1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
3 长春理工大学电子信息工程学院，吉林 长春 130022
4 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471000
针对航空平台气动光学效应影响航空平台激光通信系统性能的问题，研究了航空器在不同飞行速度和海拔条件下，气动光学效应对激光通信系统通信光传输性能的影响。采用大涡模拟方法分别模拟了在不同飞行速度、海拔下激光通信系统周围的气动流场，计算得到流场的密度变化分布，并根据密度数据建立折射率场，采用龙格-库塔方法求解光束传播方程并进行光线追迹，计算并分析了通信光束经过气动流场后的全视场光程差分布和斯特列尔比。仿真计算结果表明：随着飞行速度的增大，流场密度的变化更为剧烈，光程差逐渐增大，斯特列尔比降低；在飞行速度相同的情况下，随着海拔的增加，流场密度波动减小，光程差减小，斯特列尔比有所提升。所研究成果对补偿机载激光通信过程中的气动光学效应产生的影响以及获得更好的通信质量具有一定指导意义。
机载激光通信 气动光学 数值仿真 光程差 斯特列尔比 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706017
1 西安测绘研究所地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安 710054
2 武汉轻工大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430048
3 武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079
4 湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062
建筑物轮廓线是各类应用的数据源，但散乱、不规则激光点云数据给轮廓线提取带来了难度。针对上述问题，提出一种基于多层级最小外包矩形规则建筑物轮廓线提取方法，首先使用迭代区域增长算法对轮廓点进行分组，根据点数最多的一组确定初始最小外包矩形。再对初始最小外包矩形进行多层级分解，使轮廓点与不同层级最小外包矩形重合，最后根据不同层级最小外包矩形生成轮廓线。使用Vaihingen城区中规则建筑物进行实验，实验结果表明：与最小面积方法与最大重叠度方法相比，所提方法能准确确定初始最小外包矩形，且提取效率得到略微提高。提取的轮廓线角点均方根误差为0.71 m，优于其他4种方法。所提方法可快速提取规则建筑物轮廓线，有利于后续三维重建。
机载激光雷达 建筑物 最小外包矩形 多层级分解 轮廓线提取 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0837013
1 中国地质大学(武汉)数学与物理学院，湖北 武汉 430074
2 中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院，湖北 武汉 430074
针对动态图卷积神经网络(dynamic graph convolutional neural network, DGCNN)聚合邻居点信息时的局限性，提出一种增强特征融合的动态图卷积神经网络模型EFF-DGCNN，并应用于机载LiDAR点云分类。该模型主要基于DGCNN提出特征增强模块和特征融合模块，对原始三维点云进行分类。首先，基于DGCNN对原始点云进行边缘卷积获取局部特征和全局特征；然后，将全局特征集成于各层的局部特征得到增强局部特征，据此凸显点云不同特征的重要性，使网络更加关注有利于分类的特征；最后，对不同增强局部特征进行特征融合得到深层次特征，从而实现点云的分类。为验证所提模型的分类性能，在GML_DataSetA数据集和ISPRS数据集分别进行了点云分类试验。试验结果表明：相比于DGCNN，所提EFF-DGCNN模型具有更好的分类能力，能更好地区分结构相似的点云。
机载激光雷达 点云分类 边缘卷积 特征增强 特征融合 airborne light detection and ranging point cloud classification edge convolution feature enhancement feature fusion
红外与激光工程
2023, 52(11): 20230212
1 中国西南电子技术研究所,成都 610036
2 山东师范大学,济南 250014
对于机载激光通信的传输信道，分析了大气信道中的衰减、光强闪烁、光束漂移及气动光学效应等复合效应，并推导了接收光束尺寸、链路中断概率和误码率等传输性能。仿真分析表明：一方面，接收光束尺寸受光束漂移及气动光学效应的影响而增大，且在低空条件下的光束尺寸主要受到大气湍流的影响而导致其大于高空条件的；另一方面，长距离的机载激光通信链路需考虑光束漂移的影响，并可通过优化发射光束大小进行抑制。
机载激光通信 大气湍流 光强闪烁 光束漂移 气动光学 airborne laser communication link atmospheric turbulence intensity scintillation beam-wandering aero-optic
1 中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110016
2 中国科学院光电信息处理重点实验室，辽宁 沈阳 110016
3 中国科学院机器人与智能制造创新研究院，辽宁 沈阳 110169
4 中国科学院大学，北京 100049
为了提高在少标签数据条件下的地物分类精度，提出一种利用高光谱图像（HSI）数据与机载激光雷达（LiDAR）数据进行对比学习的地物分类方法。首先利用不带标签的HSI数据与LiDAR数据进行对比学习，通过对比学习可以建立这两种数据的空间特征之间的联系，实现对这两种数据的空间特征提取；设计了卷积模块与Transformer模块相结合的网络，使模型能够利用提取出的局部特征建立全局交互关系。在Houston 2013数据集和Trento数据集上进行对比实验，所提方法的分类精度高于其他多源数据融合地物分类的对照方法，在Houston 2013数据集上当每类标签样本量为5时，所提方法的分类精度比对照方法提高20.73个百分点，在Trento数据集上当每类标签样本量为2时，所提方法的分类精度比对照方法提高8.35个百分点。
