单目多光谱氧气吸收被动测距系统光谱通道参数分析

为消除测距光谱通道位置和数量选取对氧气吸收衰减被动测距技术测距精度的影响,基于氧气吸收衰减被动测距技术的基本原理,分析氧气A、B吸收带光谱谱线特性。对于吸收带带肩上的光谱通道,利用蒙特卡罗法,以拟合非吸收基线与理想基线的误差平方和与相关度为指标,分析光谱通道位置和数量及拟合多项式级次对非吸收基线拟合精度的影响。对于吸收带带内光谱通道,分析不同光谱通道处吸收率大小对测距距离和测距精度的影响。结果表明:在综合考虑系统实时性和测距精度要求的情况下,A吸收带两带肩上光谱通道各为1个,B吸收带单带肩上光谱通道为2个,位置均宜选择在各带肩靠近吸收带一端;吸收带内光谱通道可根据测距任务中对测程和测距精度的要求灵活选择其数量和位置。因此,在无法一次性获取测距波段完整光谱曲线的情况下,单目多光谱被动测距系统采用较少的光谱通道和最简单的直线拟合方法,不仅可以保证系统的测距精度,而且能够减少滤波片更替和软件计算的时间周期,进而增强系统数据采集和解算的实时性。     

光谱分辨率可调的新型干涉成像光谱技术研究

针对色散型和静态干涉型成像光谱仪光谱分辨率固定、系统效能得不到充分发挥等问题,提出了一种光谱分辨率可调的静态双折射干涉成像光谱技术.该技术的创新点之一在于,仪器的光谱分辨能力可调,且调节范围较宽.对于不同的探测目标,利用这一技术,只获取有用的光谱数据,既能满足多目标、多任务光谱图像探测的需要,又可大幅减少对存储空间和通信带宽的占用,有效缩短数据处理时间,提高系统信噪比,从而使仪器总体性能达到最优.本文给出了新技术的具体实现方案及理论模型,对核心元件—横向剪切量可调的新型双Wollaston平行平板分束器进行了光线追迹,给出了其横向剪切量的精确理论计算公式,深入分析了其分光及横向剪切量调节原理.在此基础上,研究了新技术的光谱分辨率调节特性,给出了其光谱调节范围,并对其光谱调节原理进行了实验验证.     

激光脉冲强度对于盖革模式单光子探测测距精度影响的理论研究

在单光子脉冲测距系统中,由于光子到达时间的随机性,使探测到的目标距离具有一定的不确定性,因而单光子脉冲测距系统的测距精度受到一定的限制。基于回波光子与光电子的统计特性,研究了单光子探测器在脉冲测距系统中的脉冲强度,脉冲宽度等参数对系统测距精度的影响。针对常见的回波波形,得到了测距精度与回波脉冲强度及宽度的相互关系式。理论分析结果表明回波激光脉冲强度越高,脉冲宽度越窄,所获得的距离精度越高。     

基于大气氧光谱吸收特性的单目单波段被动测距

根据目标红外辐射在大气中传输衰减的特性探测传感器与目标的距离, 隐身无源, 难于被敌方探测, 发展了一种基于大气氧组分光谱吸收特性的单目单波段被动测距方法.引入视线路径的概念, 将氧物性分布场离散化, 寻找辐射积分路径; 利用离散传递法基本思想, 得到目标窄带辐射强度分布.基于氧分子吸收发射谱独立、吸收系数恰当, 饱和可测范围大等特性, 分析氧吸收波段内谐振频带和远谐振频带辐射强度谱线分布的相对关系, 得到其与积分路径(即距离)的关联. 采用分辨率为0.75 nm半高宽的窄带高分辨率光谱仪, 实地校准氧物性分布场, 实现了测距实验范围75–200 m, 模型测算相对误差最大为7.56%的样机. 关键词： 被动测距 单目测距 单波段测距 氧光谱     

