本期栏目 2022, 42(24)

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第42卷 第24期

潘屹峰 1田鑫 1,2谢品华 2,3,4,*李昂 2[ ... ]王子杰 1
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省信息材料与智能传感实验室,安徽 合肥 230601
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
3 中国科学院区域大气环境研究卓越创新中心,福建 厦门 361021
4 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230026
提出一种基于卷积神经网络(CNN)和支持向量回归机(SVR)的多轴差分光学吸收光谱(MAX-DOAS)对流层NO2垂直分布预测方法。将2019年南京站点采集的原始MAX-DOAS数据通过QDOAS软件拟合获取O4和NO2差分斜柱浓度,结合基于最优估算的气溶胶和痕量气体廓线反演算法——PriAM算法反演了对流层NO2廓线,并将其作为预测模型的输出。此外,通过平均影响值方法进行预测模型输入变量的选择,确定了MAX-DOAS数据、温度、气溶胶光学厚度和低云覆盖率为模型的最佳输入变量。通过实验优化网络结构和参数,最终建立预测模型在测试集与PriAM的平均百分比误差仅为9.14%,与单独建立的CNN、SVR、反向传播模型相比,平均百分比误差分别降低了8.22%、6.00%、32.28%。因此,CNN-SVR能够利用MAX-DOAS数据对对流层NO2廓线进行有效预测。
大气光学 卷积神经网络 支持向量回归机 多轴差分吸收光谱 对流层NO2廓线 atmospheric optics convolutional neural network support vector regression machine multi-axis differential absorption spectroscopy tropospheric NO2 profile 
光学学报
2022, 42(24): 2401001
作者单位
摘要
1 中国海洋大学信息科学与工程学部,山东 青岛 266100
2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东 青岛 266237
3 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
激光雷达能够提供高时空分辨率的大气风场数据,为了提高激光雷达在海上浮标等运动平台上的观测精度,开展了基于漂浮式测风激光雷达系统的海气边界层风场反演算法研究。利用自主研发的漂浮式测风激光雷达系统的观测数据,使用浮标平台姿态和径向速度校正方法、速度方位显示(VAD)风场反演方法,以及数据质量控制方法,提高风廓线反演结果的准确性。将同步观测实验结果与风廓线反演结果进行比对验证,结果表明水平风速和风向的比对误差分别为0.3 m/s和2.0°,决定系数分别为0.986和0.996,表明了漂浮式激光雷达风廓线反演算法的准确性。
海洋光学 激光雷达 浮标 风廓线 反演算法 质量控制 oceanic optics lidar buoy wind profile inversion algorithm quality control 
光学学报
2022, 42(24): 2401002
王璐 1,2,3殷高方 1,3,*赵南京 1,3甘婷婷 1,2,3[ ... ]张小玲 5
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环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室,安徽 合肥 230031
4 合肥师范学院物理与材料工程学院,安徽 合肥 230061
5 安徽大学物质科学与信息技术研究院,安徽 合肥 230601
以混合藻类为研究对象,研究组成混合样品藻种的单细胞可变荧光量(SCVF)差异对可变荧光统计分析法准确性的影响。研究结果表明:当两种藻种的SCVF比值不大于5.3时,该分析方法依旧适用,测量结果与显微镜检测结果的相对误差绝对值的均值不大于17%;当两种藻种的SCVF比值大于8时,测量结果与显微镜检测结果存在较大差异,且高SCVF藻细胞占比达到一定比例时,可变荧光统计分析法的测量结果仅反映了混合样品中高SCVF藻细胞数。针对SCVF差异大的混合藻类,将过滤分离方法与可变荧光统计分析法相结合,利用合适孔径的金属滤网过滤混合样品,将过滤前后测量的样品活体藻细胞密度之和作为测量结果。实验结果表明,该方法可将相对误差绝对值均值由58.4%降至5.5%,有效解决了组成混合样品藻种的SCVF差异对细胞数定量的影响,实现混合藻类活体细胞数的准确定量。
海洋光学 压载水 活体藻细胞数 可变荧光 混合藻类 oceanic optics ballast water number of viable algal cells variable fluorescence mixed algae 
光学学报
2022, 42(24): 2401003
作者单位
摘要
