基于同心多尺度成像的机载光电系统探测能力分析

同心多尺度成像技术为突破传统光学成像中分辨率与视场之间的矛盾提供了一条有效的途径。将同心多尺度成像模式应用于机载光电探测系统,实现机载广域宽视场高分辨目标探测。综合分析了目标辐射空间分布、目标辐射传输和光学系统成像等特性,建立了表征同心多尺度成像系统的探测能力理论模型,得到了系统探测能力与组成单元透镜的口径、焦距、间距等参数之间的变化关系。并用光学设计软件Zemax设计了实际光学系统,数值模拟了空中来袭运动目标的光谱信号信噪比(SNR)响应特征。结果表明合理增加同心多尺度成像系统中的物镜焦距、减小目镜焦距、增大系统口径和降低探测信噪比阈值等能够有效提高成像系统的探测能力。     

视场外激光干扰图像对目标获取性能的影响分析

以现有的目标获取性能模型NVLESD(Night Vision and Electronic Sensors Directorate)为基础,分析杂波对于"人在回路"目标获取性能的影响。针对视场外激光干扰图像的特点,运用图像边缘概率尺度修正后的目标获取性能模型对激光干扰图像进行分析。对CCD探测器的视场外干扰实验结果表明,该方法能够较好地反映激光干扰图像对于搜索探测概率的影响,从而验证了方法的有效性。     

激光主动探测中回波信号的小波去噪方法

在分析激光主动探测中回波信号的噪声特性和小波变换去噪原理的基础上，提出了一种基于最大信噪比准则的小渡阈值去噪方法。首先用最大信噪比准则对小波变换系数进行阈值选取，然后采用软阂值方法对小波系数进行量化处理后再重构。仿真结果表明最大信噪比准则小波去噪方法改善信噪比效果十分显著，检测下限达到-16．2dB。证明了该方法在激光主动探测系统回波信号检测中的有效性。     

基于TDI-CCD的高速小目标交汇测量系统

介绍了TDI CCD图像传感器的工作原理和成像特点 ,提出了基于TDI CCD的交汇测量系统 ,初步分析了该交汇系统行扫描速率和目标运动速率的同步控制问题。同一般线阵CCD组成的交汇测量系统相比较 ,TDI CCD构成的交汇测量系统能够提高探测灵敏度、扩大动态探测范围、增大信噪比 ,从而大大提高系统对目标的捕获几率。同时亦可减小照明光源的亮度及功耗。对大靶面、高速小目标物体运动轨迹的精密测量具有重要意义。     

X射线脉冲星导航探测器性能研究

为研究用于X射线脉冲星导航的探测系统性能,推导了在光子计数模式下探测系统的信噪比和最小可探测功率的关系表达式,并搭建测量信噪比和最小可探测功率的实验装置.测量了系统的最小可探测功率以及在不同光功率、不同累积时间和不同阈值电压条件下探测系统的信噪比.通过对X射线光子到达时间的测量,构造了X射线脉冲累积轮廓.实验表明:随着光功率和累积时间的增加,累积脉冲轮廓的信噪比提高,累积脉冲轮廓趋于光滑;当阈值电压为-150mV时,信噪比为26.3,累积脉冲轮廓最优;系统的最小可探测功率为3.5×10-16W.     

基于仿生复眼的大视场探测系统结构研究

昆虫复眼具有小型化、多孔径、大视场、高灵敏度等特点,开展仿生复眼在成像探测技术方面的应用具有重要的意义。介绍了复眼的分类、结构和成像特点,结合当前仿生复眼的研究进展和技术水平,对大视场复眼成像探测系统的结构进行了探索和研究,得到了三种适合用于探测系统的复眼探测结构,对其结构形式进行了介绍,对其优缺点进行了分析,并选取其中一种较好的方案进行了详细设计。所设计的复眼由37个子眼组成,总视场150°。对仿生复眼在光学成像探测方面的应用进行了有益的探索,具有一定的前瞻性和参考价值。     

