基于大视场人工复眼定位技术

针对大视场目标探测提出了一种基于人工复眼大视场定位方法.通过分析子眼视场角与总视场角之间的关系,并结合多目视觉定位对子眼排布方式的要求,研究了包含多个子眼的人工复眼结构设计方法.通过分析子眼图像与三维空间映射关系,对二维图像进行裁剪并映射于三维立体空间,实现了二维子眼图像在三维空间的大视场拼接.利用子眼图像坐标、空间三维坐标及系统参数间的关系,建立了空间点多目定位数学模型,并编制目标定位算法.制备了包含19个子眼可实现120°大视场角的样机,通过张正友标定法获得系统参数,并进行目标定位实验.实验结果表明,使用设计的人工复眼大视场成像系统对5.35m处目标进行探测,定位误差为0.19%.     

红外双波段共焦复合孔径光学系统设计

为满足光电成像装备多元、广域、远距离探测的需求,提出了双波段复合孔径光学系统的概念。采用主副孔径配合探测搜索的方式,其中主孔径用于远距离探测,副孔径用于大视场搜索,并分析主副孔径与中继系统拼接函数以推导复合孔径共焦面方程,从而保证不同波段图像采集的同步性和一致性。设计的红外双波段复合孔径光学系统成像波段为3.7～4.8μm和7.7～9.5μm,复合孔径系统由5个子眼（1个主子眼和4个副子眼）构成,主孔径焦距为200 mm、视场角均为±6°,副孔径焦距为50 mm、视场角均为±12°,主副孔径光轴夹角为6°,合并后的总视场为24°。相对于均一型复合孔径系统而言,该系统兼具了远距离探测与大视场搜索功能,主副孔径系统与中继接收系统成像质量良好,在-40～60℃温度范围内无热差影响。     

无热化双谱段复合成像光学系统

针对机载小型轻质和宽温度场的使用需求,基于光学被动消热差理论,设计了共孔径共视场分光路可见光和红外双波段无热化成像光学系统。两个谱段共用卡塞格林主光学系统,采用分色片实现双谱段分光。分光后两个谱段采用相互独立的中继透镜组。红外波段通过二次成像,实现双波段冷光阑100%匹配。通过共视场设计提高不同探测波段目标的信息一致性。可见光和红外谱段焦距分别为1750mm和1000mm,工作谱段为0.45~0.9μm、3~5μm,入瞳孔径为250mm,视场角1.1°,光学系统各谱段耐奎斯特频率处调制传递函数接近衍射极限,在宽温度场范围内像质稳定,完全能够满足实际使用需求。     

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。     

微小型快照式傅里叶变换成像光谱仪的建模与分析

为了实时探测运动场景、迅变目标的图像与光谱,提出了一种微小型快照式傅里叶变换成像光谱仪,利用多级微反射镜对微透镜阵列形成的多重像场进行分布式相位调制,实现了干涉图谱信息的实时获取。根据微透镜阵列与多级微反射镜对光场的相位调制特性,建立了多重干涉成像的理论模型,计算表明,不同视场的干涉像点位于探测平面的不同区域,但大视场情况下相邻通道之间的干涉图像单元会发生串扰,并导致复原光谱失真。分析表明,为了抑制相邻干涉成像通道间发生串扰,视场角应控制在微透镜阵列和多级微反射镜的衍射与离焦效应所限定的极限视场角之内。同时,视场角还会引入相位误差,并导致归一化光谱误差随视场角的增大而单调递增。根据归一化光谱误差关系曲面可以对系统的视场角进行合理的设计,从而实现对目标场景中特定区域的有效探测。     

