世界各国目标信息获取与应用需求日益迫切，各国纷纷着力开展新型的目标信息获取技术研究，针对各类目标，尤其是对空中目标进行高效信息获取。在现今的信息化社会中，新型信息获取技术意义重大，可以促进社会发展、提升人民生活水平，同时在完善**体系，保障国民安全方面也作用显著。因此，对新型目标信息获取技术的研究十分必要。基于大气扰动的目标探测技术作为一种新型的信息获取技术体制，利用目标飞行时形成的大气扰动进行目标探测具有不受目标自身性能影响的显著优势，应用潜力巨大。此篇综述基于大气扰动的目标探测技术，对目标大气扰动检测中图像处理方法进行研究，主要分为互相关方法、光流方法、帧间差分法、背景减除法四个方面，阐述其国内外研究进展，分析其技术优劣势及发展技术途径，最后对四种方法以及目标大气扰动图像处理方法未来的发展方向进行展望与总结。
大气扰动 图像处理方法 目标探测 atmospheric disturbance image processing methods target detection 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230044
红外与毫米波学报
2022, 41(6): 1062
1 北京空间机电研究所，北京 100094
2 中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳 621000
利用运动物体高精度大气扰流检出方法，以散斑图像及多类卫星图像为背景，对高压气流冲击下飞机缩比模型形成的大气扰流情况开展了实验研究。验证了不同背景图像分辨率、不同背景类型条件下，大气扰流可视化光学监测方法可检出大气扰流折射率梯度为10−6。并通过可直接显示大气扰流信息的传统纹影成像实验，获得相同工况条件下大气扰流信息，通过对比分析，得出利用大气扰流可视化方法获取的大气扰流信息与直接显示的大气扰流信息分布及细节都相同，从而直接验证了卫星图像背景条件下大气扰流可视化光学监测方法检出大气扰流结果的正确性。文中成果验证了实验室条件下运动物体大气扰流可视化光学监测方法的正确性及大气扰流的检出精度。
扰流检出 光线偏折 背景纹影 检出精度 disturbance monitoring light deflection background-oriented schlieren monitoring accuracy 红外与激光工程
2022, 51(8): 20210793
红外与激光工程
2022, 51(9): 20210843
1 北京空间机电研究所, 北京 100094
2 先进光学遥感技术北京重点实验室, 北京 100094
3 流体物理研究所, 四川 绵阳 621000
降落伞气动开伞过程、高速客机气动外形的优化都需要可视化流场信息,因此,以大气扰动引发的背景光线偏折为基础,建立了基于“整像素十字搜索+Newton-Raphson亚像素定位+扰动方程求解”的运动物体高精度大气扰动检出方法,并通过数值散斑图像验证了本方法在理想条件下的理论检出精度。在实验室内以散斑图像为背景,用本方法和传统纹影监测方法对高压气管出口气流进行扰动检出,结果表明,本方法的准确性较高,可为实验室外的可视化监测提供一种适用性较强的方法。
测量与计量 光线偏折 背景导向纹影 扰动可视化
1 北京空间机电研究所，北京 100094；先进光学遥感技术北京重点实验室，北京 100094
2 哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001
3 流体物理研究所，四川 绵阳 621000
建立了对运动物体在大气层内运动引发的大气扰流进行可视化光学监测的方法，包括大气扰流光传输方法、大气扰流光偏折监测方法，以及高精度扰动检出方法三个部分。首先，在分析大气扰流引发光线偏折机理的基础上，研究了大气扰流区光线折射率、折射率梯度和光线偏折传输的计算方法；其次，基于背景纹影成像原理的监测系统各参数对监测效能影响的分析方法；最后，利用“整像素搜索+亚像素定位”的高精度扰动检出方法，分别建立了这三种方法的数学模型并开展了仿真分析。结果表明：该方法为可视化监测航天飞行器返回大气层着陆减速、降落伞动力展开、客机超音速飞行等过程中与大气的相互作用，提供了一种重要的方法与途径，监测结果可为优化气动外形提供数据支撑。
光线偏折 变折射率 大气扰流 光学监测 light deflection variable refractive index atmospheric disturbance optical monitoring 红外与激光工程
2020, 49(8): 20190535
Author Affiliations
Abstract
1 School of Science, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China
2 Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, Chinese Academy of Sciences, Suzhou 215123, China
3 School of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
A monolithic integrated ultraviolet-infrared (UV-IR) dual-color photodetector based on graphene/GaN heterojunction was fabricated by vertically integrating a GaN nanowire array on a silicon substrate with monolayer graphene. The device detects UV and IR lights by different mechanisms. The UV detection is accomplished by the forbidden band absorption of GaN, and the IR detection is realized by the free electron absorption of graphene. At peak wavelengths of 360 nm and 1540 nm, the detector has responsivities up to 6.93 A/W and 0.11 A/W, detection efficiencies of 1.23 × 1012 cm·Hz1/2 ·W-1 and 1.88 × 1010 cm·Hz1/2 ·W-1, respectively, and a short response time of less than 3 ms.
