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
风云三号E星（FY-3E）搭载的高光谱大气探测仪（HIRAS-II）能够实现大气的垂直探测，具有高光谱、高灵敏度、高精度的特点。仪器在轨之后由于仪器衰减和环境变化的原因产生非线性响应，影响在轨定标精度。针对非线性响应的问题，提出了一种基于带内光谱的非线性校正方法。首先基于带外低频光谱的非线性特征求解非线性校正系数，将此系数作为初值输入到辐射定标模型中，以星上测量的黑体带内光谱与理想光谱的偏差为目标函数，通过迭代优化非线性校正系数。通过辐射定标实验得出，校正后的黑体亮温偏差明显低于未校正和基于带外光谱的校正方法。将HIRAS-II的观测数据与IASI进行交叉比对并计算平均亮温偏差和偏差绝对值，经过带内校正法非线性校正后的亮温平均偏差为-0.13K，优于带外校正方法。
HIRAS-II 非线性校正 在轨定标 带内光谱 HIRAS-II nonlinearity correction on-orbit calibration in-band spectrum
1 中国科学院大学，北京 100049
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
北极航道海冰运动的准确预测对于保证航行安全、评估航道可通行性和动态修正航线具有重要的指导意义。传统的光流法无法满足海冰运动预测任务中“时空预测+语义分割”的要求。为此，基于MERSI-Ⅱ影像制作了海冰运动数据集SeaiceMoving，提出了一种基于Multiloss-SAM-ConvLSTM的海冰运动预测算法，该算法在SAM-ConvLSTM的基础上引入加权的FDWloss，强化了各节点空间语义的获取。针对样本分布不平衡，讨论了后端分割阈值的偏移效应，通过网格搜索确定最佳分割阈值，提高了海冰整体预测结果。实验结果表明，该方法的Kappa系数为0.75，IOU为0.61，Dice系数为0.76，相较于SAM-ConvLSTM，分别提高了0.1、0.12和0.1，对运动后海冰的位置预测和形状提取能力均有提升，减少了海冰“黏连”的情况。此外，该算法对薄云干扰下的海冰运动依然具备良好的预测能力，可以为北极航线的动态规划和航线修正提供较为准确的技术支撑。
北极航道 风云三号卫星 独立海冰 Multiloss-SAM-ConvLSTM 运动预测 Arctic route FY-3 satellite independent sea ice Multiloss-SAM-ConvLSTM motion prediction
1 中国科学院大学，北京 100049
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
基于风云三号卫星MERSI-Ⅱ影像的特性，提出了一种基于U-ASPP-Net的独立海冰分割算法，该算法在U-Net的基础上引入了空洞空间金字塔池化模块和空洞深度可分离卷积，构建了新型独立海冰分割网络U-ASPP-Net，并在网络后端将FDWloss作为损失函数，最后利用重叠消边策略生成最终的独立海冰分割图。为验证U-ASPP-Net的准确性与有效性，选取U-Net、Deeplab v3+和分区梯度差分与双峰阈值分割法作为对照方法进行实验，实验结果表明，基于U-ASPP-Net的独立海冰精细化分割方法在OA、Kappa系数、IOU、Dice系数四种指标上均优于其他方法，对细节与边缘的提取能力较强，对极小块海冰的还原度较高。此外，算法在一定程度上能够解决基于中分辨率遥感影像提取独立海冰时无法解决的薄云干扰问题，对薄云下的海冰依然具有良好的提取能力，能够为北极航线的动态规划提供较为准确的技术支持。
北极航线 风云三号卫星 独立海冰 U-ASPP-Net 精细化分割 arctic route FY-3 satellite independent sea ice U-ASPP-Net refined segmentation
1 中国科学院上海技术物理研究所红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
2 国家卫星气象中心，北京 100081
3 中国科学院大学，北京 100049
云污染容易造成星基红外高光谱观测精度下降，导致大量观测信息损失。针对有云情况下的干涉式大气垂直探测仪（FY-4A/GIIRS）的观测数据，提出一种云上温度廓线反演方法。利用辐射传输模型分别开展晴空和有云情况下的观测亮温模拟实验，统计分析不同通道的模拟亮温变化特征，根据云顶气压确定通道优选方案，通过神经网络算法实现云上的温度廓线反演，温度廓线反演的精度评估采用ERA5再分析数据作为参照标准。实验结果表明均方根误差（RMSE）整体优于1.5 K，反演的温度廓线具有较高的精度，有效地提高了FY-4A/GIIRS在云污染情况下的观测资料使用率。
大气光学 风云四号气象卫星 干涉式大气垂直探测仪 云污染 温度廓线 大气遥感 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1701002
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
红外遥感图像受限于红外衍射极限,其分辨率普遍较低,这为红外目标的精准检测和识别带来了困难。针对此问题,提出基于深度学习的红外目标超分辨率目标识别(SROD)算法,该算法主要包括两部分:第一部分是利用WDSR(Wide Activation for Efficient and Accurate Image Super-Resolution)对红外遥感图像进行超分辨率重建,将模拟传感器下采样方式处理的红外图像作为训练集。第二部分是基于Faster RCNN的目标检测,提出多尺度特征传递网络结构,将低层特征输入区域候选网络 (RPN)层,降低了弱小目标像素被简化的概率,并利用可调节非极大值抑制方法,减少了对密集目标检测框的抑制作用。将该算法应用于整幅红外遥感图像,与相同训练集的Faster RCNN相比,目标检测的准确率提升了5.33%,召回率提升了12.22%,特别是小目标的召回率提升了13.25%。
图像处理 深度学习 超分辨率 目标检测 红外遥感 激光与光电子学进展
2021, 58(16): 1610015
