1 中国科学院上海技术物理研究所中国科学院智能红外感知重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
大动态、高精度主动热控技术是高轨大型空间相机高性能、长寿命运行的核心关键。空间相机主动热控系统既要满足高精度测控温要求，又要实现小型化、集成化以降低资源和功耗需求。然而，传统以中央处理器（CPU）和数字信号处理器（DSP）为控制单元的架构难以满足高集成化的设计需要，且热控功率较大，需进行功率管理以满足整星能源要求。针对以上问题，面向地球同步轨道大型空间相机大动态、高精度的测控温需求，设计了以现场可编程门阵列（FPGA）为核心控制单元的主动热控系统，利用FPGA的高速并行处理能力和丰富接口资源，实现复杂空间相机高集成度高精度主动热控。设计了热控功率错峰功能，对加热片采用分时控制，动态实时检测热控功率，在保障相机关键部件控温精度的前提下，将热控功率限定在功率设定值。该系统已应用于地球同步轨道大型空间相机，对相机108路加热、138路测温和2个星上黑体进行高精度测控温，通过地面和在轨测试验证了主动热控系统设计的合理性和正确性。
成像系统 相机 主动热控 高精度测控温 热控功率错峰 地球同步轨道 中国激光
2023, 50(22): 2210002
1 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院智能红外感知重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
随着航天红外技术向高定量化、高集成化方向的发展，传统基于CPU或DSP的黑体测控温系统无法满足高集成化和高精度的需要。针对上述问题，设计了基于FPGA的星载黑体高精度集成温控系统。该系统以FPGA为核心控制单元进行温度采集和控制，实现多功能高速并行处理。黑体测温模块采用三线制惠斯通电桥减小导线电阻影响，然后在信号调理部分采用集成运算放大器组成的三级有源滤波和放大实现了对电气输出的低噪声放大。与传统仪用放大器加无源滤波的信号调理方式相比，该方法具有更强的干扰抑制能力。同时，对铂电阻阻值与温度的非线性误差以及测温系统电路误差，提出了基于多项式模型及最小二乘理论的分级拟合校正方法，进一步提高了测温精度。控温模块采用新型模糊控制和增量式PID（FIPID）结合减小过冲，加快收敛速度。基于精密标准电阻的实测结果表明该系统测温精度在247~375 K范围内为0.035 K，比校正前精度0.383 K提高了90.9%。控温仿真实验表明与PID控温相比，FIPID的过冲为零，而PID算法有12.4%的过冲，且收敛速度提高了64%。地面热真空和在轨实际控温实验表明在256~367 K范围内实测控温精度为0.039 K，该方法已成功应用于某型号空间红外相机，且满足在轨高精度定标要求。该系统具有测控温精度高、动态范围大、易于集成化的优点，可推广应用于星上其他高精度主动温控。
星载黑体 集成化设计 FPGA 高精度测控温 模糊增量PID spaceborne blackbody integrated design FPGA high-precision temperature measurement and control fuzzy incremental PID 红外与激光工程
2023, 52(7): 20220852
王琪瑶 1,1,3,3胡琸悦 1,*李潇雁 1,1,2,2陈凡胜 1,1,2,2
1 中国科学院上海技术物理研究所中国科学院智能红外感知重点实验室，上海 200083
2 国防科技大学杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
3 中国科学院大学，北京 100049
针对遥感图像的运动模糊问题，提出一种基于局部最大和最小强度先验的遥感图像盲去模糊方法。该方法利用遥感图像局部像素强度的稀疏性作为先验条件，使用简单的迭代阈值收缩方法求解潜像和模糊核，再由非盲反卷积算法得到去模糊图像。实验结果表明，所提方法能提高计算效率，对于可见、红外遥感图像，均能有效恢复图像的纹理细节，抑制伪影，提升了复原图像的主观效果与客观评价指标。
遥感图像 运动模糊 图像去模糊 盲复原 激光与光电子学进展
2023, 60(4): 0428003
1 中国科学院上海技术物理研究所中国科学院智能红外感知重点实验室，上海 200083
2 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
3 中国科学院大学，北京 100049
对空间目标进行三维重建能够为在轨服务卫星提供服务对象的结构信息，是提高系统自主性的关键技术。受空间目标的结构对称性以及成像非朗伯特性的影响，传统的重建方法存在特征点匹配错误或特征点匹配不足的问题，重建精度低。针对该问题，提出了一种基于MVSNet深度学习网络实现空间目标三维重建的方法，利用深度学习提取图像高层语义，提高了立体匹配的鲁棒性。首先，基于空间目标的成像特点，分析了模型的几何结构和材质对重建结果的影响，设计了搭建在Blender平台上的空间目标多视图采集系统。然后，基于MVSNet深度学习网络，采用多尺度卷积充分提取了图像的深度特征，并通过编码解码结构融合和规整上下文信息进行了立体匹配，有效解决了传统方法重建卫星的弱纹理、反射、重复纹理等区域时对特征点的高度依赖问题。最后通过残差网络解决了多次卷积造成的边界过平滑问题，进一步提升了重建效果。实验结果表明，所设计的重建模型的平均准确度误差为0.449 mm，平均完整度误差为0.379 mm，误差综合评价为0.414 mm，精度较经典开源软件COLMAP提升了20%。该方法为空间操作自动化提供了技术参考，进一步推动了三维重建在相关领域中的应用。
遥感 深度学习 多视图 空间目标三维重建 卷积神经网络 编码解码结构 中国激光
