1 北京空间机电研究所环境资源与气象探测领域办，北京 100094
2 北京空间机电研究所红外相机研究室，北京 100094
3 北京空间机电研究所科技处，北京 100094
4 中国气象局国家卫星气象中心，北京 100081
5 中国气象局风云气象卫星工程管理办公室，北京 100081
6 上海航天技术研究院气象环境卫星总体部，上海 201100
强对流天气是发生最频繁、影响最广泛的气象灾害，造成了巨大经济损失，严重威胁人民和社会安全，更是航空航天和信息通信等技术领域的重大威胁。闪电作为全球性强对流天气的典型要素，对强对流具有重要指示作用，因此闪电探测和强对流预警预报成为天基遥感的重要任务之一。系统地总结了闪电危害，闪电探测体系的发展历程和现状，天基闪电光学探测的技术难点、实现途径和发展现状；同时详细阐述了我国FY-4A闪电成像仪技术实现途径及在轨应用成果。FY-4A闪电成像仪利用时间滤波、空间滤波、超窄带光谱滤波、星上时空域多维融合点目标检测等多维技术实现了天基闪电光学探测载荷的研制与在轨应用，国内气象部门和众多科研院所利用FY-4A闪电成像仪的闪电探测结果实现了强对流灾害的精确预警预报，产生了重大经济效益与社会效益。最后，针对目前闪电探测体系存在的问题，分析了我国未来天基闪电探测系统的发展趋势，为我国后续闪电探测发展提供了参考。
强对流灾害 天基闪电光学探测 时空多维融合 预警预报 闪电探测综述
在天基红外预警任务中，高动态弱小目标具有成像尺寸小、运动规律未知的特点。现有红外弱小目标探测任务主要关注匀速直线运动目标检测问题，对高动态目标的有效检测算法尚需进一步开发。针对天基红外预警任务中高动态非线性运动目标检测问题，提出了一种基于LSTM的红外弱小目标检测算法。首先设计了提取可疑目标位置信息的预处理方法，解决了LSTM网络结构与序列图像不匹配的问题；然后，针对传统算法难以检测非线性运动轨迹的问题，利用LSTM提取目标运动特征，实现序列图像中高动态目标的检测。通过与序列假设检验等算法的对比，在自研的红外序列图像数据集上验证了所提出的算法能够实现不低于0.9347的精确率与不低于0.8633的召回率。
天基预警 目标检测 LSTM 高动态 space-based early warning target detection LSTM high dynamic 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230010
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所精密仪器与装备研发中心，吉林 长春 130033
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所工程科研管理处，吉林 长春 130033
针对主流配准方法被用于周扫型光电预警系统的全景图像拼接适用性有限的问题，提出一种基于三维球面模型的全景视频实时拼接方法。首先，基于周扫型光电预警系统的工作模式进行三维空间的全景重建并构建三维球面模型；通过建模的方式对不同俯仰、方位角度下探测器采集图像的像素点空间位置进行定位。然后，基于三维球面模型搜索不同俯仰角度下重叠视场在三维空间内的最佳配准线，并推导出预警图像重叠区域的配准公式。最后，通过逐行的加权融合算法和图像矫直方式实现全景图像无缝拼接。与主流的5种配准方法进行对比，实验结果表明：该方法切实可行，具有较好的全景拼接效果，有效弥补主流配准方法的不足，即使对天空等特征不明显区域的全景拼接也具有较好的适用性与实时性，全面保证了全景视频成像的连续性与稳定性，对光电预警系统全景拼接任务具有重要的应用价值。
图像处理 全景拼接 三维球面模型 图像配准 光电预警系统 光学学报
2023, 43(10): 1010002
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
2 宁夏回族自治区水利工程建设中心，宁夏 银川 750004
