复杂气象条件下机载中波红外系统对地目标探测识别仿真与运用研究

针对3～5μm机载中波红外系统复杂气象条件下对地目标探测识别问题,在理论研究的基础上,采用PcModWin大气仿真软件,进行了清洁大气、雾、云、雨等气象条件下的模拟仿真实验,分析了不同气象条件下不同距离范围内该波段红外辐射透过率分布曲线和峰值参数的变化规律,结合大气分子学理论,证明了探测角度、大气能见度、雾型、云层类型、降雨(雪)强度等,都是影响该波段机载红外系统对地目标探测识别效果的重要因素,提出了工程运用中应当采取的策略方法。研究结果对后续工程试验和运用实践具有指导作用,可提高该波段机载红外系统的应用效果。     

地球临边大气红外辐射中太阳散射数值研究

为分析太阳散射辐射在地球临边大气红外辐射中的作用,基于地球与临边大气辐射传输与太阳散射模型,利用MODTRAN计算了中纬度冬夏两季在3~14μm红外波段的大气各组成辐射。针对3~5μm和8~14μm波段,计算了在不同的太阳角度下各大气模式下太阳散射辐射值及其所占总辐射的比例。结果表明在20°左右太阳角度下太阳散射辐射最强,且纬度越高、温度越低太阳散射辐射越强。在短红外波段太阳散射辐射为中长波段的30倍,短红外波段太阳散射辐射所占总辐射比例较高,最高可达80%,在中长波段比例低于0.1%,可忽略不计。     

不同海拔地区红外大气透过率的计算和测量

为了得到不同海拔地区的大气透过率,探索大气透过率随海拔高度的变化规律,利用数值模拟、软件计算和实地测量方法分别对阿里(5 km)、德令哈(3 km)和怀柔(0 km) 3个不同海拔地区在4. 605～4. 755μm波段25 km以下的大气透过率进行了计算和测量。结果表明:红外大气透过率随海拔高度增加而增加;采用数值模拟计算得到3个地方的大气透过率分别为0. 709、0. 572和0. 555;采用软件计算得到的透过率分别为0. 849、0. 766和0. 596;采用实测方法得到的透过率分别为0. 805、0.766和0.673;阿里地区海拔较高,相对湿度较低,能见度高,大气透过率最好。该结论对国内天文红外观测及空间红外目标辐射特性测量具有重要的借鉴意义。     

打开宇宙电磁频谱的新窗口——超长波

 1800年2月11日，英国天文学家威廉·赫谢尔在观测太阳光谱热效应时意外发现了肉眼不可见的红外辐射。此后，随着麦克斯韦电磁理论的建立，人们开始意识到，在可见光之外，还存在着其他波段的电磁波，它们的差别只在于频率或者说波长。现代的天文研究综合了这些不同波段的观测以获取信息。但是，地球大气对于观测不同频段的天体辐射却有很大影响。图1为地球大气对不同波段电磁辐射的吸收。我们看到，这其中有两个几乎完全透明的窗口，分别位于可见光波段和无线电波段（米波至厘米波）。我们的眼睛之所以对可见光敏感大概是长期进化的产物。现在，地面的天文观测也是以可见光和射电（无线电）天文观测为主，而其他波段特别是X射线、伽玛射线等高能天文观测，以及红外和毫米波观测，则往往依赖航天器的空间观测或火箭、气球等近邻空间观测手段，或者至少是利用高海拔观测站以尽量减少大气吸收。仅X射线波段，空间望远镜和实验就已有几十个。这些空间观测，打开了高能天文的观测窗口。     

水平大气能见度对深空激光通信速率的影响

为了能够通过水平大气能见度判断可实现的最大通信速率,基于Mie散射理论和脉冲多路径效应,建立了通信速率与水平大气能见度的数学模型;通过蒙特卡罗仿真,得到了800nm和1550nm波段的气溶胶散射粒子的散射参数,给出了2~25km水平大气能见度下两个波段产生的脉冲展宽曲线,分析了初始脉宽、脉冲位置调制元数、水平大气能见度对最大通信速率的影响。结果表明,1550nm波段具有更好的通信效果;随着水平能见度的提高,可实现的最大通信速率也在提高,且在良好的水平能见度下选择小的初始脉宽和较低元的脉冲位置调制,能最大程度地提高深空激光通信速率。     

