本期栏目 2022, 42(12)

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第42卷 第12期

唐军武 1,2朱培志 2,*刘秉义 1,2张洪玮 3[ ... ]马辉 5
作者单位
摘要
1 青岛海洋科学与技术试点国家实验室“观澜号”海洋科学卫星工程部, 山东 青岛 266237;
2 中国海洋大学信息科学与工程学部, 山东 青岛 266100
3 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
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 清华大学深圳国际研究生院, 广东 深圳 518055

垂向层化是海洋水体的基本特征之一,几乎所有海洋学科的测量与分析都需要直接或间接的剖面信息。激光雷达是目前唯一可以遥感方式获得百米级海洋剖面信息的手段,激光雷达水体回波信号主要受水分子与水体颗粒物吸收、散射作用的共同影响。从激光雷达的后向180°散射信号中反演水体颗粒物成分时,活体浮游植物及其降解物、无机颗粒(悬浮泥沙)、浮游动物、气泡等颗粒物在粒径、组分、形状、内部结构等方面的复杂性决定了水体光学特性的复杂性。180°处的体散射系数β(π)是激光雷达水体探测的基本参数,然而不同浮游植物颗粒的散射相函数在180°处相差10倍。目前的模拟仿真中采用的仅具有普适意义的Petzold体散射函数或Voss & Fry穆勒矩阵偏振参数,与具体的遥感探测水体的体散射函数或穆勒参数有很大的差别。针对这个激光雷达中最重要的基础性问题之一,也是主被动光学海洋观探测中的基本问题,进行了综述,并参考国际相关研究人员近些年的一些研究成果,试图提出后续应当重点解决的理论与技术问题。

海洋光学 海洋剖面激光雷达 水体光学特性 水体偏振光散射 水体颗粒物光学特性 ocean optics oceanographic profiling LiDAR water optical properties polarized light scattering of water optical properties of water particulate matter 
光学学报
2022, 42(12): 1200001
作者单位
摘要
1 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430079
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
4 中国测绘科学研究院摄影测量与遥感研究所, 北京 100830
5 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800

高光谱激光雷达作为一种新型的主动式对地观测技术手段,结合了传统激光雷达三维空间信息获取和被动高光谱成像技术的优势,可实现高空间分辨和高光谱分辨的一体化成像探测,已成为未来遥感技术发展的重要方向。首先,从激光雷达空谱一体化数据获取技术研究进展出发,论述了高光谱激光雷达成像技术的发展历程并分析了其独特的优势。随后,结合机载平台应用发展,针对机载高光谱激光雷达系统研制中的关键技术难点,对激光发射单元、接收探测单元和数据处理单元的发展进行了阐述。最后,面向该新型遥感技术的未来发展前景,重点分析了机载高光谱激光雷达在地物覆盖分类、植被遥感监测、海洋资源探测和**目标侦查等领域中的重大应用潜力,并针对其未来推广应用进行了展望与分析。机载高光谱激光雷达凭借其空谱一体化数据获取优势,将来有望发展成为一种新型遥感技术门类。

遥感 对地观测 机载激光雷达 高光谱成像 空谱合一 remote sensing earth observation airborne LiDAR hyperspectral imaging spatial-spectral integration 
光学学报
2022, 42(12): 1200002
胡秀清 1,2徐寒列 1,2,*雷松涛 3王玲 1,2[ ... ]张鹏 1,2
作者单位
摘要
1 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室,国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心), 北京 100081
2 许健民气象卫星创新中心, 北京 100081
3 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
4 国防科技大学气象海洋学院, 湖南 长沙 410073
5 北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室, 北京 100081

在综述国内外几个典型星载微光遥感仪器的基础上,详细介绍了风云三号晨昏轨道黎明星(FY-3E)所搭载的中分辨率光谱成像仪微光型(MERSI-LL)的设计原理和部件组成,MERSI-LL微光通道针对晨昏轨道对地观测辐射信号大动态范围的特点,采用三增益组合的特殊设计,并基于太阳漫透板的工作原理设计了MERSI-LL的星上定标器。介绍了微光通道数据三增益通道选择和归一化融合处理方法和流程,并综述了针对微光通道的星上定标、替代定标、地面人工光源定标和交叉定标等多种定标手段。简要概述了MERSI-LL具备的定量科学产品反演能力,示范了基于MERSI-LL观测数据生成的准恒定对比度(NCC)图像产品,重点描述微光通道的典型夜间灯光产品生成过程,给出其产品示例及其潜在的应用能力。最后在总结黎明星MERSI-LL微光通道数据处理和产品生成经验的基础上,展望了该仪器未来的改进思路和应用前景。

