本期栏目 2023, 43(6)

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第43卷 第6期

作者单位
摘要
南开大学现代光学研究所天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室,天津 300350

受衍射极限的限制,传统太赫兹成像分辨率在毫米量级,无法满足目前前沿研究向微纳米尺度发展的主要趋势。高时空分辨率太赫兹成像技术成为当下太赫兹领域最重要的研究热点之一。近场太赫兹成像技术是实验中将太赫兹成像分辨率提升至微纳米量级的重要方法。介绍了近场太赫兹成像技术的基本原理,详述了多种近场太赫兹成像技术的发展历程与技术路线,从时空分辨能力、频谱分辨能力、成像质量、成像信噪比和适用场景等多个角度分析并总结了各种近场太赫兹成像技术的优势和不足。最后,讨论并展望了太赫兹超分辨成像未来的发展趋势。

成像系统 太赫兹技术 超分辨太赫兹成像 太赫兹近场成像 imaging systems terahertz technology super-resolution terahertz imaging near-field terahertz imaging 
光学学报
2023, 43(6): 0600001
作者单位
摘要
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

靶场光电测量设备利用光学成像采集飞行目标信息,经误差修正、时空配准、交汇计算等处理可以得到所需的目标参数,是航天器发射回收测控系统中的重要组成部分,也被广泛应用于**目标的探测中。为了应对复杂测量条件和多样化被测目标带来的挑战,在确保靶场光电测量设备高精度轨迹测量、高分辨成像能力的同时,对其提出了获取信息多元化、测量波段多样化、多平台机动布站等更多任务需求。我国靶场光电测量设备长足发展,整体性能得到了大幅提升。以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团队近年来在靶场光电测量设备的研制工作为基础,对红外辐射特性测量、结构轻量化设计、光雷一体化测量等多项关键技术的发展历程和现状进行了详细介绍,总结了靶场光电测量设备在多信息获取、探测波段扩展、测量精度提高、设备机动性提升和多平台匹配融合等方面的研究进展,讨论了靶场光电测量设备当前仍然存在的技术难点,并展望了相关技术未来的发展方向。

测量 靶场光电测量 红外辐射特性 结构轻量化 光雷一体化测量 measurement photoelectric measurement in range infrared radiation characteristics lightweight structure design integrated optical and radar measurement 
光学学报
2023, 43(6): 0600002
张昊镓 1,2孙刚 1,*朱黎明 1,2张汉九 1,3[ ... ]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 中国科学技术大学研究生院科学岛分院,安徽 合肥 230026
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
在中国南部热带海域,基于超声风速仪阵列测量的大气三维风速可计算得到速度结构常数Cv2,结合折射率梯度可计算得到折射率结构常数Cn2,其中温度和湿度对Cn2的影响是通过折射率梯度体现。将超声单点虚温估算方法的计算结果作为标定,与本研究的超声风速仪阵列估算方法的144次计算结果进行相关性分析,得到平均相关系数为0.85,最高可达0.99,最低为0.71;通过误差分析,可得平均ΔlgCn2为0.3。研究表明:超声风速仪阵列能够捕捉高频光学湍流效应的变化情况,利用超声风速仪阵列估算近海面光学湍流强度可以从风速、湿度、温度等不同方面分析湍流效应,实现在无人值守情况下对光学湍流的连续、长期的全天候观测。
大气光学 光学湍流 超声风速仪 风速结构常数 折射率结构常数 atmospheric optics optical turbulence ultrasonic anemometer wind velocity structure constant refractive index structure constant 
光学学报
2023, 43(6): 0601001
作者单位
摘要
1 国防科技大学气象海洋学院,湖南 长沙 410000
2 中国气象局国家卫星气象中心,北京 100081
云底高度是地气系统辐射收支以及飞行安全的重要影响因素。介绍了利用FY-4A卫星的数据产品反演云底高度的方法,设计了两种云底高度反演方案:第一种方案先将云划分为卷云(Ci)、高层云(As)、高积云(Ac)、层云/层积云(St/Sc)、积云(Cu)、雨层云(Ns)、深对流云(Dc)和多层云(Multi)等8种云类型,再分别采用独立的集成学习模型反演这8类云的云底高度;第二种方案不区分云的类型,采用统一的集成学习模型反演云底高度。将CloudSat探测的云底高度作为参考值,以129515个样本对两种方案进行评估,结果表明方案一的反演模型效果更好,均方根误差(RMSE)为1304.7 m,平均绝对误差(MAE)为898.4 m,相关系数(R)为0.9214。
