基于支持向量机预测偏振模式

基于多光谱多角度偏振辐射探测研究了大气偏振模式预测方法。首先,介绍了航空多角度偏振辐射计的探测原理与支持向量机回归算法;然后,从矢量传输模型出发,说明大气状况不变时,偏振模式主要取决于地表特征与观测几何,并介绍了观测几何与姿态之间的关系以及地表特征的表达形式;最后,在考虑平台姿态与地表特征的情况下,利用支持向量机回归算法预测了航空多角度偏振辐射计的探测偏振度,并对预测与实际试验探测的偏振度进行了比较。结果显示:偏振度预测误差小于1%,影响模型精度的主要因素不是姿态变化本身,而是姿态改变造成的观测地表特性变化。     

航空多角度偏振辐射计的偏振定标

研究了航空多角度偏振辐射计的辐射定标方法,以消除其自身引入的偏振效应,提高偏振辐射计的测量精度.首先,根据引入仪器偏振效应的主要因素推导了含定标系数的仪器探测方程,由仪器在0°和90°两个状态下对同一信号的探测方程求解了定标系数表达式,并设计了仪器分别处于两个状态下获取信号、求解定标系数的定标方法.最后,分别针对非偏振光源和完全线偏振光源的测试数据求解了所有的定标系数,使用可调偏振度光源验证了偏振定标结果.结果显示,该仪器偏振测量精度不低于o.5％,满足仪器精度指标要求.     

多角度偏振辐射计星上积分球结构设计及检测

为满足星载多角度偏振辐射计六孔径同时定标及全光路定标的要求,根据多角度偏振辐射计的光路特点和结构约束设计了六出孔椭球形积分球定标源,并对积分球辐射输出的一致性﹑均匀性及偏振特性进行了检测。其中,一致性的检测采用定标后的光谱辐射计直接测量;均匀性的检测考虑积分球出口小,采用了透镜加光阑扫描的方法;偏振度的检测使用了根据马吕斯消光定律设计的线偏振检测仪。实验和检测结果表明,采用的检测和数据处理方法提高了系统的信噪比和测量的准确性。积分球成对开孔输出一致性优于99.5%,面均匀性优于99%,偏振度低于1%,这些结果满足多角度偏振辐射计的辐射定标需求。     

基于大气光通信偏振PPM的误码率研究

大气光通信误码特性的研究是激光通信系统开发和应用中的关键问题。为了减小在大气光通信PPM调制过程中引起的误码率,提出了一种基于空间光偏振的PPM调制方式。在该调制方式中,信道噪声和探测器噪声是影响误码率的主要因素。利用信道噪声和探测器噪声的特点,本文讨论了探测门限判决和信道偏振角度解调对自由空间光通信系统性能的影响,建立了系统误码率的数学模型,并进行数值仿真。仿真结果表明,当信噪比为0～20 dB时,探测门限判决引起的系统误码率随着信噪比的增大由10°下降到10~(-7),门限阈值为1/2时误码率最低;当探测器噪声功率为10～-20 dBm时,偏振角度解调引起的系统误码率随着探测器噪声功率的降低而降低;在相同噪声功率下,偏振角0°时误码率最高,偏振角90°时误码率最低。     

天空实时全偏振成像探测器设计与搭建

生物利用天空偏振光进行导航的方式给科研人员很大的启发,越来越多的学者正在进行这方面的研究。精确的天空偏振场图是进行偏振导航的前提条件,为了获取更加准确的天空偏振场图,许多成像式偏振探测装置被开发出来。本文提出了一种新型的实时全偏振一体式成像探测传感器,可以获取全参数Stokes矢量,进而解算出目标的AOP、DOP、LDOP和CDOP等信息。基于C++语言和OpenCV库,采用MFC架构开发了上位机程序,实现了目标偏振信息的实时显示。在最大分辨率下,视频流的刷新率为3frame/s,基本满足了实时探测的需要。对晴朗天气条件下天空偏振场图进行了实际探测,实验过程中探测器性能稳定,天空偏振场图与瑞利散射模型具有较高的一致性,太阳子午线动态识别误差为0.01°~0.23°,初步证明了探测器的可靠性,为后续工作奠定了基础。     