大气光学 黎明星 微光探测 辐射定标 城市灯光 atmosphere optics early morning satellite low light detection radiometric calibration nighttime lights 
光学学报
2022, 42(12): 1200003
作者单位
摘要
厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室, 海洋与地球学院, 福建 厦门 361102

太阳辐射(光)能够穿透水体,照耀水体的上层,驱动浮游植物的光合作用和加热水体。同时,水中物质对光的散射导致一部分光逃离水体并进入大气层,从而成为从卫星高度反演水中物质的含量、成分的信息源。因此,理解、刻画光在水中的传播形式以及其与水中物质的关系是海洋光学和水色遥感的最基础的要求和课题。光的空间变化由辐射传递方程决定,但该方程不能够直接用于遥感反演,也不能够直接表达表观光学量与固有光学量之间的关系。通过简单的数学推导,?as将辐射传递方程转换成一个优美的两流模式来描述上行和下行辐照度随深度的变化形式,并进一步推导出表观光学量与固有光学量之间的解析关系。该模型给出了海洋光学中最基本的关系式,为水色遥感的半解析算法的研发奠定了基础。

海洋光学 水色 辐射传输 两流模型 遥感 表观光学量 固有光学量 ocean optics ocean color radiative transfer two-stream model remote sensing apparent optical properties inherent optical properties 
光学学报
2022, 42(12): 1200004
叶松 1,3夏侯琪 1,2吴军 2,*熊伟 2[ ... ]李大成 2
作者单位
摘要
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院, 广西 桂林 541004
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 广西光电信息处理重点实验室, 广西 桂林 541004

针对平流层载荷在对地观测应用中精确获取地表温度的需求,基于SeeBor大气廓线集和MODIS分裂窗通道的参数建立了平流层仿真数据集,分析了通用分裂窗算法在平流层高度获取地物温度的有效性;开展了反演精度对观测高度、发射率、水汽含量、噪声等效温差(NETD)和光谱响应漂移的敏感性分析。仿真结果表明,算法的理论误差为0.185 K,其中发射率和NETD对反演误差的贡献最大。最后分析了不同影响因素的偏差约束需求,结果表明在发射率不确定性优于1%、NETD优于0.4 K、光谱响应漂移在-3~3 nm的条件下,温度反演精度可以实现优于2 K的水平。

