1 哈尔滨工业大学 光电子技术研究所 可调谐（气体）激光技术重点实验室， 黑龙江哈尔滨5000
2 复杂系统控制与智能协同技术重点实验室，北京100074
利用Gm-APD （Geiger mode avalanche photon diode）激光雷达对浓密烟雾背后的目标进行成像时，烟雾对激光的强后向散射和吸收能力，严重限制了传统算法对淹没在烟雾信号中目标信号的提取能力。提出了一种基于双参量估计的Gm-APD激光雷达透烟雾成像算法，介绍了基于Gm-APD激光雷达的触发模型和根据探测概率求解实际接收回波信号的原理，并且基于光子与烟雾粒子的碰撞理论和Mie散射理论，详细推导了Gamma模型两个参数的物理关系。根据推导的关系式提出了一种双参量估计算法，该算法考虑了如何精确估计μ，k两个参数。最后，开展了仿真和室内透雾实验，利用仿真实验检验μ，k关系式的正确性，利用室内实验验证提出算法的透雾成像能力。实验结果表明，相较于传统算法，本文提出算法重构图像的目标复原度提升了73%，结构相似性提升了0.228 9。该研究有效提升了Gm-APD激光雷达在烟雾环境中的目标感知能力。
激光雷达 透烟雾成像 Gamma模型 双参量估计 lidar imaging through smoke Gamma model dual-parameter estimation 光学 精密工程
2022, 30(19): 2370
1 吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林 长春 130012
2 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094
敦煌校正场是我国最重要的辐射校正场，地面目标的方向反射特性是影响场地定标精度的重要参数。对于在什么情况下需要校正地表反射率及采用哪种双向反射分布函数（BRDF）进行校正，尚无明确的研究。由于中等分辨率成像光谱仪（MODIS）精度较高，对MODIS影像进行了分析。首先利用2020年9月敦煌场地6组不同测量时刻下的无人机多角度观测数据，分别以6种不同核函数组合方式建立36个不同的BRDF模型，针对不同观测角度下的MODIS影像，分别计算BRDF校正前和BRDF校正后的表观反射率；而后与卫星实测表观反射率进行相对偏差的比较。实验结果表明，以28°的观测角度为界，当观测角度大于28°时相对偏差较大，且BRDF校正对结果的影响较大；在所建立的BRDF模型中，采用接近卫星过境时刻测量的多角度观测数据所建立的BRDF模型校正效果更好；且基于Rossthick-Lidense、RossThick-LiSparseR和Rossthin-LisparseR这三种核函数组合方式的BRDF模型所计算的表观反射率与卫星观测值的相对偏差都比较小。
遥感 双向反射分布函数模型 反射率基法 敦煌辐射校正场 表观反射率 激光与光电子学进展
2022, 59(16): 1628005
1 吉林大学地球探测科学与技术学院, 吉林 长春 130012
2 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094
3 中国科学院大学, 北京 100094
为了监测卫星传感器在轨辐射性能的变化、提高定标的频次和精度、满足新时期定量遥感的应用需求,提出了一种基于卡尔曼滤波的时间序列定标方法。以敦煌辐射校正场为试验场,获取高分一号宽视场成像仪(GF1-WFV)在2013—2020年间多景敦煌场地影像,先对影像灰度值进行归一化处理,利用标准差剔除异常值,筛选出有效影像;采用基于稳定目标的历史数据时间序列定标方法计算定标系数,并利用卡尔曼滤波思想对定标系数进行进一步处理,最后分别将本文定标结果与中国资源卫星应用中心(CCRS)定标结果、Landsat8定标结果进行对比。结果表明:高分一号卫星传感器在轨运行期间的最大年衰减率不超过0.3%,说明传感器未发生明显衰减;通过对定标结果的对比验证,发现基于卡尔曼滤波的时间序列定标方法所获得的定标结果比CCRS定标结果的精度高,其中各波段的平均相对误差最大可减小16.14%。由此可见基于卡尔曼滤波的时间序列定标方法具有较好的可靠性和稳定性。
大气光学 高分一号 宽视场成像仪 时间序列定标 卡尔曼滤波 高精度 敦煌定标场 光学学报
2022, 42(12): 1201003
1 吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林 长春 130012
2 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094
3 中国气象局国家卫星气象中心，北京 100081
4 中国资源卫星应用中心，北京 100094
敦煌国家辐射校正场每年都开展大量实验，为国内外对地观测卫星提供定标服务，但多年来敦煌场进行像元尺度地表反射率获取工作时，有关地面光谱采样方案准确度的研究较少。为定量评估不同地面采样方法的准确度，确定不同像元尺度地表反射率获取时采样点的最佳位置，实现敦煌场高精度高效率业务化测量，利用敦煌高分辨率无人机数据与GF-1卫星2 m全色数据对不同像元尺度地表反射率采样方法准确度进行定量分析。研究结果表明：获取陆地卫星像元尺度地表反射率，建议在敦煌150 m国家场的位置用5点系统采样方案初步标定2 m样方位置，并用光谱仪在各2 m样方内用5点系统采样法进行测量；对于气象卫星像元尺度，建议在新选3 km场地用5点模拟退火采样方案确定2 m样方位置，并用光谱仪在各2 m样方内用5点系统采样法进行测量。
遥感 敦煌辐射校正场 像元尺度 地表反射率 采样方法 采样准确度 激光与光电子学进展
2022, 59(10): 1028009
1 哈尔滨工业大学光电子技术研究所 可调谐（气体）激光技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
