针对固态成像型头戴夜视系统大视场、轻量化需求,对双目头戴夜视系统进行了物镜和目镜光学系统及机械装配结构设计,选用高强型碳纤维环氧树脂作为夜视系统壳体材料,利用Solid Works仿真软件优化设计了一款夜视系统壳体结构,并对壳体在极寒和高热条件下的热稳定性进行了有限元分析。仿真实验结果表明,在-40和50 ℃两种极端温度情况下夜视系统壳体的热应力均小于材料的屈服强度,最大应变对光学系统成像质量、显示性能和机械结构造成的影响极为有限,从而验证了壳体结构良好的耐温性和可靠性。
双目头戴夜视系统 结构设计 热稳定性 有限元法 光学系统 binocular head-mounted night vision system structural design thermal stability finite element method optical system
1 中国人民解放军 32181部队，陕西 西安 710032
2 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065
3 河北工业大学 人工智能与数据科学学院，天津 300131
4 郑州科技学院，河南 郑州 450064
基于CMOS器件的低照度夜视装备隐蔽性好，成本较红外热像装备低，是拓展人眼低照度条件下视觉感知的重要手段，在**和民用领域都有广泛应用。为满足夜间低照度天候条件下装备维修保障需求，设计了一款大视场低照度夜视头戴目镜光学系统。通过选择合适的光学玻璃材料，在可见/近红外波段均有很好的光谱响应。设计完成的大相对孔径目镜视场角为74.46°，焦距为46 mm，F数为1.2，畸变小于?7.14 %，系统总长小于80 mm，且镜头总质量小于100 g。该目镜在486 nm~950 nm光谱范围内能够满足夜间无照明条件下的维修、训练和场景观察，为低照度夜视头戴系统光学模组研制提供了新的技术手段。
光学系统 夜视头戴 目镜设计 大相对孔径 optical system night vision headwear eyepiece design large relative aperture
1 东北大学资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
2 辽宁省固废产业技术创新研究院, 辽宁 沈阳 110819
3 辽宁省生态气象和卫星遥感中心, 辽宁 沈阳 110166
尾矿库作为高势能的人造泥石流危险源, 在尾砂含水量过高时有溃坝风险, 低含水量状态下产生扬尘则会危害周围环境。 尾砂含水量实时、 动态监测对于尾矿库安全状况及矿区环境保护具有重要意义。 相比传统采样化验手段, 高光谱遥感拥有观测面积大、 数据实时易获取、 光谱信息丰富的特点, 为快速、 高精度尾矿水分监测提供了手段。 以鞍山-本溪铁矿群中的高硅型铁尾矿为研究区, 实地采集尾砂样品77个, 利用可见光-近红外(350～2 500 nm)光谱仪获取其光谱数据, 分析不同含水率尾砂光谱特征及机理； 引入竞争性自适应加权重采样法(CARS)筛选水分敏感波段, 并基于敏感波段建立三维波段光谱指数(TBI), 结合随机森林(RF)、 粒子群优化的极限学习机(PSO-ELM)及卷积神经网络(CNN)算法建立尾砂水分反演模型, 以国产高分五号高光谱卫星为数据源进行模型应用, 获取尾矿库表层含水时空分布特征。 结果表明: (1)尾砂光谱反射率随含水率升高明显下降, 在1 455和1 930 nm处出现O—H吸收特征, 吸收深度随含水率减小而逐渐减小； (2)基于CARS方法能够对高光谱数据(305波段)有效降维, 筛选出18个水分敏感波段, 进一步利用敏感波段构建不同形式的尾砂含水率TBI指数集, 其中三维差值指数TBI5=(R1 097.47-R1 990.67)-(R1 990.67-R437.39), 与水分含量相关性最高, 达到0.84； (3)对比RF, PSO-ELM及CNN方法以及不同形式的输入数据, 基于尾砂含水率TBI指数联合反射率数据集作为输入数据进行CNN建模, 室内光谱模型达到验证精度R2=0.92, 相对分析误差RPD=3.43, 基于该模型利用高分五号卫星数据反演可获取研究区尾砂含水率空间分布结果, 实地验证R2达到0.79, 相对分析误差RPD=2.20, 获得较好的预测效果。 可为基于高光谱技术的铁尾矿水分含量大面积实时快速监测提供参考。
可见光-近红外光谱 三维光谱指数 国产高分五号卫星 铁尾矿 尾砂含水率 Visible-near-infrared spectra Three-band spectral index Domestic Gaofen-5 satellite Iron tailings dam Moisture content of tailings 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1225
江西理工大学 信息工程学院, 江西 赣州 341000
