1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
随着工业的不断发展,单光子激光测距凭借其探测距离远和探测灵敏度高等特点在测绘领域扮演着不可或缺的角色。本文介绍了单光子激光测距的关键技术、单光子探测器以及着重介绍了单光子激光测距技术应用领域的研究进展,并对未来单光子激光测距的发展进行了总结和展望。
成像系统 单光子测距 单光子探测器 时间相关光子计数技术 飞行时间法 雪崩二极管 激光与光电子学进展
2021, 58(10): 1011020
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
在单帧红外小目标检测中，针对图像背景复杂和目标形态多样等问题提出一种先对图像进行背景抑制，再阈值分割提取候选点，最后经过能量集中度去除残余噪点的算法。在预处理部分，考虑小目标的扩散和像平面的动态分布特征，对形态学进行改进，结合多方向滤波模板，对背景进行抑制。在阈值分割部分，提出多方向梯度阈值分割方法，计算8个方向不同步长的梯度值，统计超过阈值的梯度数量筛选目标点。实验证明，提出的检测方法能够有效解决弱小目标的弥散和多形态特征等问题。
弱小目标检测 背景抑制 软形态学 阈值分割 dim and small target detection background suppression soft morphology threshold segmentation
1 长春理工大学 光电信息学院，吉林 长春 130022
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
3 中国科学院大学，北京 100049
机载红外点目标探测系统在搭载飞机飞行中探测系统的环境参数会发生变化，导致通过传统地面标定方法获取的非均匀性校正参数的准确性有所降低，故有必要进行机上基于场景的非均匀性校正。本文提出了一种基于帧间配准的机上非均匀性校正算法，首先对图像进行预处理，滤除探测器坏点影响，然后用两帧邻近图像计算互功率谱，求出互相关函数，确定配准位移。两帧连续图像完成配准后，通过误差函数最小化来实现校正参数的更新，最后对整个图像序列进行上述迭代计算，获取最终校正参数。本文模拟了一组非均匀性场景图像序列作为实验图像序列，通过实验分析，提出了帧间图像变化（平移、旋转、缩放）对本算法校正效果的影响，然后采用两个具有代表性的算法与本文提出的算法分别对该图像序列进行处理，并从图像质量和收敛速度两方面比较算法性能。结果表明：与其他两种算法相比，本文提出的算法非均匀性校正效果较好，峰值信噪比提高了20 dB以上，结构相似性则突破了0.99。本文提出的算法虽然比较复杂，但校正参数收敛速度较快，易于在硬件平台上实现，具有一定的工程应用前景。
场景非均匀性校正 帧间配准 误差函数最小化 scene-based nonuniformity correction inter-frame registration reduced reference assessment error function minimization
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学光电学院, 北京 100049
针对红外图像中由复杂背景和目标多形态带来的单帧检测暗弱小目标比较困难的问题,提出了一种先进行阈值分割粗提取,后进行多点信噪比精检测的算法。在粗提取阶段,提出了改进的基于稳健主成分分析(RPCA)的阈值分割算法,利用邻域稀疏度均值与整幅稀疏图像均值的比值进行阈值分割,从而进一步剔除孤立噪点和背景云层边缘的杂波。在精检测阶段,提出了基于统计特性的多点恒虚警检测算法,统计候选点在邻域内每个像元的信噪比,利用虚警率门限和统计数量阈值筛选目标点,从而克服由小目标能量弥散带来的多形态特征问题。实验结果表明,所提算法在复杂背景下的探测率达到95.6%,与利用单像元和邻域像元均值计算信噪比的方法相比,虚警率分别降低了56.1%和47.1%。
图像处理 弱小目标检测 稳健主成分分析 阈值分割 恒虚警检测
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 航空光学成像与测量重点实验室，吉林 长春 130033
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。
偏振成像 偏振成像精度 纳米线栅 消光比 polarization imaging polarization error nano-wire filter extinction ratio 光学 精密工程
2018, 26(10): 2371
1 悉尼科技大学 生物医学材料及仪器研究所，澳大利亚 悉尼 2007