中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所,四川 绵阳 621000
转塔绕流会带来严重的气动光学效应影响,从而限制机载激光**性能的有效发挥,故转塔气动光学效应的抑制研究具有现实的迫切性。采用高精度数值仿真方法,并结合风洞验证试验,以提供高置信度的时间序列波前数据。据此,建立校正残差在空域中随校正阶数的变化曲线与散点图,用于自适应光学校正的定量评估。研究结果表明:转塔流场中存在脱落涡街等复杂结构,当马赫数较高时还会出现激波;顶视气动光学效应最强,前视稳态像差含量高,顶视和后视动态像差占比大,激波结构会增加波前的动态像差占比;前视可以取得很好的自适应光学校正效果,而顶视校正难度较大,对自适应光学校正的变形镜拟合波面能力要求较高。因此,转塔气动光学效应的抑制建议采用自适应光学校正与流动控制结合等联合抑制方法。
大气光学 自适应光学校正 气动光学效应 光学转塔 校正阶数 波前重构 atmospheric optics adaptive optics correction aero-optical effect optical turret correction order wavefront reconstruction 
光学学报
2022, 42(24): 2401004
董浩 1,2,3刘振海 1,3,*赵鑫鑫 1,2,3雷雪枫 1,2,3[ ... ]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 230027
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 航天东方红卫星有限公司,北京 100094
针对搭载于环境减灾二号A/B(HJ-2A/B)卫星的偏振扫描大气校正仪(PSAC),详细分析了信号链路中各噪声项及其与信号的相关性,建立了信号-总噪声功率线性(S-TNPL)模型,通过实验测量获得了各通道的噪声功率只随信号变化的模型系数,以及与信号无关而与工作条件有关的本底噪声功率(截距);使用在轨实测的本底噪声,建立了不依赖于均质性区域场景的在轨信噪比评估方法,并与星上漫射板法进行了对比验证。结果显示,利用S-TNPL模型与星上漫射板法获得的PSAC在轨信噪比评估结果的相对偏差为-0.62%~6.27%,具有较好的一致性,验证了所提在轨信噪比评估方法的合理性。该信噪比评估方法不仅能适应在轨辐射性能衰退的情况,同时能方便实现不同辐亮度条件下的信噪比转换,并可直接对任意单次观测结果的信噪比进行评估。该信噪比分析方法理论上同样适用于其他光学遥感器,可为其在轨信噪比评估提供参考。
大气光学 环境减灾二号卫星 大气校正仪 噪声模型 信噪比评估 太阳漫射板 atmospheric optics HJ-2 satellite atmospheric corrector noise model signal-to-noise ratio evaluation solar diffuser 
光学学报
2022, 42(24): 2401005
郭一鸣 1,2,3吴晓庆 1,3,*青春 1,3刘庆 1,3[ ... ]胡晓丹 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大气光学重点实验室,安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室,安徽 合肥 230037
提出一种基于绝对中位值偏差(MAD)的光流计算方法,并用于计算近地面大气湍流折射率结构常数Cn2。通过光流计算捕捉望远镜系统拍摄的前后多帧目标图像的抖动信息,得到传输路径上的到达角起伏方差均值,从而估算近地面大气湍流折射率结构常数。通过在合肥市进行了为期6天的观测实验,将模型估计的Cn2均值与观测路径上温度脉动仪的实测结果进行充分对比,最终得到估算值与实测值的平均偏差(BIAS)、方均根误差(RMSE)、相关系数分别为-0. 0202、0. 2391、0. 8230,充分证明所提方法可以有效估算近地面大气湍流折射率结构常数,为基于图像反演大气湍流参数提供参考。
大气光学 MAD光流计算 湍流 到达角起伏方差 大气湍流折射率结构常数 atmospheric optics MAD optical flow calculation turbulence angle-of-arrival fluctuation variance refractive index structure constant of atmospheric turbulence 
光学学报
2022, 42(24): 2401006
作者单位
摘要
上海电机学院机器人与智能技术实验室,上海 201306
针对Intensity ScanContext(ISC)等激光雷达闭环检测算法中描述子易受载体旋转和平移变化干扰、不变性较弱从而导致闭环效果差的问题,提出了一种在城市动态环境下具有旋转和平移不变性的激光雷达点云描述子。首先,在点云处理部分,基于角度图像的地面点分割算法去除点云数据中的地面点,并利用基于弯曲体素聚类的动态目标剔除算法完成点云分割和动态目标的剔除。然后,基于惯性测量元件采集的四元数对点云进行坐标系变换,将所有帧点云统一至同一航向角下,以实现描述子的旋转不变性。接着,通过点云中静态目标与载体运动方向所在法平面的相对位置关系来确定描述子绘制中心,以实现描述子的平移不变性。最后,利用所提描述子进行闭环检测,并结合点云数据的空间结构对闭环检测结果进行一致性验证。在KITTI公开数据集下的实验结果表明,所提方法在城市动态环境下能够更加快速准确地实现闭环检测,相比于ISC算法,所提方法在准确率为100%时召回率提高了8.58个百分点,且平均耗时减少了12.90%。