UV-IR dual-color photodetector heterojunction GaN nanowire array graphene Chinese Optics Letters
2020, 18(11): 112501
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 中国科学院光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学光学学院, 北京 100049
鉴于浅层人工神经网络(ANN)需要依靠先验知识进行人工提取特征, 同时较浅的网络结构限制了神经网络学习复杂非线性关系的能力, 将深度神经网络(DNN)应用于利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)对多组分易挥发性有机物(VOCs)进行的浓度反演研究, 并利用仿真实验验证了算法的有效性。 从美国环境保护署(EPA)的数据库中选取了包括苯、 甲苯、 1,3-丁二烯、 乙苯、 苯乙烯、 邻二甲苯、 间二甲苯、 对二甲苯在内的八种VOCs气体在8～12 μm波长范围内的吸光度谱, 每种气体有四种不同浓度下的谱线, 依据Beer-Lambert定律从每种VOCs气体中选择一种浓度下的吸光度谱进行混合, 得到65 536种不同的VOCs混合气体吸光度谱样本。 随机选择5 000组混合气体的吸光度谱, 其中4 000组作为训练样本, 1 000组作为预测样本。 通过积分提取和主成分提取对光谱矩阵进行降维预处理, 将光谱维度从3 457维降到30维。 将光谱矩阵经过预处理后得到的新矩阵作为网络输入, 对应八种VOCs的浓度矩阵作为输出, 建立了30-25-15-10-8的深度神经网络回归预测模型来实现多组分VOCs浓度反演, 反演得到样本的均方根误差为0.002 7×10-6, 相比于前人利用非线性偏最小二乘拟合、 人工神经网络等方法拟合的精度有了明显的提高。 每种VOCs气体的均方根误差均不超过0.005×10-6, 每个样本的均方根误差均不超过0.006×10-6, 证明了深度神经网络预测模型具有良好的非线性拟合能力和良好的稳定性。 当训练样本不足(典型值: 小于500)时, 深度神经网络无法充分地学习, 网络误差较大, 精度低于单隐藏层的人工神经网络, 但随着训练样本数量的增加, 深度神经网络的精度不断提高, 当训练样本数充足时, 相比浅层的人工神经网络, 深度神经网络具有更强的非线性关系学习能力, 预测精度更高, 模型更为稳定。 同时, 由于训练前对光谱矩阵进行了降维处理, 大大降低了算法的复杂度, 有效提高了反演效率。 分析表明, 深度神经网络预测模型具有良好的非线性拟合能力和良好的稳定性, 无需人工提取特征就能够充分学习数据特征, 同时对多组分VOCs进行浓度反演并达到较高精度。
深度神经网络 傅里叶变换红外光谱 易挥发性有机物 浓度反演 多组分分析 Deep neural network Fourier transform infrared spectroscopy Volatile organic compounds Concentration inversion Multi-component analysis 光谱学与光谱分析
2020, 40(4): 1099
1 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国科学院研究生院, 北京 100049
针对离轴反射光学系统的精密装调问题, 提出了一种高精度空间交互测量以及基准传递系统, 可实现调焦角度与系统光轴的高精度角度定位。该系统口径为450 mm, 可实现0.5 km至无穷远的调焦, 调焦角度精确定位后, 只需调整无穷远处离轴三反光学系统的波像差满足要求, 即可保证系统各个调焦位置处的波像差均满足设计要求, 大大提高了装调效率。装调实验结果表明, 无穷远处系统的波像差结果为0.09λ, 1.5 km处系统的波像差为0.1λ, 2.5 km处系统的波像差为0.11λ, 0.5 km处系统的波像差为0.2λ, 均优于设计要求。
离轴光学系统 反射式光学系统 光学装调 可调焦 基准传递 off-axis optical system reflective optical system optical alignment focus-adjustable datum transmission
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 中国科学院光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院光电研究院, 中国科学院计算光学成像技术重点实验室, 北京 100049
3 中国科学院大学, 北京 100190
对地球大气温室气体进行高精度的探测, 是当今数值天气预报和气候与大气环境变化监测的发展需求。 利用OP/FTIR测量法, 将一台国内率先自行研制的中波红外反射转镜式干涉光谱仪, 首次成功地用于地表大气CO2红外吸收光谱的测量。 该反射转镜式干涉光谱仪的工作谱段为2 100～3 150 cm-1, 光谱分辨率为2 cm-1。 设计了大气成分探测方法, 建立了大气浓度参数反演数理依据和定量分析算法。 采用基于比尔定律的直接法和基于HITRAN数据库及仪器函数的仿真拟合法, 建立了反演模型, 并对CO2分子的浓度进行了反演。 根据观测和模型分析, CO2的浓度反演结果在300～370 ppm, 呈现出随自然环境变化先缓慢降低再快速升高的趋势, 并在下午至傍晚之间达到低值; 同时, 随时间的变化, 用直接法计算的CO2浓度和用拟合法的仿真值表现出了良好的一致性, 所有测量数据之间的相关性高达99.79%, 相对误差不超过2.00%, 达到了较高的反演精度。 结果表明, 在遥感测量大气成分方面, 基于红外反射转镜式干涉光谱仪的OP/FTIR法是可行且有效的技术手段, 直接法或拟合法皆可实现高精度的浓度反演。
大气红外光谱 浓度反演 比尔定律 仪器函数 反射转镜 Infrared spectra of atmospheres Concentration retrieving Beer-lambert law Instrument functions Reflecting scanning mirror 光谱学与光谱分析
2014, 34(11): 2978
