红外时间延迟积分点目标探测系统中速度失配影响研究

基于时间延迟积分的红外点目标探测系统在推扫成像过程中会受到速度失配的影响导致点目标的探测性能降低.基于调制传递函数的传统频域建模分析方法由于缺少相位传递函数的介入,无法对目标探测性能的影响进行有效分析.为了解决该问题,采用成像系统的点扩散函数以及线扩展函数建立了成像系统的速度失配模型,并对速度失配对目标检测系统的影响进行了研究.模型理论计算以及实际成像实验结果表明,当时间延迟积分级数为8级,速度失配量ΔV/V=25%时,点目标能量响应均值下降50%,当速度失配达到ΔV/V=12.5%时,点目标能量响应均值下降30%.研究结果可为后续红外时间延迟积分成像系统的设计提供参考.     

面阵探测器的像点亚像素定位研究

面阵探测器可直接探测点目标图像的位置，但其定位精度受到探测器分辨率的限制。因此，亚像元精度技术得到了发展。它是利用目标像点的灰度分布特性，通过内插细分算法，确定出像点位置。可将定位精度提高1—2个数量级。本文介绍了几种实现目标像点亚像素定位的内插细分算法。对它们的计算公式、特点进行了分析，并进行了实验验证。     

面阵扫描型警戒系统目标探测方法

根据红外面阵探测器的成像特点,提出了一种面阵扫描型警戒系统,该系统的新颖之处在于面阵的旋转会带来目标探测有效像元数目的增加,并使得目标探测信噪比得到提高.描述了使用面阵探测器扫描型警戒系统的系统参数和工作过程,推导了该系统的点扩散模型,分析了目标的成像特点,重点描述和分析了针对本系统特点的目标探测算法,并介绍了其信号处理的硬件结构.实验结果表明,基于面阵探测器的红外搜索系统具有很高目标探测概率,并且能够在强杂波环境中检测弱目标.     

目标表面发射率对红外辐射偏振特性的影响分析

偏振探测不仅可以获得目标的光谱、强度、偏振态以及空间几何形状等参数,还可以获得更丰富的目标信息,有利于改善对目标的探测和识别能力。红外辐射偏振成像是近年来发展起来的一种新的红外探测技术,主要通过目标与场景的红外辐射偏振特性差异进行目标探测与识别。但由于红外辐射偏振信息在传输过程中,其偏振态会受到传输介质的影响,而通常基于实验分析总结目标红外偏振特性的方法难以对偏振传输过程中的影响因素进行估计,也不能定量描述各相关参数对于红外偏振信息的影响。通过微面元理论的双向反射分布函数模型,建立了基于偏振双向反射分布函数的红外辐射偏振传输方程, 推导分析了目标表面发射率对红外辐射偏振度的影响,结果表明：目标表面发射率对目标红外偏振度影响可以忽略;在理论分析基础上,有针对性的开展红外光谱偏振探测试验,试验数据分析与理论推导结论吻合。这表明：材料表面发射率的变化不影响目标表面的红外辐射偏振度。该研究成果有利于提高红外伪装探测的目标识别效率,可为进一步提高红外偏振成像系统的伪装目标探测提供新的途径和方法,如在伪装目标探测识别中,通过探测其表面的红外辐射偏振特性的改变实现伪装目标识别探测。     

红外目标模拟系统DMD成像非均匀性分析及校正

基于数字微镜阵列（DMD）的红外目标模拟系统具有高分辨率、高帧率和大温度范围等优点，能够经济、有效地检测和评估红外探测系统的工作性能。为了研究基于DMD的红外目标模拟系统中照明系统的结构设计对成像均匀性的影响并减小像面照度不均匀性，提出了一种消除成像不均匀的方法，对DMD照明系统的结构参数进行了分析和设计，以成像光束截面积之比作为相对照度指标，建立了数学模型，用软件进行数值仿真，得到了能消除因渐晕导致的照度不均匀现象的结构参数和像面各点相对照度分布在88.75%～1；并用TracePro验证了理论分析的结果，得到像面各点相对照度分布在90.91%～1，与理论分析结果相符，证明了在DMD照明系统结构参数设计合理的情况下，该方法可以有效降低因渐晕导致的像面照度不均匀性，为红外目标模拟系统结构参数的设计和像面照度分析提供了参考。     