大气光学 激光雷达 闭环检测 旋转不变性 平移不变性 惯性测量元件 atmospheric optics lidar closed-loop detection rotation invariance translation invariance inertial measurement unit 
光学学报
2022, 42(24): 2401007
作者单位
摘要
四川大学电子信息学院,四川 成都 610065

为快速预测和评估高能激光大气传输时湍流和热晕对光束扩展的影响,开展了激光大气传输光束扩展的定标规律研究。通过计算模拟光束扩展随大气特征参量和激光参数的变化规律,建立了含湍流和热晕综合效应的激光大气传输光束扩展的定标关系。由此定标关系可知,当激光的初始光束质量较差时,由衍射和湍流引起的光束扩展随发射系统口径与大气相干长度之比的增大而更快地增强。随着发射系统菲涅耳数的增大,光束扩展受热晕的影响也随之增强。所建立的定标关系适用于不同强度的湍流和热晕效应情况下对不同功率的激光光束扩展规律的快速预测和评估,可为激光系统的设计及优化提供参考。

大气光学 高能激光 定标关系 大气湍流效应 热晕效应 atmospheric optics high-energy laser scaling relationship atmospheric turbulence effect thermal blooming effect 
光学学报
2022, 42(24): 2401008
作者单位
摘要
国防科技大学电子科学学院ATR重点实验室,湖南 长沙 410073
为解决水面及水下目标侦察、探测、识别过程中存在的水面耀光干扰问题,利用偏振特征实现了水面耀光的抑制和目标的增强。分析了水面光波反射和折射过程中偏振特征传输规律,利用光波在垂直方向和平行方向上的光强分布关系,提出一种基于偏振反折射效应的水面耀光抑制方法。该方法利用水面反射偏振度、折射偏振度、垂直方向光强图像和平行方向光强图像,实现了水面耀光的分离和抑制。针对饱和耀光抑制过程中存在的垂直方向光强图像饱和失真问题,提出了一种基于完全偏振分解的饱和光强恢复方法,利用平行方向光强图像和任意一个非饱和起偏方向上获取的光强图像计算恢复出垂直方向光强图像,然后利用恢复后的垂直方向光强图像实现水面饱和耀光的抑制。实验结果表明,通过对水面耀光的抑制,有效提升了耀光区域内目标和背景之间的对比度及信噪比,增强了目标的显著性。
海洋光学 偏振特征 完全偏振分解 水面耀光抑制 饱和图像恢复 目标增强 ocean optics polarization characteristics complete polarization decomposition suppression of water surface glint saturated image restoration target enhancement 
光学学报
2022, 42(24): 2401009
作者单位
摘要
1 西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西 西安 710048
2 陕西省智能协同网络军民共建重点实验室,陕西 西安 710000
无线紫外光在大气中进行非直视散射通信时,大气微粒的散射和吸收作用以及低空大气湍流的变化会对紫外光通信(UVC)性能产生强烈的影响。建立了低空大气湍流无线紫外光非直视(NLOS)单次散射通信链路模型,通过计算机仿真分析了收发端范围、折射率结构参数、指向角等不同因素下NLOS散射通信的光强分布特性、信噪比、信号衰减等系统通信性能,以及高度变化对白天和夜间UVC的影响。仿真结果表明:不同高度湍流变化下昼夜间无线UVC性能存在一定差距,水平通信、垂直通信和斜程通信时:在夜间的大气折射率结构常数相对于弱湍流情况增大一个数量级,信号能量平均衰减为原来的1/2.09、1/2.16、1/2.03;在白天的大气折射率结构常数相对于弱湍流情况增大一个数量级,信号能量平均衰减为原来的1/2.07、1/2.15、1/1.96。夜间通信受湍流的影响更大,白天的通信性能比夜间好,湍流对垂直通信的影响较大。
光通信 紫外光通信 湍流信道 大气折射率结构常数 光强分布特性 信号衰减 optical communications ultraviolet communication turbulent channel atmospheric refractive index structure constant light intensity distribution characteristics signal attenuation 
光学学报
2022, 42(24): 2406001
作者单位
摘要
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
