基于距离选通成像系统的水下目标探测技术研究

 基于距离选通原理,采用波长为532 nm、脉冲宽度为20 ns的Nd∶YAG激光器和距离选通ICCD成像系统,通过脉冲激光照射水下目标,ICCD系统同步选通接收,对漫射衰减系数约为0.45的8 m水深内的水下目标的成像能力进行了实验研究,获得了10 ns的图像选通效果和7 m的探测能力。实验结果表明,距离选通成像方法是一种快速、有效的水下目标探测和识别手段。     

非共轴四通道偏振成像方法研究

针对当前偏振成像方法的实时性不好、能量利用率低以及分辨率不高等问题，提出了一种非共轴四通道偏振成像方法。该方法通过4个通道采集不同偏振方向的图像来融合计算偏振度图像。数值仿真分析了影响系统偏振成像结果的通道间距、通道平行度和偏振片检偏角度误差，得出了满足偏振成像精度达到1%的系统参数容限。在实验研究方面，研制出了非共轴四通道的偏振成像系统，并对室外距离约为50 m的车辆进行了实验。实验证明了该系统可以有效地对目标进行偏振成像。     

一种光谱偏振成像系统设计及应用

为了获取目标和背景的偏振信息,提高地面目标识别的准确度,提出一种光谱偏振成像探测系统。该系统采用旋转偏振片的方式对入射光的偏振状态进行调制,通过旋转滤光片进行光谱选择,从而实现光谱偏振成像探测。通过对该系统偏振度的探测精度进行实验测试,结果表明,所设计的光谱偏振成像探测系统达到4%的探测精度。利用该系统对地物背景中的迷彩伪装板进行了探测实验,分析所得的偏振度图像发现,目标在背景中较为明显,与草地及土壤背景区域偏振度的差值分别达到0.292和0.283。     

引信红外偏振成像探测机理及关键技术

目标处于复杂场景时会对目标探测带来负面影响的干扰,会给目标识别带来了很大的影响。红外偏振成像探测是利用人造目标与自然目标以及真实目标与伪装目标的红外辐射偏振特征的差异来提高目标识别效果的。在复杂背景下识别和攻击目标是引信智能化的重要体现,因此探讨如何将红外偏振探测技术应用于引信是十分必要的。在分析红外偏振成像探测机理的基础上,对该技术用于引信的关键技术问题进行了分析,为引信红外偏振成像探测的研究奠定了基础。     

星载成像光谱仪退偏器的设计及测试

为保证星载成像光谱仪测量结果的准确性,设计了双巴比涅退偏器。首先利用电磁波理论及光波传输理论分析了双巴比涅退偏器的工作原理,接着根据偏振光在双折射晶体中的传播公式设计出适当的该退偏器的楔角,最后搭建一套偏振测试装置,对研制完成的双巴比涅退偏器的退偏性能进行测试。测试结果表明:该双巴比涅退偏器在-15~15℃入射角范围内具有较好的退偏性能。退偏器楔角选择6°时,能在不影响成像质量的前提下较好地对探测波段退偏,且退偏度不受方位角及频率的影响,退偏度优于99%。该退偏器具有退偏度高、透射比高、性能稳定、体积小等优点。由于测量系统误差,测量不确定度为0.00290。     

激光照明水下目标距离选通成像系统的研制

基于水下目标探测的应用需求,研制开发了一套激光水下距离选通成像系统。系统采用波长532 nm、最大单脉冲能量400 mJ的Nd:YAG脉冲激光器作为照明光源,采用最小选通门宽3 ns、像元10241024的ICCD相机作为门选通器件和图像记录器件,利用DG535型数字脉冲发生器作为精确延时和同步控制器件实现激光脉冲和ICCD相机选通门的同步以实现距离选通功能。利用该系统在某水库进行了水下目标探测实验,实验结果表明,该系统可在6.5倍的衰减长度上识别目标,在8倍衰减长度上发现目标。     

热红外偏振成像技术在目标识别中的实验研究

简要分析了热红外偏振探测与热红外强度探测在物理含义方面的区别,由此提出了一种利用偏振信息在红外图像中识别目标的新方法。通过热红外偏振成像系统获得了目标的偏振图像,并由计算机提取出了图像中的偏振信息。由于目标与自然背景的热红外偏振特性有较大的差异,所以通过分析这些信息,可以更好的识别目标。实验结果表明,该方法不仅可以很好地识别自然背景中的人造目标,而且对热红外伪装目标的识别也很有效。     