消光比与探测器噪声对基于纳米线栅偏振成像系统偏振精度的影响

消光比和探测器噪声是决定纳米线栅偏振成像偏振精度的两个重要参数。为解决两参数在系统优化时的取值问题,本文建立了两参数与偏振噪声的数学模型,采用像元组接收光电子数作为衡量探测器噪声与系统偏振噪声的桥梁量化了两者关系。仿真分析比较了两参数在入射光偏振态变化时对偏振噪声的作用。然后搭建消光比和曝光时间可调的偏振成像系统精度实验平台,验证该数学模型和仿真结果。仿真与实验共同表明,系统消光比大于20后,通过提高像元组接收的光电子数以抑制探测器噪声要比继续提升消光比对提高系统偏振精度的贡献大。     

光学系统探测器上的辐照度的偏振分析

推导出了光学系统探测器上的辐照度误差与入射光以及光学系统的偏振特性之间关系的公式,分析了入射光以及光学系统的线偏振灵敏度对光学系统的探测器上的辐照度的影响,并计算了卡氏望远镜的探测器上的辐照度误差。     

基于FPGA的单探测器偏振OCT信号解调系统设计

为了探测组织的双折射性质,搭建了以FPGA作为处理芯片的单探测器偏振OCT系统.FPGA利用内部RAM、乘法器、IP核和宏功能模块构建数字正交解调电路,提取偏振OCT干沙信号,获取组织的反射率信息和双折射信息.获取的数据经USH2.0接口送入计算机显示.对玻片和生物组织进行信号解调实脸,结果表明,系统能够对偏振OCT信...     

遥感图像双角度偏振大气校正仪

研制了一种双角度偏振大气校正仪航空样机用于卫星遥感图像数据的定量化。该仪器通过时间同步和空间覆盖的探测方式获取被校正图像对应的角度、光谱、偏振三个维度的大气信息,实现气溶胶和水汽的高精度参数的反演;将反演获取的大气参数作为输入条件,利用辐射传输模型进行遥感图像的高精度大气校正。仪器采用天底(0°)和前向(55°)两个方向观测,具有8个探测波段,覆盖可见到短波红外(0.49~2.25μm)波段,其中5个波段具备偏振探测能力;采用高精度一体化结构设计保证各偏振探测通道的视场重合精度,降低偏振探测目标不一致引起的偏振测量误差。实验室定标和测试结果表明,偏振波段的视场重合度优于95%,偏振测量精度优于1%(偏振度DoLP=0.3),满足仪器设计指标要求。     

分焦平面偏振图像传感器信噪比标定

为了标定分焦平面偏振图像传感器的信噪比,设计了分焦平面偏振图像传感器各通道信噪比标定实验。对分焦平面偏振图像传感器信噪比参数对偏振角度测量结果的影响程度、信噪比标定原理、标定实验流程等进行了研究。根据分焦平面偏振传感器的结构和数字图像传感器的数学模型得到信噪比的标定原理。在不同信噪比、不同入射角度线偏振光情况下,对偏振角度测量结果进行了仿真。然后,根据标定原理设计标定实验的装置结构和实验流程。最后,进行实际标定并对实验数据进行了分析。信噪比-偏振角度测量精度仿真结果表明：分焦平面偏振图像传感器的信噪比越大,偏振角度测量精度越高,且入射偏振光角度也会影响测量精度。分焦平面偏振图像传感器各通道信噪比参数的实际测试结果表明：标定值与指标值相差不超过0.55 dB。实验结果证明,该方法是准确有效的,能够较好地完成分焦平面偏振图像传感器各通道信噪比的标定任务。     

多通道型偏振成像仪的偏振定标

为了解决多通道型偏振成像仪的偏振定标问题,提出了一种基于积分球无偏光源的偏振定标方法。通过研究偏振光束与光学器件的相互作用,推导出多通道型偏振成像仪的矢量辐射传输模型,确定了需要标定的参数。运用无偏光源标定系统的偏振效应,基于矢量辐射传输模型对中心视场绝对辐射定标系数、光学镜头起偏度和系统低频相对透过率等关键参数进行了标定,通过分析标定结果求解了系统全视场的穆勒矩阵。最后,使用可调偏振度光源验证了仪器典型视场的偏振定标精度。研究结果表明,基于无偏光源的偏振定标方法可以有效提高多通道型偏振成像仪的偏振定标效率;经偏振定标后仪器在目标偏振度低于20%时的偏振测量误差小于1%,满足大气气溶胶测量精度的要求。     

