1 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
2 中国海洋大学三亚海洋研究所，海南 三亚 572024
为了减少由海天视场的时空不匹配引起的海表皮温测量误差，设计了循环水膜装置，结合红外热像仪，提出了一种海表皮温校正方法。在循环水膜装置中，通过水的循环流动，打破冷表皮效应，水膜的表皮温度可被测温仪精确测量。该方法使用热像仪对已知表皮温度的水膜进行测量，通过计算水膜表皮温度的真实值与测量值之差，校正热像仪对海表皮温的测量值，从而去除天空辐射对海表皮温测量的影响，得到准确的海表皮温数据。经实验验证，本文方法在降低海表皮温测量设备成本的同时，可提升天空辐射在时空多变时的测温精度。
海表皮温 循环水膜装置 红外热像仪 天空辐射 光学学报
2023, 43(24): 2412003
1 哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
2 中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081
舰船在**领域有着极其重要的地位，其尾迹对海面的温度和高度都会造成相较明显的变化，且具有持续时间长、不易消除等特点，所以模拟舰船尾迹和海面红外辐射图像可以更为直观地识别舰船目标，具有强烈的**需求。以MODTRAN软件模拟的不同背景环境下大气对8 μm～14 μm波段的透过率为数据基础，结合Cox-Munk坡度概率分布模型并考虑海浪遮挡因素建立了一种舰船尾迹红外辐射模型，模拟了不同背景环境、不同探测距离的红外尾迹图像。仿真结果表明：相同探测条件下，随着探测距离增大，舰船尾迹辐射亮度减小，但粗糙海面对红外辐射的遮挡作用显著减弱，海面舰船尾迹更易被识别；大气传输模型对红外成像结果影响较大，夏季背景辐射能量大且海面平均遮挡作用小，舰船尾迹红外成像更为清晰。
红外辐射 透过率 舰船尾迹 粗糙海面 infrared radiation transmittance ship wakes rough sea surface
1 南京信息工程大学自动化学院，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学海洋科学学院，江苏 南京 210044
海表温度（SST）是重要的海洋水文参数。对其进行精准预测在海洋相关领域中至关重要。深度学习强大的分析能力使其近年来广泛应用于SST预测中，但SST时间序列波动性和随机性的特点使其精准预测仍然具有挑战性。首先，采用变分模态分解（VMD）作为去噪模块，降低SST序列噪声对预测结果的影响。进而，为了解决深度模型在SST预测中存在的滞后现象，采用迁移学习的方法，将长短时记忆网络（LSTM）与宽度学习系统（BLS）相结合，使用LSTM作为BLS的特征映射结点，提高了预测精度。最终，提出了一种基于VMD-LSTM-BLS的SST预测模型。选取我国东海海温进行实例验证。通过与基准模型支持向量机、LSTM、门控循环单元以及现有的深度模型进行比较，证明了提出模型在SST预测中具有相对稳定、高效的优势，为SST预测的发展提供了新思路。
大气光学与海洋光学 海表温度 变分模态分解 长短时记忆网络 宽度学习系统 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0701001
美国NASA于2018年发射的ICESat-2 (The Ice, Cloud, and land Elevation Satellite-2)卫星上搭载的ATLAS （Advanced Topographic Laser Altimeter System）是目前为止全球唯一一个对地观测的星载光子计数激光雷达，具有较高的轨向空间采样率，为用遥感的方法探测海浪要素提供了可能。光子计数激光雷达用于海浪探测的前提是能够准确地提取来自海面的信号光子，并确定瞬时的海面廓线。迄今为止，用星载光子计数激光雷达探测海面形态和海浪要素的研究鲜见报道，也缺少专门针对海面信号光子的提取方法。基于海面信号光子的分布特点，文中提出了一种新的信号提取算法：首先通过直方图统计及自适应的阈值选取完成对海面回波光子的粗去噪；然后基于激光雷达光斑尺寸和海面波动特点，选取合适的搜索邻域计算信号点和噪声点密度，根据两者点密度差异对信号光子和噪声光子分类；最后用高斯函数拟合的方法进一步去除密度较大的后向散射噪声光子，最终得到来自海面反射的信号光子。