大气湍流对航空光电侦察图像质量影响因素分析北大核心CSCD

大气湍流效应是严重影响航空光电侦察系统图像质量的重要因素之一。从大气湍流参数描述出发,研究了大气湍流对光学系统成像质量的影响机理,分析了大气湍流影响光学系统调制传递函数(modulation transfer function,MTF)的影响因素,建立了大气湍流影响光学系统成像MTF的理论模型。仿真结果表明,在大气湍流影响下,光学系统光瞳口径与大气相干直径的比值对光学系统成像MTF影响较大。通过光学系统地面外场实验图像测试对比,验证了实际光学系统受到大气湍流影响后的成像MTF理论模型。研究结果可为大气湍流影响下的航空光电侦察系统设计及提升其成像质量提供理论支持。     

航空相机像旋动态调制传递函数分析与研究

航空相机在采用旋转扫描反射镜成像过程中存在像面旋转,会导致图像模糊,成像质量下降,必须采用像旋补偿机构进行补偿。目前,通过人眼观察图像模糊程度和电机同步控制精度评价像旋补偿精度,都不能客观准确评价系统成像质量。为建立航空相机成像质量与像旋补偿系统其他指标之间的直接关系,提出基于极坐标系的动态调制传递函数(MTF),并提出基于倾斜刃边法与模糊路径法相结合的方法测量航空相机旋转像移动态MTF。设计扇形靶标旋转动态成像实验,利用旋转动态MTF和倾斜刃边法得到图像动态MTF计算值,并基于图像模糊路径测量转台转动时图像动态MTF测量值。实验结果表明,转台以20~300(°)/s匀速转动时,空间频率在旋转动态MTF到达第一个零点频率前,动态MTF计算值和测量值曲线近似重合,验证了旋转动态MTF的正确性;空间频率在小于0.7零点频率范围内,两动态MTF曲线相对误差最大值和均值分别小于6%,2%,进而证明了测量方法的准确性。     

湍流大气中激光传输对傅里叶望远镜成像质量的影响

针对傅里叶望远镜系统激光在湍流大气中传输造成的成像质量下降,分析了湍流对光束传输特性的影响,指出成像质量的下降主要来自于上行传输链路中湍流造成的光束漂移与光束扩展,从而产生光束指向误差。分析了指向误差影响成像的机理。通过数值计算得出了不同强度湍流造成整条上行链路光束指向误差,并通过系统仿真,得到了不同强度大气湍流条件下的成像结果。结果显示:在弱湍流与中湍流条件下（大气折射率结构常数小于10-14 m-2/3）,随机指向误差较小(偏移比小于0.06),复原图像有较好的识别性;在强湍流条件下,成像质量下降严重。因此系统应选择避开强湍流地理位置与时段进行工作。     

水下目标不同偏振特性对成像系统分辨率的影响

为研究具备不同偏振特性的目标对水下主动偏振成像系统分辨率的影响,设计了一套基于LED辅助照明的偏振成像实验系统。该系统在LED光源和成像设备前加入高偏振消光比的偏振光学元件,并使用两种不同表面偏振特性的目标,实现对水下环境的成像系统的特征图像获取。再利用倾斜刃边法处理实验图像,提取调制传递函数(MTF)。通过比较不同实验环境下,正交偏振成像和偏振差分成像的MTF值,得出偏振技术有助于抑制水下主动成像系统的前向散射光,提高系统整体分辨率的结论。针对不同性质的目标,应使用恰当的处理方式来获得高分辨率的图像。同时,该结论对线偏振和圆偏振照明条件皆适用。     

狭缝法测量X射线斑点大小

 应用狭缝光阑成像法测量X射线斑点大小，通过狭缝成像获得光源的线扩展函数和调制传递函数MTF，而后从MTF为0.5所对应的空间频率之值确定出光源的光斑大小。应用该方法测量得到12 MeV 直线感应加速器(LIA)X射线斑点大小为3.2 mm，及磁透镜在不同焦距下的X射线斑点大小。该项测量为12 MeV LIA电子束聚焦调试实验提供有效判据。     