大气光学 平流层 地表温度 分裂窗算法 敏感性分析 atmospheric optics stratosphere land surface temperature split-window algorithm sensitivity analysis 
光学学报
2022, 42(12): 1201001
张世泰 1,2吴晓庆 1,*吴骕 1,2韩亚娟 1,2[ ... ]杨期科 1,2
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
利用单通道恒温热线仪获取采样频率为4000 Hz的风速脉动数据,得到包括含能区、惯性子区以及耗散区的完整风速脉动功率谱。基于功率谱分析法得到近地面大气风速湍流内尺度和湍流动能耗散率随时间的变化规律,分析湍流内尺度和湍流动能耗散率与大气稳定度的相关性,并与三维超声风速计的测量结果进行比较。结果表明:近地面湍流动能耗散率在10 -4~10 -1 m 2/s 3之间,内尺度在10 -3~ 10 -2 m之间;当大气处于稳定条件时,湍流平均动能耗散率为0.0146 m 2/s 3,平均内尺度为0.0089 m;当大气处于不稳定条件时,湍流平均动能耗散率为0.0592 m 2/s 3,平均内尺度为0.0077 m。由于功率谱分析法是直接测量湍流内尺度,因此计算的内尺度最为准确。
大气光学 湍流 内尺度 湍流动能耗散率 大气稳定度 功率谱 热线风速仪 超声风速仪 atmospheric optics turbulence internal scale turbulence energy dissipation rate atmospheric stability power spectrum hot-wire anemometer ultrasonic anemometer 
光学学报
2022, 42(12): 1201002
作者单位
摘要
1 吉林大学地球探测科学与技术学院, 吉林 长春 130012
2 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094
3 中国科学院大学, 北京 100094
为了监测卫星传感器在轨辐射性能的变化、提高定标的频次和精度、满足新时期定量遥感的应用需求,提出了一种基于卡尔曼滤波的时间序列定标方法。以敦煌辐射校正场为试验场,获取高分一号宽视场成像仪(GF1-WFV)在2013—2020年间多景敦煌场地影像,先对影像灰度值进行归一化处理,利用标准差剔除异常值,筛选出有效影像;采用基于稳定目标的历史数据时间序列定标方法计算定标系数,并利用卡尔曼滤波思想对定标系数进行进一步处理,最后分别将本文定标结果与中国资源卫星应用中心(CCRS)定标结果、Landsat8定标结果进行对比。结果表明:高分一号卫星传感器在轨运行期间的最大年衰减率不超过0.3%,说明传感器未发生明显衰减;通过对定标结果的对比验证,发现基于卡尔曼滤波的时间序列定标方法所获得的定标结果比CCRS定标结果的精度高,其中各波段的平均相对误差最大可减小16.14%。由此可见基于卡尔曼滤波的时间序列定标方法具有较好的可靠性和稳定性。
大气光学 高分一号 宽视场成像仪 时间序列定标 卡尔曼滤波 高精度 敦煌定标场 atmospheric optics GF1 wide field of view imager time-series calibration Kalman filtering high accuracy Dunhuang calibration field 
光学学报
2022, 42(12): 1201003
朱黎明 1,2,*孙刚 1,**张汉九 1,3许满满 1[ ... ]李学彬 1
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大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230031
在海洋地区利用相干多普勒激光风廓线雷达反演可以得到边界层内全天候大气光学湍流廓线。采用机器学习方法-后向传播神经网络进行训练得到边界层光学湍流估算模型,以探空实测常规气象参数作为模型输入参数估算不同日期不同时刻的边界层内大气光学湍流廓线,并与实测值进行比较。通过误差分析可知,白天和夜晚的估算光学湍流廓线均方根误差分别为0.4332和0.5626,相关系数分别为0.8899和0.7673。该研究表明,相干多普勒激光风廓线雷达反演的光学湍流廓线可以通过神经网络模型实现全天候对海洋大气边界层光学湍流廓线估算的功能,且效果较好,在光电工程及天文选址方面具有重要工程参考意义。
大气光学 激光雷达 湍流廓线 大气边界层 机器学习 神经网络 atmospheric optics Lidar turbulence profile boundary layer machine learning neural network 
光学学报
2022, 42(12): 1201004
作者单位
摘要
西安理工大学激光雷达大气遥感研究中心, 陕西 西安 710048
为给辐射传输方程求解提供足够的气溶胶状态信息,提出了一种双波长拉曼-米激光雷达探测技术和系统。首先,设计了高性能4通道分光系统,用于提取中心波长分别为354.7 nm和1064.2 nm以及386.7 nm和852.7 nm的米-瑞利散射回波信号和氮气拉曼散射回波信号,实现对大气气溶胶的精细探测和反演。然后,在不同天气条件下利用该系统开展了探测实验,通过反演的气溶胶多参量廓线构建了由33层光学厚度、单次散射反照率、散射相函数组成的实际大气气溶胶状态参数列表,并将其作为平面平行辐射传输(SBDART)模式的实际大气自定义气溶胶输入文件。最后,求解辐射传输方程,得到33层实际大气散射辐射亮度分布以及太阳直接和散射辐射亮度的计算结果。通过分析不同天气条件下的实际大气散射辐射亮度,验证了大气气溶胶状态对大气散射辐射亮度的决定性影响。实验结果表明,该系统与地面气象站测量的总辐射亮度平均相对误差为8.2%,相关性系数达到0.98。