2 复杂系统控制与智能协同技术重点实验室，北京 100074
3 哈工大（北京）工业技术创新研究院有限公司，北京 101312
针对水下激光雷达探测得到的尾流回波信号由于非稳态造成特征提取困难、不易识别的问题，提出了基于PCA特征提取与弹性BP神经网络结合的水下气泡识别算法。首先对连续采集的回波信号进行切片预处理，然后采用PCA算法对拼接的高维样本进行主要特征提取，确定特征值个数，其次对弹性BP神经网络进行参数的选择，确定能实现最优分类的隐含层节点数、特征个数等，最后根据室内搭建的尾流探测模拟平台，实现对气泡群和干扰目标的识别。实验结果表明：在隐含节点为12，增量因子为1.15，减量因子为0.55时，选取两个特征值能对有气泡、无气泡及干扰物进行有效分类；识别率随着气泡群密度的增大提升13.4%，在低密度下的识别率随激光能量的增加平均提升6.3%，识别率随距离的增加先增大后减小，气泡群在2.2 m时的目标峰特征明显，平均识别率提升3.5%。通过与自适应附加动量BP对比，该方法在减少识别时间的同时准确率达到99.1%，证明该算法可有效运用于激光雷达舰船尾流气泡的识别。
激光雷达 气泡识别 PCA特征提取 弹性BP网络 lidar bubbles recognition PCA feature extraction elastic BP neural network 红外与激光工程
2021, 50(6): 20200352
1 哈尔滨工业大学 光电子技术研究所 可调谐(气体)激光技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈工大(北京)军民融合创新研究院有限公司，北京 101300
3 复杂系统控制与智能协同技术重点实验室，北京 100074
4 中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009
目标三维姿态信息在目标运动分析、目标识别和目标跟踪等领域的应用越来越广泛。现有的OPDVA算法采用基于距离的K-means算法对点法向量进行分类后确定目标坐标系MCS的正方向，求取目标三维姿态角。针对点法向量分类效果不理想的情况，提出了基于Mean Shift点法向量分类的目标三维姿态估计算法(PEMSPNC)。该算法利用不依赖初始参数设定、基于密度聚类的Mean Shift算法，对密度分布不同的不同平面点法向量分类，寻找密度最大处点法向量做为每类代表法向量确定MCS的正方向，然后计算目标姿态角，并根据目标姿态估计结果计算目标尺寸。采用矩形拟合法、OPDVA和PEMSPNC算法分别对仿真和实测目标距离像进行实验。实验结果表明：采用PEMSPNC算法得到的姿态估计结果误差最小，相比于OPDVA算法，平均误差降低了0.443 4°，且对实测数据有较好的处理结果。
激光雷达 Mean Shift算法 姿态估计 几何尺寸估计 Lidar Mean Shift algorithm pose estimation geometric size estimation 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200109
1 哈尔滨工业大学 光电子技术研究所 可调谐激光技术国家级重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
2 复杂系统控制与智能协同技术重点实验室，北京 100074
Geiger mode Avalanche Photo Diode(Gm-APD)激光成像雷达三维重构算法的目标检测率、目标还原度等受预处理影响较大，不适当的预处理会导致目标缺失，信噪比降低。预处理通常使用高斯函数或双高斯函数进行卷积，滤波函数中不合适的方差同样会导致目标复原度变低。针对此问题，分析双高斯函数预处理方差组合对探测概率的影响，同时通过Monte Carlo仿真，分析固定激光能量下，固定帧数、不同背景噪声的最佳方差组合变化。拟合得到不同背景噪声水平下的最佳方差模型。最后使用真实实验进行验证，方差模型求得的最佳方差组合可达到实际90%以上最佳目标还原度。该模型对于实际信号处理具有理论指导作用。
激光成像雷达 双高斯预处理 Gm-APD Gm-APD lidar double Gaussian function preprocessing 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200388
1 哈尔滨工业大学 光电子技术研究所 可调谐激光技术国家级重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
2 复杂系统控制与智能协同技术重点实验室，北京 100074
针对目前激光雷达三维距离像分辨率低的问题，使用成本低且有效的图像处理方法获得高分辨三维距离像。首先，利用多传感器系统的特点，将低分辨率Gm-APD激光雷达与高分辨率ICCD激光雷达相结合，获得配准后的低分辨距离像和高分辨强度像，然后，提出了一种改进的图像引导算法实现低分辨图像超分辨重构。该方法使用马尔科夫随机场模型，定义了全局能量函数，该函数将距离保真项和正则化项相结合，通过求解优化模型获得高分辨三维距离像。通过对仿真图像和激光雷达距离像的超分辨重构处理，以主观视觉效果和图像质量客观评价指标来验证此方法。实验结果表明，该方法提高了距离像的分辨率，且很好地保护了图像的边缘结构，在无参考图像质量评价指标上较双三次插值、引导滤波和TGV取得更优值。
超分辨重构 激光雷达 三维距离像 ICCD super-resolution reconstruction lidar three-dimensional range profile ICCD 红外与激光工程
2020, 49(8): 20190511
