期刊基本信息
创刊:
1981年 • 半月刊
名称:
光学学报
英文:
Acta Optica Sinica
主管单位:
中国科协
主办单位:
中国科学院上海光机所
中国光学学会
出版单位:
中国激光杂志社
主编:
龚旗煌
执行主编:
赵建林
副主编:
邵建达 刘文清 华灯鑫 张旭苹 刘辉
ISSN:
0253-2239
刊号:
CN 31-1252/O4
电话:
021-69916837
邮箱:
地址:
上海市嘉定区清河路390号
邮编:
201800
定价:
150元/期

当前目录 第44卷 第6期

作者单位
摘要
西安理工大学机械与精密仪器工程学院激光雷达大气遥感研究中心,陕西 西安 710048
以斜程能见度精确探测为目标,综述了激光遥感在斜程能见度测量中的主要技术及其研究进展,分析了现有探测技术在斜程能见度测量中的不足与局限性,重点介绍了一种新型的激光雷达结合辐射传输模式的斜程能见度测量方法,剖析了基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶精细探测技术、基于辐射传输模式的大气散射辐射亮度解析方法以及大气散射辐射亮度校正的斜程能见度测量技术与应用案例,突破了当前白天斜程能见度测不准的技术瓶颈。最后,展望了激光遥感技术在全球斜程能见度测量中的应用潜力。
大气光学 激光遥感 斜程能见度 辐射传输模式 散射辐射亮度 
光学学报
2024, 44(6): 0600001
刘磊 1,2,*李书磊 1,2,**胡帅 1,2曾庆伟 1,2
作者单位
摘要
1 国防科技大学气象海洋学院,湖南 长沙 410073
2 中国气象局高影响天气重点开放实验室,湖南 长沙 410073
回顾和总结了远红外高光谱大气遥感的理论基础,从大气吸收和冰晶粒子散射敏感性的角度介绍了远红外高光谱遥感冰云参数的优势。对远红外高光谱大气遥感仪器的发展脉络进行了梳理和总结,重点对相关仪器的参数及关键技术问题进行了讨论。概述了远红外高光谱冰云特性遥感的主要方法,展望了远红外高光谱技术未来在冰云探测中的应用潜力,并提出了研究思路与方案,以为后续远红外高光谱大气遥感技术研究提供一定的参考。
遥感 远红外 高光谱 冰云 
光学学报
2024, 44(6): 0600002
陆文强 1,2,3杨世植 1,2,3,*罗涛 1,2,3李学彬 1,2,3[ ... ]韩叶颜 1,2,3
作者单位
摘要
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室,安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院,安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室,安徽 合肥 230037
4 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所基础科学研究中心,安徽 合肥 230031
5 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室,安徽 合肥 230031
基于中分辨率成像光谱仪/云和气溶胶探测激光雷达(MODIS/CALIOP)的匹配数据集,提出一个分类神经网络进行透明卷云的识别,利用两个回归神经网络对透明卷云的光学厚度和云顶高度进行反演。结果表明,分类网络的精确度可达到84%,检测率达到79%。对成功识别的透明卷云参数进行了反演,得到透明卷云光学厚度的平均绝对误差为0.2,均方根误差为0.25,相关系数为0.79。对云顶高度进行了反演,得到云顶高度的平均绝对误差为0.61 km,均方根误差为0.74 km,相关系数达到0.87。本研究利用MODIS/CALIOP匹配数据集以及神经网络算法,可得到透明卷云的分布以及其参数特性,为其在南海海域上空的分布情况提供了数据支撑,有助于相关研究人员了解该地区透明卷云的分布情况,提高辐射计算的精度。
大气光学 透明卷云 中分辨率成像光谱仪 云和气溶胶探测激光雷达 神经网络 中国南海海域 
光学学报
2024, 44(6): 0601001
作者单位
摘要
长春理工大学物理学院吉林省固体激光技术与应用重点实验室,吉林 长春 130022
基于Rytov近似,理论推导了完美涡旋光束(PVB)经过大气湍流水平信道后的螺旋相位谱解析表达式,研究了大气湍流中光束波长、半环宽、发射处轨道角动量(OAM)模态、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数对OAM模态探测概率和串扰概率的影响。结果表明:随着发射处OAM模态、传输距离、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数的增加,经大气湍流传输后的探测概率下降;随着光束波长的增加,经大气湍流传输后的探测概率增加。此外,PVB在近场的探测概率几乎不随发射处OAM模态变化,而当光束传输到远场时,探测概率随发射处OAM模态变化明显,这是因为PVB传输到远场变成类贝塞尔光束,其光束半径随发射处OAM模态变化明显。
大气光学 完美涡旋光束 轨道角动量 湍流大气 螺旋相位谱 
光学学报
2024, 44(6): 0601002
李育亮 1,2齐金泉 1,2陈明亮 1,*邓陈进 1[ ... ]韩申生 1,2,5
作者单位
摘要
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室,上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心,北京 100049
3 宇航智能控制技术国防科技重点实验室,北京 100089
