时间分割型偏振成像系统的高速成像处理模块。处理模块主要由前端与探测器相连的驱动板、以FPGA为核心的处理板和系统电源板等组成，实现了盲元补偿、非均匀性校正、平台直方图均衡、线性映射等算法和校正参数的在线计算，具有内外同步可切换、积分时间连续可调的功能，能够输出分辨率为320256像素、帧速为200 fps的高质量红外图像，满足偏振成像系统对运动目标的实时探测要求。采用旋转偏振片的方法对带凹槽塑料水杯开展偏振成像实验，提取出有效的Stokes参量图像，观察到显著的偏振特性。该处理模块可广泛用于空间目标探测、地雷探测、海上搜救及伪装目标的探测等领域。     

多光谱偏振成像侦察系统设计实现

介绍了以STC89C52RC为核心的电动变焦、对焦、变光圈以及以PC104为平台的图像处理多光谱偏振成像侦察系统组成及工作原理,给出了系统软硬件设计方法。实验结果表明,数字量化调焦效果良好,为偏振图像在线命令响应搭建了测试平台。实际应用结果表明,该系统具有使用方便、成本低等优点,具有广阔的应用前景。     

极光成像仪滤光片高精度温度控制系统设计

针对广角极光成像仪滤光片组件的温度控制需求,设计了一种高精度温度控制系统。使用铂电阻作为测温传感器,测温电路可以达到0.05℃的温度采集精度;使用DSP作为主控制器,实现了滤光片温度的全数字控制;使用恒流源电路作为加热片的驱动控制电路,实现了加热功率的高精度、低噪声控制;建立了滤光片组件温度控制系统的数学模型,结合实际系统的阶跃响应曲线辨识得到系统模型参数,设计了系统的控制器,进行了仿真,给出了控制器的性能曲线;通过滤光片组件温度控制系统实验对控制器参数进行了整定,得到了优化的控制器参数。最后,给出了系统的实际温度控制结果,表明系统能够实现滤光片的高精度温度控制。     

一种提高BOTDR系统信噪比的方法研究

提出了一种利用非线性反射镜提高布里渊光时域反射仪(BOTDR)系统信噪比的新型传感结构.通过将两根相同类型的传感光纤敷设在同一待测温度或应变环境下,结合光纤3 dB耦合器,可以形成非线性反射镜.利用非线性反射镜可以将传感系统输出信号的强度提高到只用一根传感光纤时的4倍,既能改善系统的信噪比及测量精度,也能提高传感系统的可靠性.     

高分辨率红外成像仪五反无焦主系统设计

为提高多通道红外成像仪的空间分辨率,同时确保系统结构紧凑,具有良好的轴对称性,设计了应用于像方扫描主系统的主镜轴对称的五反无焦系统。论述了基于初级像差理论的五反无焦系统设计方法,由各镜面之间的放大率和遮拦比求解出了结构参数,利用初级像差系数求解出了反射面二次曲面参数,并且编制了初始结构计算程序。设计了一个入瞳直径1 m、视场50.1、工作谱段8~10 m、口径压缩倍率10的五反无焦系统。设计结果表明:光学系统最大波前差RMS值优于0.065(=9 m),最大光程差优于/4(=8~10 m),各视场的MTF曲线接近衍射限。该设计方法可广泛应用于高分辨率多通道成像仪的光学系统设计。     

Adaptive template filtering for signal-to-noise ratio enhancementin magnetic resonance imaging

In this paper, a local shape-adaptive template filtering is proposed for the enhancement of the signal-to-noise ratio (SNR) without the loss of resolution in magnetic resonance (MR) imaging. Unlike conventional filtering, where the template shape and coefficients are fixed, multiple templates are defined in the proposed algorithm. An optimal template is selected and optimal filtering, based on the template, is applied on a pixel-by-pixel basis. Using the proposed process, edge blurring is minimized and SNR enhancement is maximized by selecting the optimally matched template. Compared to existing two-dimensional (2-D) adaptive linear least square error (LLSE) filters or direction-adaptive recursive filters, the proposed adaptive template filter provides higher SNR and sharper edges for both MR and artificial resolution phantom images.     

制冷型中波红外偏振成像光学系统设计

除了具备作用距离远、可全天候工作、隐蔽性好等传统红外强度成像的优点外，基于目标与背景偏振特性差异的红外偏振成像技术能够有效减小背景干扰、抑制背景杂波、增强图像对比度、提高信噪比，应用前景广阔。为了有效抑制空中和海面目标探测过程的背景杂波干扰，增强雾、霾和烟尘以及小温差、低照度和复杂背景环境下的目标探测能力，采用分孔径同时偏振成像方式，完成了焦距为240 mm的四通道制冷型分孔径中波红外偏振成像光学系统的设计。利用蒙特卡洛法进行了公差分析，保证了光学系统加工和装调精度的合理性。像质分析结果表明，光学系统的MTF接近衍射极限，各类像差得到了有效校正，成像质量良好。通过冷反射分析验证了冷像对所设计制冷型红外光学系统成像质量的影响程度。此外，最终完成的光学系统结构紧凑，透过率高，避免了非球面的使用，具有良好的加工和装配工艺性。     

基于AOTF的高光谱偏振成像系统设计与实验

为获得目标和场景的偏振信息,基于线偏振片和声光可调滤波器（AOTF）设计了一套高光谱偏振成像系统。文中从AOTF的工作原理出发分析其偏振等效关系,随后给出了探测系统的具体结构,并对其光学系统的各元件进行了合理的参数配置。最后,利用设计的成像系统对林地背景中的涂覆三种不同颜色涂层的铝板进行了高光谱偏振成像实验,获得了场景的高光谱信息和偏振信息,并通过数据处理得到涂层与背景之间的强度对比和偏振对比特性。结果表明:涂层与自然背景的偏振特性存在一定程度的差异,对于不同自然背景中的目标,通过选择与背景特性差异较大的若干波长或波段,利用合适的探测方式进行探测,有利于实现快速准确的目标识别。     

集成偏振近红外焦平面探测器研制与信噪比分析

面向近红外波段隐蔽目标识别应用,基于InGaAs近 红外焦平面阵列,利用焦平面像元分组方法,研 制了一种单片集成微偏振元阵列的InGaAs焦平面探测器。本文器件利用电子束直写与金属刻 蚀工艺制备的金 属纳米线阵列实现偏振态选择,实验测试平均消光比为8.05。研究结 果表明,光串扰在很大程度上降低了消 光比,对偏振图像的暗部细节的解析度也产生了不利影响;金属纳米线本身的不完整性不但 造成了信噪比(SNR)下降,也制约了光响应动态范围。