基于微光像增强器的偏振成像系统设计与实验

为验证用微光像增强器实现偏振成像的可行性,根据偏振成像原理,设计了基于分时型偏振成像技术的微光偏振检偏器。选用三代像增强器和高动态范围数字CCD,设计了相应大口径成像物镜和中继光学耦合透镜,获得了高透过率、高调制函数（MTF）的图像耦合性能。采用数字CCD、数字图像采集卡,编写了相应图像处理软件,实现了实验室和野外微光条件下的人造目标和自然景物的偏振探测成像。结果表明,原始图像中目标与背景对比度之比为1.35,基于微光像增强器的偏振成像系统的目标与背景对比度之比为2.35,微光偏振成像能够提高夜间环境下人造目标和自然背景的对比度。     

检偏角对水中光脉冲后向散射特性的影响

水体自身对光脉冲有着较强的散射,这限制了水下目标探测的有效检测距离。利用偏振技术对近处水域散射信号进行抑制,有着极大的应用价值。实验探测和分析了探测系统检偏角不同时,水体对激光脉冲后向散射特性的影响。结果表明,检偏角不同时,光脉冲后向散射信号的前沿、后沿、脉宽、峰值、波形以及脉冲面积等特性都会发生变化;利用偏振技术可以有效地对近处水域的散射进行抑制。     

伪装目标与背景的偏振对比特性

为解决传统光强探测手段难以有效探测和识别伪装目标这一难题,基于偏振探测技术搭建了光谱偏振探测成像系统,利用该系统在位于442.0,545.5,670.5,850.5 nm的窄波段对典型草地、土壤背景下的某型深绿色和土黄色伪装涂层进行了光谱偏振探测实验研究。并通过编制的图像处理软件对测试结果进行处理分析以提取其中的偏振信息,获得了目标与背景偏振度和偏振对比度随探测波长和探测角的变化规律。研究结果表明,合理地选择偏振成像探测条件可以使伪装涂层与背景之间存在较大的偏振对比度,可以实现对传统伪装涂层涂覆的目标的有效探测和识别。     

EMCCD集成偏振-微光一体化成像技术研究

单一探测器实现多维度信息获取是光电探测未来的发展方向。针对目标探测中能量和偏振信息不能兼顾的问题，提出了一种同时具有偏振-微光功能的像元阵列结构。通过引入白光通道和精简偏振通道，可在EMCCD器件上实现偏振和微光探测的一体化集成。实验结果表明，在微光条件下，探测器高灵敏性能被保持，低照度下的成像质量几乎不衰减；偏振模式下，白光通道和两个偏振角度使探测器能够获得足够的偏振信息，实现对目标的偏振探测。该方法实现了高灵敏度成像探测和偏振信息探测的同步获取，是一种通过算法处理就能够实现探测模式可重构的新方法。     

基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题, 在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值. 传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制, 限制了其在水下成像过程中的实时探测性能. 本文通过分析偏振差分探测原理来建立偏振差分成像模型, 从理论上提出了基于Stokes矢量的计算偏振差分水下实时成像系统, 并进行了实验验证. 研究结果表明, 基于Stokes矢量的计算偏振差分成像不仅与传统的偏振差分方法具有相同的水下探测效果, 更重要的是可以实现快速成像过程. 该方法可以应用到目前的偏振成像仪器系统, 实现无需人-机互动的自动化实时偏振差分水下成像, 进一步提高水下物体探测与识别的效率.     

微脉冲偏振激光雷达探测城市底层气溶胶

以单脉冲能量2μJ,重复频率1kHz的Nd∶YAG固体激光器为光源研发了一台便携式人眼安全可三维扫描的微脉冲偏振激光雷达系统,可实现对城市底层气溶胶球形特性和分布情况的探测.为保证在西北地区等高密度气溶胶聚集的地域,实现近地表80～1 000m范围内的精确探测,系统的光电检测采用模拟探测技术.利用该激光雷达系统首次对冬季西安局部地区1 000m范围内大气气溶胶退偏比进行了俯仰扫描探测,并分析了天气过程和地面状况对退偏比的影响.实验结果表明,探测期间无明显沙尘事件发生,探测区域内气溶胶的退偏比在0.1左右,在无绿化带的交通干道交叉口等局部区域,受地面状况影响退偏比偏高,并获得了退偏比值与天气过程的初步关系,同时也验证了系统的可行性.研究成果可对城市底层气溶胶的产生、传输及扩散特性研究提供科学数据.     