高信噪比星载CCD成像电路系统

为获得高信噪比的航天遥感图像,针对CCD成像系统链路分析了影响图像信噪比的主要因素。结合CCD成像系统的响应模型,明确了系统信噪比的表达式,并摆脱了具体CCD型号的束缚,提出了一种"总-分-总"的高信噪比成像电路系统通用设计方法。描述了系统从顶层总体设计、底层各电路模块设计以及全系统联试的完整研制方法。将该方法应用于吉林一号卫星高分辨率多光谱CCD成像电路系统的设计中,并对成像系统进行了辐射定标试验,获得了高信噪比的图像数据。结果显示:在灰度为80%饱和输出时,获得的全色图像信噪比达到了53.9dB,多光谱图像的最高信噪比达到了56.3dB,且图像数据经融合后色彩真实、绚丽。本文的CCD成像电路系统设计方法能够为其他航天遥感载荷的电路系统设计提供参考。     

Comparison between pulsed laser and frequency-domain photoacoustic modalities: signal-to-noise ratio, contrast, resolution, and maximum depth detectivity

In this work, a detailed theoretical and experimental comparison between various key parameters of the pulsed and frequency-domain (FD) photoacoustic (PA) imaging modalities is developed. The signal-to-noise ratios (SNRs) of these methods are theoretically calculated in terms of transducer bandwidth, PA signal generation physics, and laser pulse or chirp parameters. Large differences between maximum (peak) SNRs were predicted. However, it is shown that in practice the SNR differences are much smaller. Typical experimental SNRs were 23.2 dB and 26.1 dB for FD-PA and time-domain (TD)-PA peak responses, respectively, from a subsurface black absorber. The SNR of the pulsed PA can be significantly improved with proper high-pass filtering of the signal, which minimizes but does not eliminate baseline oscillations. On the other hand, the SNR of the FD method can be enhanced substantially by increasing laser power and decreasing chirp duration (exposure) correspondingly, so as to remain within the maximum permissible exposure guidelines. The SNR crossover chirp duration is calculated as a function of transducer bandwidth and the conditions yielding higher SNR for the FD mode are established. Furthermore, it was demonstrated that the FD axial resolution is affected by both signal amplitude and limited chirp bandwidth. The axial resolution of the pulse is, in principle, superior due to its larger bandwidth; however, the bipolar shape of the signal is a drawback in this regard. Along with the absence of baseline oscillation in cross-correlation FD-PA, the FD phase signal can be combined with the amplitude signal to yield better axial resolution than pulsed PA, and without artifacts. The contrast of both methods is compared both in depth-wise (delay-time) and fixed delay time images. It was shown that the FD method possesses higher contrast, even after contrast enhancement of the pulsed response through filtering.     

Polarimetric Borehole Radar System for Fracture Measurement

Radar polarimetry is a technology that overcomes the limitation between the radar resolution and the penetration depth of borehole radar. We have developed a stepped-frequency polarimetric borehole radar system. This is a polarimetric borehole radar system which measures the full-radar polarimetry in a borehole by changing the antenna arrangements. By using a network analyzer and an optical analog signal link, this system has a frequency bandwidth of 2–500MHz, which is suitable for two different antennas for radar polarimetry. We also propose a technique for polarimetric antenna calibration. In order to understand the potential of polarimetric borehole radar, field measurement were carried out at the Mirror Lake fractured-rock research site (NH, USA). The radar penetration depth from the borehole in the reflection measurement was over 10m, at the frequency range of 2–402MHz. We observed many clear reflections from fractures in each polarization status. Even in the raw data, we found the differences in the radar profile for different polarization status. We believe the polarimetric feature is closely related to the roughness of each fracture, and it is also related to the physical properties of the fracture such as water permeability.     