大气光学 云底高度反演 FY-4A 云顶高度 云光学厚度 云粒子有效半径 集成学习 atmospheric optics cloud base height retrieval FY-4A cloud top height cloud optical thickness cloud effective radius ensemble learning 
光学学报
2023, 43(6): 0601002
顾浩然 1,2李正强 2,3,*侯伟真 2,3,**刘振海 4[ ... ]陈震霆 5
作者单位
摘要
1 安徽师范大学地理与旅游学院,安徽 芜湖 241000
2 中国科学院空天信息创新研究院国家环境保护卫星遥感重点实验室,北京 100101
3 中国科学院大学,北京 100049
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,安徽 合肥 230031
5 昆明学院信息工程学院,云南 昆明 650214
为探究高精度偏振扫描仪(POSP)在偏振交火模式下紫外波段对气溶胶层高(ALH)的探测能力,基于最优估计理论和信息量分析方法,分析了紫外和近紫外波段模拟仿真数据对ALH的灵敏度,并进一步讨论了不同观测组合对ALH信息量和后验误差的影响。研究结果表明:拓展的紫外波段是卫星遥感ALH反演的重要信息源,进一步增加380 nm偏振探测后,ALH的信息自由度(DFS)提高了0.06~0.26,同时后验误差降低了5~30个百分点;联合近紫外410 nm探测信息后,ALH反演后验误差额外降低了7~10个百分点,尤其增加了标高H较低时ALH的反演信息量;观测信息对标高的敏感度随着卫星观测散射角的增大而逐渐降低;粗模态主导的气溶胶、裸土地表相较细模态主导的气溶胶、植被地表来说提供的ALH信息量更少。总体来说,虽然ALH信息量受到气溶胶类型影响表现出了一些差异,但是不同气溶胶类型间ALH信息量受地表类型和偏振测量等的影响通常是相似的。
大气光学 偏振扫描仪 气溶胶层高 偏振遥感 信息量分析 atmospheric optics scanning polarimeter aerosol layer height polarimetric remote sensing information content analysis 
光学学报
2023, 43(6): 0601003
作者单位
摘要
1 中国计量大学机电工程学院,浙江 杭州 310018
2 浙江大学地球科学学院,浙江 杭州 310027
大气黑碳气溶胶具有强吸光能力,由于形状和混合结构十分复杂,其光学特性具有较大不确定性。使用三维仿真建模工具EMBS建立不同分形维数(Df为1.8和2.6)和混合结构的黑碳单颗粒模型,采用耦合离散偶极近似(DDA)方法计算光吸收强度(Eabs)、单次散射反照率(SSA)和光吸收截面(Cabs),并与多球T矩阵(MSTM)和Mie散射方法的计算结果进行对比。研究发现MSTM模型的Eabs结果对包裹程度F比较敏感,而DDA模型的Eabs结果对黑碳包裹层厚度的敏感性更高。DDA和MSTM模拟结果的差异主要来源于:1)DDA和MSTM方法中黑碳聚集体和包裹层形状的差异造成EabsCabs的相对偏差分别为20%和23%;2)黑碳包裹层的相对位置变化导致光学结果具有2%~4%的相对偏差。因此DDA和MSTM方法的模型形状和结构差异导致光学模拟结果可能出现较大差异。
大气光学 黑碳气溶胶 混合结构 光吸收增强 单次散射反照率 光学模拟 atmospheric optics black carbon aerosols mixing structures light absorption enhancement single scattering albedo optical simulation 
光学学报
2023, 43(6): 0601004
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
提出了一种稳定的拉曼激光雷达重叠因子计算和校正算法,适用于含有拉曼散射通道的激光雷达系统的重叠因子校正。此算法基于大气气溶胶光学参数的拉曼反演算法,通过分析消光系数和后向散射系数的反演特点,发现后向散射系数在过渡区中不受重叠因子的影响。用后向散射系数和激光雷达比的乘积对消光系数缺失信号进行初步校正,进而正演出初步校正后的拉曼散射回波信号,将实际拉曼散射回波信号与正演的拉曼散射回波信号相除即可得到重叠因子廓线。对回波信号和气溶胶光学参数进行了过渡区信号校正和盲区信号补充。分别用单组和连续的激光雷达实验观测数据进行了重叠因子的计算和校正,并与能见度仪观测的近地面数据进行了对比,呈现良好的一致性。结果表明,此算法对重叠因子计算较为稳定。
大气光学 激光雷达 拉曼散射 重叠因子 校正 atmospheric optics lidar Raman scattering overlap factor correction 
光学学报
2023, 43(6): 0601005
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