利用上述算法提取了太平洋7个不同海况区域的海面信号光子和瞬时海面廓线并进一步计算出当地海浪的峰值波长和周期。将计算结果与同期欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的全球大气再分析ERA5(ECMWF Re-Analysis5)数据作对比，在不同风速、水深的海域都获得了基本一致的结果，超过半数区域的海浪周期误差在5%以内，初步证明了星载光子计数激光雷达观测成果用于海浪要素计算的可行性。
激光雷达遥感 ICESat-2/ATLAS 海面信号去噪 海浪要素计算 lidar remote sensing ICESat-2/ATLAS sea surface signal denoising calculation of ocean wave elements 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220366
江苏航运职业技术学院 航海技术学院, 江苏 南通 226010
红外夜视检测技术能加强海上预警探测系统的安全性, 但红外夜视仪所采集的海上红外图像存在大量“背景杂波”, 严重干扰弱小目标的准确检测。针对此问题,结合主动轮廓模型与插值滤波器提出一种用于海上安全系统的红外夜视弱小目标检测算法。该算法先分别采用全局主动轮廓与局部主动轮廓搜索感兴趣目标区域, 通过双层主动轮廓模型消除噪声与背景杂波对目标检测的影响。然后提出变化方向的插值滤波器沿着感兴趣区域的边缘进行滤波, 缓解弱边缘对目标真实边缘的干扰。在真实的红外夜视海上图像集上对该算法进行了实验与分析, 结果表明该算法能改善海上弱小目标的检测性能, 对提高海上航行的安全性具有积极意义。
红外夜视 预警探测系统 弱小目标检测 海面监测 噪声消除 infrared night vision early warning detection system micro target detection sea surface monitoring noise removal
红外与激光工程
2022, 51(6): 20220274
1 空军工程大学空管领航学院, 西安 710000
2 陕西省电子信息系统综合集成重点实验室, 西安 710000
针对无人机集群打击海面运动目标的时空协同问题, 提出了一种指定时间协同控制方法。将每架无人机与其邻居之间的相对运动转化为含指定末端时刻的最优跟踪器, 针对打击构型生成、打击构型保持两个含指定时间参数的控制目标, 分别设计了不同的二次代价函数, 通过龙格库塔法求解控制律, 可以驱动无人机集群在指定时刻精准地生成打击构型, 实现同时打击, 并在后续指定时段内保持打击构型, 实现持续打击。仿真实验结果证明, 无人机集群可在指定时刻生成期望的编队构型并保持期望构型, 对运动目标实现跟踪。
无人机集群 协同打击 协同控制 海面目标 UAV swarm cooperative strike cooperative control sea-surface target
针对传统海杂波中分数阶傅里叶变换(FRFT)域分形检测算法确定最优阶次困难、性能不稳定等问题, 提出改进的变换域分形的海面小目标快速检测算法。新算法利用快速估计算法快速确定目标回波在FRFT变换的最优阶次, 目标回波经FRFT变换后使得能量得到积累, 提高回波信杂比。在此基础上, 利用优化多重分形去趋势波动分析算法(IMFDFA)进行海杂波的多重分形研究。对IPIX雷达实测数据进行目标检测, 实验证明: 新算法中提出的最优阶次寻优算法性能稳定; 与传统算法分形结果对比, 新算法性能得到明显改进且更稳定, 在一定程度上有利于算法应用于检测海面小目标。
目标检测 海面小目标 快速估计算法 多重分形去趋势波动分析算法 IPIX雷达 target detection sea surface small target FRFT FRFT fast estimation algorithm multifractal detrended fluctuation analysis algori IPIX radar