针对高浑浊水体环境散射严重、目标成像不清晰和对比度低的问题,在传统UNet结构的基础上,结合偏振成像理论,提出了基于残差UNet(Mu-UNet)网络的水下Mueller矩阵图像去散射算法。该算法依据Mueller矩阵图像提供的目标强度信息和偏振信息,建立不同浑浊度水下多个目标物的图像数据集。在UNet基础上引入残差模块,利用构建的Mu-UNet网络提取目标底层信息,学习标签图像特征,重建出对比度高、细节信息更丰富的水下目标复原图像。对比实验结果表明,所提算法在峰值信噪比方面较原图提升了89.40%,结构相似度提升了82.37%。相比传统算法和UNet网络,所提算法得到的复原图像具有更明显的去散射效果,细节更精细,为水下偏振清晰成像探测提供了一种新思路。
图像处理 水下散射 偏振成像 Mueller矩阵 残差UNet 目标探测 image processing underwater scattering polarization imaging Mueller matrix residual UNet target detection 
光学学报
2022, 42(24): 2410001
作者单位
摘要
上海交通大学航空航天学院,上海 200240
由于卫星遥感合成孔径雷达(SAR)与可见光图像之间存在显著的非线性辐射差异,故现有的SAR与可见光图像配准算法存在实时性差、旋转与尺度不变性弱等问题。针对目前算法只关注图像局部特征的外观信息,而忽略几何结构信息的问题,提出了一种结合卷积与图神经网络(GNN)的SAR与可见光图像匹配方法。该方法采用卷积神经网络进行特征检测与描述的同时,引入了GNN进行特征匹配。与最近邻匹配算法仅利用局部描述符信息相比,GNN先将特征点的位置坐标嵌入到描述符中,使得描述符具有几何位置信息,再利用注意力机制进一步聚合特征描述符的几何上下文信息,最后利用可微分的最优传输算法直接输出特征点的匹配结果,保证了网络可进行端到端的训练。实验结果表明:所提方法在大范围旋转与尺度变化的配准任务上,获得了最先进的性能;与目前主流配准算法辐射不变特征变换相比,所提方法在提升匹配精度的同时,计算速度也提高了50倍以上。
图像处理 异源图像匹配 合成孔径雷达与可见光图像配准 卷积神经网络 图神经网络 最优传输 image processing multimodal image matching synthetic aperture radar and optical images registration convolutional neural network graph neural network optimal transport 
光学学报
2022, 42(24): 2410002
黄凌锋 1,2,3董峰 1,2傅雨田 1,2,*
作者单位
摘要
1 中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083
2 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室,上海 200083
3 中国科学院大学,北京 100049
针对多帧短曝光图像叠加,提出一种融合成像系统自身的角度信息,通过光学系统与相机系统的坐标变换计算来获得图像偏移像素的方法。对于每一帧短曝光图像的角度,利用光学系统几何关系进行亚像素级偏移配准,再通过傅里叶变换的频移特性构建傅里叶频谱滤波器H(u,v),在频域对图像进行亚像素级别的修正,并使用刃边法对图像进行高频响应评估。对比未修复图像,经所提算法修正后图像在50%调制传递函数(MTF50)衰减处的分辨率从20 lp/mm提升到33 lp/mm,且其修复效果优于传统二次插值算法的修复效果;所提算法在40~80 lp/mm分辨率范围内具有较好的修复效果,MTF的峰值提升了4倍。
成像系统 遥感光学系统 短曝光图像叠加 数据融合 傅里叶频谱滤波器 imaging systems remote sensing optical system short exposure image overlay data fusion Fourier spectral filter 
光学学报
2022, 42(24): 2411001
刘鑫 1,2冯鹏 1,*姚志阳 3张颂 1,2[ ... ]白彦君 1
作者单位
摘要
1 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044
2 中国工程物理研究院核物理与化学研究所,四川 绵阳 621900
3 清华大学工程物理系,北京 100084
基于23×23阵列GAGG(Ce)探测器以及行/列读出电路设计并研制了适用于核退役场景的康普顿相机系统,探测器由阵列式掺铈钆铝镓石榴石[GAGG(Ce))耦合硅光电倍增管(Si-PM)而成;开发了基于GPU加速的SOE(subset-driven origin ensemble iteration)算法,用于加速重建过程。完成研制后,评估了探测器及系统性能:探测器性能方面,所研制相机的能量分辨率为6%±0.6%@662 keV(半峰全宽),位置分辨率为2.2 mm,探测器能量线性度良好(线性拟合优度R2=0.991);成像性能方面,对于活度为1.11×107 Bq的137Cs点源,将其放置在成像系统正前方3.4 m处的初步成像时间仅需20 s,成像系统角分辨率为7°@JND(just noticeable difference)。最后针对应用场景进行了模拟,结果表明:本文研制的康普顿相机可在π视场范围内同时对多个放射源进行成像定位,可用于核退役放射性测量过程,减少作业人员受照剂量。