利用差分吸收光谱技术(DOAS)反演了我国第二代星载大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI-Ⅱ)的SO2斜柱浓度(SCD),并通过辐射传输模型SCIATRAN建立了SO2大气质量因子(AMF)的查找表,经去条带处理后获得SO2的垂直柱浓度(VCD)。以2021年10月底拉帕尔马岛火山区域为研究对象,基于EMI-Ⅱ数据反演的SO2 VCD与国外同类型载荷TROPOMI的结果一致,相关性系数R分别为0.89、0.90、0.92。此外,还将汤加海底火山的SO2反演结果与TROPOMI的监测数据进行对比,结果表明,EMI-Ⅱ观测结果与TROPOMI一致,都观测到此次SO2羽流的自东向西的传输过程。结合风场数据,计算了2022年1月14—15日汤加海底火山爆发产生的SO2排放通量,结果表明,利用EMI-Ⅱ载荷反演的火山区域SO2 VCD可靠性高,可实现全球火山爆发预警。
大气光学 差分吸收光谱 EMI-Ⅱ SO2垂直柱浓度 汤加海底火山 atmospheric optics differential optical absorption spectroscopy EMI-Ⅱ SO2 vertical column density Tonga submarine volcano 
光学学报
2023, 43(6): 0601006
朱海 1,2,3李建玉 1,3,*黄宏华 1,3徐刚 1,3[ ... ]魏合理 1,3
作者单位
摘要
1 中国科学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,安徽 合肥 230031
3 先进激光技术安徽省实验室,安徽 合肥 230037
研制出一种可以在船载平台下完成气溶胶测量的太阳光度计。仪器采用两段式图像跟踪方法,首先利用鱼眼成像系统对太阳进行粗跟踪,之后通过精跟踪成像系统来提高跟踪精度,并阐述了二维转台、图像跟踪系统、测量光路的工作流程。利用船载平台太阳光度计在渤海湾进行长期观测,渤海湾日平均气溶胶光学厚度多集中在0.1~0.3范围内,大气较为洁净,且夏季大气以细粒子为主,而深秋大粒子占据主导地位。将所得结果与日本POM-01 MKⅢ船用太阳光度计的测量结果进行对比,发现气溶胶光学厚度日变化趋势基本相近,决定系数可达到0.968,其平均相对测量误差为4.83%,?ngstr?m 指数平均相对测量误差为2.55%。所得结果验证了船载太阳光度计的可靠性与稳定性,并且可以进一步利用可见光到近红外的辐射信息反演其他大气参数的光学特性。
大气光学 气溶胶 太阳光度计 船载平台 渤海湾 atmospheric optics aerosol sun-photometer shipboard platform Bohai Bay 
光学学报
2023, 43(6): 0601007
汤沛 1,2邵士勇 1,*刘强 1许满满 1,2[ ... ]韩永 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 中山大学大气科学学院,广东 珠海 519000
基于南海北部海域开展的走航观测,测量了颗粒直径为14~680 nm的气溶胶数浓度,分析了气溶胶数浓度时空分布、粒径分布特征。以核模态、Aitken核模态和积聚模态为基础,统计了气溶胶粒径谱谱型并对其分布模式进行了对数正态拟合。同时,讨论了航程中遭遇的一次冷锋过程对气溶胶数浓度、粒径和组分分布的影响。结果表明:沿海海域气溶胶总数浓度超过6800 cm-3,远海海域气溶胶总数浓度约为1700 cm-3;海洋气溶胶中位数粒径谱符合对数正态分布,近海气溶胶多为双峰型,峰值数浓度在200 cm-3左右,而远海气溶胶多为单峰型,峰值数浓度在60~100 cm-3之间;冷锋过程前的气溶胶样品属于海源气溶胶,呈现海洋本底气溶胶特征,而冷锋过程后的气溶胶样品为受台湾岛污染影响的陆源气溶胶。
海洋光学 海洋气溶胶 亚微米颗粒 数浓度 粒径分布 对数正态分布 oceanic optics marine aerosol submicron particle number concentration particle size distribution log-normal distribution 
光学学报
2023, 43(6): 0601008
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
为研究海冰对水下量子通信信道性能的影响,基于海冰在不同的密度、盐度下的吸收与散射特性,建立了海冰参数与消光系数之间的关系、光量子信号衰减模型;根据海冰在不同密度、盐度下的消光特性,分别建立海冰参数与信道利用率、量子密钥分配系统误码率、系统成码率之间的关系并进行数据仿真。理论分析与仿真结果可为海冰环境下的水下量子通信设计提供参考。
海洋光学 水下量子通信 海冰 链路衰减 信道利用率 系统误码率 系统成码率 oceanic optics underwater quantum communication sea ice link attenuation channel utilization bit error rate of system system bit rate 
光学学报
2023, 43(6): 0601009
张伟 1,2战俊彤 1,*张肃 1付强 1[ ... ]姜会林 1
作者单位
摘要
1 长春理工大学吉林省空间光电技术重点实验室空间光电技术国家与地方联合工程研究中心,吉林 长春 130022
2 长春理工大学光电工程学院,吉林 长春 130022
3 长春理工大学电信学院,吉林 长春 130022
