恒温双色光源夜间能见度观测方法研究

能见度一般为人眼视觉能够观测目标物的最大估计水平距离。能见度的观测和预报已经广泛的应用于气象预报、环境污染分析、交通运输等各个领域。现有的能见度观测方法主要分为散射式与透射式。其中数字摄像式能见度观测方法最贴近能见度定义,随着数字摄像技术的发展,加快了数字图像能见度的测量方法的研究与应用。但在利用数字摄像进行夜间能见度观测量过程中不可避免的受到不同天气背景光、光源灰度等影响从而造成能见度测量不稳定,观测结果精度低、观测范围较小。已知利用双光源的稳定性可以保证能见度的测量精度,大多数研究都是通过使用白光源的角度来解决能见度的测量不稳定问题。本文从准单色光源的角度出发,通过不同频段光源对能见度的穿透能力不同,在可见光范围内对不同频段光源的穿透能力进行特性分析。在已有的双光源基础上,提出了一种改进的恒温双色光源夜间能见度观测方法,实现在不同天气状况下,对能见度的高精度、大范围观测。通过设计恒温双光源,消除了环境温度变化对光强的影响;恒压恒流模块保证双光源光强一致性;利用积分球保证光强的均匀性;根据不同频段光源对能见度的穿透能力不同,选用双色光源实现高精度、大范围能见度的有效测量。在恒温双色光源的能见度观测系统中进行一系列的实验验证,实验结果表明两个光源的一致性达到0.99,能见度不好时,蓝光到达相机的光强弱,红光的测量结果接近真值;晴天时夜间能见度良好,蓝光透射率差值大,有利于提高信噪比,双光源为蓝光的标准差36.90,蓝光的测量结果接近真值。当观测极限为15 000 m时,进行1个月的实验观测,通过与真实值进行比较,所提出的改进恒温双色光源夜间能见度观测方法能够很好的在能见度观测极限范围内进行准确的测量。     

恒温双色光源夜间能见度观测方法研究（英文）

能见度一般为人眼视觉能够观测目标物的最大估计水平距离。能见度的观测和预报已经广泛的应用于气象预报、环境污染分析、交通运输等各个领域。现有的能见度观测方法主要分为散射式与透射式。其中数字摄像式能见度观测方法最贴近能见度定义,随着数字摄像技术的发展,加快了数字图像能见度的测量方法的研究与应用。但在利用数字摄像进行夜间能见度观测量过程中不可避免的受到不同天气背景光、光源灰度等影响从而造成能见度测量不稳定,观测结果精度低、观测范围较小。已知利用双光源的稳定性可以保证能见度的测量精度,大多数研究都是通过使用白光源的角度来解决能见度的测量不稳定问题。本文从准单色光源的角度出发,通过不同频段光源对能见度的穿透能力不同,在可见光范围内对不同频段光源的穿透能力进行特性分析。在已有的双光源基础上,提出了一种改进的恒温双色光源夜间能见度观测方法,实现在不同天气状况下,对能见度的高精度、大范围观测。通过设计恒温双光源,消除了环境温度变化对光强的影响;恒压恒流模块保证双光源光强一致性;利用积分球保证光强的均匀性;根据不同频段光源对能见度的穿透能力不同,选用双色光源实现高精度、大范围能见度的有效测量。在恒温双色光源的能见度观测系统中进行一系列的实验验证,实验结果表明两个光源的一致性达到0.99,能见度不好时,蓝光到达相机的光强弱,红光的测量结果接近真值;晴天时夜间能见度良好,蓝光透射率差值大,有利于提高信噪比,双光源为蓝光的标准差36.90,蓝光的测量结果接近真值。当观测极限为15 000 m时,进行1个月的实验观测,通过与真实值进行比较,所提出的改进恒温双色光源夜间能见度观测方法能够很好的在能见度观测极限范围内进行准确的测量。     