基于衍射光学元件的红外弱目标探测系统设计

根据非制冷焦平面阵列（FPA）探测器性能参数以及所需探测红外弱目标的大小与探测距离,计算并设置了系统参数,设计并研制了与之相匹配的长波红外光学系统,实现了对红外弱目标的探测。该红外光学系统基于6°×6°视场角,采用像方远心光路来实现。分析与计算结果表明,采用衍射非球面设计的由两片Ge镜片组成的红外弱目标探测光学系统具有重量轻、系统能量传输效率高和像质优良的优势。与三片球面Ge-AMTIR1-Ge红外光学系统相比,系统质量轻25%,能量传输效率高7%;与常规非球面Ge-Ge透镜系统相比,像质改善50%。比较结果显示,可见衍射非球面光学元件在红外弱目标探测系统中具有较好的应用前景。     

一种基于新型偏振干涉成像光谱仪的目标偏振信息探测新方法

提出了一种采用基于视场补偿型Savart偏光镜的新型偏振干涉成像光谱仪对二维目标偏振信息进行空间遥感探测的新原理和新方法.在新型偏振干涉成像光谱仪光学系统不变的情况下,通过旋转偏振干涉仪分别测出了三个不同角度下像面上各像点的光强值,反演出了二维面目标的斯托克斯矢量,并给出了各像点偏振度和偏振方向的理论表达式.采用计算机模拟实验对该探测原理和方法进行了验证,所得结果与理论完全符合.从理论和实践上扩展了干涉成像光谱仪的探测功能,与目前国内外所研究的成像光谱仪相比,该成像光谱仪既能同时探测目标二维空间信息和一维光谱信息,又提供了一种获得目标偏振信息的手段和方法.     

公里级激光反射层析实验和碎片质心估计

大功率激光清理低轨大量厘米级空间碎片一直是国际学术研究的热点.其中,空间碎片的精确定位和碎片质心距离的高精度测量是关键,也是亟待解决的世界性难题.作为一种新型远距离、高分辨率的成像方法,激光反射层析具有成像分辨率与探测距离无关的优势,是远距离空间暗目标探测的有效途径.基于激光反射层析原理,建立厘米级空间碎片目标质心模型,分析碎片目标与探测器的相对运动,进而提出厘米级空间碎片质心距离估计方法,开展了1 km探测距离激光反射层析实验验证.实验结果表明,该方法能够将质心探测精度由1.50 cm提高到0.34 cm,是实现厘米级空间碎片质心距离高精度测量的有效手段.该研究实现了公里级激光反射层析实验及其理论验证的突破,具有更广阔的应用前景和技术发展潜力.     

高超声速飞行器红外可探测性能研究

以高超声速乘波体为例,针对稀薄大气空间高超声速目标的红外可探测性能进行分析研究。采用工程算法计算了不同飞行条件下的飞行器驻点热流分布,由此得到其辐射平衡温度;采用小区间求和方法计算大气对红外辐射的传输衰减作用;考虑了目标与背景辐射强度差异、点目标成像的弥散现象对探测器作用距离的影响,建立了新的红外探测系统作用距离计算模型。仿真实验表明,弥散系数随着目标探测器间距离而变化;随着飞行器飞行速度的增加,系统对目标的探测距离增大,同时与长波波段相比,中短波波段时的探测距离更大。外场试验结果表明,与现有算法相比,本文方法具有较高精度。     

空间相机交错拼接线列探测器重叠像元数计算

大视场相机焦平面通常由多个线列探测器交错拼接而成。为保证相机在对地成像中不出现漏缝,提出一种相邻探测器重叠像元数计算方法。通过坐标变换法建立空间相机对地成像模型,分析了漏缝产生的原因。分析了像点在前后两行探测器上沿线列方向的相对位移情况,并利用蒙特卡罗法分析轨道、姿态扰动以及目标高程等因素对像点相对位移计算结果的影响,像点位移计算结果的最小值即为相邻探测器最小重叠像元数,依此给出了相邻探测器的重叠像元数计算模型。将该方法应用于某红外相机焦平面的设计,根据该方法确定了各相邻探测器的重叠像元数,并通过红外遥感图像的匹配实验验证了该方法的正确性。     