为了更加准确地表征粗糙水面环境下溢油的偏振反射特性,建立了改进型溢油偏振二向反射分布函数(pBRDF)模型。该模型基于Priest-Germer(P-G)理论,引入遮蔽函数、漫反射和体散射分量,并结合水面微小平面的概率分布函数,更加适合检测粗糙水面背景的溢油偏振反射特性。在粗糙水面环境下对5种不同溢油(机油、原油、柴油、煤油、汽油)目标进行多角度可见光波段偏振特性测试实验。结果表明:若相对方位角为180°,线偏振度随观测天顶角的增大先增大后减小,随入射天顶角的增大也先增大后减小;线偏振度随相对方位角的增大先增大后减小,在相对方位角为180°时达到最大,且受波长影响较小。该模型的置信精度可达到80%以上,证明了该模型的准确性,为研究粗糙海面溢油的偏振特性提供了一种新的途径。
海洋光学 偏振特性 偏振二向反射分布函数 P-G模型 可见光 溢油目标 oceanic optics polarization characteristics polarized bidirectional reflectance distribution function P-G model visible light oil spill target 
光学学报
2023, 43(6): 0601010
作者单位
摘要
1 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室,陕西 西安 710119
2 中国科学院大学,北京 100049
3 北京应用气象研究所,北京 100029
4 国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心)中国气象局空间天气重点开放实验室,北京 100081
5 中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院,湖北 武汉 430074
6 国防科技大学气象海洋学院,湖南 长沙 410073
7 中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室,北京 100088
大气风场是表征整个地球大气系统动力学特征的重要参数,也是气象预报、空间天气、气候学等领域业务工作和科学研究必需的基础数据。被动光学遥感是大气风场测量领域的主要技术手段之一。本文综述了基于大气移动目标监测和大气光谱多普勒频移探测的两类天基被动光学大气风场测量技术的研究进展,主要介绍了云导风、红外高光谱水汽示踪、测风干涉仪和多普勒调制气体相关4种风场测量技术的基础物理原理和风速反演基本方法,根据每种星载被动光学测风技术体制分类及特点,介绍了代表性风场探测载荷技术研究进展及应用情况,探讨了星载被动光学大气风场探测技术的未来发展趋势。
大气光学 大气风场 云导风 红外高光谱 测风干涉仪 多普勒调制气体相关 atmospheric optics atmosphere wind field cloud-derived motion vector infrared hyperspectrum wind interferometer Doppler modulated gas correlation 
光学学报
2023, 43(6): 0601011
郑杨 1,2李正强 1,2,3,*王思恒 4,**马䶮 2[ ... ]何卓 2,3
作者单位
摘要
1 海南空天信息研究院,海南 三亚 572032
2 中国科学院空天信息创新研究院,国家环境保护卫星遥感重点实验室,北京 100101
3 中国科学院大学,北京 100049
4 中国空间技术研究院遥感卫星总体部,北京100094
5 生态环境部卫星环境应用中心,北京 100094
6 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
7 河南理工大学测绘与国土信息工程学院,河南 焦作 454003
8 安徽师范大学地理与旅游学院,安徽 芜湖 241003
利用大气辐射传输模型和指数衰减点扩展函数,发展了一套适用于亚米级分辨率的全色卫星影像的大气校正方法,该方法充分考虑了大气参数(气溶胶、水汽、臭氧及其他吸收气体等参数)、空间分辨率、背景像元与目标像元的空间距离等对邻近效应的影响。结果表明,本文建立的大气校正方法能够有效去除大气及周围环境对卫星入瞳信号的影响,充分解决全色卫星影像中的邻近效应问题,全面提升了卫星影像的质量(清晰度至少提高了155%,对比度至少提高了115%,边缘能量至少提高了247%,细节能量至少提高了204%,调制传递函数至少增大了169%)。
大气光学 全色卫星影像 高分二号 大气校正 邻近效应校正 atmospheric optics panchromatic satellite images Gaofen-2 atmospheric correction adjacency effect correction 
光学学报
2023, 43(6): 0601012
作者单位
摘要
山东师范大学物理与电子科学学院光场调控及应用中心,山东 济南 250358
大气湍流会引起涡旋光束(VB)的相位畸变和模态扩散,造成湍流介质中通信性能下降。提出基于深度相位估计网络的拉盖尔-高斯(LG)光束相位补偿方法,以提高模态检测准确度,即通信的可靠性。分别利用使用和不使用高斯光作为探测光束两种方案进行学习,在光强图像与大气湍流引起的扰动相位之间建立映射关系,在接收端依据接收到的光强图像,预测湍流引起的扰动相位并进行相位校正。结果表明,所提深度网络能够较准确地实现相位预测,经补偿后,光束模态纯度达到95%以上,补偿后光强图像与发送端光强图像之间的均方误差明显减小。