大气光学 激光雷达 气溶胶 散射辐射亮度 平面平行辐射传输 atmospheric optics Lidar aerosol scattered radiance Santa Barbara DISORT atmospheric radiative transfer 
光学学报
2022, 42(12): 1201005
作者单位
摘要
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
太阳光通过海面的镜面反射形成耀光,但其较强的光强会造成常规探测成像饱和,严重影响对海面目标的探测。基于海面耀光的偏振特性以及数字域时间延时积分互补金属氧化物半导体(TDI-CMOS)的积分特性,设计并构建了一套海面目标自适应偏振探测系统。利用该系统通过偏振相机对海面目标进行实时成像偏振测量,引导数字域TDI-CMOS相机在时域与空域两个维度上对耀光进行抑制。搭建了水面观测实验平台,针对典型目标,开展了相关的验证实验。实验结果表明:使用所构建的探测系统能够有效抑制太阳耀光对图像的影响,并且获取的耀光抑制图像相比一般图像,信杂比提升显著,该系统有效改善了运动目标对图像造成的伪影现象,针对海面目标的探测效果得到有效改善。
遥感 偏振探测 时间延时积分 互补氧化物半导体 耀光 remote sensing polarization detection time delay integration complementary oxide semiconductor flare 
光学学报
2022, 42(12): 1201006
向光峰 1,2,3,**孟炳寰 1,3,*李双 1,3韩琳 1,3[ ... ]洪津 1,3,***
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, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
高精度的质心定位是基于单平行光管与分离式二维转台的几何定标方法的关键,但仪器的相对响应差异会影响质心定位精度。因此,提出了一种基于相对响应校正的质心定位精度提升方法,可有效地提升质心定位精度,进而提升几何定标精度。基于多角度偏振成像仪的实验室几何定标实验证明了所提方法的提升效果。提升效果在大视场区域中更为显著,最大几何定标精度约为0.1 pixel。最终,基于所提质心定位精度提升方法在实验室中获得了高精度的多角度偏振成像仪几何模型参数,模型拟合残差优于0.1 pixel。
几何光学 几何定标 多角度偏振成像仪 相对辐射校正 几何模型 geometric optics geometric calibration directional polarimetric camera relative radiometric correction geometric model 
光学学报
2022, 42(12): 1208001
宋强 1,2,3孙晓兵 1,3,4,*刘晓 1,3,4提汝芳 1,3黄红莲 1,3,4
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
3 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 合肥市农业行业首席专家工作室, 安徽 合肥230031
利用光学成像仪器进行水下资源勘测时,成像质量常因水中气泡干扰而降低。研究水中气泡环境辐射传输特性并分析其对光学仪器成像的干扰,对提升水下成像抗干扰能力具有重要指导意义。首先构建水中单气泡成像环境,模拟光在单气泡传输过程中辐射强度和偏振状态的变化趋势,得出单气泡界面处的传输相位函数;在此基础上,通过增加气泡数量,模拟水中多气泡成像环境下光的辐射强度和偏振状态随气泡分布的变化情况;最后基于几何光学近似理论进行蒙特卡洛模拟,仿真并得出不同气泡半径大小、不同光线传输路径尺度对光线在气泡群中前向和后向传输的影响。气泡理论分析、仿真计算和实测实验表明:光在气泡界面处产生的偏振态变化与观测几何具有强关联,当入射角较小时,光的穿透性较强,辐射强度衰减缓慢;随着传输距离路径增加,前向传输和后向传输的偏振度呈现相反的变化趋势;理论、仿真和实验结果三者基本保持一致。该研究可以为水下复杂环境目标偏振成像领域提供一定的参考。
几何光学 单气泡 多气泡 蒙特卡洛 偏振度 geometrical optics single bubble bubble group Monte Carlo degree of polarization 
光学学报
2022, 42(12): 1210001
薛俊达 1,2朱家佳 1,2,**张静 1,2,*李晓辉 1,***[ ... ]李传荣 1
作者单位
摘要
1 中国科学院空天信息创新研究院, 中国科学院定量遥感信息技术重点实验室, 北京100094
2 中国科学院大学, 北京100049
面向高效、高精度光学遥感图像目标检测应用,重点针对提升SSD(single shot multibox detector)模型对图像中聚集分布的小尺寸目标检测精度的难点,提出一种FFC-SSD(multi-scale feature fusion & clustering SSD)改进模型;设计目标框分组聚类(BGC)模块,采用分组聚类的方法获得更符合目标样本尺寸分布的默认目标框参数并给予小尺寸目标更多关注,以有效提升网络对目标位置信息的提取能力;设计反池化高效多尺度特征融合(MSFF)模块,以在增强模型目标特征提取能力的同时有效减小模型效率损耗。实验结果显示了所提模型对光学遥感图像目标检测的有效性与适用性,较好地实现了精度与效率的平衡,对小尺寸目标具有较高的检测精度。
图像处理 目标检测 光学遥感图像 多尺度特征融合 聚类 image processing object detection optical remote sensing image multi-scale feature fusion clustering 
