公里级激光反射层析实验和碎片质心估计

大功率激光清理低轨大量厘米级空间碎片一直是国际学术研究的热点.其中,空间碎片的精确定位和碎片质心距离的高精度测量是关键,也是亟待解决的世界性难题.作为一种新型远距离、高分辨率的成像方法,激光反射层析具有成像分辨率与探测距离无关的优势,是远距离空间暗目标探测的有效途径.基于激光反射层析原理,建立厘米级空间碎片目标质心模型,分析碎片目标与探测器的相对运动,进而提出厘米级空间碎片质心距离估计方法,开展了1 km探测距离激光反射层析实验验证.实验结果表明,该方法能够将质心探测精度由1.50 cm提高到0.34 cm,是实现厘米级空间碎片质心距离高精度测量的有效手段.该研究实现了公里级激光反射层析实验及其理论验证的突破,具有更广阔的应用前景和技术发展潜力.     

反射层析激光雷达小系统成像模拟

对反射层析激光雷达近场小系统成像进行了理论分析与模拟验证,当目标处于瑞利-索末菲衍射区域,到达目标的波前属于球面波衍射。根据奈奎斯特定律对球面波反射层析图像重建所需角度采样数,单投影采样点数约束条件进行了推导。引入了折线的方法,用于避免平方开方的距离运算,缩短图像重建时间。数值模拟表明此方法可以在降低计算量的前提下实现图像重建,随着探测距离的拉长,折线重建图像与参考图像相似度越来越高。     

基于角度-多普勒分辨的反射层析激光成像雷达研究

设计了一种基于角度-多普勒分辨的接发同轴反射层析激光成像雷达系统,给出了基本成像原理和数学表达,相应分析了目标横向距离分辨率和单个角度采样时间的关系。并在实验室平台上模拟远场衍射传输,获取探测目标的角度-多普勒分辨的反射投影图,采用滤波反投影算法实现目标横截面图像重建。此方法采用相干外差探测,可以大大提高雷达接收信号灵敏度,同时不涉及光频空间相位和时间相位,成像中没有相位匹配过程,降低了实施技术难度,具有一定的实际意义和使用价值。     

变分贝叶斯解卷积法在激光反射层析成像中的应用

基于距离分辨的激光反射层析成像是一种兼顾远距离和高分辨率成像特点的新型激光成像系统。激光发射脉冲宽度大于采样周期时,接收回波被视作反射率分布与发射脉冲的卷积。在重构目标反射率分布轮廓时成像分辨率降低。运用变分贝叶斯方法对1维探测回波信号进行非盲解卷积处理,对探测回波进行脉冲压缩,有效解决了由卷积效应带来的图像降质。设计了激光反射层析实验,并对实测数据进行了处理。重构图像表明此方法有效提高了系统成像分辨率。     

静止轨道星载差分吸收光谱仪CCD成像系统设计

静止轨道卫星差分吸收光谱仪采用摆扫成像方式对大气进行探测,针对其工作时CCD成像系统信噪比大于1 000、高速探测模式下探测周期小于10min、高分辨率模式下探测周期小于1h的要求,进行CCD成像系统设计.选取CCD47-20作为探测器,设计成像电路实现光谱图像信号的采集和上传.分析了帧叠加和像元合并对时间、空间分辨率的影响.结合帧转移CCD的特点设计了每个位置最后一帧读出时摆镜转动的成像方式,并合理设置了帧叠加数和像元合并数,达到优化成像周期的目的.1s曝光时间条件下,该CCD成像系统的高速、高分辨率模式探测周期分别为515s和3 315s,图像信噪比均大于1 000,污染物观测实验中未出现失帧或重复的现象.该CCD成像系统方案满足静止轨道星载差分吸收光谱仪的探测需求,为静止轨道环境监测仪器设计提供参考.     

聚束非相干合成孔径激光成像雷达研究

反射层析激光成像雷达只能获得目标的二维轮廓像,不能对平面目标进行成像。报道了聚束模式下的非相干合成孔径激光成像雷达实验,在这种成像模式下,可以对二维平面目标进行图像重构。采用侧视观察的模式获取目标的角度-距离-强度信息,然后通过滤波反投影实现平面目标的图像重建,并进行了计算机仿真,证明了实验结果的正确性。该系统作为非相干合成孔径激光雷达的一种,实现了区别于目标轮廓的二维成像,具有一定的实际意义和使用价值。     

双扫描激光雷达精细探测低层大气气溶胶方法

为实现水平非均匀分布的低层大气气溶胶光学特性的遥感探测,提出一种基于双扫描激光雷达的气溶胶精细探测方法.该方法以扫描激光雷达为遥感探测工具,通过双激光雷达相向交叉扫描工作模式,实现对同一空域近地表气溶胶全视野剖面的交叉探测,从而提供双激光雷达方程组以精确求解气溶胶消光和后向散射系数.在数据反演过程中,通过对交叉扫描区域进行坐标化和网格化处理、网格像素单元的初值预设,以及双扫描激光雷达方程组的数值逼近反演得到气溶胶消光.利用长距离扫描激光雷达的数据对该方法进行验证,结果表明,该方法与多角度方法反演所得到的结果随高度变化的趋势具有高度的一致性;同时双扫描激光雷达可提供交叉扫描区域剖面的气溶胶浓度分布,相比于单条廓线具有较大的优势.     