非成像阵列探测器外差系统性能分析

受视场角限制,由单点探测器构成的外差系统不能充分接收信号光功率。若用阵列探测器代替单点探测器进行探测,可以增大接收视场,从而增强接收的信号光功率。在考虑到热噪声、光电流饱和效应的前提下,对这种阵列探测系统的信噪比进行了分析。结果显示,相对于单点探测系统,阵列系统能较大幅度地提高信噪比。分析结果指出,由于叠加的热噪声存在,当阵列中单元数增加到一定数量后,信噪比不能得到进一步提高。还对非等相位叠加因素对系统性能的影响进行了分析。由于系统输出信号是各探测单元输出信号的叠加,实际应用中不可能实现完全的等相位叠加,通过数值计算,分析了该因素的影响,并指出它可以在硬件设计过程中得到有效控制。     

星光折射自主导航星敏感器及光学系统设计研究

基于星光折射间接敏感地平自主导航星敏感器的工作原理,详细分析了星光折射星敏感器的探测参数设计,包括探测谱段、恒星观测视场、探测概率及阈值星等、恒星探测能力等。星光折射星敏感器的观测视场分为折射星与非折射星两部分,对折射星的观测视场随轨道高度增加而减小;受限于大气光谱吸收,观测折射星的谱段宜选择600~900 nm,探测信噪比随大气折射高度降低而减小。采用高灵敏度的背薄电荷耦合器件(CCD)以及精度达到微米级的无热化光学系统匹配设计。结果表明,光学系统像质良好,单一星敏感器单星测量精度达到1″,满足目前航天自主导航对姿态及位置测量精度的需求。     

用于激光周向探测的发射光学系统

为了提高激光周向探测中出射光场的均匀度，增加其有效作用区域，本文提出了一种采用圆锥型视场的前倾探测方案。基于六象限分区的布局方式，该系统利用非球面透镜对激光二极管的输出光束在子午和弧矢两个方向同时进行准直，通过鲍威尔棱镜实现弧矢方向扩束匀光，采用偏转棱镜保证光束前倾角为60°，并借助弧矢方向上的柱面镜进行完整的圆锥型视场拼接。在不同距离处的模拟仿真结果表明，系统在子午方向上出射视场角为±0.75°，在弧矢方向上可以覆盖360°视场完成周向探测。系统出射光场在四个目标平面上的照度均匀度均大于90%，能量利用率可达98%以上。该系统结构紧凑，整体仅由三片透镜构成，实现了一体化设计，为激光周向探测系统中的光学设计提供了参考。     

采用TMS320C6203的运动点目标检测系统设计

为了实现大视场运动点目标的实时检测和识别，设计了一种基于TMS320C6203为核心处理器件，FPGA为辅助控制处理器的硬件处理系统.在对点目标检测识别算法仿真实验分析的基础上，开发了实时运动点目标检测处理的软件系统.实验测试结果表明，该系统能够对信噪比不小于3 dB，帧频为10 fps的1024×1024运动点目标图像序列进行实时检测和识别，准确检测概率达到96%,满足实际工程要求.     

圆形阵列无线传感器的鸟鸣声检测方法*

针对海岛湿地自然保护区鸟类等发声动物监测困难的问题,开发了基于物联网的圆形阵列无线传感器实时在线监测系统。鉴于保护区现场环境条件的特殊性,为保障传感器系统在野外长期稳定运行,需减少无鸣声数据的传输量来减轻系统负担,该文提出了基于子带能量谱熵比的动态双门限鸟类鸣声端点检测算法,对监测数据的有效鸣声段检测后实时回传到云平台。经过仿真和野外实测数据对比了不同信噪比下的鸣声检测性能,结果表明在暴风雨、风浪等海岛自然环境噪声下,鸟鸣声端点检测算法的准确率达90%以上,基本可实现海岛环境中的有效鸣声端点检测,提升了圆形阵列无线传感器系统的可靠性。     

星载激光对水下目标通信可行性研究

简要分析了通信信道中各传输介质的特性,确定了合理的传输介质光学参量。并根据一定的通信系统参量,利用蒙特卡罗方法模拟了水下目标接收信号的时间和空间分布。蒙特卡罗估计误差与平均值比值的上限小于0.3%。根据模拟的结果,得出了优化的接收系统采样时隙和接收望远镜视场角,进而计算了接收信噪比。在此基础上,基于激光脉冲的脉冲位置调制(PPM)方式和最大似然检测,计算出通信系统的误码率。研究结果表明,在较恶劣环境条件下,利用星载激光系统可以实现对水下目标的良好通信。     

