1 中国科学院空间主动光电技术重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
面阵激光成像雷达可以实现瞬态三维探测，适用于运动平台及非合作目标的位姿测量。针对相邻像元间具有串扰特性的面阵非均匀格网型稀疏点云，提出了一种适用于空间非合作目标位姿测量的多视角点云自动配准方法。该方法基于改进的相干点漂移(Coherent Point Drift, CPD)，将目标点云视为观测数据集，源点云视作为高斯混合模型(Gaussian mixture model, GMM)的质心点集。利用贝叶斯后验概率公式及期望最大化(Expectation-Maximum, EM)方法，对构造的GMM模型似然函数进行求解，在寻优过程中通过点云重叠特性对运算点集的权值参数进行自适应调整。对单次EM迭代后源点云间距离残差进行排序，选取最优变换点云对使用最近邻方法建立局部扰动量，得到每次漂移迭代的空间变换矩阵。为了避免陷入局部解，通过监督点云均方误差更新率，对参与漂移运算的点集属性进行交替。针对空间配准目标，建立了两种近似运行下的阵列成像仿真工况。试验结果表明：在强背景及像元模糊干扰下，该配准框架具有鲁棒性优势，其结果平均最大公共点集测度相对于粗+精组合配准框架提升约61%，可应用于空间面阵平台下的非合作目标位姿测量。
阵列点云配准 相干点漂移 期望值最大化 array point cloud registration coherent point drift expectation maximization 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220367
1 上海海洋大学信息学院，上海 201306
2 中国科学院上海技术物理研究所，中国科学院空间主动光电技术重点实验室，上海 200083
相对于传统阈值型和全波形激光雷达，光子计数激光雷达具有高密度、高分辨率、高穿透性等优势，然而光子计数激光雷达所获得的光子点云数据具有较多的背景噪声及干扰噪声，为准确识别目标上的有效光子信号，采用合适的光子滤波方法很有必要。目前主要存在的滤波方法有基于直方图统计去噪、基于局部距离统计去噪、基于密度的噪声空间聚类（DBSCAN）去噪等。为了解这些方法对山地和水体区域的适用性，选用机载多波束试验激光雷达分别对这些方法进行比较与分析。实验结果表明，3种去噪方法都可以准确提取有效的光子点云，其中直方图统计方法对于地形平坦区域和水体的去噪效果明显优于地形起伏区域，局部距离统计和DBSCAN的去噪效果受地形变化影响较小，且DBSCAN对山地数据的去噪效果最佳。用去噪精确度、去噪召回率和F1指标对这3种方法的去噪结果进行定量比较。3种方法对于山地区域内的有效光子去噪精度分别为0.9342、0.9524、0.9669，对于水体区域的有效光子去噪精度分别为0.9981、0.9492、0.9349。
光子点云 滤波方法 直方图统计 局部距离统计 基于密度的噪声空间聚类 激光与光电子学进展
2023, 60(6): 0628001
光子学报
2021, 50(12): 1204001
安徽大学物理与材料科学学院, 安徽 合肥 230601
温度控制在 LF 炉精炼过程中具有重要地位, 它是控制钢水成分质量、连铸质量及稳定工艺的关键。研发了一种非接触式的钢水温度监测系统, 该系统通过双光路近红外面阵 CCD 探测器实时获取 LF 炉内钢水高清热像, 再利用计算机对该图像信息进行技术处理,从而准确地识别出钢水, 并根据测温模型计算出实时的温度数据。该测温系统还可作为工业电视使用, 便于炼钢工人及时了解炉内状况。不同于以往的接触式测温方法, 新系统可以在不影响钢水冶炼进度的情形下完成对LF炉内钢水温度的实时监测, 操作便捷、安全, 是一项十分值得推广的技术, 对其它测温应用领域也具有一定的指导作用。
LF炉 实时 面阵 CCD 探测器 温度 LF furnace real time area array CCD detector temperature
红外与激光工程
2020, 49(11): 20201047
1 中国科学院上海技术物理研究所中国科学院空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学,北京 100049
3 中国科学院大气物理研究所中国科学院中层大气与全球环境探测重点实验室, 北京 100029
对流层顶-平流层下区域(UTLS)的水汽分子密度对于研究全球变化、大气物质能量交换具有十分重要的意义,激光掩星技术可能是 一种探测该区域水汽的有效手段。掩星对于大气探测的核心思想源于阿贝尔(Abel)变换。GPS掩星的阿贝尔积分变换表达的是 连线的折射角与切点处折射率之间的关系,而与GPS掩星的阿贝尔积分变换不同的是,激光掩星的阿贝尔积分变换建立的是全路 径大气光学厚度与切点处大气消光系数之间的关系。从光线的程函方程出发,通过变量替换、坐标置换,从而建立起 大气光学厚度与大气消光系数之间的关系。由于光在切点处大气的消光系数和该处大气的水汽浓度成正比,因此分别在微 卫星和微卫星之间发射、接收0.935 μm掩星激光脉冲,连接两者之间的光束穿过大气层,计算积分路径上其水汽双波长 差分光学厚度,由阿贝尔积分变换反演即可获得光束路径切点处水汽浓度。随着掩星连线的上下移动,连线切点高度随着卫星 相向或背向而行而变化形成水汽浓度廓线。由于激光束发散角小,因此由激光掩星方法获得的水汽廓线高程精度高, 水汽的吸收消光可以直接得到水汽的分子密度,优于GPS掩星的相位延迟间接方法,可以更直接精确地探测大气对流层顶-平 流层下区域的水汽分子密度。此外,研究表明激光掩星方法的光谱分辨率优于太阳掩星方法的光谱分辨率。
