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。     

红外全景扫描跟踪成像系统设计与实现

针对红外搜索跟踪系统中全范围快速搜索和跟踪成像视场不同的问题,采用线列探测器配合高速转台和高均匀性扫描器,设计实现了一种360全方位搜索和跟踪的成像系统。实验结果表明,该系统成功实现了360全景扫描,在搜索到目标后可快速转入跟踪成像,由搜索转入跟踪成像状态的稳定时间小于1.94 s,系统性能指标达到实用要求。     

切换变倍光学系统设计

切换变倍光学系统能实现系统两档/多档变倍,根据切换变倍光学系统特性,完成切换组元焦距与系统组元间隔、焦距、F数和系统变倍比之间关系理论研究,在窄视场子系统中旋转切入"负-正"搭配透镜组实现宽视场(短焦)子系统,同时要求该窄视场时,视场变换透镜组元不挡光。通过设计中波切换变倍光学系统实例,验证了所推导出的公式的可靠性。切换变倍系统能实现系统两档/三档变倍,且视场间切换时间快,窄视场子系统系统片数少、系统作用距离远,符合系统搜索跟踪一体化需求。     

滤光片式双视场成像光谱仪光学系统设计

为了满足机载搜索与跟踪系统的实际使用要求,根据变焦系统的基本理论和成像光谱系统的特点,设计一个滤光片式双视场成像光谱仪光学系统实例。系统采用1/3英寸CCD接收,像元尺寸为6.0 m6.0 m。通过高斯法分析与求解得到初始结构,使用Zemax软件对其优化,实现0.45 m～0.7 m/0.6 m～0.95 m双波段清晰成像,通过轴向移动变倍组完成139.75/32.25双视场转换,在视场切换过程中,F数为5.6且恒定不变。设计结果表明:在各谱段下系统宽视场畸变3.5%,窄视场畸变0.2%,探测器的Nyquist频率50 lp/mm处光学传递函数的峰值均大于0.5,系统的最小后截距大于35 mm,用以安装滤光片轮,满足装配要求。     

曲面相机阵列多分辨成像方法

针对现有成像系统因数据冗余而无法兼顾大视场、高分辨、高效性的问题,结合人眼视网膜变分辨成像和并列式复眼成像原理,设计一种多分辨率成像的复合仿生成像系统.该成像系统按照球面和平面兼顾的曲面布局方式,利用11个相机镜头构建相机阵列,组成了四个等级分辨率的子眼拍摄模块.通过物距100 m的远景实验和物距10 m的近景实验发现,该系统在实现高分辨成像的同时,获得总视场达150.8°×37.8°.多分辨率成像实验结果表明,该系统获取的图像的分辨率从中心视场到边缘视场逐渐降低,并且相较于中心清晰全视场成像,四级分辨率成像的拼接图像数据量减少了17.2倍的数据冗余.     

基于波前相位调制的宽视场光片显微镜研究

为解决光片显微镜成像视场范围小的问题,通过光束波前相位调制与图像拼接技术实现了光片显微镜对样本的宽视场成像。数值模拟了照明光束在波前相位调制后物镜聚焦面处的光强分布。搭建了光片显微镜光路系统,并对荧光微球、菊花花粉进行成像实验。采用片状照明光束对不同聚焦位置处的样本进行成像,再将图像进行剪裁、拼接得到宽视场成像结果。实验结果表明,488nm激发光通过数值孔径为0.3的物镜照明样本成像,可在保持光片厚度为0.81μm的情况下达到31.93μm的成像视场,视场扩展到原视场的3倍以上。仿真和实验表明,采用光束波前相位调制与图像拼接技术可在不损失层切能力的前提下扩展光片显微镜的成像视场。     

扫描成像跟踪激光雷达

设计了一种基于激光图像跟踪的激光雷达系统来实现目标的跟踪测量。该系统通过激光光束二维扫描,形成包含距离和角度信息的三维图像,由测量视场内运动目标的几何中心与视场中心的角度偏差获得脱靶量,利用脱靶量驱动伺服机构使目标几何中心处于雷达扫描视场中心,从而实现目标的实时跟踪,并输出目标距离和角度信息。实测结果表明：采用设计的激光雷达系统对距离900 m的目标进行测量,测距精度优于0.25 m,角跟踪精度优于0.07°,角跟踪能力优于1.2（°）/s,实现了快速捕获目标、高精度跟踪测量和系统小型化等既定目标。     

非制冷长波红外热像仪折衍混合双视场光学系统设计

根据衍射光学元件具有大的负向色散特性,将衍射光学元件应用于红外双视场光学系统中,根据傅里叶光学分析衍射光学元件(DOE)的消色差,列表对比折射透镜与衍射光学透镜的特性,并给出变倍比为4∶1可用作非制冷红外热像仪的光学系统的具体设计实例.系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入2片透镜实现宽视场,通过引入二元面和非球面提高了成像质量.设计结果表明:在空间频率11 lp/mm处,短焦距40 mm时,各个视场的MTF值均大于0.6;长焦距160 mm时,各个视场的MTF值均大于0.7,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

