标定是利用相机进行测量的重要步骤。标定计算相机的内、外方位元素, 直接决定了多目视觉测量的精度。在传统的相机标定中, 需要设置一定数量稳定、高精度测量的控制点。而在大视场、天空背景下, 无法满足上述布设条件。为了实现高精度的相机标定, 提出一种可实现内、外参一体化标定的稠密时角标定技术, 该技术利用无人机模拟恒星星体, 在相机视场内均匀布设控制点并解算标定参数。在解算过程中, 针对无人机RTK精度不稳定性, 以及特征点提出可靠性提出了非线性最小二乘牛顿-高斯内插算法(WTLS)并得到较高的标定精度。最后采用视场角为77°×66°的相机数据分析验证, 实验表明该方法的标定精度高, 标定误差优于0.3°, 可有效应用于天空背景的大视场相机标定。

从斜程能见度探测原理出发,利用SBDART(Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer)模式求解辐射传输方程,对天空背景辐射进行了详细的理论仿真与分析。利用SBDART 模式自带的气溶胶模型,仿真得到了不同类型气溶胶模型在晴天条件下的天空背景辐射结果,探讨了太阳直接辐射和大气散射辐射以及不同高度上大气散射辐射的分布趋势,分析了气溶胶单次散射反照率和不对称因子对结果的影响。提出了激光雷达结合SBDART模式的实际天空背景辐射的计算方法,以实测扫描激光雷达的气溶胶探测数据作为SBDART模式的输入参数,计算获得了实际大气中太阳直接辐射以及不同高度处天空背景辐射的分布结果。为了验证结果的正确性,利用太阳光度计同步测量的太阳直接辐射,进行了对比验证,两者具有较好的一致性,相关系数达到0.99。以黑体为目标,初步探讨了天空背景辐射对斜程能见度的影响,结合激光雷达和SBDART模式所得到的实际天空背景辐射可为斜程能见度精确反演提供保证。

为满足对天空背景辐射进行实时光谱测量和特征提取的需求,基于光纤光谱仪研制了一台一体化天 空背景辐射计,可测量340～1030 nm波长范围内的天空背景辐射光谱,波长分辨率优于0.5 nm, 具有定点测量、全天空扫描测量两种工作模式。在介绍系统总体结构的基础上,描述了光学组件、 转台系统、跟踪模块、嵌入式控制系统及恒温控制模块等硬件部件的结构,以及上位机软件的 设计思路、设备工作流程和定标方式。最后分析经光谱辐射定标后的测量数据,初步验证设备 工作的可靠性,为天空背景辐射的实时测量及光谱特性研究提供了有效手段。

方差加权信息熵作为稳健的红外背景复杂程度定量描述指标, 在红外弱小目标检测中取得了不错的效果, 但由于其计算复杂, 导致算法实时性差, 很难在工程上应用。为了能快速地在红外复杂天空背景中识别到弱小目标区域, 对传统的基于图像方差加权信息熵的滤波算法进行改进。先对图像进行显著性区域分割, 粗略地得到显著性区域, 然后对显著性区域计算双分析模板区域方差加权信息熵差值, 根据复杂天空中典型区域的双分析模板区域方差加权信息熵差值的特点将候选目标区域识别出来。实验表明, 用本文算法既可以排除大量的复杂天空背景干扰区域, 又大幅缩短了算法运行的时间。

天空背景辐射是指大气粒子对太阳光的吸收和散射形成的大气层内散射光亮度的空间分布,在科学研究及工程应用方面发挥重要作用。简要介绍了几种 地基天空背景辐射测量仪器,并从大气气溶胶粒子光学特性反演,大气柱中水汽、臭氧、NO2等气体含量反演,及云的分布判别几个方面阐述了地基天空背 景光谱辐射分布在大气光学方面的应用,为后续的研究提供参考。最后,提出几点根据全天空背景光谱辐射进行环境感知及天气识别等方面的研究目标。

为解决现有星模拟器只关注星图模拟精度而忽略天空背景模拟的问题, 设计了具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器.重点阐述星模拟器的组成和工作原理, 详细论述光学系统优化设计方法.根据模拟器光学系统透镜大、精度高的特点, 采用筒套筒的镜筒设计形式; 为了保证星图模拟精度, 采用激光直写技术制作星点板, 刻划精度优于±1 μm.测试结果表明: 设计的具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器的星图模拟精度优于3″, 天空背景均匀性优于95%, 满足导航敏感器的高精度地面标定与功能测试需求.

为获取更精细的背景辐亮度分布信息，提出基于光纤光谱仪和二维转台对全天空背景光谱辐射进行测量的方法。可实现定点观测及全天空扫描两种工作方式。详细介绍了测量原理、系统的组成、定标的原理及方法等。经过一次全天空扫描可获得649个光谱辐射亮度采样样本，每个样本的光谱分辨率为0.5 nm。各个样本测量位置作为像素点，相应位置上各波段的辐亮度值作为灰度值，可得到各波段的全天空背景光谱辐射分布图。该方法为之后的科学研究提供了更详细的信息。

研究了开关键控（OOK）调制下天空背景辐射对误码率的影响，介绍了通信端机收到的天空背景辐射的仿真方法。仿真结果表明：通信误码率一定时，天空背景辐射的上限值与接收信号光功率和雪崩光电二极管（APD）的电噪声大小有关。太阳直接辐射是大气激光通信系统接收到的主要背景辐射，大气散射相对于太阳直接辐射十分微弱。当太阳天顶角较小时，可以采取端机视轴规避太阳一定角度的方式，保证通信系统的误码率小于10-9。

天空背景的红外辐射特征对目标侦察探测具有重要意义。利用3 μm～5 μm 中波、8 μm～12 μm长波红外测量设备对天空背景红外辐射亮度进行了测量，长波波段辐射亮度在3.7～13.6 W·m^{－2·sr－1，中波波段辐射亮度在0.05～0.48 W·m－2·sr－1，相同条件长波辐射亮度高于中波辐射亮度1～2 个数量级；随着观测角增大，天空背景辐射亮度显著降低，同时太阳辐射、大气温度等因素也对天空背景辐射有较大的影响。利用测量结果仿真分析了天空背景辐射对目标侦察探测距离的影响，结果表明当观测角由9.6°降低到1.9°时，红外搜索跟踪系统探测距离会减少41.5%～46.2%。}