大气光学 涡旋光束 卷积神经网络 相位预测 大气湍流 atmospheric optics vortex beam convolutional neural network phase prediction atmospheric turbulence 
光学学报
2023, 43(6): 0601013
戴栋晨 1,2郑丽娜 1,*张宇 1,2王海江 1,2[ ... ]张洋 1
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
为解决弱特征区域中航空相机成像清晰度检测的问题,根据前后两次图像间具有重叠区域的特点,提出了一种基于数字高程模型(DEM)的航空相机图像清晰度检测方法。该方法在引入高精度DEM数据后,以重投影误差最小化原则修正航空成像模型,应用尺度不变特征转换(SIFT)算法进行特征匹配,并利用特征点偏移位置计算主距变化量,最终将主距变化量作为清晰度检测的标准以实现弱特征区域航空图像的清晰度检测。实验表明,所提算法对不同清晰度的弱特征区域航空图像均能进行清晰度检测,其检测均方根误差为16.275 μm,小于光学系统的半焦深(19.2 μm),能够满足航空相机的实际工程精度要求。
图像处理 航空相机 清晰度检测 数字高程模型 航空成像模型 特征匹配 image processing aerial cameras sharpness detection digital elevation model aerial imaging model feature matching 
光学学报
2023, 43(6): 0610001
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
针对合成孔径雷达在生成图像时产生的固有斑点噪声问题,提出了一种基于多尺度注意力级联卷积神经网络的去噪算法,用多尺度卷积网络与注意力机制来实现图像的特征提取,将级联网络结构作为主网络中的特征增强部分,并加入批量归一化来防止模型中出现过拟合。实验结果表明,所提算法相较于其他传统图像去噪算法,峰值信噪比、结构相似性分别平均提高了0.75 dB~14.45 dB和0.01~0.16,在图像熵上也优于其他算法,并且能较好地恢复图像中的细节信息。
图像处理 合成孔径雷达 卷积神经网络 图像去噪 多尺度注意力 image processing synthetic aperture radar convolutional neural network image denoising multi-scale attention 
光学学报
2023, 43(6): 0610002
王依人 1,2杨明 3刘达新 4,*夏营威 1[ ... ]刘东 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,安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026
3 中国民用航空华东地区空中交通管理局安徽分局,安徽 合肥 230001
4 中国气象局气象探测中心,北京 100081
5 安徽大学,安徽 合肥 230039
为实现全天时、全天空云量观测,提出并研制了一种双波段全天空云量观测系统。该系统在可见光波段通过内置遮光装置和高动态范围(HDR)图像合成技术,可采集清晰完整的全天空图像,同时,其在红外波段的一次成像可获取160°视场范围天空图像,较传统扫描拼接式红外观测模式更加简单快捷。主要阐述了该系统在不同波段的全天空成像原理以及云图分割方法。从双波段云量观测数据的一致性和准确性两方面进行分析,验证了该系统在云量观测上具有较高的准确性。
测量 全天空成像 地基云观测 红外 可见光 measurement all-sky imaging ground-based cloud observation infrared visible 
光学学报
2023, 43(6): 0612001
作者单位
摘要
南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
针对现有散射光线追迹概率模型方案受限于解析解难以获取的问题,提出利用拒绝采样法设计基于双向反射分布函数(BRDF)的散射光线追迹概率模型,通过设置检验条件规避了积分求解过程,进而筛选出有效角度坐标,实现散射光线追迹,该方案具有适用范围广的优势。对于具有平移不变性的BRDF模型,进一步提出对称采样方案,通过将采样区域减半后再镜像提升速率。设置表面属性、入射角与追迹光线数量等仿真条件相同,编制了本文方案的仿真程序,对不同光机结构材料进行建模仿真后从重复性和精确度方面与LightTools软件运算结果作对比验证,基于拒绝采样法编制程序的仿真结果可以与软件模型结果相媲美。最后对软件中未包含的BRDF模型进行建模仿真以进一步验证上述方案的普适性。
测量 双向反射分布函数 光线追迹 拒绝采样法 蒙特卡罗法 概率模型 measurement bidirectional reflectance distribution function ray tracing rejection sampling method Monte Carlo method probability model 
光学学报
2023, 43(6): 0612002
侯义锋 1丁畅 2,3,4,*刘海 3Mandal Mrinal 4[ ... ]吴自库 5
作者单位
摘要
1 梧州学院电子与信息工程学院,广西 梧州 543001
2 桂林电子科技大学机电工程学院,广西 桂林 531004