相敏检波在空气耦合超声检测中的应用

空气耦合超声检测信噪比低、脉冲余振长,需要采用合适的信号处理技术增强接收信号的信噪比。根据空气耦合超声检测过程中影响接收信号的因素,提出先采用相敏检波技术对接收信号进行处理,获取相位信号,然后计算得到超声检测信息。介绍了超声检测中的超外差接收、相敏检波原理,并阐述了在超声检测应用中需注意的问题。根据分析研究结果,构建了相敏检波空气耦合超声检测系统,在常规超声检测系统的基础上进行了相应改造,实现了超声成像检测。碳纤维增强复合材料板的成像检测结果表明:相敏检波可以有效提高系统信噪比和检测效果。     

中高轨道目标的地基光电监视

针对中高轨目标暗弱为目标识别和识别效率增加的难度,研究了基于被动光学系统的地基光电光测系统;同时提出了一种通过对原始图像进行最优化处理,从而有效提高目标信噪比,增加目标识别效率的方法。首先分析了在轨目标的光学反射特性,比较了不同模式下目标的信噪比,给出光电监视系统的最优设计方案。然后,结合目标运动特性和观测条件等因素,设计了适合中高轨道目标的地基地球同步轨道(GEO)目标的观测模式。最后,针对暗弱目标图像识别难题,提出了基于最优化原理的低信噪比目标识别图像处理的新方法。根据实测数据对本文方法进行了实验验证,并与传统差帧法进行了比较。结果显示,本文方法可在目标信噪比大于3.09点条件下识别出目标。该项研究对中高轨道目标光电监视用设备的设计和使用很有参考价值。     

Effect of shot noise and secondary emission noise in scanning electron microscope images

The effect of shot noise and emission noise due to materials that have different emission properties was simulated. Local variations in emission properties affect the overall signal‐to‐noise ratio (SNR) value of the scanning electron microscope image. In the case in which emission noise is assumed to be absent, the image SNRs for silicon and gold on a black background are identical. This is because only shot noise in the primary beam affects the SNRs, irrespective of the assumed noiseless secondary electron emission or backscattered electron emission processes. The addition of secondary emission noise degrades the SNR. Materials with higher secondary electron yield and backscattering electron yield give rise to higher SNR. For images formed from two types of material, the contrast of the image is lower. The reduction in image signal reduces the overall image SNR. As expected, large differences in δ or η give rise to higher SNR images.     

月基望远镜探测能力的地面标定

采用模拟试验在地面测试了月基望远镜(LOT)的星等探测信噪比及弥散斑能量集中度,用以验证望远镜的探测能力.与传统的通过分析CCD各项参数对噪声的影响来获得信噪比的方法不同,本文提出的方法客观、直接地通过图像信息来计算星点目标信噪比,其目标信噪比测试不确定度可优于8％.在测试弥散斑能量集中度时,通过质心算法求其弥散斑能量中心,进而提出了一种星点弥散斑高斯拟合方法来拟合弥散斑能量分布曲线.这种高斯拟合方法可使弥散斑能量集中度的测试精度提高10％.最后,通过试验测试了LOT相机星等探测信噪比及弥散斑能量集中度,验证了LOT相机+15 Mv的探测能力.     

时空过采样系统及其在点目标检测中的性能仿真

从成像探测体制出发,对过采样扫描系统的光学系统、电子学系统等模块分别进行了数学建模,并对点目标和场景图像进行了仿真实验。仿真过程中提出了一种对有限图像大量分割代替连续图像的建模思想和方法,在matlab环境中对源点目标图像和场景以及探测器扫描积分过程进行仿真,并对过采样图像进行图像融合。仿真结果给出了不同过采样倍数以及点目标位于不同相位时的信噪比变化和信噪比随积分时间增长的变化曲线。仿真结果表明,过采样探测系统融合后的图像虽然能够增大点目标在图像上的尺寸,但融合后的图像会增大高频噪声,造成检测概率降低,虚警率增大。文章最后给出了利用小孔模拟点目标成像的实验,进一步证实了仿真结果的正确性,说明时空过采样系统并不适合用于点目标检测。