针对低分辨率图像到高分辨率图像的映射函数解空间极大, 导致超分辨率重建模型难以产生细致纹理的问题, 本文提出一种结合双注意力和结构相似度量的图像超分辨率重建网络。以改进的U-Net网络模型作为基本结构, 引入针对低级别视觉任务的数据增强方法, 增加样本多样性。编码器部分由卷积层和自适应参数线性整流激活函数(Dynamic ReLU)组成。同时引入了一种残差双注意力模块(Residual Dual Attention Module, RDAM)与像素重组(PixelShuffle)模块共同构成解码器, 通过上采样操作, 逐级放大图像。为了使生成图像更加符合人眼视觉特性, 采用了一种结合结构相似度量准则的损失函数, 增强网络约束。实验结果表明: 重建图像的质量对比SRCNN, 在Set5、Set14、BSD100和Urban100标准测试集上的平均PSNR提升约1.64 dB, SSIM提升约0.047。本文方法能够使重建的图像纹理细节更丰富, 有效地减少了映射函数可能的解空间。
超分辨率 U-Net网络 数据增强 双注意力 结构相似 super-resolution U-net network data augmentation dual attention structural similarity
1 杭州师范大学遥感与地球科学研究院, 浙江 杭州 311121
3 杭州师范大学理学院, 浙江 杭州 311121
现场水体光谱观测是水体光学性质、 水色遥感反演建模等研究不可或缺的基础性工作之一。 常规的倾斜观测方法受其较为严格的观测几何条件限制, 需要依据船体位置、 太阳方位等不断调整观测角度, 特别是针对河道水体光谱观测时, 还须考虑河道走向、 岸线遮蔽物等情况, 因此, 只能设置若干站点进行离散样点的观测, 难以在岸线环境较为复杂的河道水体开展连续走航快速观测。 而现场水体光谱连续走航快速观测能够获取不同地方时的大样本水体反射光谱, 丰富对水体二向反射特征的认识, 并建立更精确的反演模型, 在水色遥感研究中具有极其重要的作用。 鉴于此, 设计了一种基于垂直观测几何方式的内陆河道表层水体反射光谱连续走航快速观测方法, 并通过时空匹配技术获取整个河道的全波长遥感反射率数据。 在杭州西小江部分河段的试验表明, 该方法获取的遥感反射率与同步实测的叶绿素浓度、 浊度等水色组分的相关性较强, 选取的特征波段获得的确定系数R2均大于0.855。 Sentinel-2的观测天顶角接近于0, 近乎于垂直观测。 该研究使用Sentinel-2B的光谱响应函数对实测光谱进行等效光谱模拟, 转换为相应波段的等效遥感反射率, 反演结果与基于Sen2Cor的大气校正后的遥感反射率数据进行建模, 分析结果表明, 基于Sen2Cor的大气校正后的遥感反射率数据存在高估现象, 同时又用Sentinel-2B的大气表观反射率反推辐射亮度, 然后用FLAASH大气校正获取Sentinel-2B的遥感反射率数据, 经与实测等效遥感反射率建模分析发现, 基于FLAASH的大气校正后的遥感反射率数据在小于0.02 sr-1时也存在高估现象, 在大于0.02 sr-1时则存在明显低估现象。 研究表明, 用该方法所获取的大样本实测遥感反射率数据具有对卫星反射率产品进行真实性验证的应用潜力。
河道水体 反射光谱 走航垂直观测 遥感反射率 River water Reflectance spectrum Vertical observation of navigation Remote sensing reflectance Sentinel-2B Sentinel-2B
1 华东师范大学 物理与电子科学学院，材料科学系，纳光电集成与先进装备教育部工程研究中心，上海市极化材料多功能磁光光谱技术服务平台，上海 200241
2 山西大学 极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
3 复旦大学 上海智能电子与系统研究院，上海 200433
在不同氧分压下，用脉冲激光沉积法在c-蓝宝石衬底上制备了高质量β-Ga2O3-δ薄膜。通过X-射线衍射、远红外反射光谱、X-射线光电子能谱和紫外-可见-近红外透射光谱系统地研究了β-Ga2O3-δ薄膜的晶格结构、化学计量比和光学性质。X-射线衍射分析表明，所有沉积的薄膜以（-201）晶向方向生长。透射光谱显示薄膜在255 nm以上的紫外-可见-近红外波段具有80%以上的高透明度，同时在255 nm附近有一个陡峭的吸收边。此外，利用Tauc-Lorentz（TL）色散函数模型和Tauc公式，我们提取了β-Ga2O3-δ薄膜的光学常数和光学直接带隙。更进一步，我们通过理论计算解释了氧气分压对β-Ga2O3-δ薄膜光学性质的影响。
氧化镓 脉冲激光沉积 氧分压 光学性质 β-Ga2O3 pulsed laser deposition oxygen partial pressure optical properties
1 郑州科技学院，河南郑州450064
2 河南省智能信息处理与控制工程技术研究中心，河南郑州450064
3 军事科学院系统工程研究院，北京100010
4 中国航天系统科学与工程研究院，北京10005
5 陆军装备部驻沈阳地区军事代表局驻长春地区第一军事代表室，吉林长春130000