一种夜雾天况彩色视频构建方法

针对单一红外或可见光波段成像技术无法满足夜雾天况彩色成像要求的问题,结合红外和可见光成像各自的特点,提出一种固定区域下针对夜雾天况的彩色视频构建方法。该方法在能见度高的白天利用可见光传感器进行可见光背景图像的构建,在能见度低的夜雾天气利用红外传感器提取出红外运动目标,依据可见光背景图像与原始红外图像的配准参数进行2幅图像的同比例融合,完成彩色视频的重构。实验结果表明,该方法能够准确完成包含红外目标的彩色视频构建,充分体现出夜雾天况下运动目标及其所在场景的彩色特征信息,提升人眼对目标与场景的识别和感知。对于图像大小为720pixel×576pixel的视频序列,该算法的运行速度能够达到40frame/s,可满足彩色视频实时构建的需要。     

沿海和内陆地区多波长光谱气溶胶标高的比较分析

大气气溶胶的光学特性是大气环境、大气辐射、激光大气传输和进行空中目标识别的重要影响因子之一,而光谱气溶胶标高(spectral aerosol scale height, 简称SASH)是反映气溶胶高度分布特征的关键参量;在考虑无云状态下可见和红外波长范围的太阳辐射情况时,不仅仅要考虑总的气溶胶消光的组成,而且还要估计不同空间间隔范围内的有效高度。文章基于大气气溶胶浓度随高度指数衰减的原理,利用前向散射能见度仪和连续光谱的太阳辐射计,并辅以必要的温湿探测设备,同时测量了典型地区大气柱光学特性以及近地面层的大气水平光谱消光系数,建立多波长SASH的计算方法,获得了可见光波段(波长400,440,532,550和690 nm)的大气SASH的变化特征：无论是沿海还是内陆地区,随着波长值的增加,SASH减小;对于东南沿海某地,一般地,冬季SASH要大于夏季的SASH;而对于内陆合肥地区,冬季SASH要小于夏季的SASH。     

可见光与红外一体化光学系统设计

空间遥感相机的空间分辨率、时间分辨率以及光谱分辨率不断提高,相机的观测谱段也得到了拓展,实现了多谱段观测.针对多谱段观测需求,通过计算以及光学设计软件设计研究了可见光与红外一体化光学系统.可见光部分系统焦距为6000mm,F数为11.8,波段为400~900nm.红外部分系统焦距为1280mm,F数为2.5,波段为3000~5000nm,两个系统视场均为1.4°×0.6°.可见光波段系统与红外波段系统共用前四片反射镜,五镜为二向分色镜,将可见光反射至五镜上方的时间延迟积分CCD中,红外波段透过五镜至后方校正镜组.整个系统无色差,结构较为紧凑,可见光与红外部分成像质量均达到要求.     

可见光与红外一体化光学系统设计EI北大核心CSCD

空间遥感相机的空间分辨率、时间分辨率以及光谱分辨率不断提高,相机的观测谱段也得到了拓展,实现了多谱段观测.针对多谱段观测需求,通过计算以及光学设计软件设计研究了可见光与红外一体化光学系统.可见光部分系统焦距为6000mm,F数为11.8,波段为400~900nm.红外部分系统焦距为1280mm,F数为2.5,波段为3000~5000nm,两个系统视场均为1.4°×0.6°.可见光波段系统与红外波段系统共用前四片反射镜,五镜为二向分色镜,将可见光反射至五镜上方的时间延迟积分CCD中,红外波段透过五镜至后方校正镜组.整个系统无色差,结构较为紧凑,可见光与红外部分成像质量均达到要求.     

双波段大变倍比连续共变焦光学系统设计

为了提高变焦光学系统在复杂环境下的高分辨率探测能力,解决现有多波段光学系统中光路转换和波段切换耗时长、系统反应慢、不同波段目标信息存在差异的问题,设计了一种可见光(0.38~0.76μm)、中红外(3~5μm)共口径连续共变焦光学系统,系统工作焦距为7.52~98.35mm,变焦比为13×.基于正组补偿变焦理论分析了任意变焦位置处可见光、中红外变焦比的差异及其变化规律,推导了三片薄透镜消色差理论和双波段焦距补偿表达式.对变倍组和补偿组的光焦度进行合理匹配,使系统在任意变焦位置处的焦距及变焦比都相同,提高了双波段目标信息的一致性.根据使用要求,采用光学被动式完成双波段光学系统在-40~+60℃温度范围内的消热差设计.设计结果表明,系统结构紧凑,反应速度快,整体成像质量良好,可实现昼夜全天候工作.     