提出了以长短期记忆网络（LSTM）与卷积神经网络（CNN）为主要框架的深度学习网络，基于该网络实现模式识别。LSTM-CNN以时域曲线及其短时傅里叶变换（STFT）结果作为网络输入，LSTM提取输入信号的时序特征，CNN提取时域曲线的轮廓特征及能量特征。实验中以相敏光时域反射仪（φ-OTDR）为传感系统完成数据采集。将LSTM-CNN与传统的人工神经网络（ANN）及CNN对比，LSTM-CNN在各项评价指标中均处于最优状态，实现了φ-OTDR模式识别的既定目标，为实际的工程产品开发提供了概念证明与演示示例。
光通信 模式识别 长短期记忆网络 卷积神经网络 光纤预警
1 桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004
2 桂林理工大学有色金属矿产勘查与资源高效利用协同创新中心，广西 桂林 541004
3 广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004
钢绞线在复杂的工程环境中可能会出现断丝现象，为了有效识别断丝信号，制作了一种将光纤布拉格光栅（FBG）应变传感器内嵌预压至钢绞线中心丝的自感知钢绞线。分析自感知钢绞线对断丝信号识别的灵敏性，探讨了拉索损伤面积和损伤位置与断丝信号强弱的关联性。以普通钢绞线损伤面积、损伤位置和传感器位置为研究变量，对由16束普通钢绞线和3束自感知钢绞线组成的拉索展开三组张拉断丝实验。实验结果表明：各自感知钢绞线能精确识别断丝信号，且断丝信号与自感知钢绞线中FBG的分布位置无关；各自感知钢绞线识别到断丝信号的时间基本一致，且FBG传感器采集的断丝信号强弱与普通钢绞线的损伤位置和程度有关。
光纤光学 光纤布拉格光栅传感器 断丝信号 自感知钢绞线 预警值 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0106003
江苏航运职业技术学院 航海技术学院, 江苏 南通 226010
红外夜视检测技术能加强海上预警探测系统的安全性, 但红外夜视仪所采集的海上红外图像存在大量“背景杂波”, 严重干扰弱小目标的准确检测。针对此问题,结合主动轮廓模型与插值滤波器提出一种用于海上安全系统的红外夜视弱小目标检测算法。该算法先分别采用全局主动轮廓与局部主动轮廓搜索感兴趣目标区域, 通过双层主动轮廓模型消除噪声与背景杂波对目标检测的影响。然后提出变化方向的插值滤波器沿着感兴趣区域的边缘进行滤波, 缓解弱边缘对目标真实边缘的干扰。在真实的红外夜视海上图像集上对该算法进行了实验与分析, 结果表明该算法能改善海上弱小目标的检测性能, 对提高海上航行的安全性具有积极意义。
红外夜视 预警探测系统 弱小目标检测 海面监测 噪声消除 infrared night vision early warning detection system micro target detection sea surface monitoring noise removal
中国人民解放军 63891部队，河南 洛阳 471000
随着2021年5月第5颗地球静止轨道卫星完成部署，整个天基红外系统所有卫星接近部署完成，其对地的监视能力有了大幅提升。文中在大量查阅有关文献和公开报道的基础上，对天基红外系统所有9颗在轨卫星的扫描相机进行了综合性能分析。首先，根据扫描相机的探测器体制以及飞行轨道特性，对其扫描成像体制进行分析，计算获得了所有9颗在轨卫星扫描相机的光学系统参数、探测器参数、地面分辨率、灵敏度等关键参数的估计值。其次，对天基红外系统大椭圆轨道卫星的飞行特性及其对地监视任务的综合分析研究表明，其最优在轨运行方式为两两同步，且单个轨道两颗卫星相差1/4周期；对天基红外系统地球静止轨道卫星的飞行特性及其对地监视任务的综合分析研究表明，东北半球中纬度地区至少有两颗卫星处于优良对地观测位置。最后，根据弹道导弹尾焰辐射特性以及天基红外系统扫描相机的探测参数，计算分析了所有在轨卫星对导弹尾焰最低观测高度，结果表明：东半球北纬40°地区，可同时被4颗以上卫星监视，且部分星载相机具备弹道导弹的点火时刻探测能力。