4 自然资源部第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室,浙江 杭州 310012
5 中国科学院大学杭州高等研究院物理与光电工程学院,浙江 杭州 310024
针对水下鬼成像重构质量下降、分辨率退化的问题,分析水体对散斑场传播的作用,提出在重构计算前将参考臂散斑进行校正的方法,以实现对物臂散斑场的退化补偿,进而提高水下鬼成像的成像质量。首先根据近似的S-S(Sahu-Shanmugam)散射相函数和Wells模型推导得到调制传递函数,用来描述水体对散斑的退化作用;然后对参考臂散斑场进行校正补偿,使参考臂散斑与物臂散斑具有相同的退化程度以恢复关联性;最后采用校正后的参考臂散斑进行图像重构。从理论上证明了所提方法在二阶关联计算中会使得图像退化加剧,而在基于伪逆的重构计算中则可以有效提高图像分辨率、改善图像质量。通过仿真和实验验证了理论模型的正确性,该研究为远距离水下目标鬼成像图像恢复提供了新的思路。
海洋光学 水下鬼成像 散斑场退化补偿 水体调制传递函数 二阶关联 伪逆 
光学学报
2024, 44(6): 0601003
作者单位
摘要
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所,安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026
为满足海洋水色卫星遥感器在轨定标与真实性检验需求,研制了一套三通道同色散光路、同系统定标、同步观测的水体表观光学特性测量系统(WAOPAS)。WAOPAS的光谱范围覆盖350~900 nm,光谱分辨率优于3 nm,具备自动调节观测几何、自动增益积分时间、数据远程传输和自动预处理功能,可实现全天候无人值守观测。3台传感器采用相同的色散采集单元设计,使WAOPAS具有相同的光谱范围和采样间隔,分辨率最大差异为0.26 nm,保证了光谱测量匹配性。海面辐亮度、天空辐亮度及海面入射辐照度的快速同步多次采集,最小化了天空光变化和海面波动对测量精度的影响。辐亮度与辐照度采用同一定标系统、近同步定标方案,遥感反射比测量不确定度同步降低了0.34%~0.83%(比例系数K=1)。开展了与国际主流测量仪器的户外比对试验,结果验证了所研制系统的测量可行性。
海洋光学 表面之上法 遥感反射比 传感器 
光学学报
2024, 44(6): 0601004
王俊博 1王筱晔 1任超 2孙康闻 1[ ... ]吴松华 1,4,5,*
作者单位
摘要
1 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院,山东 青岛 266100
2 北京航空气象研究所,北京 100085
3 青岛镭测创芯科技有限公司,山东 青岛 266100
4 崂山实验室,山东 青岛 266237
5 中国海洋大学海洋高等研究院,山东 青岛 266100
为了提升大气物质边界层高度(AMBLH)的识别准确性,基于2020年11月至2021年11月在青岛开展的大气边界层(ABL)观测实验,提出了一种基于相干多普勒激光雷达(CDL)信噪比数据的AMBLH的综合反演方法,并应用此方法反演得到了青岛地区的AMBLH,其与探空仪反演结果的相关度为0.93。分析了青岛一年内的AMBLH发展情况,发现各月份AMBLH均有日变化特征,其中6、7月特征相对较弱,推测这与夏季来自海洋的东南风盛行有关。AMBLH月均值在全年呈起伏波动趋势,在冬末至春初、夏末至秋初的阶段逐步增大。AMBLH月均中位数4月最高、6月最低,AMBLH季度发展程度由高到低的顺序为春季、冬季、秋季、夏季,其中春季和冬季高度相近。AMBLH各季度日变化中抬升趋势出现的时间为夏季早于春季,秋季与春季相近并早于冬季。
大气光学 相干多普勒激光雷达 大气物质边界层高度 综合反演方法 
光学学报
2024, 44(6): 0601005
作者单位
摘要
西安理工大学机械与精密仪器工程学院激光雷达大气遥感研究中心,陕西 西安 710048
以我国高光谱遥感卫星——环境1号卫星为例,开展结合NCEP再分析资料辅助优化的6S 大气校正方法的分析。首先,考虑到高光谱图像缺少标准反射率产品的问题,利用最优化估计方法构建高光谱反射率曲线,并作为标准曲线,用于大气校正结果的验证。其次,基于6S大气校正理论,开展了大气校正的敏感性分析,确定了气溶胶光学厚度的敏感因素以及气溶胶类型、大气模式和大气温湿度对大气校正系数的敏感性。在此基础上,提出了NCEP再分析资料辅助优化的6S大气校正方法,利用NCEP再分析资料提供的大气温湿度廓线、水平能见度反演的550 nm气溶胶光学厚度等数据资料,优化6S模式的输入参数,得到准确的大气校正系数XaXbXc,获得大气校正后的不同地物反射光谱曲线。最后,选取西安作为试验区,以水体为例,进行波谱曲线对比,利用标准曲线对校正结果进行精度评价。对比分析结果表明,NCEP再分析资料辅助优化的6S模式校正的地面反射率结果明显优于6S的大气校正结果,与标准曲线具有一致的反射率变化趋势,二者的相关系数达到0.8596,标准差低于0.0685,各波段地面反射率逐像元误差的平均值和标准差接近0.02,反映了利用NCEP辅助数据优化的6S模式对大气校正有着明显的改善作用,可提高6S 大气校正的地物反射率反演精度。
大气光学 高光谱图像 大气校正 6S 气溶胶 NCEP 
光学学报
2024, 44(6): 0601006
作者单位
摘要
1 烟台大学物理与电子信息学院,山东 烟台 264005
2 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院,湖北 武汉 430071
3 中国科学院西安光学精密机械研究所中国科学院光谱成像技术重点实验室,陕西 西安 710119
4 中国科学院国家空间科学中心,北京 100190