无人机载型曲面仿生复眼成像测速系统

基于仿生复眼的视觉优势,将曲面仿生复眼结构应用于无人机载光电探测系统,实现机载宽视场高分辨运动目标探测。根据生物复眼的结构形态,设计了六边形排列的曲面透镜阵列作为曲面仿生复眼,辅以光学中继转像子系统和CMOS图像传感器,构成曲面仿生复眼成像测速系统。该系统的成像视场可达98°×98°,系统焦距为5 mm,角分辨率为1.8 mrad,F数为3.5,系统体积为Ф123 mm×195 mm,重量为1.35 kg。根据仿生复眼的成像原理,利用仿生复眼成像系统中相邻小眼存在的视场重叠优势,提出了曲面仿生复眼的测速原理,使得多个小眼能够同时探测场景中的同一个目标。运动汽车的测速实验表明该测速方法能够有效提高运动目标测试的可靠性和准确性。     

机载多尺度广域高分辨率成像系统设计

针对机载光电成像系统的大视场高分辨率成像需求,设计一种基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率光学成像系统,该光学系统包括大尺度共心球透镜和小尺度次级相机阵列,具有结构紧凑的优点。根据共心球透镜所具有的球差和色差特性,并结合小尺度相机对像差进行进一步校正以分割视场,可以实现大视场高分辨率成像。全系统在受力以及高、低温的条件下进行实验,实验结果表明该成像系统具有良好的稳定性,且全视场范围内的调制传递函数值恒接近于系统的衍射极限,弥散斑半径的方均根值小于探测器的像元尺寸,说明该系统的成像效果良好。所提系统可以有效解决传统机载成像系统难以同时满足大视场和高分辨率的问题,为光学成像系统设计提供一种新思路。     

车载光电系统电视摄像机光学系统设计及杂散光分析

设计了一款双视场电视摄像机,小视场用于对目标的跟踪,大视场用于捕获和观察目标,两视场光学系统的传递函数MTF在50 lp/mm频率处均大于0.6,点列斑直径均小于像元尺寸5.5 μm,畸变均小于0.1%。两视场共用一个面阵CCD成像器件,通过分光棱镜分光。由于在该光学系统中分光棱镜表面反射会产生杂散光,形成鬼像。因此,利用LightTools软件对系统进行了杂散光的仿真分析。分析结果表明:大视场的半视场角在5.7°～7.6°之间和小视场的半视场角在2.6°～3.5°之间的入射光线被分光棱镜下表面反射后,以及小视场的半视场角在-2.7°～-3.5°之间的入射光线被分光棱镜后表面反射后, 变成杂散光,聚焦到像面, 形成鬼像,采用在分光棱镜后方设置消杂光光栏的方法来抑制杂散光。验证结果表明,仿真分析准确,提出的消杂光措施有效。     

混合仿生鱼眼-复眼的广角高清成像系统

基于多尺度成像理论,采用混合仿生鱼眼-复眼结构,实现了大视场兼具高分辨率的光学成像系统设计。前级物镜系统为大直径球透镜,收集广角目标光线并成像到与球透镜同心的球面中继像面上;次级目镜系统是关于球透镜中心球对称的小口径透镜组阵列,对中继像进行像差校正并成像到探测器阵列上。对比了物镜采用双层同心球和单个球透镜的成像性能,后者可获得更优的成像性能且避免了双胶合球透镜带来的公差控制及力学与热稳定性问题。整个成像系统的视场大于100°,全视场内角分辨率优于10″,而畸变小于5%;系统具有大景深特点,不需调焦即可同时对300 m到无穷远目标清晰成像,可广泛应用于侦查监控等领域。     

A high precision phase reconstruction algorithm for multi-laser guide stars adaptive optics

Adaptive optics(AO) systems are widespread and considered as an essential part of any large aperture telescope for obtaining a high resolution imaging at present.To enlarge the imaging field of view(FOV),multi-laser guide stars(LGSs) are currently being investigated and used for the large aperture optical telescopes.LGS measurement is necessary and pivotal to obtain the cumulative phase distortion along a target in the multi-LGSs AO system.We propose a high precision phase reconstruction algorithm to estimate the phase for a target with an uncertain turbulence profile based on the interpolation.By comparing with the conventional average method,the proposed method reduces the root mean square(RMS) error from 130 nm to 85 nm with a 30% reduction for narrow FOV.We confirm that such phase reconstruction algorithm is validated for both narrow field AO and wide field AO.     