成像系统 核退役 放射性测量 康普顿相机 掺铈钆铝镓石榴石 imaging systems nuclear decommissioning radioactivity measurement Compton camera cerium-doped gadolinium aluminum gallium garnet 
光学学报
2022, 42(24): 2411002
张寅 1,2朱桂熠 1,2施天俊 3张琨 1,2闫钧华 1,2,*
作者单位
摘要
1 南京航空航天大学空间光电探测与感知工业和信息化部重点实验室,江苏 南京 211106
2 南京航空航天大学航天学院,江苏 南京 211106
3 哈尔滨工业大学空间光电工程中心,黑龙江 哈尔滨 150001
为解决遥感图像小目标检测中目标特征信息量少、定位困难等难题,提出一种基于特征融合与注意力机制的遥感图像小目标检测算法FFAM-YOLO(Feature Fusion and Attention Mechanism YOLO)。该算法首先针对主干网络特征提取有效信息量少、特征图信息表征能力弱的问题,构造特征增强模块(FEM)以融合较低层级特征图中多重感受野特征,提升算法主干网络的目标特征提取能力;其次,主干网络提取得到高低层级特征图后,建立重构算法的高低层级特征融合结构,利用特征融合模块(FFM)显著增强小目标的特征信息;在增强的有效通道注意力机制(E-ECA)与空间注意力模块(SAM)所组成的级联注意力机制(ESM)作用下,可更精确地捕获小目标特征;最后在输出的两路特征图上进行小目标检测并输出结果。实验结果表明,基于构建的遥感图像小目标数据集USOD(Unicorn Small Object Dataset),所提算法的查准率达到91.9%,查全率达到83.5%,检测框与真实框之间的交并比阈值(IoU)为0.5时的平均精度(AP)为89%,IoU为0.5∶0.95时的AP达到32.6%,检测速率达到120 frame/s,具有一定的鲁棒性和实时性。
机器视觉 小目标检测 遥感图像 特征融合 注意力机制 特征增强 machine vision small object detection remote sensing image feature fusion attention mechanism feature enhancement 
光学学报
2022, 42(24): 2415001
武志昆 1,2,3,4石恩涛 1,3,4王咏梅 1,2,3,4,*郭宝泽 1,2,3,4
作者单位
摘要
1 中国科学院国家空间科学中心,北京 100190
2 中国科学院大学,北京 100049
3 天基空间环境探测北京市重点实验室,北京 100190
4 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室,北京 100190
为了有效校正透射式色散型成像光谱仪系统的谱线弯曲,提出了一种基于狭缝离轴的畸变补偿方法。该方法首先假设中心波长谱线弯曲得到校正,计算出色散元件的入射角随狭缝长度的变化关系;接着对狭缝进行离轴处理,利用准直镜的畸变得到色散元件的目标入射角,从而校正中心波长的Smile畸变(谱线弯曲),剩余波长的Smile畸变和Keystone畸变(色畸变)向外弯曲,整体呈枕形畸变;最后使用会聚镜的畸变校正剩余谱线弯曲。利用该方法设计了一款反射光栅型成像光谱仪,在各项参数满足设计要求的同时,利用准直镜畸变校正了系统的谱线弯曲,基于该设计研制了原理样机,系统Smile畸变最大为12.9 μm,Keystone畸变最大为6.4 μm,测试结果满足系统的设计要求,证明了该方法的可行性。
光学器件 成像光谱仪 准直镜 谱线弯曲 畸变补偿 optical devices imaging spectrometer collimator spectral line curvature distortion compensation 
光学学报
2022, 42(24): 2423001
作者单位
摘要
1 西南交通大学信息科学与技术学院,四川 成都 611756
2 上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海 200240
提出并实验验证了一种基于硅基片上光路由的大规模光载一体化接收机多天线全球导航卫星信号(GNSS)差分定位系统。该系统基于光载无线(RoF)分布式天线架构实现远端多点GNSS信号采集,并利用低损耗、大带宽、抗电磁干扰的RoF传输链路实现远端采集GNSS信号的本地端集中式接收。在本地端处,利用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的高速硅基光开关芯片实现不同监测节点光载GNSS信号的定时切换与差分解算,构建基于片上光路由的时分复用型一体化接收机多天线GNSS定位系统。在实验中,利用自主研制的1×8马赫-曾德尔干涉型热光硅基光开关芯片构建了具有5个远端监测节点的多天线GNSS定位实验系统,GNSS信号的RoF传输距离为10 km。实验结果表明,该光开关芯片模块的实时响应时间小于200 μs,可在无需额外光放大的条件下稳定支撑10 km外5个远端监测节点的高精度定位,其在东(E)、北(N)、高(U)方向的定位精度均达到毫米量级。