图像处理 高光谱图像分类 机载激光雷达 地物分类 多源数据 激光与光电子学进展
2023, 60(22): 2228006
1 吉林大学 地球探测科学与技术学院，吉林 长春 130000
2 上海工程技术大学 城市轨道交通学院，上海 201620
3 武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079
4 自然资源部海洋遥测技术创新中心，山东 青岛 266061
单频机载激光雷达测深系统凭借低成本、低负载、高采样率等优势成为大范围海岸带地形地貌探测的理想选择。然而如何解决单频局限，在不依赖辅助传感器情况下实现全波形数据的准确划分成为精确点位坐标解算的关键环节。目前基于全波形形态特征进行波形分类研究缺乏系统性评估分析和普遍性结论。该研究尝试从全波形空间形态入手，细化了波形类别（异常波形、过拟合波形、陆地波形、海面波形和测深波形），在已有波形特征基础上，系统分析了不同类别波形的形态特征差异，有针对性地提取了24维波形特征并基于随机森林特征选择和分类模型完成了各特征分类性能及最佳特征组合评估与定量分析。研究证明，包括相邻两点间振幅偏差、震荡主频等在内的6维特征组合对5种波形的分类效果最好，总体分类精度可达98.55%，Kappa系数为0.9820。为了验证特征的普适性，另外选取了一块实验区域进行验证，得到水陆分类的总体精度为96.81%。
机载激光雷达测深 全波形 波形特征 波形分类 airborne LiDAR bathymetry full waveform waveform characteristics waveform classification 红外与激光工程
2023, 52(9): 20230096
1 四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065
2 西南技术物理研究所，四川 成都 610041
在面阵扫描成像激光雷达中，阵列光束照明与棱镜扫描相结合实现了高能量利用率、高分辨率和宽探测视场，但阵列子光束倾斜入射棱镜，破坏了光束传输的旋转对称性，棱镜对子光束偏转能力存在差异，规则光束阵列产生了形状畸变，导致光束指向误差，影响点云位置精度。首先，将阵列光束与棱镜结合的圆锥扫描方式分解为多角度入射多波束并行扫描，通过所有子光束的传输特征来综合表征阵列光束传输特征；然后，采用三维矢量光学方法推导了阵列光束在棱镜中的传输过程，建立了子光束指向变化与棱镜扫描角度的关系；最后，通过对机载激光雷达棱镜扫描成像过程的数值仿真，建立了光束指向变化与点云数据质量的联系。仿真结果表明：阵列光束(3×3)棱镜扫描系统在航高0.5 km时，光束阵列畸变导致平面误差RMS约为5 cm，并随航高呈线性变化；斜率约为0.1 m/km，并随着阵列光束规模和子光束角间距增加点云平面精度随之下降。通过对棱镜扫描过程中光束阵列畸变规律掌握，为后续机载飞行试验数据的校正、阵列光束结合多棱镜扫描系统的设计提供了基础。
机载激光成像雷达 阵列光束 棱镜扫描 指向误差 点云精度 airborne imaging lidar array beam prism scanning pointing error point cloud accuracy 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220689
1 长春理工大学电子信息工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信国防重点学科实验室，吉林 长春 130022
3 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
为解决机载激光通信中光电跟踪平台获得脱靶量存在滞后的问题，将协方差匹配技术与Sage-Husa自适应Kalman滤波相结合应用到脱靶量滞后补偿中。首先，通过Sage-Husa自适应Kalman算法补偿滞后的脱靶量，并引入遗忘滤波的思想降低过去的量测数据对现在的影响；然后，加入基于协方差匹配技术的判据，判据生效时更新噪声协方差阵，同时增大遗忘因子使量测先验协方差阵误差估计值与理论值更快地相容达到平衡，保证系统的实时性。在仿真中目标为等效正弦运动时改进的Kalman滤波比普通Kalman滤波降低了31.1%的预测误差。在实验验证中改进的Kalman滤波跟踪精度提高18.5%，实时性提高了18%，满足了控制系统对脱靶量滞后补偿的要求，使系统运行更稳定。
机载激光通信 脱靶量滞后 协方差匹配技术 自适应Kalman 遗忘因子 实时性 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0706008
1 长春理工大学电子信息工程学院，吉林 长春 130012
2 长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室，吉林 长春 130022
为了解决机载激光通信平台在工作环境中，因自身运动姿态的变换、工作环境的不稳定、外界大气湍流等外界因素对跟踪系统的干扰问题，提出一种比例积分微分（PID）与自抗扰控制（ADRC）结合的算法，在线性的自抗扰环节加入PID控制算法，对系统进行仿真和实验测试。结果表明，改进型ADRC在跟踪精度、抗扰动能力和鲁棒性方面都优于传统ADRC，改进型ADRC在跟踪精度上约为6.8，传统ADRC的跟踪精度约为8，可以看出，改进型ADRC的跟踪精度较传统ADRC提高了15%左右。将改进型ADRC系统的控制算法代入实际的快反镜系统中也有良好的跟踪效果。
光纤光学与光通信 快速反射镜 线性自抗扰控制 比例积分微分控制 抗扰动 机载激光通信 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0706007