光纤定位技术是多目标光纤光谱望远镜中的关键技术，光纤定位精度是影响望远镜观测效率的重要因素，随着光谱巡天项目的开展，光纤定位单元的小型化、高密度化、集成化和高精度定位要求成为普遍趋势，这对光纤定位系统提出了更高技术要求和挑战。光纤定位技术也期望实现高精度的实时监测和反馈系统，形成有效的闭环控制。基于此提出了一种中心开孔型四象限探测器光纤定位技术，并利用二维高斯模型对中心开孔型四象限探测器定位算法进行了设计，该算法对单元光斑束腰单次标定，可实现高精度的多次实时光斑位置确定和光纤位置调整。利用光纤光谱仪望远镜原理搭建了模拟实验对此装置和算法的性能进行了模拟，应用此闭环控制方法，在四象限探测器零点偏置直径为4 mm、光纤截面积达到1 000 μm2情况下，绝对定位误差可以控制在6 μm之内，相对误差可控制在0.15%范围内，可以有效提高望远镜星象和光纤的耦合效率。
光纤定位 四象限探测器 天文观测 fiber positioning four-quadrant detector astronomy observation 红外与激光工程
2020, 49(6): 20190466
1 Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Science , Shanghai200083, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing100049, China
3 CAS Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technology, Shanghai Institute of Technical Physics, Shanghai20008, China
由于红外光学衍射限和红外探测器的局限,得到的红外图像噪声相对偏大,分辨率偏低。对红外图像进行超分辨率重建可以提高图像分辨率，但同时又会增强背景噪声。针对此问题，提出了基于稀疏编码的红外显著区域超分重建算法，将超分重建和显著度检测相结合，可以提高目标分辨率并降低背景噪声。首先采用双层卷积提取图像特征，并自适应选择图像信息熵较大的图像块用于训练联合字典。然后利用稀疏特征计算显著度获取显著区域，再将显著区域用训练好的字典进行超分辨重建，与目标无关的背景区域采用高斯滤波。实验结果显示改进的重建算法在同等条件下重建效果优于重建模型ScSR和SRCNN，图像信噪比提高3~4倍。
红外图像 显著度检测 稀疏编码 稀疏特征 infrared image saliency detection sparse coding sparse features
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
3 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
相比于使用DFB边发射激光器，采用VCSEL激光器作为检测光源的TDLAS激光气体检测系统，具有功耗低的优点。针对低功率下的TDLAS气体检测信号特点，结合VCSEL激光光源调制特性，自主开发了VCSEL激光器驱动模块、信号采集及处理模块，采用波长调制光谱(WMS)技术研制出了一套低功率甲烷(CH4)气体检测系统。选择了1653.7 nm附近CH4分子的吸收峰作为吸收谱线，采用锁相放大器提取二次谐波(2f)信号。实验研究了不同浓度的CH4检测的响应情况，记录2f信号的峰峰值并进行线性拟合，线性度为0.999 8。该检测系统在50 ~ 500 ppmv范围内，检测精度优于10%，检测下限为10 ppmv。对250 ppmv的CH4持续检测10 h，数值波动小于±2.4%。引入Allan偏差分析，初始积分时间为1 s时，Allan偏差为9.9 ppmv；积分时间达到359 s时，Allan偏差为0.06 ppmv，表征了系统良好的稳定度。
VCSEL激光器 低功率 甲烷浓度检测 VCSEL laser low power TDLAS TDLAS WMS WMS methane concentration detection 红外与激光工程
2020, 49(4): 0405002
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所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
4 中国科学院嘉兴光电工程中心, 浙江 嘉兴 314022
针对人的脸部特征复杂、细节纹理丰富,获取高精度人脸三维模型成本高、工作量大的问题,提出基于梯度光图像的高精度三维人脸重建算法。利用球形灯光装置建立6种不同的光照模式,并利用偏振光特性对镜面反射光和漫反射光进行分离;利用单向梯度光图像,并基于双向反射分布函数(BRDF)得到反射光方向与法线方向的关系,通过计算获取镜面反射和漫反射法线图;将增强后的镜面反射和漫反射法线图进行融合,并映射到低精度模型上,可以重建出高精度的三维人脸模型。实验结果表明,本文方法计算复杂度低,重建精度高,窗口大小为7×7的高通滤波增强的镜面反射图和漫反射法线图以2∶1的比例融合之后,重建的效果最佳,模型能精细到微尺度级。
图像处理 三维重建 梯度光 双向反射分布函数 法线贴图
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
针对红外舰船小目标图像复杂背景弱信号，虚警率较高且难以被精确检测的问题，提出了一种恒虚警率(Constant False-Alarm Rate，CFAR)-全连接条件随机场(Dense Conditional Random Fields，DCRF)舰船目标检测算法.该算法针对小目标与虚警信号变化特征相似但结构特征不同的特点,利用CRF的多维上下文(空间、辐射)表达的优势，实现虚警特征抑制，并引入CFAR对模型进行改进，提高了DCRF对于弱信号目标的检出能力,实现舰船小目标的精确检测与分割.实验结果表明，该算法能够充分利用海域的全局上下文信息，能够在保持较高检出率同时，有效降低虚警率，实现单帧端到端的小目标检测.
遥感 全连接条件随机场 红外小目标 恒虚警率 remote sensing dense conditional random fields infrared dim target constant false-alarm rate (CFAR) 红外与毫米波学报
2019, 38(4): 04520