激光掩星 阿贝尔变换 差分光学厚度 水汽浓度 laser occultation Abel transformation differential optical depth the volume mixing ratio of vapor 大气与环境光学学报
2020, 15(3): 180
1 安徽大学物理与材料科学学院, 安徽 合肥 230601
2 合肥师范学院物理与材料工程学院, 安徽 合肥 230601
3 马钢 (集团) 控股有限公司, 安徽 马鞍山 243003
设计了一种在实验室环境下模拟工业现场高速线材椭圆度监测系统, 利用三相机测量的方式, 实现了线材椭圆度的非接触式测量。首先选取双侧远心镜头、准直光源、高速面阵 CCD 工业相机对线材实时图像进行采集, 并对相机进行标定与畸变矫正; 随后对三路相机采集到的实时图像依次预处理, 提出了一种自适应 Ψ 值运动模糊图像恢复方法; 最后通过霍夫变换检测到的两条直线上点分别计算出三路相机测得的线材直径, 并利用直径计算出线材椭圆度。研究结果表明, 在实验室条件下该系统的测量精度达到了实际工业生产中所需的精度, 有望在高线生产线上投入使用。
双侧远心镜头 霍夫变换 椭圆度 运动模糊 面阵 CCD bilateral telecentric lens Hough transform ellipticity motion blur processing area array CCD 大气与环境光学学报
2020, 15(4): 314
1 中国科学院上海技术物理研究所, 中国科学院空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
大气压力是最重要的气象要素之一。为了实现空间激光遥感大气压力,需要先进行必要的地基激光雷达探测实验研究。以单纵模Nd∶YAG激光器的二倍频532 nm激光脉冲作为泵浦源,以KTP(KTiOPO4)晶体作为非线性转换介质的光参量振荡器和光参量放大器,产生了760.236 nm和760.307 nm 波长的两种激光脉冲,脉冲能量为40 mJ,采用?350 mm望远镜接收大气的后向散射,从而获得了不同高度处与激光雷达之间双波长的差分光学厚度。有效探测高度为500~4000 m,时间分辨率为1~5 min。实验结果表明,差分光学厚度对应着大气层不同高度处与激光雷达间的压力差,其对应关系的数值表达是可以期待的。
遥感 遥感器 差分吸收激光雷达 光参量振荡器 光参量放大器 差分光学厚度 大气压力
1 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院空间主动光电技术科技创新重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院大气物理研究所 中层大气和全球环境探测重点实验室, 北京 100029
为了更好地探测对流层大气水汽的垂直廓线, 对已经建立的935 nm差分吸收激光雷达进行了部分改进。采取双通道接收的措施, 近场通道望远镜同时也是发射激光的扩束器, 近场通道采用偏振分束器加四分之一波片的方式隔离发射光和回波光, 远场通道(主通道)采用平行旁轴的卡塞格林望远镜, 从而减小激光雷达近地面盲区; 发射机的双波长挪到936.0~936.5 nm之间, 增加了注入种子激光的功率, 提高发射光谱纯度, 从而提高探测精度。探测范围从600~2 000 m, 延展到250~3 000 m, 随机误差5%。
差分吸收激光雷达 大气对流层水汽 后向散射 垂直范围 differential absorption lidar(DIAL) vapor of troposphere backscattering vertical range 红外与激光工程
2019, 48(12): 1203009
1 中国科学院空间主动光电技术重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
介绍了一种氧气A带差分吸收激光雷达发射机，试图用于大气压力探测实验.该激光发射机是基于种子注入的光参量振荡器和光参量放大器的结构.作为从振荡器，采用一个环形腔KTP光参量振荡器.作为注入种子的主振荡器，即一个连续波外腔调谐二极管激光器.该连续波外腔调谐二极管激光器，由高精度的波长计构成的一个PID(Proportional-Integral-Derivative)伺服控制环，稳定其工作波长.向光参量振荡器的谐振腔注入连续波的种子激光，通过“Ramp-Hold-Fire”技术，锁定OPO(Optical Parametric Oscillator) 谐振腔的腔长.该激光发射机具有高的光频率稳定性(30 MHz/rms)、窄的线宽(傅立叶转换限)、高的脉冲能量(≥45 mJ)等性能，能够在工作期间保持稳定.发射机系统以单纵模式工作，使得差分吸收激光雷达对后向散射光信号的窄带探测成为可能.因而此类系统具有精确探测大气压力的发展潜力.
大气压力 差分吸收激光雷达 光参量振荡器/光参量放大器 注入锁定 pressure measurement differential absorption lidar parametric oscillators and amplifiers injection-locked 红外与毫米波学报
2019, 38(4): 04451