红外预警 冻结轨道 红外探测器 红外辐射 信噪比 infrared warning polar frozen orbit infrared detectors infrared radiation signal-to-noise ratio 红外与激光工程
2022, 51(9): 20210977
河南科技大学食品与生物工程学院, 河南 洛阳 471023
为实现苹果在贮藏过程中有效的腐败预警, 提出一种基于高光谱图像灰度值均值融合方差的二维高光谱信息表征方法, 并构建了苹果样本的巴氏距离(BD)预警模型。 首先, 为获得有效的光谱信息, 对高光谱图像的感兴趣区域(ROI)进行了选择; 同时, 为减少噪声影响, 通过对比分析6种光谱信息的预处理方法, 最终采用Savitzky-Golary(SG)平滑方法, 分别对均值和方差表征的两种光谱信息进行全波段(371.05~1 023.82 nm)光谱曲线降噪处理。 其次, 为获得特征波长, 从降噪后的光谱曲线中运用连续投影算法(SPA)结合样本色调角和失水率2个理化指标, 提取了高光谱图像共同的特征波长, 分别得到了两种表征方式下的7个(均值表征)和8个(方差表征)特征波长。 然后, 通过分析样本色调角随贮藏天数变化的折线图, 确定了图中发生明显转折的数据点所对应的贮藏日期, 并结合样本贮藏期间实际观察的情况, 初步界定第21贮藏日为样本腐败的基准日。 另外, 依据苹果样本表皮叶绿素特征吸收波长(675 nm左右), 绘制出平均光谱反射值变化趋势图, 发现趋势图在第21日升至最高点, 吻合色调角的分析结果, 这表明样本确实从第21日开始腐败。 因此, 第21贮藏日对应的特征波长可用来建立腐败基准日的光谱信息表征向量。 最后, 分别建立基于均值表征、 方差表征及二者相融合表征下的光谱信息巴氏距离腐败预警模型。 结果表明: 基于均值融合方差的光谱表征信息所建立的预警模型相较于它们各自建立的预警模型, 波动性进一步减弱, 可更好地反映苹果样本在贮藏过程中接近腐败的程度。 因此, 融合灰度值均值和方差的光谱表征信息更能全面的表征苹果贮藏过程中的品质变化, 模型预警的稳健性及泛化能力更强, 为利用高光谱图像信息对苹果贮藏进行腐败预警提供了新思路。
苹果 腐败预警 高光谱 特征波长 预警模型 二维表征 Apple Spoilage early warning Hyperspectral Feature wavelength Early warning model 2D information representation 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2290
1 东南大学仪器科学与工程学院，江苏 南京 210096
2 国网北京石景山供电公司，北京 100040
3 国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏 南京 211106
为了解决输电线路防机械碰线实时监测的问题，研制基于多源传感的输电线预警装置，同时提出基于毫米波雷达与视觉融合的输电线预警算法，并在真实场景下对算法的有效性进行验证。该预警装置首先采用基于标准差聚类的视觉识别算法对前方输电线进行检测；其次，通过基于改进抗差卡尔曼滤波的毫米波雷达测距算法对输电线距离进行实时稳定的测量，在视觉检测的基础上实时跟踪输电线距离；最后，根据视觉检测和毫米波雷达测距结果对预设的机械碰撞线条件进行实时预警判断。实验结果表明：基于标准差聚类的视觉识别算法的有效识别距离大于20 m，识别精度达93%，输出频率为1 Hz；基于改进抗差卡尔曼滤波的毫米波雷达测距算法的测距精度为±0.1 m，测距误差为2%，输出频率为1 Hz。本装置满足对输电线路防机械碰线实时监测的整体需求。
输电线预警 多源传感 视觉识别 毫米波雷达测距 激光与光电子学进展
2022, 59(24): 2412001