针对标准泡法在远距离SO2监测定标不准确的实际问题,开展定标误差校正方法研究。首先,基于标准泡定标法原理以及大气辐射传输理论,提出消除光稀释效应影响的图像校正方法;然后,在充分分析窗片与滤光片反射以及气溶胶散射效应的基础上,对反射效应及散射特性对定标结果的影响进行量化;最后,综合上述影响因素计算得到光稀释效应校正及散射特性修正的定标曲线,并比较误差校正的标准泡定标法与DOAS定标法在反演SO2柱密度图像以及SO2排放速率之间差异。结果表明,所提出的校正方法可将标准泡法与DOAS法的定标结果差异从59%降低至7%,验证了该误差校正方法的有效性和准确度。
大气光学 SO2紫外相机 标准泡法 定标曲线 光稀释效应 误差校正 排放速率 
光学学报
2024, 44(6): 0601007
丁桂璇 1,2杜星 1,2杜浩 1,3,*王生 1,2[ ... ]李崔春 1
作者单位
摘要
1 中国科学院空天信息创新研究院,北京 100094
2 中国科学院大学,北京 100049
3 海南空天信息研究院海南省地球观测重点实验室,海南 文昌 571300
推导了不稳定分层海洋湍流下厄米-高斯光束闪烁指数的理论公式,以及考虑海洋湍流和瞄准误差综合影响下UWOC系统信道系数的概率分布函数,进一步推导了系统主要性能参数即误码率、信道容量和中断概率的理论计算公式,并采用高斯-厄米正交积分近似方法求得3个性能参数的闭合表达式,仿真分析了不稳定分层和稳定分层湍流情况下,光束模数、传输距离、海洋湍流参数和瞄准误差对系统的平均误码率、平均信道容量和中断概率的影响。结果表明:相比于稳定分层,不稳定分层的系统计算误差更小;当盐度波动占主导时,系统性能更好;随着均方温度耗散率增大、湍流动能耗散率减小、瞄准误差增大,系统信道容量减小,中断概率增大。本研究结果可为厄米-高斯光在水下光通信领域的应用提供参考。
海洋光学 厄米-高斯光束 不稳定分层 海洋湍流 水下光通信 
光学学报
2024, 44(6): 0601008
谭小璇 1,2甘婷婷 2,*周蓉卉 3,**殷高方 2[ ... ]黄旭昀 3
作者单位
摘要
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所,中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
3 珠海广睿汇利发展有限公司,广东 珠海 519000
4 合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009
5 四川省辐射环境管理监测中心站,四川 成都 610000
放射性核素进入水环境所导致的水体污染问题一直备受关注。水体放射性核素毒性的现场快速检测是当今环境领域面临的重要挑战。针对此问题,将蛋白核小球藻作为受试生物,以三种典型放射性核素锶(90Sr)、铯(137Cs)和钴(60Co)为研究对象,利用荧光动力学方法,研究了快速叶绿素荧光诱导动力学(OJIP)曲线及最大光化学量子产率(Fv/FmFv是可变荧光,Fm是最大荧光)和光合性能参数(PIABS)对90Sr、137Cs和60Co三种放射性核素在180 min短期胁迫下的响应规律与特性,从而明确了藻类荧光动力学技术应用于水体放射性核素毒性现场快速检测的可行性。此外,通过Fv/Fm与PIABS对三种放射性核素响应性能的对比,进一步优选出可用于放射性核素毒性灵敏检测的最佳光合荧光参数。结果表明:在暴露180 min以内,90Sr、137Cs和60Co三种放射性核素均会破坏蛋白核小球藻的光合系统,引起OJIP曲线的显著变化,表明微藻荧光动力学方法能够用于水体放射性核素毒性的快速检测;Fv/Fm和PIABS对三种放射性核素的响应均具有活度浓度依赖性和时间依赖性,表明基于微藻荧光动力学方法所获取的Fv/Fm和PIABS均可作为毒性响应参数用于放射性核素毒性的检测和评估;根据基于Fv/Fm和PIABS所获取的三种放射性核素的20%效应浓度(EC20)和50%效应浓度(EC50)对比可知,PIABS相较于Fv/Fm对放射性核素毒性具有更灵敏的响应特性,因此PIABS是基于藻类荧光动力学技术实现水体放射性核素快速检测的最佳毒性响应参数。本研究为水体中放射性核素毒性的现场快速检测提供了重要的方法基础。
荧光动力学 放射性核素 微藻 光合荧光参数 毒性检测 
光学学报
2024, 44(6): 0601009
作者单位
摘要
1 中国矿业大学环境与测绘学院,江苏 徐州 221116
2 西安地球环境创新研究院,陕西 西安 710061
3 山西省生态环境规划和技术研究院,山西 太原 030000
由于二氧化氮(NO2)在大气中的存活寿命较短,卫星遥感反演的对流层NO2柱浓度与近地面NO2浓度关系密切。欧洲航天局(ESA)S5P卫星的对流层检测仪(TROPOMI)载荷提供了目前最高空间分辨率的对流层NO2数据,其在近地面NO2浓度估算方面的潜在优势亟待检验。为此,本文采用极限梯度提升(XGBoost)算法和4年(2018—2021年)的TROPOMI/臭氧检测仪(OMI)数据估算了我国近地面NO2浓度并开展了对比性分析。结果表明:1)TROPOMI的估算结果在精度和空间覆盖度两个方面,均明显高于OMI的结果;2)OMI数据由于自身空间分辨率的限制,无法和TROPOMI一样识别出NO2浓度高值区附近的空间分布细节,导致其估算结果存在更严重的高估或低估。进一步,针对机器学习方法估算近地面NO2普遍存在高值低估的现象,通过集成模型进行优化,得到了更优的结果(R2=0.85,slope为 0.89)。该研究结果有利于促进卫星遥感在近地面NO2浓度估算与暴露评估领域的深入应用。
遥感与传感器 近地面二氧化氮浓度估算 极限梯度提升算法 特征分析 估算优化 
光学学报