3 中国矿业大学信息与控制工程学院,江苏 徐州 221116
4 阿尔伯塔大学电子与计算机工程系,阿尔伯塔 埃德蒙顿 T6G 1H9,加拿大
5 青岛农业大学理学与信息科学学院,山东 青岛 266109
海上红外目标识别在海事搜寻中发挥着重要的作用,针对逆光海况下出现的目标反向对比度特点及其目标淹没于背景的问题,结合其直方图呈现的局部尖峰特点,提出了修正灰度占比的新直方图均衡化并融合边缘信息的增强算法。该算法可以有效地提升目标区域的对比度,从而提升海上红外图像的质量。在海上红外目标识别与检测中,建立了目标与背景的多尺度“九宫格”搜索框,演化了局部对比度显著性量化的数学模型,实现了符合人眼视觉特性的红外目标的准确定位与检测。在海上红外图像增强测试中,所提算法可以使原图像的平均梯度提升两倍以上,使局部对比度增益因子提升两倍以上。在目标识别的算法测试中,所提多尺度局部对比度目标检测算法可以使目标检测率达到99%以上。
测量 红外成像 海上红外目标识别 红外图像增强 直方图变换 局部对比度显著性 逆光海况 measurement infrared imaging maritime infrared target recognition infrared image enhancement histogram transformation local contrast saliency backlight maritime condition 
光学学报
2023, 43(6): 0612003
作者单位
摘要
1 中国海洋大学物理与光电工程学院,山东 青岛 266100
2 中国海洋大学电子工程学院,山东 青岛 266100
为了在耀光干扰下提升粗糙海面溢油的检测效果,基于Cox-Munk粗糙海面概率统计模型,对不同入射和观测几何下海水与油膜反射耀光的偏振度及其差异进行仿真研究。结果表明:入射和观测几何以及海面介质的折射率是海面耀光偏振度空间分布的主要影响因素;当满足一定太阳入射角时,海面介质折射率差异是水/油反射耀光偏振度差出现“正负反转”的主要原因;入射平面内水面溢油最佳偏振观测角度与太阳入射天顶角和溢油折射率相关。
测量 线偏振度 太阳耀光 水面溢油 多角度 measurement degree of linear polarization (DOLP) solar flare oil slick multiple angles 
光学学报
2023, 43(6): 0612004
石高勇 1,2,3杨瑞芳 2,3,*赵南京 2,3,**刘梁晨 1,2,3[ ... ]刘文清 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 中国科学院合肥物质科学研究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 安徽省环境光学监测技术重点实验室,安徽 合肥 230031
4 合肥学院生物食品与环境学院,安徽 合肥 230601
针对土壤芳香烃总量快速检测难题,研究了基于荧光成像技术的土壤芳香烃荧光信号获取、特征提取方法和质量分数总量反演的方法。基于发光二极管(LED)紫外激发光源、面阵CCD相机、透镜等器件搭建了实验系统,获得了最佳光源激发能量、激发角度等参数,并对实验系统检测能力进行了分析。利用这一实验系统获取了质量分数范围为0~25000×10-6的标准土壤中机油的系列荧光图像,基于高斯降噪处理和最大类间方差法研究了图像噪声抑制与荧光信号提取方法,建立了标准土壤中机油芳香烃总量的反演模型,并利用反演模型对待测样本的机油芳香烃总量进行了预测。结果表明:总量反演模型的决定系数(R2)达到了0.9889,检测限为82.18,对20个样品测试的误差基本在12%以内。
测量 土壤 荧光成像 多环芳烃 相机 图像处理 measurement soil fluorescence imaging polycyclic aromatic hydrocarbons cameras image processing 
光学学报
2023, 43(6): 0612005
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
3 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室,江苏 南京 210034
望远镜自动调焦技术在提高天文观测效率和观测精度方面有着重要的作用。针对云南天文台1.2 m望远镜系统在观测空间目标时受外界多重因素影响下的像点离散、能量分散等问题,提出了一种改进定心精度的半通量直径(HFD-ICA)实时自动调焦清晰度评价算法。该方法在进行图像预处理的基础上,采用改进的强度加权质心法(improved IWC),以亚毫米的精度迭代计算星像质心;然后测出星像HFD,根据HFD值用双曲线法拟合出V型调焦曲线。经过大量实验表明,该算法在指导望远镜调焦时能够迅速找到焦点位置,其精确定焦率与高精度天文图像处理软件IRAF的计算结果相当,在调焦过程中平均处理时长为4.7 s,耗时仅为IRAF的1/10,满足1.2 m望远镜自动调焦的实时性与精度要求。所提方法的调焦效率大致提高37%,具有一定的可行性与实用性。
测量 自动调焦 望远镜 图像清晰度 评价算法 measurement autofocus telescope image sharpness evaluation algorithm 
光学学报
2023, 43(6): 0612006
