星载微光探测仪器的发展及其数据应用

星载微光探测仪器可以在低照度条件下获取可见光至近红外谱段的云图及地面特征资料,是监测夜间和晨昏时段低云大雾的最有效手段。本文介绍了星载微光探测原理;综述了国内外星载微光探测仪器的发展历程,对其卫星系统、仪器技术指标、成像关键技术、数据特点等做了详细论述;最后总结了星载微光探测技术在低云大雾监测、城市灯光和火情监测、烟雾和尘埃监测等方面的应用,它可为我国气象卫星发展相近载荷起到借鉴作用,并完善和丰富我国现有的气象业务观测体系。     

基于增加光电子积分时间的磁镜装置研究

阐述了提高微光成像系统低照度探测极限的本质是需保证成像系统对光信号足够的积累时间,从理论上指出降低CCD温度实现低照度探测的局限性和实现技术的复杂性后,提出在光阴极与光电子接收器(屏靶)之间耦合一个磁镜装置(即微通道电子瓶板结构)作为一种新的光电子接收器,即可有效保证图像信号的积分时间,提高成像系统的探测信噪比,达到拓展微光成像系统低照度探测极限的目的。论证了磁镜场的物理机理,并用计算机模拟显示出了预期的结果。该方案在常温下能实现当前微光成像系统低温探测灵敏度极限10-11lx的目标。     

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。     

固态微光实时偏振成像集成技术

高性能的微光夜视探测是光电探测未来的发展方向。本文针对在微弱光照射情况下,因为感光度不足而使得获得的偏振图像存在较大误差的问题,提出了一种固态微光实时偏振成像集成技术。通过引入白光通道和4个偏振方向的8个偏振通道,可在电子倍增CCD(EMCCD)微光器件上实现偏振和微光探测的集成。经试验验证,该技术获取的偏振信息准确度较高,且无偏振单元,使得器件的最低工作照度不被降低,器件同时具备微光-偏振探测功能,除可大幅提高探测器件对目标的探测识别能力外,还具有加工难度低、成本低等优点。     

光电成像系统性能模型的研究分析

论述光电成像系统性能模型研究的作用和重要意义。对光电成像系统中最具代表性的微光夜视系统和热成像系统的性能模型进行了重点研究。详细分析微光夜视系统和热成像系统性能模型研究发展的过程和历史，分别指出微光夜视系统和热成像系统现有性能模型存在的局限和不足。介绍作者新提出的人眼“量子探测器和线性滤波器综合视觉模型”和新导出的微光夜视系统视距探测方程。在对热成像系统现有的探测理论和性能模型分析研究的基础上。提出普遍适用于一代、二代热成像系统的新的阈值预测理论、视距探测方程和性能模型的设想。     

三代微光像增强器信噪比测量技术研究

微光像增强器是微光成像技术中的核心部件,微光像增强器的信噪比是像增强器的重要参数之一,它可以定量表征像增强器在探测弱辐射图像时的性能,可综合反映空间因素和时间因素对探测图像特性的影响。介绍了微光像增强器信噪比的测量原理和装置,测量装置采用精确的微孔光阑、可变光阑及共轭对称透镜系统,实现直径为0.2 mm的特定光斑投射在像增强器光阴极面上。采用光子计数技术,通过研究小探测面（探测直径小于4 mm）微弱光照度标定方法,解决了针孔微弱光照度的准确标定与直径为0.2 mm信噪比光源照度准确测量。     

遥感中的立体成像技术

阐述了用于空间对地观测的立体成像的基本原理，讨论了三种立体成像方法，研制成功了用于机载的三个ＣＣＤ线阵扫描的立体成像系统。完成了实验室立体成像实验，编制了形成立体图所必需的软件，得到了预期的地面三维图像。     