光学学报
2022, 42(12): 1210002
李文力 1,2,3李秀举 1,2屠黄唯 1,2,3闫语畅 1,2,3韩昌佩 1,2,*
作者单位
摘要
1 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
基于黑体的在轨辐射定标是多通道扫描成像辐射计(AGRI)红外通道采用的辐射定标方案之一,AGRI某些长波红外通道的图像经过黑体定标后仍残留部分条带噪声,这将影响图像质量。分析了AGRI基于星上黑体的辐射定标模型,提出了通道内像元间光谱响应非均匀性的概念;对像元间光谱响应非均匀性与条带噪声的关系进行了仿真分析;基于分析结果,提出了一种利用均匀场景进行相对辐射定标的方法,并使用AGRI的成像数据,验证了该方法对抑制由像元间光谱响应非均匀性导致的条带噪声的有效性。
成像系统 黑体定标 光谱响应非均匀性 条带噪声 相对辐射定标 风云四号 imaging systems blackbody calibration spectral response non-uniformity stripe noise relative radiometric calibration FY-4A satellite 
光学学报
2022, 42(12): 1211001
作者单位
摘要
1 中国科学院云南天文台, 云南 昆明 650216
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对中国巨型太阳望远镜(CGST)主副镜的对准需求,提出了基于激光干涉测距的激光桁架主动对准方法。首先总体介绍CGST激光桁架测量系统的光学结构和测量原理;然后建立激光桁架运动学模型和主动对准光学模型并讨论系统的误差传播特性;接着通过大气光学模型来讨论温度场和局地大气湍流对该主动对准方法的影响。运动分析与光学建模结果表明,在可见光波段,当激光桁架的测距误差在5 μm以内、环境温度梯度小于0.381 K/m时,由对准误差引起的波前均方根优于λ/10。另外,在Kolmogorov湍流和典型昼间近地面湍流的条件下,大气湍流并不会严重降低激光桁架测量的灵敏度。由此可知,所提方法能够满足CGST副镜主动对准的需求。
成像系统 太阳望远镜 主动对准 激光测量 系统建模 像差分析 imaging systems solar telescope active alignment laser measurement system modeling aberration analysis 
光学学报
2022, 42(12): 1211002
作者单位
摘要
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
光频扫描干涉(FSI)绝对测距技术具有精度高、灵敏度高等优点,受到了大型装备制造领域的广泛关注。为获得更高的测距精度,FSI系统中往往需要通过构建光纤辅助干涉仪以实现对光频变化的精密监测。然而,受环境因素以及色散效应的影响,光纤辅助干涉仪的光程难以在测量过程中维持稳定,导致测量精度严重下降。针对这一问题,提出了一种基于光谱标定的FSI绝对测距方法,采用氰化氢(HCN)气体的吸收光谱特征为FSI系统辅助干涉仪光程的在位快速标定提供稳定、精确的光频参考。提出了一种色散失配误差的快速补偿方法以消除光纤辅助干涉仪引入的色散失配误差对测量结果的影响。为验证上述方法的有效性,在20 m的距离上与商用干涉仪进行精度对比实验。实验结果表明,在测量范围内该系统的最大测距偏差小于50 μm,测量重复性优于±4 μm。
测量 光频扫描干涉 绝对距离测量 吸收光谱 色散效应 measurements frequency scanning interferometry absolute distance measurement absorption spectrum dispersion effect 
光学学报
2022, 42(12): 1212001
作者单位
摘要
中国计量科学研究院光学所, 北京 100029
近红外波段的双向反射分布函数(BRDF)能够有效表征材料的反射特性,广泛应用于计算机建模、遥感、航天等领域。为了高精度测量近红外波段的BRDF值,研制了一套近红外波段的BRDF测量系统,提出了基于等面积亮度的单次绝对测量方案。该测量系统以被测样品中心为基点对测量系统的空间坐标系进行重新建模,使用六轴机械臂作为变角装置实现建模,能够无死角地改变样品的三维空间朝向,可以在2π半球空间内测量任意角度组合的材料BRDF值,该测量方案高精度测量了覆盖1000~3000 nm近红外波段的材料BRDF值。使用该系统对标准漫反射金板的BRDF值进行测量,结果表明测量结果的相对不确定度为1.5%,说明所研制的系统实现了高精度测量。
测量 双向反射分布函数 绝对测量 近红外 不确定度 散射 measurement bidirectional reflection distribution function absolute measurement near-infrared uncertainty scattering 
光学学报
2022, 42(12): 1212002
作者单位
摘要
1 宇航动力学国家重点实验室, 陕西 西安 710043
2 西安卫星测控中心, 陕西 西安 710043
3 中国空间技术研究院西安分院, 陕西 西安 710000
4 国防科技大学空天科学学院, 湖南 长沙 410073
针对长焦相机标定技术瓶颈,提出了基于圆锥曲线和直线融合特征的长焦相机标定方法。揭示了长焦相机标定方程病态性的形成机理,基于射影变换交比不变、切点不变等特有性质设计了同心半圆弧平面模板,并结合归一化直线单应估计方法和分部正则估计理论,实现了长焦相机内外参数初值的高精度鲁棒求解。进一步考虑镜头畸变的影响,引入直线段积分距离测度,以模型直线至投影平面距离最小为目标函数,采用非线性迭代优化算法进行标定参数求解。仿真及实际实验结果显示,所提出的长焦相机标定方法正确有效,且相较于传统标定方法,标定精度和鲁棒性更优。