光电子学 微波光子学 硅基光开关芯片 全球导航卫星系统 一体化接收机多天线 高精度定位 optoelectronics microwave photonics silicon optical switch chip global navigation satellite system multiple antenna and one receiver high-accuracy positioning 
光学学报
2022, 42(24): 2425001
张鑫磊 1,2,3,*徐青 1,2,3邢帅 1,2,3高铭 1,2,3[ ... ]王晋 1,2,3
作者单位
摘要
1 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
2 智慧中原地理信息技术河南省协同创新中心,河南 郑州 450001
3 时空感知与智能处理自然资源部重点实验室,河南 郑州 450001
针对我国对星载激光雷达的研究还不够充分,拟开展光学遥感影像和星载激光雷达混合源摄影测量研究。通过对星载激光雷达光子数据进行数字高程模型(DEM)面积元轨迹匹配,建立激光测高点轨迹与遥感影像生成数字表面模型(DSM)间的对应关系。将筛选后地面光子与高分辨率光学遥感影像进行联合区域网平差,并基于顾及激光测高点坐标误差的迭代求解方法,实现卫星遥感影像立体定位精度的提高。星载激光雷达数据ATL03、高分七号(GF-7)和天绘三号(TH-3)卫星遥感影像用于验证该方法的性能。实验结果表明,本文方法可以有效提高无地面点控制下卫星遥感影像立体定位精度,高程精度可达1.258 m。
遥感 星载激光雷达 卫星遥感影像 联合平差 数字高程模型匹配 ICESat-2 remote sensing space-borne LiDAR satellite remote sensing images combined adjustment digital elevation model matching ICESat-2 
光学学报
2022, 42(24): 2428001
作者单位
摘要
1 北京理工大学光电学院,北京 100081
2 中国气象局气象探测中心,北京 100081
结合毫米波雷达和双波长激光雷达对水云粒子进行微物理特性和光学特性建模,构建水云粒子有效半径与反射率因子-消光比、反射率因子-后向散射比的关系。通过假设参考高度处的云滴粒子有效半径和下一个距离门处的雷达比,以双波长反演的有效粒子半径和后向散射系数反演误差为约束条件得到边界值处的后向散射系数。进而,利用 Fernald后向积分方法反演水云天气下的气溶胶后向散射系数廓线。仿真结果与所提方法处理后的粒子有效半径一致性系数为0.98,与双波长后向散射系数的一致性系数均为0.81。实际处理结果表明,所提方法能够改善水云天气下气溶胶反演的连续性,得到相对准确的后向散射系数。
遥感 激光雷达 毫米波雷达 后向散射系数 边界值 remote sensing lidar millimeter-wave radar backscattering coefficient boundary value 
光学学报
2022, 42(24): 2428002
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 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
在理想的洁净大气条件下,微脉冲激光雷达后向散射信号强度具有随高度单调变化的特征。提出了一种基于插值重构方法的云层垂直结构反演算法,以探测距离最低处和最高处为起点和参考点,筛选预处理信号中相应的插值点进行Akima插值。将得到的前向和后向重构信号进一步作平均处理以模拟无云信号。所提算法先结合自适应阈值与经验阈值区分云和气溶胶,确定候选云层区间,再在此基础上,对比模拟的无云信号与预处理信号强度,提取候选云层的云底和云顶高度。利用微脉冲激光雷达数据进行的验证表明,相比于直接反演的传统算法,所提算法的云底和云顶高度的相关系数分别提高至0.9836和0.9334,均方根误差分别减小至43.8 m和280.2 m,有效提高了云层检测的精度。
遥感 微脉冲激光雷达 云层检测 插值 重构 大气光学 remote sensing micro-pulse lidar cloud detection interpolation reconstruction atmospheric optics 
光学学报
2022, 42(24): 2428003
王友伟 1,2郭颖 1,2,*邵香迎 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