探月光学

介绍了我国首次绕月探测嫦娥一号卫星的主载荷CCD立体相机与干涉成像光谱仪的原理、设计思想、技术措施与特色、设计结果以及在轨图像质量评估与检测. CCD立体相机采用一个广角物镜加一块面阵CCD的独特技术方案,从而使立体相机具有结构紧凑、小型轻量、配准精度高、航天环境适应性强等优点. 4种曝光时间与4种电子学增益共16组合,可以实现同轨不同纬度的曝光量调整. 干涉成像光谱仪采用了大比尺缩小的图像传递、2×2像元合并、矩形孔径光阑、2种曝光时间与3种电子学增益共6种组合的在轨曝光量调整等技术措施. 在轨运行表明,各项技术措施有效,达到了预期目标.     

基于在轨成像物理机理的立体测绘相机建模与仿真

基于在轨成像物理机理的立体测绘相机成像建模与仿真综合考虑了大气辐射传输、卫星运行平台、光学系统成像、相机辐射响应等各个环节,采用数值模拟技术进行精确建模,可用于进行成像过程端到端的完整分析,评估成像系统设计可行性及成像质量。本文以可见光立体测绘相机为例,采用高精度高、分辨率地表物理模型作为输入源,首先结合立体测绘相机内外方位元素计算正视相机和前视相机CCD光敏面各亚像元区域中心的观测向量,然后根据目标相机的成像参数得到地面目标在相机入瞳处的辐亮度,最后通过光线追迹算法和光学系统点扩散函数模型计算探测器靶面的辐通量,经由探测器辐射响应模型得到数字影像。实验结果表明,正视相机几何物理模型定位精度达124 m,前视相机定位精度达193 m,能够较为可靠地模拟出立体影像,模拟方法可行。     

微光偏振成像系统设计及实验

为了实现对运动目标或变化场景的同时成像,根据偏振成像原理,基于孔径分割技术设计了一套微光偏振成像系统.开展了微光偏振成像实验,在实验室条件下定性分析了偏振成像的优势,研究了不同照度下偏振成像的准确度.通过改变偏振出射光束的照度,运用获得的偏振图像计算了该照度下光束的偏振度和偏振角.与真实偏振度、偏振角信息对比分析表明,当环境照度大于10-2 lx时,偏振成像能够比较准确地还原场景的偏振信息,改善微光成像质量.经过优化,该系统MTF在56lp/mm处所有视场下均不小于35%.     

一种基于工业级CCD器件的高性能制冷CCD成像组件

随着CCD器件的发展,采用工业级CCD器件研制高性能制冷CCD成像系统成为一个重要的发展方向。从高性能CCD成像和高性能微光ICCD成像应用需求出发,研制了一种基于工业级CCD器件的高性能制冷型数字视频CCD成像组件;介绍了成像组件在高性能大面阵CCD器件、低噪声驱动电路、小型化低功耗制冷技术以及特殊的制冷腔结构等方面的设计特点,指出成像组件对进一步发展高性能CCD成像系统具有积极的促进作用,在军事、工业、生物医学和科学研究领域具有广泛的应用前景。     

基于立体像素匹配的图像重构技术研究

为了解决目前全景成像技术中分辨率低的问题,提出了一种新的基于3D场景立体像素光线映射的全景图像计算机重构技术.在全景成像技术中,3D场景的每个立体像素点经全景成像系统的编码系统分别映射在一定区域的多个体元素图像的不同像素点上.在计算机重构全景图像时,根据逆光学路径原理,提出了从立体像素映射到的体元素图像区域中提取对应立体像素的多个2D像素点来重构全景图像,使重构的全景图像最大分辨率可达到传统成像方法图像分辨率的N倍（N为映射区域面积）.提出的立体像素的匹配技术大大提高了重构的计算机全景图像分辨率.     