测量 长焦相机 相机标定 圆锥曲线 直线 分部正则估计 measurement telephoto camera camera calibration conics line partitioned regularization eatimation 
光学学报
2022, 42(12): 1212003
黄亚 1,2,*王丰璞 1,2李新南 1,2陈哲 1,2[ ... ]曹亭 1,2
作者单位
摘要
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所), 江苏 南京 210042
提出一种基于计算全息元件(CGH)的折衍混合补偿检测光路,通过CGH和消球差透镜组合实现离轴子镜的缩焦零位检测。该方法使得检测光路长度减少至CGH直接检测的1/4至1/8,同时提高了小焦比子镜的调节灵敏度,将大离轴量子镜的干涉图长宽畸变比率由12.5优化至1.25。保持光路各器件位置不动,通过更换相应的计算全息片,还可实现不同离轴量子镜的批量高效检测。应用该方法完成直径为330 mm的离轴试验镜的加工与检测,测试结果面形均方根(RMS)值为0.0290λ (λ为波长)。通过标准球面镜对消球差透镜进行标定,RMS值降至0.0267λ
测量 干涉测量 离轴非球面 计算全息片 30 m望远镜 折衍混合补偿 measurement interferometry off-axis aspheric surface computer-generated hologram 30 m telescope refraction and diffraction mixed compensation 
光学学报
2022, 42(12): 1212004
作者单位
摘要
1 国防科技大学电子科学学院, 湖南 长沙 410073
2 国防科技大学气象海洋学院, 湖南 长沙 410073
为解决激光雷达点云深度学习网络模型在移动端嵌入式设备部署存在的耗时耗存储问题,提出了一种激光雷达点云可学习二值量化网络模型。该模型基于特征的知识蒸馏,将全精度网络各层统计特征知识转移到二值量化网络,较大幅度地提升了量化精度;提出基于遗传算法的二值量化尺度因子恢复可学习优化算法,通过逐层搜索初始最优尺度恢复因子,并通过网络自学习大幅减少网络参数量;提出一种统计自适应池化损失最小化算法,包括量化网络自调节和全精度网络转移调节两种方式,以解决量化网络中池化信息损失较大的问题。实验结果表明,所提算法在获取高精度的同时实现了较大压缩比和加速比,可将PointNet大小压缩为原来的1/23、加速35倍以上,对其他点云主流深度网络具有良好的扩展性。
测量 激光雷达 点云 可学习算法 二值量化 遗传算法 measurement LiDAR point clouds learnable algorithm binary quantization genetic algorithm 
光学学报
2022, 42(12): 1212005
作者单位
摘要
1 西南科技大学信息工程学院, 四川 绵阳 621000
2 西北工业大学计算机学院, 陕西 西安 710129
现有光场相机水下标定方法的缺乏限制了光场成像技术在水下等折射场景中的应用。针对这一问题,分别基于多层平面折射模型与多投影中心模型对典型水下场景中光场相机的场景光路与相机光路进行建模,并对相应水下标定参数进行估计。利用平面折射几何约束对光场相机的水下标定参数进行线性初始化估计,并在考虑真实光场相机内部光路畸变的条件下,基于最小化重投影误差对水下标定参数进行非线性优化。设计了模拟场景与真实水下场景的定量标定实验对所提方法的有效性进行验证。结果表明,所提方法能够较精确地对水下标定参数进行估计。在多次真实水下场景实验中,折射面法向量方向误差均小于0.8°,折射面距离误差均小于3%。定量对比实验结果表明,相较单视水下标定方法,由于所提方法利用了光场相机的多视特性,故其标定结果与真实值更为接近。
机器视觉 标定 水下相机标定 光场 光场相机 平面折射几何 machine vision calibration underwater camera calibration light field light field camera flat refractive geometry 
光学学报
2022, 42(12): 1215001
亓培龙 1,2,3殷高方 2,3,*甘婷婷 1,2,3,**赵南京 2,3[ ... ]方丽 2,3
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 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
藻类光合抑制法是极具潜力的水体综合毒性快速检测预警手段,并且稳定测量条件的确定对藻类光合抑制法毒性测试结果不可忽视。以蛋白核小球藻为受试藻种,根据农药敌草隆(DCMU)对藻类光合活性具有抑制作用这一特点,以α、Fv/Fm、Yield、rP 4种光合荧光参数的抑制率为分析对象,在不同质量浓度DCMU胁迫作用下,分别研究受试藻类质量浓度、藻液与样品混合体积比、反应温度这3种测试条件对水体综合毒性测量的稳定性影响。结果显示:当受试藻类在100~600 μg·L -1质量浓度范围内时,藻类质量浓度的变化对水体综合毒性测量没有显著影响;受试藻液与样品的混合体积比对毒性检测灵敏度有较大影响,受试藻液与样品的混合体积比为2∶8时更有利于提高水体毒性检测的灵敏性;反应温度对水体综合毒性检测也有重要影响,其中20~35 ℃的温度范围更有利于提高水体综合毒性的检测精度。
生物技术 水体综合毒性 蛋白核小球藻 光合抑制 稳定条件 biotechnology comprehensive water toxicity Chlorella pyrenoidosa photosynthetic inhibition stability conditions 