针对遥感图像中小目标规模大、分布不均匀、尺度比例变化大和背景复杂等问题,提出一种改进的级联算法SA-Cascade。该算法使用循环特征金字塔使产生的特征表示逐步增强,提高小目标的检测率。使用基于可学习锚的建议区域生成网络,对遥感目标进行精确定位,并且引入特征自适应模块和特征融合模块,以提高模型对复杂背景图像的检测性能。在级联的基础上引入双分支检测头以提高模型对小目标的检测性能。在TGRS-HRRSD-Dataset和VisDrone-DET数据集上对不同算法进行对比实验,实验结果表明:改进后的级联算法可以更精确地对遥感图像目标进行检测和定位,相比改进前的级联算法在两个数据集上的精度分别提高2.94%和9.71%。
遥感 目标检测 深度学习 特征融合 级联算法 remote sensing target detection deep learning feature fusion cascade algorithm 
光学学报
2022, 42(24): 2428004
倪康 1,2,*翟明亮 3王鹏 4
作者单位
摘要
1 南京邮电大学计算机学院、软件学院、网络空间安全学院,江苏 南京 210023
2 江苏省大数据安全与智能处理重点实验室,江苏 南京 210023
3 南京邮电大学自动化学院、人工智能学院,江苏 南京 210023
4 南京航空航天大学电子信息工程学院,江苏 南京 211106
提出一种小波-空间高阶特征聚合网络(WHFA-Net),该网络可分为小波域特征提取和空间域特征提取两个分支。首先,将Harr小波变换嵌入卷积神经网络(CNNs),保留深度卷积特征的低频分量作为小波深度特征;其次,利用最大池化进行深度特征学习,并将其输出作为空间深度特征;将两分支的深度特征进行向量化后,获取其自相关和互相关高阶深度特征向量,并依次进行特征正规化、特征聚合和特征归一化操作;最后,引入交叉熵损失函数进行端到端网络训练。在NWPU45(NWPU-RESISC45 Dataset)和AID(Aerial Image Dataset)数据集上的实验结果表明:相较于基准网络(VGG-16),本文所提WHFA-Net的场景分类准确率有5.13%~12.12%的提升;与DCCNN、APDC-Net、GBNet、LCNN-BFF、MSCP和Wavelet CNN相比,WHFA-Net的场景分类准确率均有不同程度的提升;通过消融实验验证了各模块和分支的有效性及其性能差异。因此,WHFA-Net可有效且稳定地抽取遥感场景图像不同特征域的高阶聚合特征,并提升场景分类准确率。
遥感 场景分类 卷积神经网络 特征可辨别性 特征聚合 remote sensing scene classification convolutional neural network feature discriminability feature aggregation 
光学学报
2022, 42(24): 2428005
徐宁 1,2张博 1,2罗宁宁 1,2徐进军 1,2[ ... ]史久林 1,2,3,*
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 南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室,江西 南昌 330063
3 南昌航空大学无损检测与光电传感技术与应用国家工程实验室,江西 南昌 330063
为实现海水温度和盐度的同步测量,理论和实验研究了受激布里渊散射(SBS)频移和线宽相结合的数据反演方法。理论上根据经验公式,拟合了SBS频移、线宽随温度、盐度的变化关系。实验上测量了不同温度、盐度下海水的SBS频移和线宽,并利用理论反演模型反演分析了海水的温度和盐度。研究结果表明,利用频移和线宽相结合的方法可实现海水温度和盐度的同步反演,温度反演误差的最小值为0.04 ℃、最大值为0.41 ℃,盐度反演误差的最小值为0.09‰、最大值为0.65‰。
散射 受激布里渊散射 频移 线宽 温度 盐度 scattering stimulated Brillouin scattering frequency shift line width temperature salinity 
光学学报
2022, 42(24): 2429001
作者单位
摘要
1 中国科学院国家空间科学中心复杂航天系统电子信息技术重点实验室,北京 100190
2 中国科学院大学,北京 100049
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
以干涉高光谱成像模型为基础,提出一种结合先验约束的空谱信息同步复原模型,通过非负低秩特性和全变分(TV)正则项分别约束复原高光谱图像的谱间强相关性和空间分段平滑特性,并采用L1范数和Frobenius范数分别对干涉数据中的稀疏性噪声和高斯噪声进行建模。模拟和真实干涉数据的对比实验验证了所提方法的有效性。相比于传统的干涉数据复原方法,所提方法在准确复原目标光谱信息的同时,能够有效地消除干涉图混合噪声的退化影响,从而提高复原高光谱图像的数据质量。
光谱学 干涉成像光谱仪 光谱复原 低秩 全变分 正则化 spectroscopy interferometric imaging spectrometer spectral recovery low rank total variation regularization 
光学学报
2022, 42(24): 2430001
左丰华 1胡秀清 2,3,*王霞 1漆成莉 2,3[ ... ]李路 2,3
作者单位
摘要
1 北京理工大学光电学院,北京 100081