一种光电系统动态调制传递函数测量方法的研究

运动条件下,光电系统在一定积分时间内的成像过程是一个动态过程。因此需要引用动态调制传递函数概念来评价运动对成像质量的影响。通过设计一套动态调制传递函数测试系统,对运动条件下动态调制传递函数的变化规律进行数据处理和理论分析。结果发现高频振动时,随着振幅的增大,对调制传递函数的影响越大,与静态条件相比MTF值下降0.01～0.1;低频振动时,随着振动频率的加强、振幅的增大或积分时间的增长,调制传递函数下降明显,与静态条件相比较MTF值相差0.01～0.5。     

基于倾斜刃边法的调制传递函数计算及图像复原

调制传递函数(MTF)是描述光学成像系统信息传递频率特性的一个关键指标。在成像系统满足线性和空间不变性的条件下,对于含有点、狭缝和边缘等不同特征的图像,可以使用相应的方法计算得到成像系统的MTF。采用了倾斜刃边法来计算得到成像系统的MTF,分析了成像器件和算法步骤对计算结果产生的影响,进行了相应的校正,提高了计算结果的准确性。运用MTF补偿(MTFC)技术,分别使用了镜头MTF的设计值、测量值和计算值对实际拍摄得到的图像进行了复原。通过对以上3种复原图进行对比,实验结果证明了MTF计算值的可靠性和用于降质图像复原时的有效性。     

正弦振动下动态调制传递函数分析与研究

振动导致航空相机成像分辨率下降,常采用动态调制传递函数(MTF)评价振动对成像质量的影响。根据线性光学系统的传递函数理论,针对任意频率的正弦振动,提出一种基于第一类贝塞尔函数的动态MTF计算方法,并以奈奎斯特频率处动态MTF不小于0.9为条件,得出低频振动的振幅容限随频率增加而减小,高频振动的振幅容限为0.2 pixel。通过对刀口靶标进行正弦振动下动态成像实验,得出理论计算结果与实验结果间相对误差小于4.25%,相比以往相关文献的分析结果,计算精度最大可提高18.5倍,因此该方法可用于预估和评价振动环境下航空相机的成像质量,对视轴稳定系统的设计具有指导意义。     

卷帘快门对数字域TDI成像的影响分析

数字域时间延迟积分(TDI)互补金属氧化物半导体(CMOS)成像以其成本低、功耗小、操作灵活等优势,近几年逐渐引起研究关注。然而CMOS传感器的卷帘快门存在运动失真,为了深入研究其对数字域TDI的影响,结合卷帘快门工作原理,建立了卷帘快门效应对数字域TDI引起的像移及调制传递函数(MTF)下降的数学模型。并结合推导模型开展了预估分析和验证实验。结果表明:卷帘快门效应会对数字域TDI算法带来较大的影响;读出时间越长像移量越大、MTF下降越严重;另外行周期越短影响也越严重,其中行周期从200 us变为100 us时,对应的数字域TDI图像MTF从0.6144下降为0.4807。     

卷帘快门对数字域TDI成像的影响分析EI北大核心CSCD

数字域时间延迟积分(TDI)互补金属氧化物半导体(CMOS)成像以其成本低、功耗小、操作灵活等优势,近几年逐渐引起研究关注。然而CMOS传感器的卷帘快门存在运动失真,为了深入研究其对数字域TDI的影响,结合卷帘快门工作原理,建立了卷帘快门效应对数字域TDI引起的像移及调制传递函数(MTF)下降的数学模型。并结合推导模型开展了预估分析和验证实验。结果表明:卷帘快门效应会对数字域TDI算法带来较大的影响;读出时间越长像移量越大、MTF下降越严重;另外行周期越短影响也越严重,其中行周期从200 us变为100 us时,对应的数字域TDI图像MTF从0.6144下降为0.4807。     