2024, 44(6): 0601010
作者单位
摘要
1 安徽建筑大学环境与能源工程学院,安徽 合肥 230601
2 环境污染控制与废弃物资源化利用安徽省重点实验室,安徽 合肥 230601
近年来许多城市的臭氧(O3)污染问题日益突出。本文利用光谱辐射计MS-711对2018年7月份合肥市一处观测点的太阳辐射强度进行了连续观测,结合同时期的O3监测浓度和数值模拟结果,对太阳辐射与O3浓度的日变化关系以及O3形成机制进行了深入分析。研究结果表明,合肥夏季O3浓度峰值出现时间平均晚于太阳辐射强度峰值出现时间2~3 h,这种关联性与O3的形成机制有关。从地面往上至1 km高度的大气中,O3浓度随高度逐渐增加,夏季副高控制下对流抑制使得垂直扩散的平均效应将上层高浓度O3空气输入近地面层,使得地面O3浓度升高;而伴随降雨过程的暖湿抬升气流在近地面发生辐合起到了稀释作用,可能使得地面O3浓度下降。O3浓度的日变化是由太阳辐射直接驱动的光化学反应、干湿沉降和扩散传输等因素共同决定的。晴天O3的积累首先来自光化学过程,雨天O3浓度主要受垂直传输的影响,阴天太阳辐射主导O3增长阶段,但午后O3下降阶段则是由干湿沉降和水平通量主导的。
大气光学 太阳辐射 臭氧 数值模拟 
光学学报
2024, 44(6): 0601011
作者单位
摘要
1 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院,山东 青岛 266100
2 青岛镭测创芯科技有限公司,山东 青岛 266101
3 崂山实验室,山东 青岛 266237
4 中国海洋大学海洋高等研究院,山东 青岛 266100
阐述了相干差分吸收激光雷达(CDIAL)探测大气二氧化碳(CO2)的原理,设计了1.57 μm波段微脉冲相干探测系统,并对系统的回波信号进行了仿真。通过仿真计算分别探究了温度、压力、波长等因素对差分光学厚度计算及CO2体积分数的反演精度的影响。仿真结果显示:当波长漂移为0.5 pm、温度不确定度为1 K、压强不确定度为1 hPa、水汽体积分数测量不确定度为10%时,这些参数引起的总体误差为0.45%;在大气中CO2的体积分数为4×10-4时,微脉冲相干激光雷达探测CO2体积分数的测量误差约为1.8×10-6
大气光学 二氧化碳体积分数 相干差分吸收 激光雷达 仿真与性能评估 
光学学报
2024, 44(6): 0601012
李晓涛 1,2刘东 1,2,3,4,*肖达 1张凯 1[ ... ]邓洁松 1
作者单位
摘要
1 浙江大学光电科学与工程学院极端光学技术与仪器全国重点实验室,浙江 杭州 310027
2 东海实验室,浙江 舟山 316021
3 浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心,浙江 嘉兴 314000
4 浙江大学杭州国际科创中心,浙江 杭州 311200
5 浙江大学地球科学学院浙江省地学大数据与地球深部资源重点实验室,浙江 杭州 310027
提出一种基于正则化方法改进的气溶胶微物理特性反演算法,通过引入模式半径范围作为先验约束,并对差异最小值附近的解进行平均,以解决反演时存在的欠定问题。对1500组不同类型的气溶胶粒径分布进行仿真,测试了所提反演算法对气溶胶微物理特性参数的反演精度与稳定性。考虑在20%随机高斯噪声的影响下,90%以上气溶胶的有效半径、体积浓度和表面积浓度反演相对误差可被控制在±33%、±45%和±50%范围内。误差统计结果表明,所提算法基于多波长的气溶胶光学特性,可实现对气溶胶粒径分布的可靠反演。
大气光学 多波长激光雷达 正则化方法 气溶胶粒径分布 微物理特性 
光学学报
2024, 44(6): 0601013
作者单位
摘要
西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西 西安 710048
提出一种新型的侧向纯转动拉曼散射激光雷达探测技术,其采用双基地的收发系统结构,利用侧向接收系统的俯仰扫描功能实现对与温度具有相反依存关系的高低量子数的侧向纯转动拉曼散射光谱的探测,该技术为从地表到特定高度大气温度的无盲区探测提供了技术支持。侧向纯转动拉曼散射激光雷达的初步观测实验采用整段等距离分辨率和分段等距离分辨率两种云台转动方案,反演结果表明侧向纯转动拉曼散射激光雷达可实现1400 m高度范围内大气温度的精细探测,且分段等距离分辨率云台转动方案在近地表312 m高度范围内能够获得更为精细的大气温度空间分布特征。
大气光学 激光雷达 近地表大气温度 侧向纯转动拉曼散射 无盲区探测 俯仰扫描 
光学学报
2024, 44(6): 0601015
作者单位
摘要
大连理工大学光电工程与仪器科学学院,辽宁 大连 116024
针对宽谱连续波差分吸收激光雷达(DIAL)的特点,通过仿真不同大气条件下的激光雷达信号,计算分析宽谱DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的二氧化氮(NO2)质量浓度反演误差。研究结果表明:当大气气溶胶均匀分布时,NO2质量浓度反演误差主要取决于气溶胶消光效应,而后向散射效应引起的NO2质量浓度反演误差一般可忽略不计;当大气气溶胶非均匀分布时,气溶胶后向散射效应引起的NO2质量浓度反演误差依赖于气溶胶非均匀分布程度,且与波长指数成反比。此外,适当增大分段拟合距离可有效降低气溶胶后向散射效应引起的NO2质量浓度反演误差。利用光谱近似得到宽谱NO2-DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的NO2质量浓度反演误差的近似模型,通过对比模拟计算的结果,验证了近似模型评估NO2质量浓度反演误差的可行性。
大气光学 宽谱差分吸收激光雷达 沙氏成像原理 二氧化氮 气溶胶光学特性 