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
考虑到多纵模高光谱分辨率激光雷达(MLM-HSRL)接收的大气弹性散射回波具有与激光器发射光束一致的高斯传输特性,因此分析马赫-曾德尔干涉仪(MZI)光程差和透过率时必须要考虑发散角的影响。详细分析入射光束的发散角对大光程差MZI分光性能的影响,仿真计算得到基于空气腔的大光程差MZI所允许的光束发散角要≤0.4 mrad。为了降低发散角对大光程差MZI分光性能的影响,提出一种基于补偿玻璃的大光程差MZI的视场展宽技术。理论分析和仿真结果表明,视场展宽后系统可允许的发散角可达25.6 mrad,视场展宽技术极大地提升了大光程差MZI的分光能力。
测量 马赫-曾德尔干涉仪 多纵模高光谱分辨率激光雷达 视场展宽 大光程差 有效透过率 measurement Mach-Zehnder interferometer multi-longitudinal-mode high-spectral-resolution lidar field-widening large optical path difference effective transmittance 
光学学报
2023, 43(6): 0612007
江海威 1,2,3钮新华 1,3,*
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 中国科学院大学,北京 100049
3 中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083
针对全球能量循环及水文循环研究需求,提出了一种适用于可见至太赫兹超宽谱段多通道云探测光谱成像仪的光学系统设计方案。系统以推扫方式成像,获取可见至太赫兹谱段内共10个通道的光谱信息。对应450 km轨道的刈幅为100 km,可见、红外、太赫兹星下点分辨率分别为75 m、100 m、10 km。光学系统采用离轴折反混合结构。太赫兹部分口径为150 mm,F数为3;可见、红外口径分别为42 mm和68 mm,F数均为2。通过视场分光实现太赫兹与其他通道的波段分离。在可见、红外后光路单独设置孔径光阑以解决其与太赫兹孔径相差较大带来的问题。设计结果表明:各像面点列图均方根直径小于像元大小,调制传递函数在奈斯奎特空间频率下均接近衍射极限,成像质量良好。经容差分析可得,光学系统可满足原理样机验证成像需求。
测量 光谱成像 云探测 太赫兹 红外 measurement spectral imaging cloud detection terahertz infrared 
光学学报
2023, 43(6): 0612008
杨金强 1,2,3杨瑞芳 2,3,*赵南京 2,3,**殷高方 2,3[ ... ]刘文清 2,3
作者单位
摘要
1 中国科学技术大学,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 淮南师范学院,安徽 淮南 232000
石油烃类污染物进入土壤后会随着时间逐步迁移到土壤深层。传统的土壤石油烃检测方法因自身的局限性,无法及时快速地检测深层土壤中的石油烃质量分数。为快速检测深层土壤中的石油烃类污染物,提出了一种基于紫外诱导荧光的石油烃原位检测技术,利用280 nm的深紫外发光二极管(LED)作为激发光源、光电倍增管(PMT)作为信号检测器完成对土壤中石油烃质量分数的探测。实验结果表明,该检测技术能够实现对不同土壤类型(红壤、黄壤、黑土和湖底淤泥土)中各类机油(汽油机油、柴油机油和空压机油)的定量检测,检测结果的平均相对误差(RE)小于10.00%,平均相对标准偏差(RSD)小于4.00%,土壤中各类石油烃的检出限均小于136 mg/kg,完成单个样本测量仅需2.0 s。
测量 土壤 石油烃 紫外诱导荧光 光电倍增管 原位检测 measurement soil petroleum hydrocarbon ultraviolet-induced fluorescence photomultiplier in-situ detection 
光学学报
2023, 43(6): 0612009
刘石 1,2邹国星 1,*张国玉 1,2王刚 3[ ... ]任太阳 1
作者单位
摘要
1 长春理工大学光电工程学院,吉林 长春 130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心,吉林 长春 130022
3 连云港杰瑞电子有限公司,江苏 连云港 222000
针对积分器入射面的辐照不均匀度高导致的太阳模拟器辐照均匀性较差的问题,设计了一种自由曲面聚光镜。基于点光源模型,根据能量守恒定律和非成像光学中的边光理论,建立光源出射角度与目标面对应点的映射关系;依据菲涅耳定律结合映射关系推导出微分方程,通过龙格-库塔法求解微分方程,计算出离散点数据;拟合离散点数据得到自由曲面聚光镜的母线,旋转母线获得自由曲面聚光镜的初始结构。使用贝塞尔曲线表征自由曲面母线,利用模拟退火算法对引入扩展光源的自由曲面进行反馈优化,从而得到连续的自由曲面面形。采用LightTools软件仿真太阳模拟器光学系统,结果表明:自由曲面聚光镜的辐照均匀性较椭球聚光镜的辐照均匀性显著提升,辐照面?50 mm内辐照不均匀度优于±0.32%,辐照面?100 mm内辐照不均匀度优于±0.53%;通过误差仿真分析,依据现有自由曲面加工与检测水平,验证了所设计自由曲面聚光镜加工、检测与装调的可行性。