核磁共振高信噪比弱信号检测的理论与实验研究

基于小型射频线圈的核磁共振检测探头在波谱分析和成像研究中具有广泛的应用,如化学位移波谱分析、磁共振成像和勘探测井等技术领域。但是,由于外加静磁场作用下,自旋体系发生塞曼能级分裂后,高低能态之间的核自旋数量之差很小,普遍存在检测信噪比很低的问题,而且初级磁共振接收信号的质量受所用探头线圈电气参数的影响较大。研究结果表明,在特定的被测样品和接收线圈占空比以及静磁场等条件不变的情况下,检测信噪比与单位电流产生的射频磁场成正比,而与线圈高频电阻的平方根成反比。在永磁0.39Tesla主磁场条件下,研究了趋肤效应影响下小型螺线管线圈几何参数的优化设计方法。理论仿真和实际的测量结果表明,几何参数为线径0.5 mm、直径5.5 mm的10匝微螺线管线圈,在16.9 MHz谐振频率上,相对信噪比取得一个极大值点,对应的Q值约为199.8,与阻抗分析仪测得结果有较好的吻合,验证了该核磁共振检测线圈设计新方法是合理的。本文提出的基于线圈电磁特性的高信噪比检测探头设计方法,可推广到目前的质子密度成像、岩心弛豫谱分析等应用中。     

涂层厚度与粘接质量的电磁声谐振无损检测

为了解决电磁超声(EMAT)涂层质量检测中接收信号信噪比较低的问题,将电磁声谐振技术(EMAR)应用于涂层质量检测,有效提高了超声接收信号的信噪比。在EMAR仿真中,通过变步长离散仿真得出了谐振与非谐振状态下的时域波形和频谱图,验证了利用电磁声谐振进行涂层质量检测的可行性。以电磁超声谐振驻波作为检测信号,实验中谐振信号的幅值为未谐振反射回波的2.52倍,信噪比由26 dB(反射回波)提高到34 dB(谐振信号)。利用EMAR信号的谐振频率差进行涂层厚度检测,对0.2~0.8 mm的试件的检测误差在5%以内且涂层厚度越大,谐振频率越多,谐振频率差越小,检测精度越高;通过功率谱密度函数(PSD)表征不同粘接程度的试件,不同试件的PSD比值为61.17:4.15:1,区分度相对于峰峰值比值提升明显。      

Noiseless amplification and signal-to-noise ratio in single-sideband transmission

We study the properties of optical single-sideband (SSB) modulation with respect to signal-to-noise ratio and limits to spectral efficiency. We show that SSB signals undergo truly noiseless amplification, which can be understood in view of Heisenberg's uncertainty principle. Yet, contrary to previously published results, this phenomenon offers no advantages in terms of the signal-to-noise ratio of the amplified signal. We show that, when an intensity receiver is used, single-sideband modulation can improve spectral efficiency in the limit of a high optical signal-to-noise ratio and in the presence of a strong carrier signal.     

不同紫外波段激发生物气溶胶荧光雷达系统性能分析

基于激光诱导生物荧光技术,分别采用紫外355nm和266nm激光作为激发光源,构建生物气溶胶荧光雷达监测系统模型.综合考虑不同激发波段,臭氧吸收以及太阳背景光等因素对激光雷达荧光探测效果的影响,对系统性能进行数值仿真分析.仿真结果表明,在四倍频266nm紫外波段的激光激发下,系统受地表臭氧的影响,白天的有效探测距离非常有限;在系统信噪比为10(SNR=10),臭氧浓度为50μg/L时,最大探测距离仅为300m;而夜间情况下,太阳背景光影响减弱,探测距离约为450m.三倍频355nm激发时,臭氧对系统的探测性能影响较小,夜间探测距离可达750m;白天太阳背景光对355nm的系统影响较大,在相同0.5mrad接收视场角下,其有效探测距离约为330m.为减少白天背景光的影响,将望远镜接收视场角压缩到0.3mrad,同时选用50nm带宽的滤光片,此时系统的探测距离为480m.由于355nm波段的激发荧光受白天太阳背景光的影响较大,在进行夜间探测时才可获得较好的效果;而266nm的激发波段可以很好的抑制背景光影响,能够实现对生物气溶胶的白天有效探测.     