光学学报
2024, 44(6): 0601016
杨晨遇 1王骏 1,*张川 1周浩 1[ ... ]华灯鑫 1
作者单位
摘要
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西 西安 710048
2 陕西省人工影响天气中心,陕西 西安 710016
冰晶是云滴谱的重要组成部分,其对全球辐射收支平衡、全球气候变化、水文循环、人工影响天气作业等具有重要的影响。目前2~100 μm的冰晶与液滴混合相态难以区分,且存在难以提供冰晶微物理参数的瓶颈问题。针对这两个问题,本文基于数字全息理论,利用全域数字图像融合方法、局部亮度梯度方差法和旋转卡壳法,结合固液相粒子圆度概念,实现了云中液滴和冰晶的混合相态识别,在特定圆度阈值下,液滴和冰晶的识别率大于93%;再结合光学图像识别技术,获得冰晶粒子的面积、周长、凸包和最小外接矩形数据;最终利用上述数据获得了冰晶微物理参数。通过在低温云室中的观测实验,获取了板状、枝状和六角冰晶的微物理参数,该方法解决了冰晶观测中的瓶颈问题。此外,通过冰晶采样间隔时间和不同时刻的质心三维坐标和等效直径,还可获得冰晶粒子的三维运动速度与轨迹。该方法对提升数值天气预报精确度,以及人工影响天气作业具有重大意义。
数字全息 粒子相态识别 冰晶 粒子速度 
光学学报
2024, 44(6): 0601017
作者单位
摘要
1 中北大学机电工程学院,山西 太原 030051
2 散射辐射全国重点实验室,上海 201109
3 中北大学信息与通信工程学院,山西 太原 030051
多模式探测成为目标探测识别领域重点发展的技术手段之一,其中视距模型的优选成为指导探测器件设计的重要依据。本文以飞翼布局的低特征飞行器为研究对象,采用计算流体动力学(CFD)方法结合辐射平衡壁面模型预测本体温度,结合MODTRAN大气红外衰减数据库,采用视在光线(LOS)法计算考虑壁面遮挡效应的辐射传输,建立基于噪声等效辐照度(NEFD)、最小可探测温差(MDTD)和最小可分辨温差(MRTD)的地基探测视距模型,计算探测系统对低特征飞行器的最大探测距离和最大探测天顶角。结果表明:低特征飞行器在典型飞行工况下的光谱辐射强度在长波波段(8~12 μm)较中波波段(3~5 μm)辐射积分强度高出2个数量级;NEFD视距模型在长波波段的探测距离高出中波波段近1个数量级,MDTD和MRTD视距模型在中长波波段探测距离基本一致;三种视距模型在长波波段对应的探测能力依次为NEFD>MDTD>MRTD;在中波条件下MDTD视距模型的探测距离最大,对飞行器底部的探测距离约为57 km;MRTD视距模型在观察等级为辨认时无法辨别飞行器具体类型。该研究可为低特征飞行器的探测识别以及探测器的设计提供理论支撑。
视距模型 地基探测 红外辐射 低特征 探测距离 
光学学报
2024, 44(6): 0604001
作者单位
摘要
重庆理工大学电气与电子工程学院,重庆 400054
针对自由空间光(FSO)通信无法进行视距传输的问题,在FSO链路中引入可重构智能表面(RIS)技术,并考虑射频(RF)链路中的同信道干扰(CCI)信号,提出一种CCI下RIS辅助FSO-RF混构系统研究方案。其中FSO链路和RF链路分别服从Gamma-Gamma分布和Rayleigh分布,在光电转换中继节点处采用译码转发协议,以减少噪声对信号的干扰。基于系统端到端瞬时信噪比的概率密度函数,推导了系统中断概率和平均误码率的闭合表达式,采用蒙特卡罗仿真验证了结果的准确性。研究结果表明,相较于传统的混合FSO/RF系统,RIS能明显提升系统的性能。另外,根据系统的分集顺序,得出系统的性能主要与FSO链路的衰落参数、光检测方式和指向误差有关。
光纤光学 可重构智能表面 同信道干扰 中断概率 平均误码率 译码转发协议 
光学学报
2024, 44(6): 0606001
作者单位
摘要
大连理工大学信息与通信工程学院,辽宁 大连 116024
针对水下无线通信高速率、远距离、低成本和小型化设备的实用需求,本文设计研制了一种高鲁棒性的基于现场可编程门阵列(FPGA)和大功率LED阵列的小型化水下无线光通信系统。其光发射机的光源采用45 W大功率LED阵列,基于FPGA实现高阶调制与编码,并设计了准直光学发射天线有效减少光束发散角,大幅度延长了传输距离。在光接收端,设计了一种基于3 mm大孔径雪崩光电二极管(APD)的自动增益控制放大和FPGA解调与信号处理的光接收机,降低了光通信系统对准的严苛要求。该系统可实现30 Mbps 开关键控(OOK)信号和正交幅度调制(QAM)信号(16QAM信号)的12 m水下信道实时传输,二者的误码率(BER)分别为2.467×10-4和3.467×10-3。此外,该系统还实现了22 Mbps的非归零(NRZ)-OOK整形信号12 m水下+30 m空气的跨介质传输(总长度为42 m),BER为3.619×10-4。最后,实现了12 m水下信道中接收机偏离主光轴40°之内22 Mbps OOK信号的有效接收,提高了系统的鲁棒性。
水下无线光通信 现场可编程门阵列 LED阵列 高阶调制 小型化光端机 
光学学报
2024, 44(6): 0606002
焦崇淼 1,2,3贺岩 1,*胡善江 1侯春鹤 1[ ... ]陈卫标 1,**
作者单位
摘要
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室,上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心,北京 100049
3 国科大杭州高等研究院,浙江 杭州 310024