1 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，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 中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
使用2017年10月、2018年1月、2018年4月和2018年7月Version 4.10星载激光雷达CALIOP Level 1B和Version 4.20 Level 2的日夜数据反演全球海面风速，选用准同步观测的Version 8.2 AMSR-2的海面风速值进行对比。在前人利用CALIOP无云数据进行海面风速反演的基础上，进一步将透明云层的数据用于风速反演，在明显增加数据量的同时，保持了相当的反演精度。探究不同的海面斜率分布模型的差异对CALIOP海面风速反演的影响，给出了夜间和日间有透明云层条件下的近似Gram-Charlier模型。结果显示，高斯模型整体的误差相对较小，但近似Gram-Charlier模型修正了偏度和峰度的影响，在较低风速（小于3 m·s-1）和较高风速（大于13 m·s-1）情况下表现更好。采用有透明云层条件下的近似Gram-Charlier模型：利用2017年10月、2018年1月、2018年4月和2018年7月的夜间数据反演的标准偏差分别为1.22，1.33，1.20，1.39 m·s-1，相关系数分别为0.92，0.91，0.92，0.90；利用日间数据反演的标准偏差分别为1.41，1.45，1.86，1.69 m·s-1，相关系数分别为0.90，0.89，0.86，0.87。
遥感 星载激光雷达 海面后向散射 海面风速 海面斜率分布 光学学报
2022, 42(18): 1828007
1 燕山大学信息科学与工程学院, 河北 秦皇岛 066000
2 燕山大学电气工程学院, 河北 秦皇岛 066000
3 河北环境工程学院信息工程系, 河北 秦皇岛 066000
随着海洋溢油问题的日益严重, 多种遥感技术被用于海面溢油监测, 其中激光诱导荧光(LIF)技术是目前被认为最有效的海面溢油探测技术之一。 Hoge等基于LIF技术提出了一种利用拉曼散射光评估薄油膜厚度的积分反演算法并广泛应用于海面溢油探测, 针对该算法存在误差较大的问题, 提出一种融合拉曼散射光和荧光信号评估海面溢油厚度的反演算法。 首先利用拉曼散射光信号反演油膜厚度, 然后利用该反演结果计算获取溢油油品的荧光特征光谱, 最后利用荧光信号反演油膜厚度。 文中推导了利用荧光信号反演油膜厚度的算法, 给出了油品荧光特征光谱的逼近算法, 并给出了利用荧光信号反演油膜厚度的误差分析。 通过实验对该方法进行了验证, 选用原油和柴油为实验油品, 以波长405 nm的激光作为激发光源, 采集波长范围为420~700 nm, 采集了海水的背景荧光和拉曼散射光信号、 实验油品2, 5, 10和20 μm等不同厚度油膜的光谱信号。 将采集数据分为训练集和测试集, 利用训练集数据采用梯度下降法获取油品的荧光特征光谱, 利用测试集数据分别采用积分拉曼法和该方法反演油膜厚度。 采用积分拉曼法, 原油不同厚度油膜反演结果的平均误差分别为12.6%, 4.6%, 4.4%和2.3%, 柴油不同厚度油膜反演结果的平均误差分别为14.0%, 7.0%, 4.2%和3.6%; 采用本文方法, 原油不同厚度油膜反演结果的平均误差分别为2.5%, 2.2%, 1.2%和1.1%, 柴油不同厚度油膜反演结果的平均误差分别为3.0%, 2.4%, 2.7%和1.6%。 实验结果表明, 2 μm油膜反演结果的误差降低最多, 原油和柴油2 μm油膜的反演结果误差分别由12.6%和14.0%降低为2.5%和3.0%, 其他厚度油膜反演结果的误差也有较大程度的降低, 油膜厚度反演结果的误差均小于3%, 采用本文算法可以有效提高油膜厚度反演结果的精度。
激光诱导荧光 荧光光谱 海面溢油 油膜厚度 梯度下降法 Laser induced fluorescence Fluorescence spectrum Oil spill on the sea surface Oil film thickness Gradient descent