针对雨雪、雾霾等天气条件下氧气吸收被动测距受大气和气溶胶等复杂背景光谱影响严重的问题，采用混合像元分解技术对提高复杂背景条件下的测距精度进行了研究。分析了高光谱图像像元混合机理，以雨滴端元为例建立了复杂天气条件下目标与背景的混合像元模型；讨论了复杂天气条件下目标光谱的提取方法，提出了复杂天气氧气吸收被动测距的基本流程；最后，对不同距离处小雨、重度霾、中雪3种典型复杂天气条件下的卤钨灯目标进行了被动测距实验。实验结果表明，混合像元分解方法可快速提取目标光谱，与多次循环采集平均法、背景消除法相比测距精度有较大提升，不同的距离及天气条件下的测距精度分别提高到3.39%、5.81%和4.36%，可满足实际飞行目标辐射光谱的快速采集与测距精度要求。
被动测距 氧气吸收 混合像元分解 目标提取 极端天气 passive ranging oxygen absorption mixed pixel decomposition target extraction extreme weather
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 光驰科技(上海)有限公司, 上海 200444
随着5G时代的到来,结构光3D成像技术对不可见光接收模组窄带滤光片的要求不断提高。基于法布里-珀罗全介质型干涉仪膜系设计理论,选择Si-H和SiO2分别作为高、低折射率材料,采用光谱拆分法,使用电感耦合磁控溅射技术和直流磁控溅射技术交替成膜,以提高膜层的聚集密度,降低膜层的粗糙度;并通过辅助阳极降低成膜温度对通带光谱的影响。最终制备的滤光片以945 nm为中心波长,对926~952 nm光的平均透过率达到98.5%,0°~38°通带偏移量为13 nm。
薄膜 3D结构光 窄带滤光片 拆分法 磁控溅射 聚集密度 辅助阳极 激光与光电子学进展
2021, 58(14): 1431001
江西理工大学信息工程学院, 江西 赣州 341000
研究基于场景描述文本生成对应图像的方法,针对生成图像常常出现的对象重叠和缺失问题,提出了一种结合场景描述的生成对抗网络模型。首先,利用掩模生成网络对数据集进行预处理,为数据集中的对象提供分割掩模向量。然后,将生成的对象分割掩模向量作为约束,通过描述文本训练布局预测网络,得到各个对象在场景布局中的具体位置和大小,并将结果送入到级联细化网络模型,完成图像的生成。最后,将场景布局与图像共同引入到布局鉴别器中,弥合场景布局与图像之间的差距,得到更加真实的场景布局。实验结果表明,所提模型能够生成与文本描述更匹配的图像,图像更加自然,同时有效地提高了生成图像的真实性和多样性。
图像处理 图像生成 生成对抗网络 场景描述 分割掩模 场景布局 激光与光电子学进展
2021, 58(4): 0410012
1 上海市大气颗粒物污染防治重点实验室, 复旦大学环境科学与工程系, 上海 200438
2 上海崇明生态研究院, 上海 202151
3 复旦大学大气科学研究院, 上海 200438
基于地基主动和被动差分光学吸收光谱(DOAS)分析方法, 在2015年5月至2016年5月期间对上海近地面NO2浓度(cNO2)及对流层NO2的垂直柱浓度(NO2 VCDtrop)进行了观测。 主动长光程差分光学吸收光谱系统(long-path DOAS, LP-DOAS)观测得的cNO2小时均值与上海市全市空气质量cNO2小时均值呈正相关, 相关系数为0.81。 被动多轴差分光学吸收光谱系统(multi-axis DOAS, MAX-DOAS)观测得的NO2 VCDtrop与GOME-2和OMI卫星传感器测得的NO2 VCDtrop也均呈正相关, 相关系数分别为0.89和0.88。 大气污染物的输送、 扩散、 稀释和沉降等过程主要发生在边界层中, 白天混合层占到边界层的大部分, 混合层高度(MLH)以上的自由对流层中污染物浓度较小, 混合层内NO2接近均匀混合时, 利用地基主、 被动DOAS观测得到的NO2数据可以快速计算大气混合层高度。 计算得的MLH与GDAS气象数据库中的边界层高度(PBLH)明显相关, 相关系数达0.93, 二者结果大小均在0.1～2 km之间。 实验观测期间, MLH与PBLH日变化趋势均呈单峰形, MLH高值出现在12:00—15:00, 由于PBLH时间分辨率低, 最高值出现在14:00, 同时二者月均变化趋势一致, 2015年9月和2016年2月数值较高, 2015年7月和2016年3月数值较低, 另外求得MLH约为PBLH的0.98±0.59倍, 符合狭义MLH与PBLH的关系。 计算得的MLH与同点位激光雷达测得的PBLHLidar也具有较高的相关性, 相关系数达0.75, PBLHLidar略大于MLH, 但是二者在早晨5和6时和下午5和6时大小趋于相同, 符合大气发展规律。 说明该算法具有较高的可行性。
差分光学吸收光谱技术 混合层高度 光谱分析 Differential optical absorption spectroscopy NO2 NO2 Mixing layer height Spectral analysis 光谱学与光谱分析
2018, 38(12): 3653