核爆炸光辐射探测中的大气传输性能研究

从核爆炸光辐射特点出发, 结合我国中纬度地区大气特点,研究了(0.2～1.2)μm波段大气传输性能。通过实际测量数据分析可知,大气对（0.2～1.2)μm光辐射起主要作用的成分有水蒸气、二氧化碳和臭氧的分子吸收和散射以及气溶胶大粒子的散射。综合考虑这些因素,改进了水平路径传输上（0.2～1.2）μm光辐射大气传输经验方程。计算机仿真结果表明：该方程能体现我国中纬度地区光辐射的传输情况,对（0.4～0.8）μm可见光波段能很好地吻合。将（0.4～0.8）μm波段光辐射大气传输定量计算结果直接应用到基于可见光辐射探测的核爆炸探测子系统中,模拟核爆炸探测,实验结果表明：与传统大气传输计算软件的定性结果相比,该方法的测量精度有明显的提高。     

基于大气红外探空仪和中分辨率成像光谱仪观测的冰云大气红外辐射特性研究

利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)二级云产品、大气红外探空仪(AIRS)二级大气产品和AIRS L1B红外高光谱数据,采用通用大气辐射传输(CART)模式,选择9μm(带宽为1070~1135cm-1)、11.03μm(带宽为886~928cm-1)和12.02μm(带宽为815~850cm-1)波段对冰云大气顶的亮温进行了模拟与分析。对反演冰云参数和MODIS云产品下的模拟亮温分别与AIRS观测亮温间关系进行了分析与比较,并对反演冰云参数下的模拟亮温和AIRS观测亮温的亮温差的概率分布进行了研究。结果表明:基于反演的冰云光学厚度和云顶高度的三波段模拟亮温和AIRS实际观测亮温分布一致,模拟计算和AIRS实际观测亮温间相关系数达0.98以上。11.03μm和12.02μm波段模拟计算和AIRS实际观测亮温间亮温差主要分布在0~5K,9μm波段亮温差主要分布在0~±0.5K。建立在反演冰云参数基础上的实际大气条件下的大气辐射特性模拟研究具有准确性和可靠性。     

应用单波段亮度变化率获取无云干扰的卫星数据

在卫星遥感检测中,云对数据的反演带来了严重的干扰。精确地确定云区及减弱云的干扰是具有挑战性的问题。根据云的大气辐射特性给出了卫星图像亮度变化率计算公式、图像反射率的变化率计算公式和热红外波段图像亮度温度变化率的计算方法。利用单波段亮度变化率检测卫星数据中云干扰相对强度的新方法,快速、精确地获取云区位置,得到云区以外无云干扰的数据。根据各光谱波段具有不同的透射云层能力的特点,文章还给出了卫星各红外波段对云层透射能力的客观评价以及影响透射效果的因素。在此基础上利用红外波段对伪卷云透射图像数据完成了多波段数据融合。很好地恢复了可见光波段云区下面的真实数据。统计数据表明,融合后的云区图像数据与可见光波段相关性保持一致。     

卷云短波反射特性的模拟计算研究

利用通用大气辐射传输(CART)软件模拟计算了0.4～2.5μm波段卷云大气反射率,分析了卷云大气的反射率随波长、光学厚度、有效尺度、卷云高度和地表类型变化情况,并模拟计算了0.55,1.38,2.75μm波段卷云大气反射率间关系。结果表明,可见光到近红外波段,卷云大气反射率随卷云光学厚度的增大而增大。可见光波段,卷云大气反射率随卷云粒子有效尺度变化很小;近红外波段,卷云大气的反射率随卷云粒子有效尺度增大而减小;近红外大气强吸收波段,卷云大气的反射率随卷云高度的增大而增大。大气窗口区卷云大气的反射率随地表类型的变化有显著的变化。通过0.55μm和2.75μm波段,1.38μm和2.75μm波段的卷云大气反射率间关系可以反演卷云光学厚度和有效尺度。     

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%.     

