超大视场长波红外立体视觉外部参数标定及内外参数评价

在红外光谱中,大气对不同波长辐射透过率不同,透过率较高的波段范围称为大气窗口。为在大视场角范围内探测目标在长波红外光谱的辐射,弥补传统可见光相机在复杂环境下不能探测目标的缺陷,超大视场长波红外相机应运而生。相比于传统可见光相机,超大视场长波红外相机覆盖视场大,能够用于夜间、烟雾等复杂环境,具有一定穿透效果。双目超大视场长波红外立体视觉系统可用于车辆夜间辅助驾驶,军用无人化作战平台全天候信息侦察等领域。作为实现立体视觉的第一步,标定的准确性严重影响立体视觉中物体三维重建精度,因此提高标定准确性是立体视觉研究中的关键问题。标定目的是求出立体视觉成像的内部参数和外部参数,内部参数描述相机镜头成像的物像关系,外部参数表示两个相机之间的相对位置关系。但超大视场长波红外相机成像畸变严重、分辨率低、图像对比度低,对立体视觉标定造成极大困难。为准确标定超大视场长波红外立体视觉外部参数,在Scaramuzza通用相机模型基础上提出了一种基于最小二乘法的外部参数标定方法;为评价内外参数标定结果准确性,以常用单目角点重投影误差评价内部参数为基础,引入外部参数,提出一种双目角点重投影误差评价方法。为验证方法有效性和准确性,使用主动红外辐射标定板生成角点,分别采用视场角(FOV)为180°和210°的两组双目超大视场长波红外相机,在不同位置上进行标定实验。实验结果显示,常用的Bouguet方法双目平均重投影误差(BMRE)在0.782～0.943 pixels,而基于最小二乘法方法BMRE处于0.620～0.754 pixels,实验数据表明该方法有效降低了双目角点重投影误差,提高了外部参数标定准确性。此外,评价方法操作简便、客观准确,避免在评价过程中对物点三维重建从而引入额外误差,并且不需要高精度三维坐标测量设备。     

单视点红外折反射全向成像系统参数设计

提出了单视点约束红外折反射全向成像系统单次成像实现全视场(FOV)清晰的一种参数设计优化方法。根据应用需求设计出符合单视点约束的初始系统参数;提出镜面虚景深的概念优化折射光学组参数。利用ZEMAX软件的理想系统仿真验证了所提出的设计方法实现系统全视场清晰成像的可行性,并且该设计方法能同时满足视场范围和轴向尺寸等方面的要求。从仿真结果还可知,大口径反射镜镜面有利于提高光学系统成像质量,而增大曲面离心率有利于减小系统轴向尺寸。     

超大视场红外告警系统的成像特点分析

为了设计出适用于超大视场红外鱼眼告警系统的有效算法,对超大视场红外鱼眼告警系统所拍摄的红外图像进行分析,结果发现:超大视场红外图像中目标只表现为一个点,红外图像的背景非常复杂;对于天空背景,随着仰角的增大,其辐射亮度逐渐变小,目标的运动轨迹被弯曲,并随视场角的增大其弯曲程度越甚。从红外鱼眼镜头的设计理论出发,对系统的像面照度进行了分析,并采用美国光电工业公司的CDS100-04型黑体作为标准辐射源对分析结果进行了实验验证,结果表明:不同位置处灰度值的相对标准偏差仅为2.26%,说明该系统的像面照度是均匀的;最后,对系统的作用距离进行了分析,其作用距离约为9.6 km,基本满足实际需要。     

基于帕尔贴效应的双波段自适应标定板设计

为精确标定可见光和红外双波段相机系统,减少标定板数量并增加对相机响应波段的适应性,设计了一种基于帕尔贴效应的双波段自适应标定板,以解决以往大尺寸标定板制造困难的问题.通过控制电路中的电流产生不同强度的红外辐射,实现对相机系统响应波段的自适应.从双目超大视场长波红外相机拍摄的图像中可以看出,该标定板标定角点数量多,能够满足超大视场需求;标定角点清晰,对比度高;红外辐射均匀性、稳定性好.性能测试结果表明,标定角点重投影误差达到亚像素级别,标定参数误差均在1%以内,畸变校正效果好.     