X光能点、放大倍率及针孔尺寸对空间分辨的影响

X光针孔成像是惯性约束聚变(ICF)研究中重要的诊断方法,对其点扩散函数的计算可用于图像重建和系统空间分辨的判断。对菲涅耳衍射公式进行了化简,分析了X光能点、针孔尺寸及放大倍率对针孔点扩散函数的影响。实验在保证成像能获得足够高信噪比的条件下,通过模拟获得在最佳空间分辨时所要的针孔大小、放大倍率和X光能点等参数。在流体力学不稳定性的静态样品定标实验中,通过模拟获得了针孔的调制传递函数(MTF),结合实验测量的结果反推获得分幅相机本身的MTF值。同时采用测刀边函数的方法获得了分幅相机本身的刀边函数,进而得到相机在各空间频率下的MTF值。两种方法得到的分幅相机MTF值一致,验证了通过菲涅耳衍射模拟X光针孔成像的可行性。     

强电磁干扰环境下光纤束传像系统的设计研究

为解决电磁辐射干扰环境中图像稳定传输的问题,设计并开发了具有抗强电磁干扰能力的光纤束传像系统。利用ZEMAX光学设计软件,对传像系统中前置物镜和后置目镜分别进行了设计,并根据物镜和目镜的初始像差分布情况,利用优化函数,结合各种操作数,对系统的像差进一步优化。优化结果表明,物镜各视场的光学调制传递函数（MTF）值在空间频率为38 lp/mm处大于0.85,目镜各视场的MTF值在空间频率为120 lp/mm处大于0.3,具有较高的成像质量。针对选用的物镜、目镜、光纤束及CCD的结构特点,设计并制备出系统连接的耦合器件,并搭建了一套传像系统,进行图像传输实验。对系统的成像质量以及影响因素进行分析,采用Gamma算法提高像面亮度,获得了高质量的传输图像。     

Bayer滤波型彩色相机调制传递函数测量方法

Bayer滤波型彩色相机广泛应用于航天遥感、空间对地观测、环境监测等领域.由于Bayer滤波片造成彩色相机相比黑白相机在像质方面进一步退化,如何对Bayer滤波型彩色相机成像性能全频段综合评价是目前亟待解决的问题.调制传递函数(MTF)是相机成像性能综合评价的关键指标,传统调制传递函数测量方法无法实现对Bayer滤波型彩色相机MTF全频段高精度测量.为了解决这个问题,本文提出了一种采用旋转刀口靶测量彩色相机调制传递函数的方法.理论方面,推导了Bayer滤波型彩色相机调制传递函数测量理论模型,仿真分析了刃函数采样率和刀口刃边倾斜角度误差对调制传递函数测量精度的影响,并给出了计算算法.实验方面,对彩色相机R,G,B三基色调制传递函数权重因子进行了实验定标,并搭建了基于条纹板和旋转刀口靶的彩色相机调制传递函数测量试验装置.采用旋转刀口靶法和条纹靶板法测量彩色相机MTF结果在耐奎斯特频率f_c处极差为0.061,在空间频率f_c/2处极差为0.043,试验结果验证了所提方法的有效性.     

滚边法测量高能X射线源焦斑大小

应用于高能闪光X光照相技术的X射线源焦斑大小是闪光照相装置的关键参数, 直接影响成像的分辨能力。由于高能X射线的强穿透性和强辐射环境, 给焦斑测量带来一定困难。介绍了一种间接测量方法, 采用滚边装置(rollbar)成像得到X射线源的边扩展函数, 微分后得到光源的线扩展函数并计算调制传递函数(MTF), 而后从MTF为0.5所对应的空间频率之值确定出光源的光斑大小。给出了神龙二号加速器电子束聚焦调试实验中得到的X射线焦斑测量结果, 分析影响测量结果的因素并提出了解决方法。     