基于逆模型偏最小二乘法的高光谱亚像元目标探测方法研究

目前的高光谱亚像元目标探测算法主要是利用线性混合模型,在背景端元光谱已知的前提下,构造一定的检测算子逐像元判定是否含有亚像元目标。该算法需要较为精确的背景端元光谱先验信息,且目标探测结果受背景复杂度影响较大。从光谱维数据分析的角度出发,将逆模型偏最小二乘法(ILS)和马氏距离奇异值检测方法相结合进行亚像元小目标探测研究。首先建立目标光谱与像元光谱的逆模型,并对像元光谱与目标光谱进行正交变换预处理(SNV),再利用偏最小二乘算法(PLS)计算逆模型的回归系数向量,从而将多维的光谱信息降维,并突出目标光谱信息,最后计算各像元回归系数的马氏距离,判定马氏距离大于3σ的系数所对应的像元点为含有亚像元目标的像元点。该方法仅需要目标光谱的先验信息,对背景的复杂度不敏感。文章采用AVIRIS仿真数据将上述方法与常用的正交子空间投影算法(OSP)的计算结果进行比较,通过比较不同算法的受试者工作特征曲线(ROC)以及信噪比(SNR)变化曲线,证实了该算法具有较快的运算速度和较高的目标探测性能。     

基于高光谱成像技术的微小摄像头检测技术

针对高光谱成像特点,提出了一种基于三维特征检测微小摄像头的方案。在空间维利用猫眼效应筛选疑似目标,在光谱维对结果进行精准判定。依据摄像头结构,分析了可见光摄像头的反射光谱特征。基于几何光学和辐射度学,计算和仿真了系统的探测距离。结果表明,正常工作时,光功率影响最小探测距离,目标尺寸影响最大探测距离。搭建了微小摄像头光谱特征验证系统。结果表明,采用吸收型红外截止滤光片的目标的非反射光占比曲线变化平缓且数值高,采用反射型红外截止滤光片的目标的非反射光占比曲线可见光部分数值高,红外部分数值低,从700 nm附近开始下降,甚至发生突变,实验数据显示,突变位置的斜率绝对值是红外波段斜率绝对值的10倍以上。实验结果与预期分析的结果一致,验证了高光谱成像技术检测微小摄像头的可行性。     

强度调制532 nm激光水下测距

激光水下探测在水下目标搜寻、资源勘探等领域具有重要的应用,而散射是激光水下探测面临的主要挑战.载波调制激光雷达具有抗散射、抗干扰的优点,本文利用自行研制的532 nm强度调制激光源,在3 m长的水箱中搭建激光水下探测系统. 532 nm激光源最大输出功率为2.56 W,强度调制范围为10.0 MHz—2.1 GHz,光束发散角约0.5 mrad.通过在水箱中添加氢氧化镁(Mg(OH)_2)粉末,测量了不同浑浊度下水的衰减系数.采用相位测距的方法,目标反射光的调制信号为探测信号,对激光源进行调制的电信号作为参考信号,利用相关运算获得激光的延时时间,进而可以获得水下目标的距离.最大调制频率为500 MHz时,实现了距离为4.3个衰减长度目标的探测,测距误差约12 cm.探测距离越远,测距误差越大,调制频率越高,测距精度越高.     

基于光谱探测与图像识别的反伪装目标系统研究

为了在野外环境中快速有效地识别敌方伪装的机动目标,设计了基于光谱探测与视频图像目标识别方法联用的目标识别系统。采用视频图像识别技术获取被测区域的二维影像,再通过光谱探测技术识别目标,最终将目标重建在图像相应位置上从而实现目标识别的可视化。理论推导得到了系统可识别目标的函数关系式,根据该函数关系进行了目标识别的量化实验。实验采用汽车模拟被测机动目标,在不同距离上分别以平坦荒地、灌木丛和废弃建筑物为背景,对明显目标、涂覆迷彩色的目标以及遮挡伪装物的目标分别进行光谱探测。实验结果显示,测试背景对光谱探测效果有一定影响,背景的连续性有利于目标识别;伪装方式以伪装物遮挡最难识别,且随着目标与系统的距离增大而信噪比随之降低。综上所述,采用光谱探测技术克服了传统图像目标识别无法识别伪装目标的缺点,可以实现对伪装目标的有效识别。     