光学设计 太阳模拟器 自由曲面 辐照不均匀度 optical design solar simulator free-form surface irradiation nonuniformity 
光学学报
2023, 43(6): 0622001
作者单位
摘要
上海航天控制技术研究所,上海 201109
以杂散光在探测器像面平均照度低至6等星为例,首先从理论及工程应用角度对星敏感器遮光罩进行论证、设计、仿真、测试,并提出在遮光罩设计阶段应该充分结合光学镜头、星点提取算法、技术要求特点,确定遮光罩有效通光口径、视场、外形包络尺寸、消光性能;其次,利用几何作图的方法确定遮光罩挡光环位置、刃口倒角角度、刃口倒角朝向,并建立起散射关键面;然后,根据仿真过程中一次散射与多次散射对像面照度的影响确定刃口厚度;最后,通过仿真和实验室测试方式证明所设计的遮光罩结构合理,可满足太阳光抑制低至6等星,星敏感器受杂散光影响测量精度偏差在2″以内。
光学器件 星敏感器 遮光罩设计 杂散光抑制 杂散光仿真 optical devices star sensor baffle design stray light suppression stray light simulation 
光学学报
2023, 43(6): 0623001
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 陕西理工大学物理与电信工程学院,陕西 汉中 723001
3 陕西省智能协同网络军民共建重点实验室,陕西 西安 710126
通过实验研究了拉盖尔-高斯涡旋光束及其叠加态在水下湍流中的传输特性,充分考虑了不同温度差和盐度差的水流扩散产生的湍流对4种光束(高斯光束,阶数为0、拓扑荷数为6的拉盖尔-高斯涡旋光束,阶数为1、拓扑荷数为2与阶数为0、拓扑荷数为6的拉盖尔-高斯涡旋光叠加,阶数为1、拓扑荷数为2与阶数为0、拓扑荷数为10的拉盖尔-高斯涡旋光叠加)传输的影响,并对4种光束的漂移方差和闪烁指数进行深入讨论与分析。实验结果表明:随着湍流强度的增大,4种光束的漂移方差和闪烁指数都增大,相比其他3种光束,拉盖尔-高斯涡旋光束的漂移方差和闪烁指数较小;在较弱的湍流强度下,两种涡旋光叠加态的漂移方差和闪烁指数与拉盖尔-高斯涡旋光束相近。
物理光学 拉盖尔-高斯涡旋光束 涡旋光叠加态 水下湍流 闪烁指数 physical optics Laguerre-Gaussian vortex beam vortex light superposition state underwater turbulence scintillation index 
光学学报
2023, 43(6): 0626001
陈庆 1汤斌 1,*缪俊锋 1周彦 3[ ... ]钟年丙 1
作者单位
摘要
1 重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室,重庆 400054
2 重庆大学微电子与通信工程学院,重庆 400044
3 重庆市铜梁区环境保护局,重庆 402560
提出了一种基于MobileNetV2和VGG11组分拟合(CF-VGG11)卷积神经网络(CNN)与平行因子分析(PARAFAC)结合的水样分类和荧光组分拟合方法,通过输入单个三维荧光光谱(3D-EEM)数据来预测水样类别、溶解性有机物(DOM)质量浓度等级和荧光组分。算法以PARAFAC结果为基础建立荧光光谱数据集,分两步完成类别与组分的预测:第一步使用MobileNetV2算法对不同水样进行类别预测和DOM质量浓度分级;第二步使用CF-VGG11网络拟合荧光组分。采集地表水、工业废水处理水、污水处理厂进出口水和乡村饮用水4种类型的水样构建数据集,获得了95.83%的分类精度和98.11%的组分拟合精度。实验结果表明,所提方法可对不同水样和DOM质量浓度等级进行准确分类,拟合特定荧光组分,精确定位污染源,并能进行超标预警。
光谱学 三维荧光光谱 水污染 分类 卷积神经网络 spectroscopy three-dimensional excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy water pollution classification convolution neural network 
光学学报
2023, 43(6): 0630001
作者单位
摘要
长春理工大学光电工程学院,吉林 长春 130033
空间引力波望远镜的波像差与指向抖动耦合产生的远场相位噪声是引力波探测的主要噪声源。基于其产生的理论机制,建立了噪声耦合系数与望远镜像差间的函数关系,提出了控制特定像差的优化策略。结合望远镜设计实例验证了该方法对抑制远场相位噪声的效果,当波前质量水平为λ/20(λ=1064 nm)时,优化后的噪声耦合系数优于0.11 pm/nrad,较优化前降低了一个数量级,远优于指标要求,所提方法极大地提升了望远镜的远场相位稳定性。
激光光学 望远镜 空间引力波探测 远场相位 耦合系数 laser optics telescope space gravitational-wave detection far-field phase coupling coefficient 
光学学报
2023, 43(6): 0636001

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