基于离轴积分腔输出光谱的燃烧场CO浓度测量研究

CO是碳氢燃料不完全燃烧的重要产物,常常被作为反应燃烧效率的标志物,燃烧场CO组分浓度的精确测量对提高燃烧效率、减少污染物排放具有重要意义。离轴积分腔输出光谱（OA-ICOS）是一种利用物质对激光的特异性吸收,实现对该物质分析和测量的技术,具有非接触、稳定和高灵敏度等优点。针对燃烧场CO浓度低,背景信号干扰强等特点,采用分布反馈式（DFB）激光器搭建基于离轴积分腔输出光谱的CO浓度测量系统,通过直接吸收光谱的测量方法实现对高温燃烧场CO浓度测量。利用仿真模拟的方法,在所用激光器中心波长的附近选出了常温下谱线强度较为突出,高温下不受其他燃烧产物干扰的第一泛频带R(10)吸收谱线。通过固定光程池对比吸光度的方法标定了OA-ICOS系统的有效光程;通过比较不同扫描频率下吸收谱线的信噪比和线型拟合残差标准差,得到最佳波长扫描频率;通过测量不同浓度CO混合气体的吸收信号分析了系统误差。探究了不同燃烧情况下CH₄/Air预混平焰炉上CO的产生情况,根据燃烧场测量区域温度分布情况描述了温度分布不确定度对CO测量结果的影响。当量比为1.0时,在10 ms的测量时间分辨率下,噪声等效灵敏度（NEAS）为3.67×10-7 cm-1·Hz-1,系统测量误差小于4.5%,燃烧场测量区域温度分布不确定度带来的CO浓度测量不确定度为5.6%。改变当量比从0.8到1.2时,得到平均温度变化范围为1 275~1 368 K,CO浓度变化范围为0.041%~1.57%。研究发现随着当量比的提高,燃烧场温度和CO浓度均呈上升趋势。实验结果表明将离轴积分腔输出光谱技术应用于燃烧场气体参数测量具有信噪比高、检测灵敏度高等优点,可以实现痕量气体组分浓度的精确测量。     

红外搜索系统中弱小目标检测算法研究

 复杂背景下低信噪比弱小目标的检测是红外搜索系统中的重点和难点,为解决红外搜索系统中杂波干扰多、目标信噪比低等问题,提出一种模板匹配滤波的目标检测方法。该算法在预测背景的同时,通过对图像背景灰度值进行动态的阈值处理,自适应地进行背景抑制。当背景包含较多复杂因素时,采用模板匹配滤波的目标检测方法,消除背景抑制后的残留杂波,实现弱小目标的提取。试验结果表明：当场景较复杂且图像信噪比较低时,使用该算法处理后可使图像信噪比达到4 dB以上,从而提高了弱小目标的检测概率。     

定量磁化率成像多回波相位拟合算法研究

定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping,QSM)技术大多采用多回波梯度回波序列采集相位数据,经加权最小二乘法(weighted linear least-square,WLS)拟合得到局部磁场分布.对于组织磁化率分布不均匀的区域,尤其是颅底部位,常规WLS算法拟合得到的局部磁场误差较大,导致相应部位磁化率分布图信噪比较低.针对常规WLS算法的这一不足,该文提出了一种截断WLS算法.对两种算法拟合得到的磁化率分布图对比研究发现,截断WLS算法可有效提高颅底部位定量磁化率分布图的图像质量,使其噪声明显下降.     

一种基于新型间歇混沌振子的舰船线谱检测方法

为了实现低信噪比下未知频率的舰船辐射线谱的检测,对常规型间歇混沌振子列检测方法进行了改进,提出了一种基于适应步长型间歇混沌振子的信号检测方法.该方法可以只用一个Duffing振子,通过设定一组能够覆盖待测信号所在频段的求解步长序列,实现对未知频率、具有任意初相位的微弱周期信号的搜索检测.为进一步提高系统的弱信号检测性能,分析了Holmes型Duffing方程在不同频率内置策动力下对弱信号灵敏度的差异.综合理论分析和仿真研究结果给出了Duffing振子在内置策动力角频率为0.4 rad/s时对弱信号检测性能最佳,并据此对所采用的Duffing振子进行了优化;仿真结果表明,改进后的Duffing振子的弱信号检测性能提高了12 dB.最后将此方法应用于一组含有舰船辐射线谱的实船数据,结果表明此方法可以实现低信噪比下的未知频率微弱线谱检测.