超宽带太赫兹时域光谱探测技术研究进展

太赫兹时域光谱(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术是一种非常有效的相干探测技术,具有信噪比高,探测带宽,可在室温下工作,可进行时间分辨测量等特点,广泛应用于材料、化学、生物、安检等领域。较早时期的THz-TDS系统受限于太赫兹辐射源的带宽和光谱探测手段,测量范围有限(<5 THz),较高频段的光谱信息无法得到。为了进一步扩大太赫兹时域光谱探测技术的应用范围,迫切需要发展超宽带(≥10 THz)的太赫兹时域光谱探测技术。本文回顾了太赫兹时域光谱探测技术的发展进程,综述了实现超宽带太赫兹时域光谱探测的主要技术方法,展示了不同测量方法的典型实验方案,同时总结了不同探测方法的优缺点,并追踪了主要研究小组的前沿成果以及最新的应用进展。     

级联EDFA光纤传输系统级间损耗的优化

本文首先推导了给定传输距离条件下,单信道级联EDFA接收信噪比的一般表达式.分析表明,单信道情况下,EDFA的间隔越小,增益越低,信噪比越高.在此基础上,提出了“满足最小接收信噪比要求”的优化准则.对波分复用系统,我们提出了“使最小信噪比最大”的优化准则.实际模拟的结果证明了方法的可行性.采用此法可同时使信这间信噪比差别达到最小.     

宽光谱高分辨率二维光谱信号探测系统设计

针对宽光谱范围高分辨率的中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路对二维光谱的探测需求,分析了探测器与光路系统的匹配关系,提出了面阵光谱探测系统的设计方法,设计了具有高灵敏度、低噪声等特点的二维光谱探测系统。该系统包括主控单元、探测器驱动单元、信号处理单元、数据存储单元以及数据传输单元等主要模块。以滨松S10141型CCD为核心设计的探测系统灵敏度高、动态范围大、信噪比高。结合中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路进行光谱探测实验,结果表明,该探测系统能在200～600 nm宽光谱范围内获得高分辨率二维光谱图像,在Hg灯253.652 nm处单色像斑覆盖5个像素,分辨率达到6.3 pm。     

量子点光谱成像技术与重建仿真

为满足机载星载平台对光谱成像系统紧凑型和轻量化的需求,克服当前光谱成像技术分光系统结构复杂、成本高的不足,提出了基于量子点材料的光谱成像技术方案。将条带状的量子点阵列片放置于前置镜焦面前,利用量子点材料对光谱的吸收特性对探测目标的入射光谱进行调制,使用最小二乘法建立探测目标的光谱重建模型,采用推扫的方式获取数据并进行光谱重建可以获得目标光谱和空间信息。量子点光谱成像技术具有光谱分辨率高、能量利用率高、体积小、光谱范围宽和成本低等优势。分析了不同光谱谱段间隔和噪声等因素对重建光谱分辨率的影响,以及对重建光谱准确性或者失真度的影响。分析得出谱段间隔越低,光谱分辨率越高;重建的准确性和分辨率随着噪声水平的增大而降低;适当的提高谱段间隔,可以提高重建的准确性。将已知数据立方体和它的仿真结果进行对比,可以看出还原得到的量子点光谱图像质量较好,验证了该技术的可行性。量子点材料为光谱成像技术提供了新的途径,在航空航天等小型化光谱遥感领域具有极大的应用潜力。     

一个新的氧吸收法被动测距公式

基于氧气A吸收带的被动测距技术已成为单站被动测距领域最具活力的研究课题之一,但是由于氧气吸收饱和区的存在,限制了被动测距的最大可达范围。采用具有1 cm–1分辨率的Modtran软件进行了分光谱透射率计算,通过数据建模获得了基于目标天顶角和平均氧气吸收率的被动测距公式。该公式避免了氧气吸收率曲线的饱和区,使得氧吸收法的有效距离估计范围可延伸到50 km。此外,该公式还有对吸收率测量误差不敏感的特性,例如,在零海拔处传感器最小可检测的吸收率Aˉ=10-2的偏差,所能产生的距离偏差不超过50 m。该结论有望突破绝大多数氧吸收法被动测距实验局限于较近距离的现状,促进其实际应用。     