高分辨率航空相机动态调制传递函数数值分析

航空振动是影响动态高分辨率航空相机成像质量的主要因素.利用"运动的概率密度函数相当于光学系统的点/线扩展函数"这一概念,采用光学传递函数的理论,并运用调制传递函数(MTF)作为评价像质的工具,得到了动态调制传递函数的一般表达式.详细分析线性运动、正弦规律变化的振动和随机振动对像质的影响,并用Matlab软件进行仿真分析.结果表明,得到的结论与其它相关文献的分析结果和理论相吻合的,而且该方法可以推广到二维运动形式下的调制传递函数分析.对振动下系统MTF 与静态情况下进行了实验比较,结果表明在相同奈奎斯特频率处下降0.3左右,与仿真结果一致.该方法可用于预估与评价航空相机和其他光电系统成像质量,该结果也可用于去卷滤波以实现图像复原.     

三次位相板编码系统的频率信噪比分析

建立了一个基于新型光学/数字成像系统（三次位相板编码系统—CPP系统）的信噪比模型.该模型主要考虑了读出噪音及散粒噪音两种探测器噪音,同时加入光学系统调制传递函数（Modulation Transfer Function,MTF）的影响,考虑不同空间频率下噪音对信号的影响,推导出频率信噪比模型.利用该模型对一个光学/数字成像系统进行信噪比分析,结果表明,利用该模型进行分析后此光学系统可达到的理论焦深扩展范围为5个波长.     

光学稀疏孔径系统的成像及其评价方法

对典型阵列结构的光学稀疏孔径系统成像特性进行了数值仿真分析,并采用基于光学实验测量的调制传递函数（MTF）完成了光学稀疏孔径系统成像实验的图像复原处理.针对复杂目标成像,为了评价光学稀疏孔径系统最终成像的整体质量,不仅考虑系统的调制传递函数指标,还提出了一种基于相关系数的成像质量客观评价方法.数值仿真结果和光学实验结果均表明,基于相关系数的成像质量客观评价方法是可行的,实验说明光学稀疏孔径系统成像质量可以达到其等效单个大孔径成像系统的成像效果.     

大孔径衍射受限光学合成孔径系统MTF中频补偿

光学合成孔径(OSA)技术能够极大地提高光学系统的空间分辨率,但是由于孔径的离散与稀疏,导致其调制传递函数(MTF)中频部分相比单一口径系统显著下降。论述OSA成像的方式和原理,分析OSA中频MTF下降的原因和原理。以填充因子为线索,分别给出大填充因子中频MTF下降和小填充因子中频MTF缺失的处理方法。对于中频MTF下降,采用图像复原的方式恢复图像中的中频信息;对于中频MTF缺失,采用两个系统分别成像再融合图像的方法补偿中频。分别分析了两种方法的可行性,给出了两种情况的Zemax仿真验证,结果表明两种方法均可行。     

色散型成像光谱仪整机成像质量研究

根据色散型成像光谱仪静态和扫描成像两种工作模式的特性,提出了通过狭缝法测试成像光谱仪系统静态的调制传递函数(modulation transfer function,MTF),通过刀口法测试系统扫描成像的MTF的完整的测试方案,并给出了测试实例。刀口法给出了系统扫描成像时沿扫描方向和垂直扫描方向的MTF;狭缝法采用虚拟狭缝代替成像光谱仪的自身狭缝测试了系统静态时的MTF,两者测试结果基本吻合。虚拟狭缝法对于其他存在狭缝的成像光谱仪系统成像质量的测试具有借鉴意义。     

折衍射混合环形孔径超薄成像光学系统设计

为了突破基底材料的选择局限性,实现成像波段范围内的高质量成像,在环形孔径超薄成像系统引入成像衍射光学元件,设计了以光学塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基底材料、焦距为35mm、有效孔径为29 mm的4次反射结构的折衍射混合环形孔径超薄成像系统。该系统倍率色差小于2.2μm,在空间频率为166lp/mm时的MTF值大于0.4,实现了高质量成像。对环形孔径成像系统分别进行了公差分析与热分析,结果表明,在空间频率为166lp/mm时,各视场的子午和弧矢衍射MTF值大于0.2,在温度0℃～40℃时,各视场的子午和弧矢MTF值大于0.28.