基于双光源图像特征的夜间能见度观测方法研究

以视觉方法观测能见度为研究核心,提出了基于双光源图像特征的夜间能见度观测方法,完成在各种不同天气情况下,对能见度的大范围、高精度、高鲁棒观测。首先分析多次散射条件下,光源图像亮度变化与大气消光之间的关系,得出反演能见度的基本模型,接着,研究了准确获取与能见度相关的光源图像特征提取算法,并提出了一种能消除光源波动的双光源能见度计算方法。最后,使用基于双光源图像特征的能见度观测系统在不同气象条件下进行实验,结果表明,在采用35 m基线长度,设定观测上限为15 000 m时, 观测误差均小于20%,能够满足气象与交通部门的要求。     

基于电荷耦合器件探测气溶胶散射相函数与大气能见度的研究

提出一种测量大气气溶胶散射相函数及能见度的方法,并且设计了以半导体激光器为光源和以电荷耦合器件(CCD)为探测器的实验装置,利用该实验装置测量了15°～45°的散射灰度值角分布。根据激光雷达方程和Henyey-Greenstein散射相函数理论,拟合气溶胶的相函数分布,计算其能见度。将拟合得到的相函数和计算的能见度的结果分别与POM天空辐射计和Belfort能见度得到的观测结果进行对比,结果表明两者一致性较好,证明了利用激光光源和CCD测量气溶胶相函数和能见度的可行性。     

移动式多基线能见度测试系统及其测量方法

针对单基线能见度测量设备采样体积单一、受噪声影响大的缺点,设计搭建了一套移动式可变基线能见度测试系统.该系统由发射、接收、移动以及信号处理四个模块组成,以532nm激光作为发射光源,通过置于滑动轨道上的小车移动定点接收发射信号实现多基线测量,然后采用时间平均结合最小二乘法对初始信号进行处理获得最终大气能见度.系统采用单端移动接收采样法,可从理论上消除光学污染误差.理论分析了该设备的测量方差及基线采样点模型,并对系统进行加噪声模拟实验,证明了其抗噪声能力;最后在真实大气环境下对设备进行检验,通过与实际数据对比证明其可靠性.     

夜晚整层大气透过率与水汽总量同步测量

为了同步获取夜间晴空视线无云下整层大气透过率和水汽总量,将望远镜、多波段滤光片与近红外增强型CCD相结合,搭建了利用恒星辐射进行测量的研究平台。首先通过望远镜收集恒星辐射,辐射通过分波段滤光片滤光,利用CCD采集恒星图像。进一步提取拍摄图像的灰度值,采用Langley标定法计算整层大气透过率,同时利用改进的Langley法计算大气水汽总量。对测量结果、激光雷达和微波辐射计的测量值进行比较,验证了测量方法的可靠性。所开展的工作丰富了夜晚同步测量整层大气透过率和水汽总量的手段,对空间遥感和气象研究有一定的应用价值。     

大气边界层白天温度测量用转动拉曼激光雷达

设计了一个转动拉曼激光雷达系统,对大气边界层温度进行全天候高精度测量。系统选用波长355 nm的紫外激光作光源,采用高光谱分辨力光栅,将雷达接收到的散射信号以及太阳背景光从空间上分离,配合边缘反射镜,反射转动拉曼信号,去除大部分米氏-瑞利散射和太阳背景光噪声信号,并用两个窄带干涉滤光片,分离中心波长为353.9 nm和353.1 nm转动拉曼散射信号,同时对噪声信号进行2次高精度剔除,以保证白天测量的需要。对系统进行了分析及数值计算,结果表明在激光脉冲能量300 mJ,望远镜有效口径25 cm,测量时间10 min的条件下,可以在白天太阳背景光辐射度为3×108W/(m2.sr.nm)的边界层内测量高度2.5 km以下的大气温度分布,并在大气散射比低于2.5的条件下,温度测量精度可达到1 K。     