基于高斯分布的星点图像亚像元定位算法研究

应用高斯点分布函数为数学模型,提出了一种新的获取高精度恒星质心位置的方法.由于入射到星像点邻域内像元中的光子能量呈近高斯分布,因此利用成像邻域内像元强度的比值,将高斯点分布函数展开成为关于质心位置的多项式,可将质心位置在x、y轴方向分别计算出来,并利用从星图中提取出的多星对角距误差的统计值来间接验证提出的算法.试验结果...     

基于激光点云多条件约束的相机检校方法

为了克服相机检校对二维/三维检校场的依赖,提出一种基于激光点云多条件约束的相机检校方法。该方法通过对相机获取的多视影像进行光束法平差获得初始相机参数;利用影像点云与其最邻近的激光点云之间的位置关系,以共线方程为基础模型,建立多条件约束的相机检校数学模型;使用不等式约束的最小二乘方法平差迭代解算相机参数。将本文方法与基于三维控制场的检校精度进行了实验对比分析,结果表明本文方法与基于三维控制场的检校精度相当,两者反投影平均误差相差小于0.1 pixel,验证了本文方法在没有传统检校场的情况下进行相机检校的可行性。     

基于曲线拟合的亚像素边缘定位方法的研究

图像的边缘定位是图像测量的关键之一,随着测量精度要求的提高,已由早期的像素级边缘定位发展到了现在的亚像素级边缘定位。根据地球在地球敏感器CCD阵面中的成像特性,提出了一种基于曲线拟合的亚像素边缘定位方法以获取地球“灼热圆盘”的边缘。该方法利用曲线拟合获得的拟合斜率以及灰度值来提取图像的边缘。仿真结果表明,采用曲线拟合亚像素边缘定位法可使图像的边缘定位精度达到百分之几个像素,具有较高的精度。     

摄影测量图像处理的高精度误差补偿法

在高精度的摄影测量中,图像处理精度对整体测量精度起着至关重要的作用,但成像过程中摄像机对特征点图像的离散化采样,会造成图像与原始信号的失真,从而带来图像处理环节的误差。通过对图像处理过程中特征点总能量、能量分布弥散半径和图像处理窗口的特性分析,并以特征点中心位置、提取误差大小和能量密度函数的标准差之间关系为基础,提出一种针对离散化采样的误差补偿法。该方法仅需标定一次补偿参数,适用于所有摄像机和算法,可显著提升原有图像处理精度。实验证明,对于质心法和高斯拟合法,该补偿法可将图像提取精度提高到0.03pixel。     

亚像素多重分形方法在图像处理中的应用

提出了一种用亚像素多重分形原理求取图像奇异性的新型算法,降低了单纯依靠整数像素位置灰度级梯度信息计算边缘测度所产生的误差。该算法结合CCD成像机理给出在亚像素位置的灰度级梯度分布规律,利用多重分形理论将实际图像分割成一系列具有不同奇异性指数的分形集合,对应着从边缘到纹理各层面的图像内容。模拟计算了投影小波中心点改变单位距离对边缘测度的影响程度,得出亚像素分割梯度的方法可以增加计算结果鲁棒性的结论。此方法用于标准图像的分割中,选用5×5亚像素数目提取的最奇异性集合与索贝尔(Sobel)算子(默认阈值为36.7920)提取的边缘的峰值信噪比为9.3981 dB。应用于复杂路面的裂纹提取中,其结果更符合人类的视觉观测。     

红外热成像辅助面神经功能自动评估方法研究

面瘫是一种多发的面神经疾病,表现为患侧面神经功能失调,严重影响患者的正常生活和人际交往。面神经功能自动评估方法对于面瘫的诊治是至关重要的。面部神经功能受损导致体表温度分布发生改变,可以通过红外热成像采集患者的面部温度分布不对称特征,基于红外热成像提出一种面神经功能自动评估新方法,融合温度特异性和边缘检测自动将面部红外热像划分为左右对称的八个区域,提取面部温度不对称特征,包括温差、有效热面积比和温度分布不对称度,采用径向基神经网络作为面神经功能自动分类器。实验收录了390幅单侧患病的面瘫患者正面红外热像图,结果显示：采用径向基神经网络的红外热成像面神经功能自动分类器的平均分类准确率为94.10%,比采用K近邻分类器和支持向量机分类器分别提高了9.31%和4.87%,优于传统的House-Brackmann面神经功能评估方法,对面神经功能的分类精度完全符合临床应用标准,可以有效评估面瘫患者的面神经功能,有助于面瘫的临床诊断与治疗。     