2 西南石油大学 机电工程学院，四川 成都 610500
单颗粒示踪（Single particle tracking，SPT）技术是应用显微镜系统对细胞内单个特定荧光或散射颗粒的定位和追踪。由于SPT能够实时监控活细胞内复杂、高度动态的组织结构的变化并提供结构—功能间的动力学关系，因此在细胞生物学上有重要的应用。本文总结了SPT的机理以及在细胞上的应用，首先介绍了SPT的动力学原理，包括单颗粒定位，轨道重建以及轨道分析，然后总结了SPT技术现阶段重点发展的光学材料及仪器，最后阐述了SPT在细胞膜、细胞内信号通路、分子转运机制、遗传信息表达以及病毒感染机制的应用。此外，本文还对SPT技术未来的发展进行了展望。
单颗粒示踪技术 细胞 动力学原理 光学材料及仪器 SPT technology cell dynamics optical materials and instruments
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130000
金属纳米线栅是像素刻划偏振相机的核心器件,线栅上刻划了与光电探测器像元一一对应的微偏振片阵列,该阵列具有较大的非均匀性,对成像质量有较大影响。基于此,根据纳米线栅的结构与偏振传输理论,建立纳米线栅像素级矢量传输矩阵的测量数学模型,并结合矩阵最小二乘法,推导出多次测量以拟合最优传输矩阵的方法,为偏振相机像素级非均匀性矫正提供了核心的矫正参数。然后,兼顾纳米线栅刻划方式,提出了高空间分辨率的矫正算法。通过矫正后,偏振相机非均匀性由原来的2.00%降低至0.26%。外景成像实验中,目标偏振度图像的信息熵由5.34提升至15.15。结果表明,所提算法可以有效矫正纳米线栅的非均匀性,提升了偏振图像质量。
成像系统 偏振相机 偏振成像 偏振非均匀性 矢量传输测距测量 纳米线栅 光学学报
2017, 37(11): 1111002
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
对复杂背景下暗弱点目标和背景杂波特性进行了分析,提出了一种基于全方位多尺度的形态学滤波和局部特征准则的点目标检测方法。实验结果表明,在复杂背景和低信噪比条件下,所提算法的目标检测概率达到99.8%,虚警率为0.1%。与最大中值滤波法、高斯差分尺度空间法、高斯混合模型法进行对比,结果表明,所提算法对复杂背景的抑制作用较好,且算法复杂度不高,易于实时实现。
探测器 遥感 暗弱点目标检测 全方位多尺度形态学 局部特征准则 能量集中度 光学学报
2017, 37(11): 1104001
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130039
2 中国科学院大学，北京 100049
针对像素级偏振相机中偏振片单元由于刻划精度和透过率的差异导致偏振片阵列的非均匀性，提出了一种带有角度约束的最小二乘超像素校正方法。建立了带有角度约束的校正优化算法的数学模型，加入了超像素的标量增益和暗补偿参数。最后，搭建了以微偏振片为核心的积分球标定系统，进行了仿真实验和成像实验。结果表明：与最小二乘法相比，本文算法在有效地校正偏振度和非均匀性的同时也校正了超像素内振幅的非均匀性，重建角度的准确度提高了10%。经过插值处理后，边缘表现更为明显，有效减少了插值过程中所产生的噪声，提升了成像质量。
像素级偏振相机 偏振成像 超像素 角度约束 非均匀性校正 凸优化 pixelated polarization camera polarization imaging super-pixel angle constraint non-uniformity calibration convex optimization 光学 精密工程
2017, 25(12): 3179
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
长波红外探测器经常被用于机载红外预警系统中, 常受严重的非均匀性噪声干扰。为了校正探测器的非均匀性, 补偿辐射响应非线性, 提出了一种基于梯度场景的非均匀性校正方法。给出了探测器辐射响应非均匀性的观测模型; 以标准黑体和梯度场景作为参考源, 在理论上推导出校正系数表达式; 利用原理样机进行了外场实验, 并探测民航客机目标。实验结果表明：与基于黑体的两点校正方法相比, 利用本文方法进行非均匀性校正后的图像, 局部标准差峰值由8.57降低到2.39; 对于相距50.64 km的空中客车A319型客机, 目标的信杂比由4.87提高到11.22。本文算法可以有效降低图像局部标准差, 适用于机载红外预警系统。
遥感 非均匀性校正 梯度场景 两点法 标定 预警