静态像点高斯灰度扩散模型参数估计方法

为了实现星敏感器高斯灰度扩散模型的参数估计,设计了平行光管成像标定实验及相关算法。基于高斯规律建立并求解了以高斯扩散半径和像点质心坐标偏差为变量的方程组,进一步求得灰度能量系数;在3个不同平行光源方位拍摄图像,利用图像灰度数据计算模型参数的系列测量值,分别取均值作为其估计值;建立实验验证方法,将3个估计参数代入模型模拟静态星像点,将模拟图像与存在噪声的实拍图像做相似度比较,3pixel×3pixel窗口内相似度高于0.97,5pixel×5pixel窗口内高于0.98,7pixel×7pixel窗口内高于0.98。结果表明,方程组求解得到的高斯扩散半径、像点质心偏差的值可信,推导公式正确。     

照明系统对图像检测精度影响的研究

 光源是影响摄像质量十分关键的因素,采用不同的照明方法和光源分别进行实验。用CCD摄像机拍摄标准块规,然后利用递推平均滤波算法对采集到的图像进行滤波处理,减少噪声对边缘检测的干扰,利用一维灰度矩亚像素算法搜索标准块规上下两边缘,用求平均值法算出每幅图片中标准块规的厚度。实验结果表明,随着光源选择的变化,照明系统对图像检测精度的影响不同,采用背光照明并使用医用观察灯照明误差最小。     

从多波段图像中获取大气透过率的测量方法

提出了一种基于单帧多波段图像测量非气体吸收波段和弱气体吸收波段大气透过率的方法,可应用于相关光电工程中评估和修正大气衰减影响.首先,利用经过绝对辐射定标的图像采集设备获得辐射图像;其次,基于大气中图像退化光学模型与暗通道先验统计理论得到辐射图像暗通道对应的宽波段平均大气透过率;最后,结合特定波段消光系数和宽波段平均消光系数间的关系得到特定波段的大气透过率.实验对比分析表明:本文方法与能见度仪、激光雷达测量结果相关性较高,其中与能见度仪相比,相关系数在0.89和0.95之间,与激光雷达相比,相关系数在0.95和0.97之间;在1km近距离条件下与能见度仪、激光雷达测量结果平均相对偏差最高分别为9%和6%,在远距离条件下,与能见度仪测量结果相比,4km和6km平均相对偏差最高分别为15%和30%,与激光雷达测量结果相比,4km和6km平均相对偏差最高分别为9%和18%.     

基于0级数据的星载大气痕量气体差分吸收光谱仪在轨衰变监测

大气痕量气体差分吸收光谱仪(EM I)是一种紫外可见成像光谱仪,主要用于实现高空间分辨率的全球每日大气痕量气体浓度反演.EM I在轨运行期间,受空间环境影响,元器件性能随时间推移会不断衰变.为有效监测其衰变状况,利用载荷对地各轨0级数据解析出在轨温度,实现长期在轨温度监测;通过计算各轨道星下点黑暗时的暗背景图像噪声的均...     

CCD摄像技术在大气光学传输特性监测研究上的应用

介绍以CCD摄像机为光学图像传感系统 ,通过定量测量景物 (目标 /背景 )亮度的大气传输衰减 ,来测定白天大气的光学传输特性的一种光学图像测量方法。介绍了系统的测量原理、方法、系统基本构成、基本技术指标要求和所采用的技术方案 ,给出该系统与激光雷达进行对比试验的结果。实验结果表明 ,经过一定的对比和标定 ,该系统可直接用来测量、监测白天大气的消光系数或水平气象能见度。     

基于场景坏点检测的面阵CCD暗电流估计方法

利用CCD中的部分坏点作为温度敏感器,提取CCD温度估计值,建立温度估计值与暗电流的函数模型,并结合均值滤波的方法,在真实场景图像中提取CCD温度估计值,实现了面阵CCD的暗电流估计。在方法分析的基础上,以真实的暗电流数据为基准参考,对暗电流的估计结果进行了比对实验。实验结果表明,在不同的积分时间及大动态范围的成像条件下暗电流的估计结果十分准确,偏差小于0.4%,并且具有一定的抗噪性。该方法利用场景本身的特征信息对拍摄时刻的暗电流进行估计,不需要额外采集暗电流数据,节省了图像采集时间,十分适合于积分时间较长的高光谱成像或天文观测领域,采用无温度控制的低成本CCD成像探测系统进行实时图像采集。     