中红外波段地表发射率特性分析

陆表温度(LST)在地-气相互作用过程中扮演着重要的角色,是全球变化研究的关键参数。陆表发射率是陆表温度反演的关键输入参数之一。中红外谱区(3~5 μm)介于可见光-近红外谱区(0.38~2.5 μm)与热红外谱区(8~14 μm)之间,地物的发射率在该谱区表现出独特的光谱特性,可用于霜冻监测、矿物成分分析等研究。由于传感器在中红外谱区探测到的能量既有来自于地物自身发射的热辐射能量,又有反射的太阳辐射能量,这两部分的能量分离机理比较复杂,因此中红外谱区发射率特性分析的相关文献较少。本文针对单一均匀地表和具有混合像元的复杂地表计算了MODIS红外通道的有效发射率,发现通道有效发射率在单一均匀地表下与温度的耦合效应不强烈;但在复杂地表下,通道有效发射率与混合像元内的成分比例以及成分的地表温度具有耦合效应。在误差允许的范围内,混合像元的有效发射率可以忽略成分地表温度的影响。发射率误差对陆表温度反演精度的敏感性随着波长的变化而变化。在热红外波段,敏感性是其在中红外波段的2倍左右,说明利用中红外波段进行陆表温度反演具有一定的优势。     

无热化双谱段复合成像光学系统

针对机载小型轻质和宽温度场的使用需求,基于光学被动消热差理论,设计了共孔径共视场分光路可见光和红外双波段无热化成像光学系统。两个谱段共用卡塞格林主光学系统,采用分色片实现双谱段分光。分光后两个谱段采用相互独立的中继透镜组。红外波段通过二次成像,实现双波段冷光阑100%匹配。通过共视场设计提高不同探测波段目标的信息一致性。可见光和红外谱段焦距分别为1750mm和1000mm,工作谱段为0.45~0.9μm、3~5μm,入瞳孔径为250mm,视场角1.1°,光学系统各谱段耐奎斯特频率处调制传递函数接近衍射极限,在宽温度场范围内像质稳定,完全能够满足实际使用需求。     

大口径可见光到红外波段光学传递函数测试仪的标定

大口径可见光到红外波段OTF测试仪测量功能齐全 ,即可测量照相系统、望远系统的光学传递函数 (OTF) ,并且兼有测量焦距、放大率和光谱透射比等参数的功能。通过用OTF标准镜头进行标定 ,开展OTF国际比对工作 ,为建立OTF计量标准打下基础。该系统测量不确定度为 :可见光至近红外波段 :轴上 0 0 3、轴外 0 0 5 ;红外波段 :轴上0 0 4、轴外 0 0 6。重复性 :0 0 1(RMS)。主要性能指标均达到当前国际先进水平。     

微光彩色夜视光学系统设计与像质评价

为了充分利用可见光和长波红外所蕴含的不同信息进行数据融合、彩色显示,分析了3种不同类型双波段光学系统及其成像性能,设计了全折射光学系统、折反射光学系统和离轴三反射双谱光学系统。采用不同的分光形式,反射可见光波段,透射长波红外波段,使3种不同类型光学系统的全视场角和相对孔径分别为5°和1∶1.7;光学系统在可见光波段成像质量对应的空间频率50 lp/mm处的MTF=0.60,在长波红外波段成像质量对应的空间频率15 lp/mm处的MTF=0.30。对不同结构类型的系统特点进行分析和讨论,给出了各种像差曲线和光学传递函数曲线,为多波段彩色夜视设计了不同类型的光学系统。     

短波红外成像系统对激光光斑探测能力分析

通过短波红外探测器灵敏度、目标和环境探测输出信噪比、对比度等分析,计算给出不同大气能见度、环境照度条件下,短波红外热像对外界景物和激光光斑的探测距离,并对理论分析进行试验验证。结果表明,在大气能见度1 km~3 km、环境照度1 lx~1 000 lx、阈值信噪比2.25~10、阈值对比度0.01~0.02的条件下,短波红外热像对激光光斑探测距离为0 km~3.5 km。