基于相位差异技术的车载白天高分辨成像系统

在1.2m车载望远镜的基础上,通过机上折轴卡塞格林焦点,将主光学系统与白天成像系统相连,实现了白天高分辨成像.该系统采用短波红外波段,在精密跟踪的同时,校正大气波前整体倾斜.近红外波段的双通道成像系统,通过在焦与离焦像面同时采集后,利用相位差异技术来提高成像分辨率.该系统探测能力达到5等星,成像分辨率接近两倍衍射极限,观测时间比自适应系统延长6h.     

基于生产者/消费者设计模式的荧光激光雷达数据采集系统

荧光激光雷达技术作为长距离探测有机气溶胶的主要手段之一,常用于有机气溶胶的探测、预警、识别与追踪,为了尽早发现有机气溶胶防止危害,提高荧光激光雷达系统探测时间分辨率及预警速度具有重要意义。针对以上荧光激光雷达对高时间分辨率、响应快的需求,提出了一种数据采集系统设计方案,该系统基于生产者/消费者模式将激光雷达信号探测过程分为数据生产和数据消费两模块,结合软件多线程技术降低了两模块的耦合度,提高了两模块的并行度,有效地缩短了荧光激光雷达的探测周期。测试结果表明,当荧光激光雷达多脉冲累加采集周期为100ms,单次触发采样点数量为20000时,激光雷达探测时间分辨率的实际提升率达到40.51%,且与理论公式具有良好的一致性,该系统可以应用于荧光激光雷达的高时间分辨率数据采集。     

大孔径空间外差干涉光谱成像技术多谱段成像仿真

在大孔径空间外差干涉光谱成像技术（LASHIS）的基础上提出了一种多谱段成像方案.其采用LASHIS的外差探测原理,一方面,可通过较少的采样点数实现很高的光谱分辨率,保留了LASHIS的高光谱分辨率、高稳定性和高探测灵敏度的特点;另一方面,利用光栅的多级衍射性质,实现同一系统的多谱段同时探测,拓宽了光谱探测范围.首先,阐述了LASHIS多谱段成像方案的基本原理;然后,分析了多谱段探测与谱段解混方式;最后,对该方案进行了计算机仿真模拟,通过ZEMAX光线追迹的干涉图结果与理论计算结果相符合,验证了方案的正确性.基于LASHIS的多谱段成像方案所具有的高光谱分辨率、高探测灵敏度以及可实现同一系统的多谱段同时探测特点,尤其适合温室气体等高稳定性、高探测灵敏度的多谱段高光谱探测应用.     

地表反照光对天基空间目标的成像影响

天基空间目标观测时, 在对空间目标的可见光特性提取的过程中, 随着其姿态的不断变化, 存在太阳光照射不到目标表面、或是在某一特定位置由于目标的强烈反射导致太阳光照度不均匀的情况. 针对这些问题, 分析了在可见光和近红外波段空间目标表面的光照特性, 提出了利用地表反照光作为天基空间目标成像辅助照明光源的思想, 给出了一种精确的建模方法. 基于漫反射模型建立了地表反照光在空间目标表面的照度计算方法, 借助satellite tool kit卫星工具软件获取太阳、目标的坐标, 省去了以往方法中烦琐的矩阵相乘和坐标转换过程; 对任意时刻的地表有效反照区域给出了判断, 引入对地球表面进行网格划分的方法, 对划分后的每一个面元均匀采样, 通过数值积分可计算出整个有效地表反照区域的地表反照辐射. 以某天基成像任务中的太阳同步轨道卫星为例, 就地表反照光对目标的光照情况进行仿真, 计算得出卫星在经过北极上空时可以利用地表反照光作为辅助光源这一重要结论. 仿真结果验证了建模方法的正确性.     