针对水下平台与高空飞机的激光通信中有效通信时间短、使用信标光的捕获对准时间较长、链路不易建立的问题,设计了一套基于水下平台的高空飞机轨迹预报跟踪及指向系统。系统根据飞机发送的航行参数对飞机轨道进行预报,并驱动伺服电机进行跟踪指向。仿真分析了轨道预报算法的误差,并将轨道预报算法应用在实际实验中。实验结果表明,水下平台接收到航行参数后,能在2 s内建立上行通信链路。该算法能够在0.6 s内预测60 s内的轨道位置,误差小于350 m,对应的理论指向误差不超过0.51 mrad。通过比较指向电机的实时反馈与理论指向角,得到系统的指向误差为0.77 mrad。所设计的系统在满足通信指向精度的同时缩短了链路的建立时间,为水下平台与高空激光系统的猝发激光通信提供了具有高可靠性的保障。
激光通信 跟踪 指向系统 指向精度 轨迹预报 
光学学报
2024, 44(6): 0606003
作者单位
摘要
大连理工大学信息与通信工程学院,辽宁 大连 116024
提出一种低复杂度、低功耗且便于硬件移植、可应用于水下无线光通信(UWOC)系统的基于链表和线性表的稀疏Volterra(3l-sVolterra)算法,它通过结合链表与线性表的新数据结构来存储Volterra算法中的所有参数,有效降低了Volterra算法更新参数所需的片上资源消耗,同时能对参与运算的非线性项进行稀疏处理,便于移植到小型硬件系统中。随后,在C6748芯片上实现了所提出的算法,并搭建了基于绿光LED的UWOC系统,对设计的数字信号处理(DSP)系统和UWOC系统进行了性能测试。结果表明,与无稀疏操作的Volterra算法相比,所提算法能在保留相近非线性补偿能力的同时,将资源消耗降低30%,在5 m长水箱信道UWOC系统中实现了20 Mbit/s的通信速率。
光通信 非线性均衡算法 数字信号处理 链表与线性表 非线性项稀疏处理 
光学学报
2024, 44(6): 0606004
作者单位
摘要
1 西安邮电大学电子工程学院,陕西 西安 710121
2 西安精密机械研究所,陕西 西安 710077
为了研究粗糙动态海平面对折射偏振光的影响,利用Elfouhaily海浪谱和快速傅里叶变换生成随机动态海面,建立了激光跨粗糙空气-海水界面的偏振光传输模型。研究了不同风速、不同距离、不同光发散角下激光穿过空气-海水信道后的偏振特性和闪烁指数。仿真结果表明,风速越大,接收偏振度越小,相同条件下,圆偏振光偏振度远大于线偏振光;信道距离越长,偏振度越低;风速和链路距离变大时,闪烁指数也变大;当光束发散角减小时,闪烁指数变大;反之闪烁指数减小。验证了所提模型的可行性。本文研究为空气-海水光通信提供了理论依据。
水下无线光通信 Elfouhaily谱 跨介质 偏振光 闪烁指数 
光学学报
2024, 44(6): 0606005
沈文杰 1邢阳光 1,*黄一帆 1,**彭吉龙 2[ ... ]李林 1
作者单位
摘要
1 北京理工大学光电学院,北京 100081
2 北京卫星环境工程研究所,北京 100094
3 北京空间飞行器总体设计部,北京 100094
4 北京宇航系统工程研究所,北京 100076
提出了一款工作在Ne VII 46.52 nm谱线的新型三级次无狭缝成像光谱仪,该仪器采用两个超环面等线距光栅作为衍射元件,其中单个光栅仅工作于一个级次,这解决了现有三级次仪器使用单个光栅同时工作于三个级次的弊端,显著提升了系统校正离轴光栅像差的能力,结合光谱数据反演算法可以实现24′×24′视场下的高空间(1.547″)和高光谱分辨率(0.0078 nm)观测。
成像系统 太阳空间观测 太阳极紫外 成像光谱仪 无狭缝 超环面等线距光栅 
光学学报
2024, 44(6): 0611001
作者单位
摘要
南京航空航天大学机电学院,江苏 南京 210016
为了实现对跨尺度零件微小结构的尺寸精度和定位精度的同时测量,提出一种基于宏微复合标定的测量方法。建立不同尺度传感器组合式测量的标定模型,利用变焦扫描显微系统测量零件微尺度特征,利用双目系统测量定位显微设备,从控制坐标转换精度的角度设计加工特殊的标定块,将其作为跨尺度中转坐标系,标定变焦扫描显微重建点云坐标系与测头坐标系的空间转换关系,从而将局部测量点云统一至一个数据集中以完成所有局部区域的整体拼接。与理论模型对比分析,所提测量方法的各孔圆心坐标分布圆度误差为0.0438 mm,平面度误差为0.0252 mm,对喷注器各孔位姿的点误差值小于0.029 mm,孔轴向误差小于0.1140°。与面结构光传感器重建结果对比分析,所提模型能够在保证高精度重建三维形貌的情况下,更加正确地获取跨尺度零件的尺寸和位置。
表面形貌测量 跨尺度 多传感器方法 点云拼接 
光学学报
2024, 44(6): 0612001
作者单位
摘要
1 哈尔滨工程大学机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001
3 哈尔滨飞机工业集团有限责任公司工程技术部,黑龙江 哈尔滨 150066
针对水下光纤激光推进中存在的冲量耦合系数小、效果发散的问题,提出了用于提升水下光纤激光推进性能的短微腔结构。文中利用Fluent对添加微腔后水下光纤激光推进的结果进行了数值模拟,分析了矩形微腔结构的直径和长度对推进的影响,并在矩形微腔基础上提出U形微腔、双管微腔及含有阻塞结构的微腔。通过仿真得到了不同微腔对推力和冲量耦合系数的增大效果,证明了添加微腔可使水下光纤激光推进的冲量耦合系数得到103数量级的增大,并通过对比得出4种微腔结构中,双管微腔的结构形态对激光推进的性能提升影响最大,提升效果最好。
激光光学 水下激光推进 微腔结构 性能优化 冲量耦合系数 
光学学报
2024, 44(6): 0614001
作者单位
摘要
1 北京理工大学光电学院,北京 100081
2 北京卫星环境工程研究所,北京 100094
3 北京空间飞行器总体设计部,北京 100094
