针对遥感应用中的三维云层辐射传输计算问题,提出一种水平方向邻域多次散射近似模型。通过分析水平方向相邻云体单元间的辐射通量密度变化机制,建立相邻云体水平辐射交换方程。引入太阳方向补偿函数,修正太阳入射角对辐射传输的影响。利用I3RC Phase Ⅱ淡积云场(Cu)数据、基于实测修正的多尺度叠加分形算法得到的层积云场(Sc)数据和高积云场(Ac)数据进行实验。实验结果表明,与独立像元近似(IPA)模型和严格单次散射结合爱丁顿多次散射(SSEddMS)模型相比,在0~60°太阳天顶角范围内,所提模型的上行方向辐射源函数(USF)平均相对误差优于13%;在低太阳天顶角条件下,计算精度提升超过15%;在不同观测条件下,像元级辐射计算精度优于5%。所提模型能够适用于具有不同光学厚度与水平非均匀性的三维云层,在稳定性、适用性及计算精度方面均具有显著优势。

针对可见光与红外大口径薄膜衍射光学系统在空间上应用的可行性问题,提出基于二维时域有限差分法的大口径衍射光学成像特性的仿真模型与快速分析的计算方法。首先充分考虑大口径衍射光学元件的亚波长微结构尺寸的电磁场调制特性,建立亚波长结构尺寸的衍射光学系统成像特性分析模型;然后通过矢量化编程和GPU加速运算提出快速求解方法,有效解决由矢量计算所致计算量庞大的问题;最后利用建立的成像特性分析方法对大口径衍射光学系统进行成像特性分析实验。实验结果表明:该方法可在有效表征亚波长微结构衍射光学系统成像特性的基础上,实现衍射光学元件成像特性的快速分析。

针对远距离空中弱目标光学探测的需求,提出天基探测系统性能表征与关键指标匹配设计方法.首先立足于天基光学探测全链路,分析得出影响天基观测条件下空中复杂环境背景中弱目标光学探测的主要因素,包括场景杂波、探测系统的光谱辐射尺度、几何尺度等; 然后对上述影响因素进行表征建模,建立目标的图像信噪比与影响要素之间的关系模型,即探测系统性能表征模型; 最后以典型探测场景为例,通过研究目标在不同场景杂波及探测多尺度耦合特性下的信噪比变化规律,提出探测谱段优选及其与空间分辨率的匹配设计建议,可为我国天基探测系统设计、指标论证、信息处理算法优化提供理论依据与科学指导.

提出一种基于相位差异法的衍射光学系统波前反演误差分析方法。从衍射光学系统波前反演模型出发,分析了产生波前反演误差的物理因素;对各影响因素进行了理论建模,建立了衍射光学系统波前反演误差分析方法。以某衍射光学系统为应用实例,分析了各因素对波前反演误差的影响规律,并验证了误差分析模型与方法。实验结果表明,模型分析结果与实际误差之间的平均偏差小于13.5%,可为衍射光学系统的空间应用提供支撑。

针对目前在轨卫星图像动态范围偏窄、直方图集中、灰度层次不够丰富、暗场景图像细节分辨能力不强的问题, 提出一种卫星在轨动态场景实时匹配方法。首先, 研究云检测和基于直方图特性的大气程辐射预估方法, 消除它们对场景高、低动态测量的影响, 并结合测光相机与成像相机辐射响应关系的标定, 通过测光相机最多2次拍摄地面场景, 实现场景动态范围的实时测量; 然后, 针对地面场景动态范围通常超出相机动态的问题, 设计并提出了基于高亮度和低亮度匹配的相机与场景动态范围匹配方案, 同时给出了不同情况下相机在轨参数解算方法。最后, 通过无人机飞行试验对匹配方法进行了试验验证, 结果表明: 利用该方法可根据实时拍摄的地面景物合理地设置相机积分级数和增益, 实现相机与场景动态范围的最佳匹配, 有效灰阶提升优于100%, 信息熵提升优于40%。

面向高轨监视领域对超大口径、轻量化的高分辨率光学载荷的迫切需求, 提出了一种以衍射元件为主镜的空间大口径衍射成像系统图像反演恢复与增强方法。针对大口径光学系统像差和主镜衍射效应引起的模糊严重以及点扩散函数空间变化性大等降质问题, 基于正则化理论框架和等晕区分块思想, 提出了基于多正则化约束的衍射成像系统图像反演恢复方法, 研究了多参量多约束模型的高效求解方法。针对衍射效率不足和非设计级次背景杂波引起的图像信噪比低和对比度下降严重的问题, 结合小波阈值滤波与非线性变换, 提出了自适应的衍射成像系统图像质量增强方法。最后进行了实验验证, 实验结果表明: 当空变等级达到了30时, 恢复结果与原始图像的结构相似度在08以上, 信噪比提升10%以上, 信息保真度在80%以上。该方法在有效提升图像清晰度与对比度的同时, 提高了图像的信噪比, 对超大口径薄膜衍射成像系统的实际空间应用具有一定的理论研究意义和工程应用价值。

针对天基观测复杂环境下空中弱小目标远程广域探测的需求, 立足于天基光学探测链路, 分析太阳光照、云层及地表等复杂背景环境与目标辐射的相互作用机理, 在此基础上提出影响天基目标光学特性的探测场景环境要素; 然后结合目标的可探测性表征, 分析在不同探测谱段情况下, 不同光照、地表背景类型及云层等复杂环境要素对目标可探测性的影响规律; 最后以某典型目标为例, 结合现有的目标特性认知与理论建模, 分析得出复杂环境要素的影响排序, 并根据目标信杂比随谱段的变化特性, 提出探测谱段的优选建议, 为我国隐身/反隐飞行器设计、探测系统设计及信息处理算法优化提供理论依据与科学指导.

为了增加硬质内窥镜的有效视场,便于手持操作,节约成本,需要对现有硬质内窥镜的性能进行改进。首先,分析国内外硬质内窥镜的发展现状以及存在的主要问题,对比相关产品提出设计要求;接着,提出一种30°视向角硬质内窥镜的设计方法;然后,在分析目前市场上各类硬质内窥镜转向系统结构的基础上,提出使用全反射棱镜设计30°视向角内窥镜的方法;最后,结合相应标准对设计结果进行公差分析与像质评价。设计结果表明:所设计内窥镜的总长度为365 mm;口径小于6 mm;视场角为±40°;物方分辨率为12 lp/mm,接近衍射极限;能量分布均匀。考虑加工和装调误差,进行公差分析后结果显示像质满足用户需求。设计结果基本能够满足实际使用需求,达到设计要求,对硬质高质量医用内窥镜的国产化具有工程应用意义。