轻型车载大口径光电跟测系统光学设计

设计了一套能实现机动式布站的大口径车载可见光、红外、激光光电跟踪测量光学系统。其主光学系统采用共口径光谱分光方式工作,系统有效口径1.2m,各成像通道成像质量均达到衍射极限;捕获电视系统采用连续变焦距光学系统,视场范围0.31°～4.57°;激光测距通道设计作用距离达20km。光学设计结果表明,此套光学系统能够用于空中和空间目标的运动轨迹、成像测量和实况景象记录。     

具有变视场性能的中红外光谱系统设计与研究

为了用同一设备对目标在中红外光谱段同时实现跟踪和捕获,针对像元尺寸为15μm×15μm的新型大面阵640×512红外探测器,设计了一套大面阵中红外光谱变视场探测成像系统,系统光谱范围为3.7~4.8μm,F数为4.0,窄视场为0.45°,宽视场为0.90°,通过利用机械机构在窄视场结构中切入两片透镜实现宽视场结构,应用二次成像技术不仅有效减小了前固定组透镜口径,而且实现了100%冷光阑匹配,减小了进入红外探测器的杂光。该系统仅采用了锗和硅两种常用的红外材料,为了有效校正系统的轴外像差和高级像差,并保证变视场系统两种结构的齐焦性,系统应用了非球面技术。设计结果表明,奈奎斯特频率33lp·mm-1处,系统的窄视场和宽视场的传递函数值均优于0.2,所有视场畸变均小于0.5%,具有优良的成像性能。在极端温度-35~55℃范围时,该大面阵中红外光谱变视场探测成像系统窄视场结构和宽视场结构的成像质量变化不大,满足使用要求。     

硫系玻璃在无热化长波红外广角镜头中的应用

设计了一种工作波段为8~12μm、有效焦距为5mm、F数为2、视场角为110°的无热化长波红外广角镜头.根据红外无热化光学设计的基本原理,用了常规红外材料硫化锌、硒化锌和硫系玻璃材料制备的六片镜片,通过合理地分配各个镜片的光焦度以及相互间空气间隔等参量,在全视场角为110°的范围内实现接近衍射极限的成像效果.为了更好地控制系统像差,设计利用了硫系玻璃易于精密模压制备非球面的优点,在两片硫系玻璃镜片上设计了3处非球面.设计结果显示:系统在-40℃~60℃的温度范围内均可实现品质良好的红外成像,光学调制函数全视场内均大于0.4,同时在110°视场角时畸变控制在5%以下;实现了在较大视场角条件下控制红外广角镜头的畸变以及系统无热化等设计要求.该系统体积紧凑、质量较轻,整体设计符合民用红外车载镜头的使用要求.     

宽视场成像光谱仪前置远心离轴三反光学系统设计

为了满足宽视场成像光谱仪发展的需求,研究了远心、宽视场和大相对孔径的离轴三反系统的光学设计问题,推导出平像场远心三反系统初始结构尺寸参数和三级像差表达式.针对光谱范围0.4～2.5μm、F数为4、有效焦距720 mm和视场10°的设计要求,采用视场角离轴的方法,设计出次镜为凸球面镜、主镜和三镜共面且都为凹二次曲面镜以及...     

基于全景环带立体成像系统的深度信息估计

提出了一种基于全景环形透镜(PAL)的全景环带立体成像系统的立体信息提取方法。该成像系统由两组共轴PAL单元构成,其成像圆为两内外相接的圆环,能够实时提取360°水平视场角物体的立体信息。基于该系统的成像原理,针对非单视点成像系统特点建立相机模型对系统进行标定,并验证了标定结果。将尺度不变特征变换(SIFT)算法应用到对应点匹配上,充分利用本系统的共线约束来提高匹配的速度和准确度。应用三角测量原理从捕获的图像中提取有效深度信息。进行立体信息提取实验,给出了结果和误差分析。该系统能有效获取场景深度信息,3m距离范围误差率在±5.2%内,证明了该系统的可行性。     