近共心腔气体拉曼光谱增强方法研究

对海水中溶存气体(甲烷、二氧化碳等)的探测是海洋环境监测和资源探测的重要环节,由于拉曼光谱技术可实现多组分同时探测的优势,被视为发展海洋溶存气体探测技术的首选,而探测灵敏度的提高则是推动该项技术实用化的关键。针对提高拉曼光谱气体探测灵敏度这一问题,设计并搭建了一套基于近共心腔拉曼信号增强系统,开展了信号收集方向和激发光多次散射模式对信号强度和信噪比影响的研究。研究发现,信号收集方向与腔镜光轴之间的夹角越小,所收集的信号越强、信噪比越大,当夹角为30度时,信噪比是垂直方向的16倍;近共心腔直线型多次反射模式,与共心腔模式相比信噪比增强了近三倍。采用最优化实验条件,该系统与常规拉曼系统相比,信号强度和信噪比增强效果均在70倍左右。根据该系统对空气中CO₂的相应强度(空气中CO₂的浓度为0.648 mg·L-1),以三倍于噪声强度计算检测限,估算出该系统对CO₂的探测灵敏度约为0.19 mg·L-1,依据CO₂与CH₄拉曼散射截面比为1/6,估算该系统对甲烷的检测限约为11.5 μg·L-1。     

激光多模式毛细管电泳检测器的光学设计及优化

提出一种基于毛细管电泳的激光多模式检测器.为设计并优化其光路构型,进行了理论分析和数学推导,并采用Matlab仿真,得到光路中各参量优化取值范围.在热透镜通道,激发光束腰半径越小,则热透镜效应越强.而探测激光束腰半径、束腰与样品距离、样品与探测面距离三个参量综合决定检出信号强度;在回射干涉通道,聚焦透镜焦距应较短,它与毛细管距离对检测影响很大,而与激光器、与探测面的两距离对检测影响相对较小;热透镜效应对回射干涉检测影响不明显,如要严格消除,可将两通道错开一适当距离.     

高功率钕玻璃啁啾脉冲放大系统光谱整形

增益窄化效应限制了啁啾脉冲放大系统输出的最短脉冲宽度,需要对注入放大系统的种子啁啾脉冲进行光谱整形,以保证放大后的啁啾脉冲光具有足够的带宽并满足特定的光谱分布.理论上假定放大后啁啾脉冲的光谱分布为高斯分布或超高斯分布,对"百焦耳级钕玻璃啁啾脉冲放大系统"进行逆运算.研究发现,所需种子啁啾光的能量、带宽以及压缩后脉冲的信噪比都与该分布密切相关.通过光谱整形,使放大后的啁啾脉冲光的光谱分布为二阶超高斯分布.能够获得小于400 fs高信噪比的超短脉冲输出,此时所需种子啁啾脉冲能量仅为33μJ,带宽14 nm,在装置前级注入能力的范围之内.为百焦耳装置光谱整形实验的开展提供了理论指导.     

窄带傅里叶变换光谱仪中平稳高斯噪声的理论分析

在本文所研究的空间调制型傅里叶变换光谱仪中, 在窄的光谱带宽内进行探测可以有效提高光谱的分辨率. 为了研究光源辐射噪声对系统的影响, 本文将辐射噪声归纳为一种高斯窄带的平稳随机过程, 利用线性系统分析方法, 根据统计学原理推导了辐射噪声作为随机变量通过干涉系统前后的输入信噪比与输出信噪比. 然后, 对于一个具有窄带矩形光谱的系统进行了计算仿真, 得出了信噪比增益随着光程差在不同自相关度和互相关度取值时的变化情况. 仿真结果表明, 不同光程差下的信噪比增益在相关度空间是一单调的平滑曲面, 增益极值始终沿着相关度圆的半径和周线移动, 并且经过一个光程差又回到初始的位置. 根据对信噪比增益的分析, 可以将噪声的相关度取值控制在某一范围之内, 并作为系统光源设计与测试的依据.     