2022, 49(23): 2310003
1 中国科学院上海技术物理研究所中国科学院智能红外感知重点实验室，上海 200083
2 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
3 中国科学院大学，北京 100049
对空天暗弱目标的高灵敏度连续探测是目前天基红外探测领域的重点研究方向。高速飞行器等目标由于机动性强、飞行速度快、飞行高度起伏大，其在系统入瞳处的辐射强度变化范围大；同时，飞行过程中地球背景复杂多变，系统对其连续探测的鲁棒性大幅降低。针对以上问题，综合分析了目标运动特性、背景辐射特征及其变化特点，提出了一种基于实时图像信息的积分时间、积分电容自适应寻优的探测跟踪方法。首先，根据目标典型运动速度和背景辐亮度特征，优化设计系统的积分电容和初始积分时间，对目标进行监视搜索。探测到目标后，收集目标的实际运动特征及邻域的背景辐射强度特征，根据目标运动轨迹的连续性和背景辐射变化的缓变性，自适应调整目标跟踪过程的最佳积分时间和积分电容，使目标信噪比持续保持最优，实现对目标的高灵敏度跟踪。
遥感 自适应 优化设计 连续探测跟踪 红外探测仿真 中国激光
2022, 49(21): 2110001
1 中国科学院智能红外感知重点实验室 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
3 中国科学院大学，北京 100049
合成孔径雷达（SAR）具有不受云层干扰、可全天时、全天候对地观测的特点，基于SAR图像的舰船检测已广泛用于海洋搜救、港口侦察、领海防御等民用或军用领域。然而，与大型舰船相比，像素点少、对比度低的小型舰船存在漏检率高的问题，并且速度和精度之间的平衡成为舰船检测算法天基应用的难点。针对以上问题，本文提出了一种基于YOLOv5s模型改进的舰船检测轻量化模型（ImShips）。首先，针对船体大小差异导致的漏检问题，采取在网络底部使用感受野较小的标准卷积，提升了模型对小规模舰船空间信息的获取能力。同时，在网络顶部设计了放大感受野的扩张卷积，保留了更多的语义特征，有利于大目标的特征提取。接着，提出将轻量级的通道注意力机制应用于YOLOv5的骨干网络和特征融合网络，通过对提取到的特征按重要性分配权重，实现纹理信息的筛选。最后，在下采样时采取深度可分离卷积代替标准卷积，减少了模型参数的数量，进一步提高了模型的推理速度。实验结果表明，在SAR舰船检测SSDD和ISSID数据集中，改进后的ImShips模型在保证精度的同时，所需的浮点计算数比YOLOv5s模型减少了45.61%，检测速度提高了8.31%。ImShips模型网络规模小、检测速度快，在实时天基舰船检测中具有较大的应用潜力。
舰船检测 YOLO回归模型 通道注意力机制 轻量化 ship detection YOLO regression model channel attention lightweight
1 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
2 中国科学院智能红外感知重点实验室，上海 200083
3 中国科学院上海技术物理研究所 红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
4 中国科学院大学，北京 100049
针对卫星发射前在轨数据缺乏导致的无法进行成像质量评估、链路分析及几何处理算法验证等问题，提出了一种基于光线追迹的长线列摆扫式热像仪在轨几何成像仿真方法。首先根据光学系统结构及成像特点，构建了长线列摆扫式热像仪严格几何定位模型；然后，基于姿轨仿真数据、DOM和DEM辅助数据，通过光线追迹及重投影算法实现了像元视矢量的空间投影及成像仿真；最后，提出了基于“广义”修正矩阵的几何检校方法，通过修正定位模型提高了仿真影像定位精度。实验结果表明，该方法可实现长线列摆扫式热像仪任意轨道位置的几何成像仿真，检校后仿真影像定位精度优于2个像元。该研究为空间光学载荷在轨几何成像仿真提供了新思路，对成像链路误差源分析、几何定位及检校方法研究具有重要意义。
成像仿真 几何检校 长线列摆扫 热像仪 光线追迹 imaging simulation geometric calibration long-linear-array and whisk broom（LLAWB） thermal infrared imager（TIRI） ray-tracing
1 中国科学院智能红外感知重点实验室，中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
红外运动目标的轨迹预测在车辆、行人监控和天基遥感探测等军民用领域有着广泛的应用。当目标的相对运动速度较高时，受读出速率及积分时间固定的影响，传统全视场成像信息获取方法所得的目标轨迹点稀疏，难以满足目标轨迹预测的精度要求。针对以上问题，提出了一种基于动态开窗的快速运动目标信息获取方法。首先对观测区域进行全视场成像，捕获到运动目标后，对目标及其邻域开窗以提高成像帧频。通过分析探测场景辐射特性对系统工作参数的影响获取判别矩阵，实现开窗参数的动态调节，从而提升目标轨迹点密度。最后利用目标轨迹预测结果更新开窗位置以实现对单目标的全视场覆盖监测。实验结果表明，对于中波红外演示系统，与全视场成像信息获取方法相比，该方法将系统获取的目标轨迹点密度提高了16倍，系统轨迹预测精度提升了2.6倍，且所需的数据传输带宽降低了25%。该研究可为智能化红外感知系统的设计提供有益参考。
红外探测 动态开窗 快速运动目标 轨迹预测 infrared detection dynamic windowing(DW) fast moving targets trajectory prediction 红外与激光工程
2022, 51(3): 20210164