恒等探测距离折反射式周视红外成像系统设计及分析

折反射式周视红外成像系统在安全监视领域有着独特的大视场优势,但是目前常见的圆锥曲面反射镜折反射式周视系统存在不同俯仰角下探测距离差异大的问题。折反射式周视红外成像系统的探测距离与目标尺度、任务准则、俯仰角和方位角分辨力有关。将俯仰角分辨力和方位角分辨力的几何平均数设为常数,以此作为恒等探测距离折反射式周视系统的条件,并推导了相应的系统设计方法。数据仿真结果验证了恒等探测距离系统的可实现性,另外,也表明了所提方法不仅可以实现不同俯仰角下的相同探测距离,还可以通过合理的参数调节使得大部分视场范围内的探测距离优于传统圆锥曲面型折反射式周视系统的探测距离。     

可见近红外波段无人机载成像光谱仪设计

为了满足地物成像光谱分析的需要,设计了同轴安装、体积小、重量轻的适用于无人机载的棱镜-光栅-棱镜型可见近红外成像光谱仪.通过角放大率选择、光焦度分配、相对孔径计算设计了视场较大的前置物镜;通过光栅方程求解、体相位全息光栅布拉格条件约束、棱镜折射定律设计了光谱系统的初始结构;通过工作光谱上下限出射角与探测器光谱维宽度的关系确定了成像物镜的焦距;通过出射光角度明确了出射光谱的非线性.设计的无人机载成像光谱仪工作光谱范围为400~1 000nm,视场角为40°,全工作波段在空间截止频率20.8lp/mm处的传递函数值均大于0.67,光谱分辨率小于3nm.装调了无人机载成像光谱仪对室外绿化树木进行光谱推扫成像实验,实现了树叶的多光谱成像.该成像光谱仪能够有效实现光谱成像,性能良好.     

基于非制冷红外探测技术的军用车辆驾驶员视觉增强系统研究

为了提升军用车辆驾驶员环境感知能力,特别是在夜晚或烟、雾、雨、雪等不同天候条件下提供更有效的观察手段,增加远距离目标识别能力,提高驾驶安全性,作战部队对军用车辆驾驶员视觉增强系统提出了高效、灵活、精确的新要求。基于非制冷红外探测技术的军用车辆驾驶员视觉增强系统作为一类能够有效支持部队全天时、全天候作战的装备, 既增强了车辆夜间隐蔽通行能力,又有效保障了机械化部队的全天候机动能力。通过研究非制冷红外探测技术成像原理,设计出一款模块化、体积小、功耗低、可靠性高的军用车辆驾驶员视觉增强系统,有利于满足日益增长的陆军装备需求。其功能模块包括:红外探测器模块、信号处理模块、图像处理模块、电子稳像模块、行人识别模块、录像模块、控制模块、显示模块,各功能模块相对独立。     

基于红外探测技术的汽车夜视系统研究

为了保证夜间及恶劣环境行车安全,提高驾驶员对前方目标识别的准确度,提出一种基于近红外成像技术的汽车夜视系统,该系统采用主动式近红外探测技术的车载夜视仪。系统主要由前端红外发射单元、红外线成像单元和图像显示单元组成。现场试验夜视系统识别漏检率为1.3%。实验结果表明传统车灯所辐射的大部分红外成分对夜间照明是无用的,可见光能效较低,而基于红外图像处理的汽车夜视系统能够有效地保证汽车安全驾驶。     

一种工作于长波红外波段的40×成像物镜设计

为了同时满足热成像领域高分辨率与大探测范围的应用需求,基于机械正组补偿变焦理论,以一款长焦物镜为原型并采用浮动光阑结构,设计了一款高分辨率、高倍率的长波红外成像系统.系统的F数为1.2,变倍比为40×,焦距变化范围为5.86 mm～234.76 mm,无热化温度范围为-40℃～60℃,适配像元尺寸为12μm的长波红外焦...     