膜厚宽带监控系统中背景噪声的抑制

根据CCD器件只适于检测直流或缓变交流信号的特点,基于CCD膜厚监控系统和CCD探测器的强背景噪声环境,利用步进电机的可控、可知性,实现了步进电机与CCD数据采集卡的精确匹配,完成了信号在亮周期和暗周期中的精确采样。结果表明,背景噪声得到了有效的抑制,保证了实测光谱曲线的准确性。     

光场强度分布测量中CCD噪声的校正北大核心CSCD

为了有效抑制CCD测量噪声带给激光对比度分布测量的影响,基于对比度测量模型,利用CCD测量噪声的先验知识及其输出观测值,给出了CCD噪声的校正方法。与现有计算方法的比较表明,该方法可以有效抑制CCD测量噪声带给测量的影响,其扩展不确定度从0.6%降低至0.3%,降低了测量不确定度,提高了测量的置信度。     

空间外差光谱仪干涉图滤波方法研究

在分析空间外差光谱仪干涉图生成及特点的基础上,提出了基于改进旋滤波的干涉图降噪方法。该方法是在干涉条纹的切线方向进行滤波,能够在不改变干涉图条纹细节的基础上减少干涉图中的随机噪声和暗斑噪声的影响。同时该方法还能有效降低平均光谱的背景噪声,提高特征光谱与背景噪声的信噪比,结果显示旋滤波方法对加入噪声前后干涉图的平均光谱背景噪声信噪比改善分别为47%和240%,能够将一些峰值较小的特征谱从背景噪声中提取出来,提高空间外差光谱技术对一些弱特征光谱的识别率。     

机载成像光谱仪CCD制冷系统设计与实现

为减小紫外成像光谱仪中CCD暗电流噪声,提高系统信噪比,需要对CCD进行制冷.为此采用模拟比例-积分-微分电路设计了CCD制冷电路,利用Zregler-Nicholas经验整定方法确定比例-积分-微分参量,以实现降温速率不大于5℃/min、温度稳定度为±0.05℃,满足最大制冷温差.将该制冷系统应用于机载成像光谱仪进行了测试,结果表明:环境温度变化不会影响制冷效果,在达到制冷目标温度-20℃后,CCD探测器暗背景下光谱维噪声平均灰度响应值为1 072,暗背景信号非均匀性下降到0.5%,满足光谱数据反演要求.     

生物芯片扫描仪CCD背景噪声研究

冷CCD(Cool CCD)是生物芯片扫描仪的核心检测器件,其背景噪声直接影响到检测精度。CCD背景噪声可分为光子噪声、热噪声、读出噪声和量化噪声。其中热噪声Hn与读出噪声Rn最为核心,采用拍摄暗场帧的方法对其进行实验研究。实验表明对于某一指定曝光时刻,背景噪声图像各像素的强度可认为符合正态分布,并可将均值与标准方差的估计值即■与■作为其相应正态分布的表征参数。■与■的95%置信区间较小,最大区间长度分别占■与■的0.16%和28.36%。在此基础上讨论了温度、曝光时间对均值与方差的影响。     

OTF测试中CCD对测试准确度的影响和修正

对图像分析中的关键部件CCD本身离散采样的特点及其非线性、响应不均匀、暗电流、噪音等特性对测试造成的影响进行了分析,并给出了由以上因素造成的测试误差的修正方法.在高准确度OTF测试中,CCD必须具有优良的线性、较宽的动态范围、高信噪比.应用一些算法对其进行软件上处理,修正其对测试准确度降低的特征参量是提高测试准确度的有效方法.通过对50mm标准镜头实际测试,采用本文的处理方法对CCD修正后的传函仪测试准确度达到了±3%,满足高准确度测试要求.