光学学报
2022, 42(12): 1217001
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 南京信息工程大学电子与信息工程学院, 江苏 南京 210044
为了研究黑碳与非吸收性气溶胶的不同混合方式对量子信道参数的影响,根据黑碳与硫酸盐、有机碳气溶胶在Core-shell和Maxwell-Garnett两种混合模型下的消光系数,建立信道衰减模型并进行仿真分析,研究混合气溶胶粒子中黑碳体积分数和信道关联因子与双泡利信道、关联比特翻转信道参数的数据关系,分析黑碳体积分数与量子信号传输距离对密钥安全传输率的影响并进行数据仿真。仿真结果表明:在两种混合状态下,随着黑碳体积分数的增加,光量子能量的衰减均呈现逐渐增大的趋势,而量子安全密钥产生率则随着黑碳体积分数的增大而逐渐减小;在不同内容和模型下,信道关联因子的增大对信道隐形传态保真度有着积极的影响,而黑碳体积分数的增大则会降低信道隐形传态的保真度。
量子光学 量子通信 内混合气溶胶 链路衰减 信道保真度 密钥产生率 quantum optics quantum communication internal mixed aerosol link attenuation channel fidelity key generation rate 
光学学报
2022, 42(12): 1227001
李仕春 1,2,*任腾 1王旭 1王玉峰 1,2[ ... ]华灯鑫 1,2,**
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 陕西省现代装备绿色制造协同创新中心, 陕西 西安 710048
针对飞机起降安全的斜程能见度探测问题,研制了一台4通道的米-拉曼散射扫描型激光雷达,可实现双波长无假定的大气消光系数廓线反演,进而可精细探测大气斜程能见度。基于大气能见度理论,假设观测路径附近无光源且忽略气溶胶粒子谱分布影响,分析了采用大气平均消光系数反演斜程能见度的有效性。该激光雷达采用Nd∶YAG激光器的基频(1064 nm)和三倍频(355 nm)激光脉冲作为光源,采用以二向色镜和窄带干涉滤光片为核心的拉曼光谱分光系统,利用有限状态机理论和多线程并发技术实现多模块协同控制软件。结合侧向散射型能见度仪,开展初步观测实验与分析。结果表明,当天气为多云转阴,地面水平能见度为9 km,俯仰角为26°时,所研制系统累积观测4 min的有效探测距离优于11 km,近地面分析结果取得了很好的一致性。
传感器 激光雷达 斜程能见度 大气消光系数 拉曼光谱分光 有限状态机 sensors lidar slant visibility atmospheric extinction coefficient Raman polychromator finite state machine 
光学学报
2022, 42(12): 1228001
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 西安市气象局, 陕西 西安 710016
基于聚类思想设计了二维和三维云相态聚类识别算法,结合偏振激光雷达、微波辐射计和毫米波雷达资料,进行了云相态的精细识别与分类方法研究。将云粒子的体退偏比、温度和反射率因子作为聚类网络学习的输入特征量,通过无监督学习区分云层中不同相态的簇划分结果,利用簇划分结果实现了对云相态的精细识别,解决了传统云相态识别中采用单一阈值算法导致的结果误判问题。所设计算法可以实现云中过冷水区、暖云液态水区和冰相的高效识别,同时对混合云相态实现了冰占主导和水占主导的细分。利用偏振激光雷达、微波辐射计和毫米波雷达对西安市上空云层进行了观测,反演了三台仪器的同步观测数据。利用所设计的聚类识别算法对2021年1月9—10日和2021年6月8—9日观测到的云数据进行了二维聚类和三维聚类识别与分析,实现了云层内暖云滴、混合相(冰占主导、水占主导)、过冷水和冰相的区分。通过比较与分析,发现三维聚类识别算法比二维聚类识别算法更能详细地展现相态转换过程的细节信息,整体识别结果与实际天气变换过程吻合。
遥感 多源遥感探测 聚类分析 云相态识别 过冷水 remote sensing multi-source remote sensing detection cluster analysis cloud phase identification supercooled water 
光学学报
2022, 42(12): 1228002
作者单位
摘要
中国科学院空天信息创新研究院中国科学院定量遥感信息技术重点实验室, 北京 100094
传统基于阈值法滤波去噪并结合AIC(Akaike information criterion)的期望最大(EM)分解方法,难以完全有效地消除噪声影响,而在面向小样本目标数据时,AIC的适应性较差。针对该问题,提出了一种改进的EM波形分解方法,采用自适应噪声阈值估计一次性消除背景噪声与随机噪声;针对存在的小样本、弱回波目标数据,使用AICC(Akaike information criterion, corrected)辅助完成EM波形分解。基于多组实测数据对本文方法进行了波形分解,验证了本文方法的有效性和准确性。
遥感 全波形激光雷达 波形分解 去噪 期望最大分解 remote sensing full-waveform LiDAR waveform decomposition denoising expectation maximum 
光学学报
2022, 42(12): 1228003
何兴道 1,2刘严欢 2贾晓红 2罗宁宁 1,2[ ... ]史久林 1,2,*
作者单位
摘要
1 南昌航空大学江西省光电信息科学与技术重点实验室, 江西 南昌 330063
2 南昌航空大学江西省光电检测技术工程实验室, 江西 南昌 330063