双通道符合计数光子外差探测系统仿真构建与研究

本文提出将符合测量方法用于光子外差测速技术中,将光子符合计数模式应用于光子外差测速系统,能够在一定程度上减少背景噪声、暗噪声和后脉冲带来的光子误计数,提高信噪比等测速性能。基于外差原理与单光子探测的泊松响应,以及光子符合计数原理,本文仿真研究了双通道符合计数光子外差系统的性能,利用1550 nm连续波激光器探测匀速运动目标,结果表明,双通道符合计数模式下中频信号功率谱的信噪比明显高于单通道自由运行模式和一阶滤波下的功率谱信噪比。随着信号光子数增加,两种计数模式的信噪比能够相差2～3 dB。针对该方法,又进一步通过仿真研究了本振光强、背景噪声、中频频率、探测时长四个因素对双通道符合计数光子外差测速系统性能的影响。结果表明,随着本振光强与信号光强的比值逐渐增大,系统信噪比先增大后减小,在kL=3附近时达到最大;背景噪声越大,饱和信号光子数越大,饱和信噪比越低;探测时长越长,饱和信噪比提高幅度越大;而在探测带宽之内,中频频率也即运动目标的速度对结果影响较小。本文从改变前端光子计数模式的角度提高光子外差探测系统的性能,为提高光子外差测速的信噪比拓宽了思路。     

仪器分辨率对氧气A带被动测距的影响分析

透过率的计算是红外目标被动测距技术的核心,其精度直接影响到被测距离的精度,而仪器分辨率又直接影响到光谱信号的精度。为了研究光谱仪器分辨率对带平均透过率的影响,选用氧气A带为研究对象,采用基线拟合方式计算被测目标的带平均透过率,利用随机Malkmus模型计算被测目标距离,从而获得仪器分辨率对被动测距的影响。为此,搭建了被动测距实验系统,通过对卤素灯光源在不同距离的光谱测量,验证仪器分辨率对带平均模式被动测距的影响。首先,介绍氧气A带透过率的计算方法,计算理论值;以卤素灯为光源,利用光谱仪分别测量相同距离不同分辨率的光谱曲线,计算实测大气透过率,分析光谱分辨率对单谱线的影响;然后,在分析比较透过率模型和实测透过率谱线的基础上,对透过率计算模型进行拟合、校正,验证光谱分辨率对带模型的影响。对于单条谱线,仪器的不同分辨率可测得的谱线区别较大,而对带平均谱线,相同波数点的光谱信号取平均,获得平均效应,使得被测谱线几乎没有变化;分辨率的模型选择需根据不同的应用场合、不同的精度要求选择合适的分辨率。实验结果表明：分辨率对单谱线的透过率影响较大,随着分辨率的降低,被捕获的光谱信息点取值越少,被测目标距离相关系数越小;分辨率对带平均透过率的计算影响较小,不同分辨率下测得的目标距离,几乎重合;而仪器分辨率越高则测量时间越长,当使用带平均透过率计算被测目标距离,在精度要求范围内,可以适当降低仪器分辨率,从而极大地提高测量速度,并达到测量实时性,同时降低系统搭建的成本。该结论可为透过率测量的应用提供依据。     

地球大气系统对红外目标探测影响的分析

利用SBDART软件包计算了不同地球大气系统下2．5～5μm波段范围内的大气透过率和地球大气背景红外辐射光谱。计算目标与地球大气背景之间的信噪比,并据此分析了地球大气系统对红外目标探测的影响。结果表明：当目标位于卷云之上时,在2．5～3μm波段与4～4．5μm波段信噪比较大,信噪比随着目标高度的升高而增大,易于探测;当目标处于卷云以下时,卷云对红外信号有较强的吸收作用,光学厚度对信噪比影响较大,粒子尺度对信噪比影响不大,卷云厚度越大,信噪比越小。