一种星敏感器主点和焦距的加权在轨标定方法

星敏感器作为卫星姿态测量装置,其在轨服役过程中,主点和焦距的标定精度是影响其姿态输出精度的主要因素。针对标定过程中含有随机测量噪声偏大的星像点,导致星敏感器主点和焦距的标定结果产生较大偏差的问题,提出了一种星敏感器主点和焦距的加权在轨标定方法。该方法首先建立了星敏感器在轨标定模型,然后引入合理的标定权值,加入到最小二乘估计主点和焦距的过程中,寻找并剔除随机测量噪声偏大的星点,最后将加权估计出的结果作为测量,采用扩展卡尔曼滤波对星图进行处理。仿真结果表明,在星点位置存在较大误差的情况下,该方法能剔除随机测量噪声偏大的坏点。星内角距统计偏差约为传统方法的1/10,与真值相比标定参数精度分别为0.219 9像素、0.148 7像素、3.38 μm。     

移位相加法日间探测低信噪比恒星

为实现白天红外光电测量系统对低信噪比恒星的质心及能量高精度计算,本文给出一种高效的方法。首先,分析了红外光学系统白天恒星的成像特征。其次,先对采集的图像序列进行预处理操作得到预处理图像。接着对预处理图像序列执行叠加求均值和下采样操作得到下采样图像。在下采样图像中以亮度为特征求取恒星的疑似位置后,在预处理图像序列上建立与疑似位置相对应的目标区域,在目标区域内顺序求取质心序列。对目标区域的图像序列以质心偏移为基础进行移位相加后获取目标图像。在目标图像上以信噪比为判据完成恒星提取,以及质心和能量的计算。再次,分析指出此方法能增强目标信噪比的原理,并给出其适用范围以及相关参数的确定方法。最后通过实验表明,采用移位相加法可增强目标的信噪比,并提高提取正确率;且对于SNR不大于4.8的恒星可将其质心和能量计算精度平均提高0.06 pixel和28.5%。移位相加法对低信噪比的恒星可较为精确地计算其质心和能量。     

Optical testing of star sensor (I): Defocus spot measuring technique for ground-based test

We developed a technique for measuring the intensity distribution of a point image in sub-pixel resolution even after assembly of a lens and an image sensor, which is especially suitable for defocus adjustment of a star sensor used to determine the attitude of a spacecraft. The star sensor optical system is usually aligned in a defocused position to calculate the luminance centroid of a star image in sub-pixel resolution. In the measurement technique, the point image is carefully scanned around a certain pixel on the image sensor, and the intensity change of the pixel is recorded during the scanning. We applied this technique to the alignment of our star sensor’s optical system, and we were able to suppress the spot size in a range between 1.2 and 2.2 pixels at 1/e² diameter at a certain defocus position, making it appropriate for luminance centroid calculation.     

基于法线引导的激光中心线提取方法

在线结构光三维测量系统中,高精度激光条纹中心线提取是提高测量精度的关键。针对现有激光中心线存在提取精度不高、保留细节差等问题,提出了一种基于法线引导的激光中心线提取算法。该算法具体实现步骤为:首先,对图像进行预处理,结合边缘检测和几何中心法对激光线初步提取;然后,用主成分分析法(principal component analysis,PCA)求取其法线,在激光中心点处划分角度八邻域,通过法线角度引导搜寻有效点集;最后,利用灰度重心法对点集进行亚像素提取。实验结果表明:该算法均方根误差与灰度重心法相比提高了0.233 9像素,比Steger算法、方向模板法更好地保留了光条细节,可以更精确地提取光条中心,达到亚像素级的精度。