基于红外图像形心优化提取的汽车夜视安全系统

为了提高汽车夜间行驶安全性能,设计并实现了一套基于红外图像处理的夜视安全系统。使用被动式红外相机对车辆和行人进行红外成像以得到车辆前方行人和车辆的准确位置;测距必须确定对象的形心,对红外图像的灰度值进行判定区分行人和车辆,对行人使用中值空域滤波方法进行降噪,对车辆使用db4小波进行预处理,然后使用基于图像边缘的图像分割方法进行图像分割,使用最大类间方差评估确定分割结果,再进行区域提取得到形心坐标;使用小孔成像模型计算形心与本车的距离,提取本车速度、加速度参数计算理论碰撞时间,当理论碰撞时间小于时间阈值时进行声光告警,从而实现实时预警。系统使用DIR-384-P红外相机,系统算法使用PFGA实现,测试结果表明,经过标校和加固后,系统与目标存在5米距离时,车辆测距的误差率达到2.74%,行人测距的误差率低于3.9%,具有一定的实际应用价值。     

Analysis of the restricting factors of laser countermeasure active detection technology

The detection effect of laser active detection system is affected by various kinds of factors. In view of the application requirement of laser active detection, the influence factors for laser active detection are analyzed. The mathematical model of cat eye target detection distance has been built, influence of the parameters of laser detection system and the environment on detection range and the detection efficiency are analyzed. Various parameters constraint detection performance is simulated. The results show that the discovery distance of laser active detection is affected by the laser divergence angle, the incident angle and the visibility of the atmosphere. For a given detection range, the laser divergence angle and the detection efficiency are mutually restricted. Therefore, in view of specific application environment, it is necessary to select appropriate laser detection parameters to achieve optimal detection effect.     

扫描近场红外显微镜近场距离控制系统的改进

针尖 样品的距离控制系统是扫描近场红外显微镜的重要组成部分。切变力探测作为一种重要的近场距离控制手段而得到了广泛的应用。介绍了一种对切变力探测系统的改进方法 ,它可以有效地提高石英晶振音叉的品质因数 ,进而提高探测系统对切变力感应的灵敏度。给出了理论分析和实验验证结果     

基于红外被动探测遥传的地面遥感侦察

利用被动的红外探测方式，通过无线电扩展红外系统的作用距离，提供了一种地面侦察的手段．实验证明，该系统精确度高，实用性强，并可作为大学物理演示实验．     

飞艇红外探测系统探测高超声速目标性能研究

以X-51A为例,研究了飞艇红外探测系统对临近空间高超声速目标的探测性能。首先,根据飞行器的飞行状态和飞行高度建立了临近空间高超声速目标不同波段的红外辐射特性模型,以及随高度变化的目标背景红外辐射强度模型;其次,综合考虑飞行器与飞艇高度、地球曲率及红外辐射在大气中传播的波段选择性等因素,建立了红外辐射在临近空间大气中传播的透过率模型;在此基础上,建立了飞艇红外探测系统对高超声速目标的探测距离模型。通过仿真得到了临近空间高超声速目标在不同飞行状态下3个波段的红外辐射强度随目标飞行高度变化的曲线,以及飞艇红外探测系统对飞行器在不同飞行状态下3个红外辐射波段的探测能力。研究结果表明:飞艇红外探测系统对高超声速目标的有效探测距离可以达到百公里量级;当飞行器飞行状态一定时,随着飞行器飞行高度的增加,系统对目标的探测距离先增大后减小;与长波波段相比,中短波波段的探测距离更大,并给出了临近空间飞艇应尽量布置在海拔高度大于18 km的高空中的部署建议。     

基于改进YOLOv3网络的无人车夜间环境感知

环境感知是无人车夜间行驶中的一项关键任务，提出一种改进的YOLOv3网络，以实现夜间对无人车获取的红外图像中行人、车辆的检测，将判断周边车辆的行驶方向问题转化为预测车辆位置的角度大小问题，并与深度估计信息进行融合对周边车辆行驶的距离和速度作出判断，从而实现夜间无人车对周边车辆行驶意图的感知。该网络具有端到端的优点，能实现整张图像作为网络的输入，直接在输出层回归检测目标的边界框位置、所属的类别和车辆的角度预测结果，并和深度估计信息融合得到周边车辆的距离和速度信息。实验结果表明，使用改进的YOLOv3网络对夜间无人车获取的红外图像进行目标检测的时间为0.04 s/帧，角度和速度预测效果较好，准确性和实时性达到了实际应用要求。