4 北京宇航系统工程研究所,北京 100076
太阳上层大气,即日冕、过渡区和色球,是由炽热的高度动态的磁化等离子体构成,其中高度电离的离子发射出丰富的极紫外谱线。空间太阳极紫外光谱成像观测对于捕获太阳上层大气中爆发活动的动态物理演化过程,以及实现对大气等离子体特征参数的精确测量具有重要的意义。然而现有的极紫外光谱成像仪器只能针对太阳上层大气的一个或两个目标区域进行成像观测,缺乏采用单一仪器对整个太阳上层大气区域在大空间和宽波段尺度范围内的光谱进行诊断的能力,严重制约了人们对太阳爆发活动中的能量及物质输运过程的理解。为了利用单个仪器实现对日冕、过渡区和色球的高分辨率同时诊断观测,本文提出并设计了一款同时工作在17∼21 nm、70∼80 nm和95∼105 nm三个波段的太阳极紫外成像光谱仪,该仪器基于非罗兰圆结构下的椭球面变线距(EVLS)光栅像差校正理论,采用狭缝扫描式成像光谱结构,实现了具有大离轴狭缝视场的高空间、高光谱分辨的消像散光谱成像。基于蒙特卡罗统计模拟方法对太阳极紫外三波段成像光谱仪的最优模型开展光线追迹仿真实验,仿真结果表明,所设计的成像光谱仪取得了良好的光栅像差校正效果,系统空间分辨率优于0.6″,光谱分辨率在17∼21 nm波段优于0.006 nm,在70∼80 nm和95∼105 nm波段优于0.008 nm。本文研究对我国未来的太阳极紫外光谱成像仪器的发展和研制具有重要的理论意义,对我国未来的太阳空间探测任务的型号遴选具有重要的参考价值。
太阳空间探测 太阳极紫外 成像光谱仪 光栅像差校正 光线追迹 
光学学报
2024, 44(6): 0622001
作者单位
摘要
湖南科技大学机电工程学院,湖南 湘潭 411201
以典型的20 m2小型定日镜为对象,采用光-机集成建模方法,研究了自重和风载荷联合作用下定日镜的服役光学精度特性,综合考虑了定日镜工作高度角、风压大小和关键结构参数的影响。结果表明,沿镜面横向的斜率误差分量Dx要明显大于沿其竖向的Dy,螺栓数量N增加对Dx影响不显著,但能显著减小Dy,反射镜面自身刚度弱是其服役光学精度下降的主要原因;机架中角钢型材的边长a在30~50 mm之间对光学精度影响较小,但厚度t对光学精度的影响较为显著。定日镜结构变形与镜面斜率误差均随着风压载荷的增加而线性增加,且不同高度角β下总镜面斜率误差变化曲线斜率基本一致;仅在自重作用下,高度角0°~90°内总斜率误差能控制在1.45 mrad以内;镜面变形与其斜率误差分布规律完全不同,镜面斜率误差与镜面变形之间并非呈线性正比关系,采用光学精度进行评价或指导定日镜结构优化设计是最佳途径。
光学器件 塔式定日镜 服役载荷 光-机集成 镜面斜率误差 光学精度 
光学学报
2024, 44(6): 0623001
王友伟 1,2郭颖 1,2,*邵香迎 1,2王季宇 1,2鲍正位 1,2
作者单位
摘要
1 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学自动化学院,江苏 南京 210044
针对遥感有向目标存在的检测问题,设计了一个基于改进Rotated RPN的网络,设计特征重组机制,通过加权使网络关注有效目标区域。使用新的有向框标注方法,避免在临界角度出现错位等问题。在检测头前端使用极化注意力模块,改善因为分类和回归任务所需特征不一致导致的性能下降问题。实验结果表明,该模型可以提高多类目标的检测精度。相较于基准Rotated RPN,该模型在Dior-R数据集上精度提升4.95%,在HRSC2016数据集上精度提升11.75%。
遥感 有向目标检测 深度学习 特征重组 极化注意力 
光学学报
2024, 44(6): 0628001
作者单位
摘要
1 中山大学大气科学学院,广东 珠海 519000
2 中国矿业大学环境与测绘学院,江苏 徐州 221018
3 中国矿业大学碳中和研究院,江苏 徐州 221018
针对结合星地观测与模型定量模拟消光性气溶胶光学特性及黑碳质量空间分布这一热点问题,利用TROPOMI卫星紫外波段观测数据与AERONET地基观测数据,基于“核-壳”假设下的米散射模型提出了一种准确量化黑碳气溶胶质量空间分布的模拟方法,并对北京、香港、首尔三个站点的模拟结果进行分析与验证。多源数据约束后米散射模型模拟得到的结果显示:北京的吸收系数在0.04~0.13之间,香港的吸收系数整体小于0.08,首尔的吸收系数介于0.02~0.06之间。计算得到的黑碳气溶胶柱内质量空间分布结果显示:北京站黑碳气溶胶柱内质量在200~600 kg/grid之间,香港站黑碳气溶胶柱内质量在180~650 kg/grid之间,首尔站黑碳气溶胶柱内质量在300 kg/grid以下。结合卡尔曼滤波排放清单与一阶箱模型对黑碳气溶胶柱内质量结果进行间接验证,计算得到的黑碳气溶胶生命周期为1~4 d不等,符合其在大气中的真实状态,说明结果具有一定可靠性。通过对比加入TROPOMI紫外波段卫星观测数据前后对模型进行约束得到的粒径分布及吸收系数结果的差异发现:加入紫外波段观测数据对模拟结果具有一定增强作用。所提方法模拟结果良好,方案具有一定应用潜力。
TROPOMI卫星数据 AERONET 黑碳气溶胶 米散射模型 
光学学报
2024, 44(6): 0628002
作者单位
摘要
中国人民解放军战略支援部队信息工程大学地理空间信息学院,河南 郑州 450001
针对当前光学智能遥感卫星有限存储能力对全球控制信息的轻量化需求,提出一种面向光学遥感卫星星上定位精度优化的轻量化矢量控制库技术。首先,在地面提取完整道路网,通过道路细化、节点提取以及拓扑关系构建等处理,生成星上轻量化矢量控制库并上注卫星;其次,星上在轨提取道路结构,并利用随机游走避免道路缺失的影响,生成随机游走矢量结构;然后,引入隐马尔科夫模型,搜索对应矢量,并设计分层匹配策略以精化匹配结果,实现星上轻量化矢量控制库与随机游走矢量结构的匹配;最后,利用不同类型卫星影像进行随机游走矢量结构提取、星上矢量匹配以及定位性能分析。结果表明,所提光学遥感卫星的星上轻量化矢量控制库能够有效改善非量测光学遥感卫星定位精度,验证了其在光学智能遥感卫星中的可行性。