车载测污激光雷达对大气边界层气溶胶的斜程探测

利用自行研制的车载测污激光雷达系统 (AML 1)对大气边界层气溶胶进行了斜程探测 ,并给出了与之相应的数据处理方法。将该雷达相近时间内斜程测量与垂直测量的数据进行对比 ,结果表明此斜程探测及数据处理方法是合理可行的。文中列举了某斜程方向 (2 0°天顶角 )气溶胶随时间的演化图 ,以及某垂直剖面内气溶胶消光系数二维扫描图 ,这些典型结果很直观的反映了气溶胶时、空分布情况 ,对实现连续、实时、大范围污染监测有重要意义。     

Imaging resolution analysis in limited-view Laser Radar reflective tomography

In many applications of Laser radar reflective tomography, anisotropic resolution of images reconstructed from an incomplete set of reflective projections will degrade imaging quality. In this paper, we present the theoretical point spread function (PSF) of imaging system over full views for reflective tomography. The corresponding imaging resolution of the PSF was determined by Rayleigh's criterion, here the most common algorithm of filtered backprojection was used for image reconstruction. The theoretical imaging resolution was derived approximately from the range resolution resolved by the laser pulse. The simulated horizontal imaging resolutions of an ideal diffused single point target in different limited-views were compared with the theoretical value. Experimental reconstructed images from limit-view projections of letter “E” illustrated the effects of anisotropic resolution.     

一种成像光谱仪前置物镜的设计

未来的成像光谱仪要求其光学系统在宽视场和宽波段范围内有高的空间分辨率和光谱分辨率。提出了一种无遮栏三反射镜系统的设计方法。所设计的三反射镜消像散系统包括两个非球面凹反射镜和一个凸球面反射镜。系统的视场角可达到5°,并实现了平场、远心光路的设计,可满足大视场高分辨成像光谱仪前置物镜的使用要求。     

Fourier-wavelet regularized deconvolution (ForWaRD) for lidar systems based on TEA-CO2 laser

Lidar is an efficient tool for remotely measuring physical quantities or detecting targets. To improve the range resolution in long pulse lidars, such as lidar systems based on TEA-CO₂ lasers, deconvolution methods were used by previous investigators. Deconvolution is a noise sensitive process. In order to avoid noise amplification during the deconvolution process, the Fourier-wavelet regularized deconvolution method is used to deconvolve and denoise the back-scattered lidar signal simultaneously. This method is applied to lidar systems based on the TEA-CO₂ laser and the results are compared to nitrogen tail clipping method. Numerical simulation shows, in comparison to the clipping nitrogen tail technique, by using the ForWaRD method; the range resolution and working distance of the lidar is improved and the clipping tail apparatus is also eliminated.     

机载激光3D探测成像系统的发展现状

机载激光3D探测成像是通过激光主动成像产生目标的角-角-距、角-角-速度3D图像的一种新的探测成像技术.本文重点阐述了机载激光3D探测成像系统的原理、功能和系统的组成.介绍了该系统在军事和民用两大领域的应用,详细地讨论了近几年机载激光3D探测成像技术的国内外发展现状及动态,总结了该项技术的发展方向.认为国外的机载激光3...     

条纹管激光成像系统空间分辨力实验研究

简要分析了非扫描激光成像的技术优势,介绍了利用条纹管实现非扫描激光成像的工作原理,说明了图像空间分辨力与系统距离精度的对应关系。对影响图像空间分辨力的主要因素进行了理论分析,得到了系统总空间分辨力与各单元器件空间分辨力和放大倍率的对应关系,在此基础上,对现有条纹管成像系统进行了相应的计算,得到了空间分辨力的理论预期值;最后,提出了一种基于分辨力板成像的系统空间分辨力测试方法,设计了相应的验证实验,对实测图像进行了去噪处理和数据分析,得到了图像的衬比度传递函数(CTF)曲线,通过衬比度传递函数分析,计算出了成像系统的实际空间分辨力,并将实测的分辨力数据与理论值进行了对比分析。     

全反射式高分辨率傅里叶成像光谱仪的研究

提出了一种基于分波前干涉结构的全反射式高分辨率傅里叶变换成像光谱仪。其中前置望远系统及干涉成像系统都采用了反射式光学元件,反射表面镀金属反射膜,使系统可应用与很宽的光谱范围内。分析和讨论了光谱仪的工作原理及光学结构,设计了两种可行的光路结构图,并通过初步实验验证了系统的基本性能。     

Multipulse gate-delayed range gating imaging lidar

We present a technique to reconstruct a higher resolution of depth map of range gating imaging lidar by applying the delays of the gates to a typical range gating lidar system during the detection of each returned laser pulse with the encoding of the returned signal. With the consequent delays of the gate, the depth of the scene is extended accordingly. A multipulse gate-delayed range gating lidar system is designed to prove the resolution improvement from 6 to 1.5 m. The unchanged peak power of the laser, the widths of the laser pulse and the sampling period result in a simple structure of the lidar system.