微脉冲偏振激光雷达探测城市底层气溶胶

以单脉冲能量2μJ,重复频率1kHz的Nd:YAG固体激光器为光源研发了一台便携式人眼安全可三维扫描的微脉冲偏振激光雷达系统,可实现对城市底层气溶胶球形特性和分布情况的探测.为保证在西北地区等高密度气溶胶聚集的地域,实现近地表80~1000m范围内的精确探测,系统的光电检测采用模拟探测技术.利用该激光雷达系统首次对冬季西安局部地区1000m范围内大气气溶胶退偏比进行了俯仰扫描探测,并分析了天气过程和地面状况对退偏比的影响.实验结果表明,探测期间无明显沙尘事件发生,探测区域内气溶胶的退偏比在0.1左右,在无绿化带的交通干道交叉口等局部区域,受地面状况影响退偏比偏高,并获得了退偏比值与天气过程的初步关系,同时也验证了系统的可行性.研究成果可对城市底层气溶胶的产生、传输及扩散特性研究提供科学数据.     

一种基于强迫性选择MRC测量的新方法

与传统光电成像系统成像质量的评价方法相比,最小可分辨对比度(MRC)能够更全面地反映光电成像系统的极限性能。它考虑了系统的灵敏度、噪声、目标空间频率以及人眼视觉特性等因素对系统阈值对比度的影响,可用于光电成像系统的视距估算。在分析微光ICCD成像系统工作原理的基础上,研制了新型微光ICCD成像系统MRC特性测试仪。以该系统为实验装置、以Weibull心理测量方程为理论基础设计了一种选择性靶标。基于选择性靶标,提出了一种基于强迫性选择MRC测量的新方法,利用该方法对微光ICCD成像系统进行了实际测量。该方法对建立微光ICCD成像系统MRC理论模型具有重要的指导意义,对直视型微光成像系统MRC特性的测量具有借鉴意义,对光电成像系统成像质量的评价具有重要的使用价值。     

Temporal filtering with fast ICCD cameras in Raman studies

A common problem when applying Raman scattering in applied research is spectral interference from laser‐induced fluorescence. Extensive work has been invested in developing spectral and polarization filters as well as modulation schemes to refine spontaneous Raman signals. This current work, however, focuses on utilizing the temporal domain using a picosecond laser system and ICCD cameras with relatively short decay of the camera gate to prevent the fluorescence tail from being captured in Raman experiments. Further, the approach of using an ICCD camera to perform temporal filtering is compared to earlier proposed detection schemes using streak cameras or Kerr gates. The temporal‐filtering scheme is evaluated in a spectroscopic investigation where a background subtraction algorithm is presented. The temporal‐filtering scheme was also evaluated for Raman imaging of a levitated water droplet surrounded by fluorescing toluene vapor. Furthermore, the temporal‐filter detection scheme was simulated in order to provide straight forward evaluation tools to estimate the potential of performing temporal filtering with a laser/camera system considering: laser‐pulse duration, time jitter, camera‐gate characteristics, gate delay times, fluorescence lifetimes, and relative signal strength between the Raman and fluorescence signal. The fluorescence signal was modeled with a closed two‐level system, and the simulated results were compared to results from an investigation of the rising slope of toluene fluorescence. These evaluation tools and experimental investigations may serve as guidelines for planning and performing Raman measurements in situations where traditional filter‐rejection schemes are insufficient. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

国家自然科学基金(40776059)资助

为了克服水下探测中后向散射光背景噪音的影响,提出了非均匀光场水下探测方法,推导得出非均匀光场的照度分布函数与接收口径、目标与接收器的距离以及海水的体积衰减系数几个因素有关.通过搭建集束光水下图像系统,对其产生的非均匀光场的分布特性和水下探测特性进行了水池实验.观测结果为,在0.6倍能见度下,可分辨1 mm细节,在1倍能见度时,可分辨目标轮廓,在1.5倍能见度时,可探测到目标.结果证明,该系统具有宽视角、全景深、图像清晰度高等特点.