轻量化处理 矢量控制库 星上智能处理 矢量匹配 高分辨率光学遥感卫星 
光学学报
2024, 44(6): 0628003
王强 1,2徐伟伟 2,*司孝龙 2李鑫 2[ ... ]张黎明 2
作者单位
摘要
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院,安徽 合肥 230601
2 中国科学院合肥物质科学研究院通用光学定标与表征技术重点实验室,安徽 合肥 230031
定标自动化水平与像点提取精度是光学遥感卫星在轨几何定标效率及精度提升的关键因素。提出一种以轻小型、自动化的反射点源为地面控制点的高精度像点提取方法,匹配参数化模型拟合获取点源像点坐标,并利用有理函数模型进行精度验证。在轨实验结果初步表明,与模板匹配法等常规方法相比,反射点源法提取的像点坐标精度优于0.05 pixel,经有理函数模型验证,像点定位精度优于0.05 pixel。反射点源不仅能够实现高精度的像点提取,还能够实现光学遥感卫星在轨几何辐射综合定标,对提高我国遥感测绘精度和定标自动化水平有重要意义。
几何定标 像点提取 反射点源 精度验证 有理函数模型 
光学学报
2024, 44(6): 0628004
作者单位
摘要
1 中国科学院空天信息创新研究院遥感卫星应用国家工程实验室,北京 100094
2 中国科学院大学,北京 100049
3 中国资源卫星应用中心,北京 100094
根据句芒号足印影像特点,提出一种针对复杂背景噪声的激光光斑质心提取方法:基于灰度转换模型去除地物背景,结合距离约束、高斯滤波和大津阈值分割去除影像噪声,并利用灰度重心法计算质心坐标。使用所提方法对多种地物类型仿真光斑和实测光斑进行质心提取,结果表明:所提方法的质心提取均方根误差约为0.074 pixel,最大误差约为0.482 pixel,对句芒号光斑影像的适应性较好。对句芒号足印影像光斑开展了稳定性分析,结果表明,所有激光波束的光斑质心坐标的标准差小于0.34 pixel,激光器与光轴监视相机的相对几何关系较为稳定。所提方法可用于激光光斑质心提取及稳定性监测,对句芒号激光数据处理和应用有一定参考价值。
遥感 足印影像 激光光斑 影像噪声 光斑质心提取 
光学学报
2024, 44(6): 0628005
作者单位
摘要
1 南京信息工程大学电子与信息工程学院,江苏 南京 210044
2 无锡学院电子信息工程学院,江苏 无锡 214105
针对光学遥感图像目标分布密集、尺度变化范围较大及小目标特征信息过少等造成目标检测精度不高、泛化能力差等问题,本文提出了一种增强小目标特征的多尺度神经网络(ESF-MNet)。首先在骨干网络中引入注意力模块构建出高效层注意力聚合结构,以增强特征提取能力;此外,在浅层特征图与颈部网络融合之前加入感受野增强模块,以捕获不同尺度的上下文信息。其次,使用GSConv构成颈部网络,减少网络层参数量,保持网络的特征提取能力,并通过基于内容感知的特征重组模块提高识别精度。最后,采用下采样率分别为4、8和16倍的三个下采样模块作为头部网络输入,来提高小目标的检测效果。为了证明该方法的有效性,在DOTA数据集和NWPU NHR-10数据集上进行实验,平均检测精度分别达78.6%和94.3%,计算复杂度为94.7 G,整体模型大小为26.2 M。该方法具备检测精度高、计算复杂度低、模型权重小等特点,能有效提高小目标的检测精度,进一步改善光学遥感图像小目标检测性能。
光学遥感图像 目标检测 感受野增强 特征融合 注意力机制 
光学学报
2024, 44(6): 0628006
付青 1,2,3郭晨 1,2,3罗文浪 1,2,3,*谢世坤 1,2,3
作者单位
摘要
1 井冈山大学电子与信息工程学院,江西 吉安 343009
2 江西省农作物生长物联网技术工程实验室,江西 吉安 343009
3 吉安市农业遥感重点实验室,江西 吉安 343009
针对不同时相卫星影像匹配效果差的问题,提出基于各向异性滤波的相位一致性的卫星影像匹配方法。首先,利用各向异性滤波建立图像非线性尺度空间,再利用相位一致性模型计算每个尺度下的最大矩图。其次,在每个尺度下的最大矩图上利用分块Shi-Tomasi算法提取特征点,再通过Log-Gabor滤波器建立多尺度多方向的幅值响应,并计算图像的最大幅值响应及其最大幅值的方向索引。然后,在极坐标系下,基于OpenMP并行计算实现特征描述符加速构建,再进行影像匹配与误匹配剔除。最后,利用6组不同时相、不同视角、辐射差异明显的卫星影像进行实验,实验结果表明,所提出的匹配方法明显优于传统的尺度不变特征变换(SIFT)算法和目前较为先进的辐射变化强度特征转换(RIFT)、绝对相位一致性梯度直方图(HAPCG)等算法。
遥感 各向异性滤波 非线性辐射差异 相位一致性 非线性尺度空间 影像匹配 
光学学报
2024, 44(6): 0628007

2022年推出“空间、大气、海洋与环境光学”(SAME)专题刊公告

      《光学学报》决定于2022年推出“空间、大气、海洋与环境光学”(SAME)专题刊,每年出版4期,每季度1期。

《光学学报》改版半月刊及出版“英文长摘要”通知

《光学学报》于2020年1月开始,刊期由月刊变更为半月刊,每月出版两期;2023年1月开始,所有录用文章需要提供800-1000字的英文长摘要,以更好地宣传和提高论文的国际影响力。

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