2 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
3 许健民气象卫星创新中心,北京 100081
我国晨昏轨道气象卫星风云三号E星(FY-3E)上搭载了红外高光谱大气探测仪II型(HIRAS-II),该仪器的高地理定位精度和辐射定标精度是其观测资料定量化应用的关键。采用交叉比对方法,基于同卫星平台搭载的中分辨率光谱成像仪-微光型(MERSI-LL),评估HIRAS-II的地理定位和辐射定标相对偏差。两台仪器的观测数据样本经空间匹配后,采用MERSI-LL数据评估匹配样本的观测背景均匀性,用海陆或云体边界的非均匀背景观测样本评估HIRAS-II的地理定位精度,用晴空海洋等场景的均匀背景观测样本评估HIRAS-II的辐射定标精度。在交叉比对前,将HIRAS-II观测辐射光谱与MERSI-LL各红外通道光谱响应函数积分得到MERSI-LL各红外通道的高光谱模拟观测数据。结果表明:星下点处HIRAS-II地理定位沿轨道方向偏离3.53 km,沿跨轨道方向偏离2.01 km;在辐射定标精度方面,HIRAS-II与MERSI-LL多数通道的辐射亮温(BT)偏差均值小于0.50 K,偏差标准差小于0.40 K,仅4.05 μm通道对低温目标的偏差较大,且该通道温度依赖明显;4.05 μm通道BT偏差随扫描角度呈现波动性变化,8.55 μm通道BT偏差随扫描角度变化不明显,其他通道BT偏差随扫描角度的变化规律与目标温度有关;偏差长时间序列分析表明,BT偏差整体保持稳定。
光谱学 红外高光谱大气探测仪II型 中分辨率光谱成像仪-微光型 地理定位 辐射定标 spectroscopy Infrared Hyperspectral Atmospheric Sounder II Moderate Resolution Spectral Imager-Low Light geolocation radiometric calibration 
光学学报
2022, 42(24): 2430002
樊子钊 1,2武鹏飞 2,3,*饶瑞中 1,2,3
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 230022
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大气光学重点实验室,安徽 合肥 230031
3 先进激光技术安徽省实验室,安徽 合肥 230037
基于混浊大气表观调制传递函数的光谱特征,提出一个新的成像质量评价因子作为波段优选的依据,得到了不同波段的成像效果。同时分析了优选波段的影响因素,给出了典型大气条件、典型带宽下的成像优选波段,即在1036~1046 nm、1620~1630 nm波段可得到典型区域相对普适的、良好的成像质量。最后通过成像实验对优选方法的有效性进行了初步验证。
光谱学 调制传递函数 混浊介质中的成像 图像质量分析 spectroscopy modulation transfer function imaging through turbid media image quality analysis 
光学学报
2022, 42(24): 2430003
汪颖 1,2,3甘婷婷 2,3,*赵南京 1,2,3殷高方 2,3[ ... ]叶紫琪 2,3,4
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 安徽省环境光学监测技术重点实验室,安徽 合肥 230031
4 合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009
将蛋白核小球藻对重金属Cr的快速高效吸附特性与重金属现场快速检测的X射线荧光(XRF)光谱技术相结合,通过蛋白核小球藻对水体重金属Cr的富集,实现了XRF光谱技术对水体重金属Cr的快速检测。研究表明:蛋白核小球藻对重金属Cr在5 min即可达到高效稳定的吸附,吸附反应的最佳pH值范围为6~8,最佳蛋白核小球藻的质量浓度为100 mg·L-1;在最佳吸附反应条件下,采用抽滤-滤膜富集方式实现蛋白核小球藻对水体重金属Cr的快速富集,再进行XRF光谱测量,当反应液富集量为10 mL,XRF信号累积时间为2 min时,重金属Cr的Kα特征谱峰净积分荧光强度与待测水体中Cr质量浓度间具有很好的线性关系,相关系数R2为0.9967,水体重金属Cr的方法检测限为0.0299 mg·L-1,显著低于《地表水环境质量标准(GB 3838—2002)》中规定的Ⅱ类水中Cr的标准限值0.05 mg·L-1。采用该方法对安徽省合肥市匡河水样进行加标回收测试,重金属Cr的回收率均在90.00%~101.24%范围内,10次重复测量的精密度为1.59%~2.66%,因此蛋白核小球藻富集与XRF光谱测量相结合的方法能够很好地实现实际水体重金属Cr的精准检测。
光谱学 重金属 X射线荧光  快速检测 藻富集 spectroscopy heavy metal X-ray fluorescence chromium rapid detection algal enrichment 
光学学报
2022, 42(24): 2430004

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