光场多光谱相机像方远心镜头光学设计

光场多光谱成像技术具有能够同时获取目标二维空间信息和光谱信息的能力，利用光谱信息可以实现目标的分类和识别。为了快速、便捷地获取空间目标的完整光谱信息，实现目标表面光谱信息的真实记录，基于光场多光谱成像原理，采用光谱分光滤光片阵列分光实现主透镜系统入瞳孔径的分割，设计了一款应用于光场多光谱相机的像方远心镜头光学系统。光学系统具有宽波段400 nm~1 000 nm，焦距为240 mm，F数为4，全视场15.52°。像质评价与系统公差分析结果表明:设计的光场多光谱相机的像方远心镜头可以满足实际加工以及正常使用要求。     

基于运动检测的多车辆跟踪方法研究

针对交通监控场景中多目标粘连造成跟踪上的困难和前后两帧车辆关联困难,提出了区域运动相似性分割方法和相似度关联矩阵的解决方案;在运动目标检测过程中, 首先使用背景差分法提取运动区域,经过消除缺口、空洞和分离等处理,在运动区域所在范围内进行块匹配搜索和局部光流计算区域运动矢量,然后使用模糊聚类方法对运动矢量区域融合,完整的分割出粘连运动目标;在目标跟踪部分,目标跟踪建立在目标关联的基础上,提出建立连续两帧目标间距离和局部二元模式相似度关联矩阵的方法进行运动目标标定,从而实现多目标关联;使用公共视频库的图像序列进行测试,所提算法都能实现连续的跟踪和准确的运动目标分割,且处理速度快,表明了算法具有鲁棒性和适用性。     

An unmanned aerial vehicle identification and tracking system based on weakly supervised semantic segmentation technology

This paper presents an unmanned aerial vehicle (UAV) identification and tracking system aimed at monitoring UAVs based on weakly supervised semantic segmentation. A camera is equipped with a pan–tilt to collect images for semantic segmentation network in real time. The GrabCut+ algorithm and annotation boxes are employed to generate the UAV “pseudo pixel labels” for supervised model learning and reduce labelling costs. A new loss function combining the focus loss function and dice loss function is designed to balance positive and negative samples and improve the segmentation effect. The Mixup method is introduced for model training to prevent overfitting and enhance the generalization ability of the model. The semantic segmentation network outputs the prediction results by a fully connected conditional random field to smooth the target image. Furthermore, a region-based tracking method is proposed to solve the hysteresis problem of the pan–tilt control system and improve the system tracking performance. Finally, an experiment based on a dataset is carried out to prove the effectiveness of the segmentation algorithm with 66.3% mIoU. Considering that 10% of the central area of view is specified as the view centre, a UAV falling in the centre of the field accounts for more than 80% of this view area, demonstrating the real-time effectiveness of the designed UAV identification and tracking system.     

动态复杂背景下的智能视频监控系统设计与实现

本文采用二重对称帧间差分目标检测算法和基于压缩感知的目标跟踪算法,设计并实现了一种可适应动态复杂背景下的智能视频监控系统。基于目标检测该系统能提取本地视频文件中局部运动目标并进行视频压缩,减少回放、查看视频时间,可实时播放并处理本地或网络摄像头数据,也可根据光照变化动态调整二值化阀值,实现实时区域入侵检测与报警。基于目标跟踪本系统能在动态背景下对选定目标进行跟踪,可通过客户端手动控制监控云台跟踪,也可对入侵目标实现云台自主大角度追踪。实验表明,本系统能在日常复杂环境下对运动目标准确检测和大角度跟踪,在智能家居和移动安防领域有很好的实用性。     

Three-dimensional microscope tracking system using the astigmatic lens method and a profile sensor

We developed a three-dimensional microscope tracking system using the astigmatic lens method and a profile sensor, which provides three-dimensional position detection over a wide range at the rate of 3.2 kHz. First, we confirmed the range of target detection of the developed system, where the range of target detection was shown to be ±?90 µm in the horizontal plane and ±?9 µm in the vertical plane for a 10× objective lens. Next, we attempted to track a motion-controlled target. The developed system kept the target at the center of the field of view and in focus up to a target speed of 50 µm/s for a 20× objective lens. Finally, we tracked a freely moving target. We successfully demonstrated the tracking of a 10-µm-diameter polystyrene bead suspended in water for 40 min. The target was kept in the range of approximately 4.9 µm around the center of the field of view. In addition, the vertical direction was maintained in the range of ±?0.84 µm, which was sufficiently within the depth of focus.     

用于运动目标探测的多通道成象系统

本文提出了一种采用自聚焦(GRIN)透镜阵列对运动目标进行探测的多通道光学成象系统.与单孔径成象系统比较,多通道成象系统具有更宽的视场和更高的运动敏感度,使之更适合于对运动目标的捕获、跟踪以及对运动量的测定.本文根据复眼的视觉机制和自聚焦透镜的成象原理,对运动目标进行了成象与测定实验.此外,初步介绍了为提高图象分辨率而采用的并行多通道处理技术.     

对数似然图像分割的快速主动轮廓跟踪算法

针对跟踪目标尺度变化问题,提出了基于灰度对数似然图像分割的快速主动轮廓跟踪算法。改进的主动轮廓跟踪算法将根据以目标与背景的颜色差异而建立的对数似然图对图像进行阈值分割和数学形态学处理,再将Kalman滤波器结合到主动轮廓跟踪算法进行目标跟踪。改进的主动轮廓跟踪算法对目标分割准确,轮廓特征显著,跟踪效果稳定,算法能很好地适应跟踪目标尺度变化。通过Kalman滤波器对目标位置点的预测减少了主动轮廓跟踪算法收敛的迭代次数,使算法的运算效率提高了33%左右。