为研究高能激光在水中产生受激布里渊散射(SBS)的机理,提出了一种基于强激光非线性极化和非线性吸收的非均匀折射率光栅结构模型,分析了水中SBS产生的物理机制及光谱特性。通过建立非均匀折射率光栅的调制结构以及周期结构,研究了水中SBS非均匀折射率光栅的产生机理;利用传输矩阵法分析了非均匀折射率光栅结构对SBS线宽、频移、衍射效率等光谱特征的影响,并与实验测量结果进行了比对。结果表明:理论模拟与实验测量结果吻合良好,利用非均匀折射率光栅结构模型可以有效地分析水中SBS产生的物理机理。

散射 受激布里渊散射 非均匀体光栅 传输矩阵 频移 线宽 能量反射率 scattering stimulated Brillouin scattering non-uniform volume grating transmission matrix frequency shift linewidth energy reflectivity 
光学学报
2022, 42(12): 1229001
陈颖 1,*段玮靓 1杨英 1刘喆 1[ ... ]李少华 2
作者单位
摘要
1 燕山大学电气工程学院河北省测试计量技术及仪器重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2 河北先河环保科技股份有限公司, 河北 石家庄 050035
近年来频繁发生的褐潮污染给沿海地区经济带来巨大损失。准确、高效地识别褐潮藻对预防海洋环境污染意义重大。采用三维荧光光谱、梯度提升决策树(GBDT)和逻辑回归(LR)相结合的方法,实现了对褐潮藻的准确辨识。为解决LR模型对非线性数据的特征组合能力较弱的问题,引入GBDT算法,充分利用集成学习算法在处理非线性数据上的优势。将GBDT的预测结果作为新特征代替原来的特征输入LR模型,建立了一种将GBDT与LR相融合的褐潮藻辨识模型(GBDT-LR)。针对复杂海洋环境中其他门类藻的干扰,实验引入小球藻、细长聚球藻等5种不同门类的海藻作为对比,并对处于不同生长周期的褐潮藻辨识情况进行分析。相同条件下通过将所提模型与LR、支持向量机(SVM)和反向传播(BP)神经网络等模型进行对比。结果表明,GBDT-LR在分类准确率、召回率和F1分数等评价指标上均优于其他模型,处于指数生长期的藻类荧光光谱最为稳定,这一时期的褐潮藻辨识结果最好。
光谱学 三维荧光光谱 褐潮污染 特征提取 逻辑回归 梯度提升决策树 spectroscopy three-dimensional fluorescence spectroscopy brown tide pollution feature extraction logistic regression gradient boosting decision tree 
光学学报
2022, 42(12): 1230001

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