微光凝视成像曝光自适应研究

为实现高分视频卫星微光条件下对目标进行长周期凝视曝光成像,设计了适应凝视跟踪稳像姿态变化的自适应曝光周期算法.建立卫星对地实时凝视跟踪数学模型,搭建矢量映射的速度匹配曝光成像关系,利用蒙特卡洛方法对卫星三轴姿态角和姿态角速度控制准确度在微光成像曝光时间内引起的像移量进行统计计算,分析了一定姿态控制准确度下满足高分卫星微光成像的曝光周期.最后,利用灵巧验证卫星进行微光成像曝光周期自适应稳像姿态的在轨试验.结果表明,卫星姿态控制准确度分别为0.08°与0.0088°/s和0.04°与0.003°/s时,对应的成像曝光时间分别为18ms和55.2ms,通过对微光成像的目标点进行分析,曝光过程中成像目标点的实际偏差像元量小于1个像元,此偏差对成像质量影响较小,成像影像的信噪比高.     

三线阵CCD立体测绘相机的集成装调

考虑几何精度对三线阵CCD立体测绘相机测绘精度的影响,研究了测绘相机组合体的装调方法以建立和保证相机的空间几何关系。首先,介绍了测绘相机组合体的结构和坐标系的定义;其次,提出了各基准立方镜和相机的装调要求;最后,确定了多相机集成装调流程,重点介绍了测绘相机的装调步骤。装调结果表明：各相机的光学传递函数〉0.2,畸变〈0.03%,测绘相机的空间几何关系满足要求,提出的集成装调技术有效地保证了测绘相机的空间几何关系。     

近距云雾回波蒙特卡罗模拟与实验测量

在激光引信中,云雾后向散射会产生引发虚警的回波信号。基于蒙特卡罗法对云雾回波信号进行了模拟仿真,并在云雾室内开展了测量实验,利用测量结果对理论模型进行了验证。研究结果表明:当发射脉冲宽度小于10 ns时,云雾散射回波展宽效应显著,且展宽效应主要是由多次散射产生的;激光回波的实验测量结果与理论计算结果吻合得较好,都近似为高斯波形,且其回波宽度的差别小于6%,回波功率差别小于30%。     

PET探测器技术的新进展

PET设备中探测器的研发, 一直是很活跃且具有高创新性的领域。 提高现有基于闪烁晶体探测器的性能, 研究适用于多模式成像设备（PET/CT和PET/MRI）的新型探测器, 满足TOF和DOI技术的需求并促进其发展应用, 构成PET探测器的几个主要研究方向。 介绍了PET探测器在闪烁晶体、 光电探测器和半导体探测器等方面的最新进展, 指出未来最有潜力的探测器设计方案。 The research on PET detector is a very active and highly innovative field. The main research interests of PET detector include improving performances of scintillation crystal detectors, investigating new detectors being suitable for multimodality imaging (e.g., PET/CT and PET/MRI), meeting needs of TOF and DOI technologies in order to promote their development and application. In this paper, new developments in PET detector technology about scintillation crystal, photodetector and semiconductor detector are introduced and the most potential detector design scheme in the future is brought forward.     

微光光子数字化摄象机

美国自适应光学联合公司(AOA)在哈佛大学 PAPA 探测器的基础上研制成功的光子数字化编址摄象机是一种具有极高探测灵敏度的光子计数式二维微光摄象机。采用多通道光学编码方法,可对光电倍增管探测到的每一个光电于事件产生相应的(x,y,T)时-空坐标数据,微机采集来自光子摄象机的数据流供实时图象显示和处理。     

Two-dimensional photon counting imaging detector based on a Vernier position sensitive anode readout

A two-dimensional photon counting imaging detector based on a Vernier position sensitive anode is reported. The decode principle and design of a two-dimensionai Vernier anode axe introduced in detail. A photon counting imaging system was built based on a Vernier anode. The image of very weak optical radiation can be reconstructed by image processing in a period of integration time. The resolution is superior to 100 μm according to the resolution test. The detector may realize the imaging of very weak particle flow of high- energy photons, electrons and ions, so it can be used for high-energy physics, deep space exploration, spectral measurement and bio-luminescence detection.