利用激光主动探测技术实现光电窥视设备检测

针对激光主动探测时光电设备表现出的猫眼效应,搭建了基于CCD的激光主动探测系统,提出了一套有效的光电窥视设备检测算法。该算法在激光脉冲的间隔,同时采集激光主被动图像,根据窥视目标与普通漫反射物体的回波强度差异,利用背景差法检测窥视目标。实验结果表明,在半径为5 m的作用范围内,该激光主动探测系统可有效、快速地将光电窥视目标从背景中检测出来,并且不受场景和光照的限制。通过对光学口径为2 mm的光电窥视设备在20个不同场景环境下进行实验,正确检测率达到95%,且每帧的检测时间在0.015~0.021 s内,满足了实时性需求,验证了本文系统搭建方案的正确性与软件处理算法的有效性。     

一种高效率主被动复合成像雷达分光系统设计

以小型化、高效率为目的,提出了利用全反射原理,采用复合棱镜结构,通过适当选配光学材料,实现在主被动复合成像雷达接收光学系统中对主、被动光束进行高效率分光的方案.根据技术指标要求完成了分光系统的设计,该系统可以对主动成像光波波长850 nm,全视场角3.5°,被动成像光波中心波长9.7 μm,全视场角6.9°的两束光进行高效率的分光,计算结果表明,对主被动光波分光效率的理论值都可以达到98%以上,该方案还兼具结构稳定,工艺简单,易于工程实现的优点.该设计方案,可以在主被动复合成像激光雷达接收系统中实现主被动共用孔径,从而实现系统的小型化.     

静态傅里叶干涉具在目标识别中的应用研究

设计了基于静态光谱分析的目标识别遥测方法。针对机械扫描式干涉方法结构复杂、稳定性差、主动监测隐蔽性差等问题,采用静态遥测技术取代机械扫描光程,应用光谱分析方法,对大范围视场内进行光谱探测,从而在恶劣的环境中实现了目标识别。经仿真计算,得到温度、波长及空气透射率与光谱辐亮度之间的函数关系。采用AViiVA-M2型CCD相机、静态傅里叶干涉具、1 m×1 m的铁板作为待测目标等做相关实验,分别在一天中不同时间、不同探测距离、不同背景的条件下,得到了各种情况下整个系统的探测极限位置。通过实验数据及计算结果表明,静态干涉方法应用于目标识别是可行的,由差谱特征反演得到的目标识别平均概率达到92.8%。     

基于FastICA的高光谱图像目标分割

针对高光谱图像目标识别与分类的应用背景,提出了一种基于快速独立成分分析的高光谱图像目标分割算法.通过引入虚拟维数对图像中的目标端元数量进行估计,利用基于非监督正交子空间投影的异常端元提取算法自动获取目标端元光谱,并将其作为快速独立成分分析的初始混合矩阵.采用最小噪声分量变换对原始数据进行降维,利用快速独立成分分析从降维后的主成分中依次提取出图像中的独立分量.最后,对各独立分量进行恒虚警率检测与形态学滤波,从而得到最终的目标分割结果.对AVIRIS型高光谱图像的实验结果表明,该方法可有效探测出图像中的目标,并可获得较好的分割结果.     

基于FastICA的高光谱图像目标分割

针对高光谱图像目标识别与分类的应用背景,提出了一种基于快速独立成分分析的高光谱图像目标分割算法.通过引入虚拟维数对图像中的目标端元数量进行估计,利用基于非监督正交子空间投影的异常端元提取算法自动获取目标端元光谱,并将其作为快速独立成分分析的初始混合矩阵.采用最小噪声分量变换对原始数据进行降维,利用快速独立成分分析从降维后的主成分中依次提取出图像中的独立分量.最后,对各独立分量进行恒虚警率检测与形态学滤波,从而得到最终的目标分割结果.对AVIRIS型高光谱图像的实验结果表明,该方法可有效探测出图像中的目标,并可获得较好的分割结果.     

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。     

极紫外光源锡液滴靶的检测研究

采用正交放置的两路CCD,基于图像采集及处理的方法,建立了极紫外光源锡液滴靶发生装置的锡液滴检测系统,可以实时监测锡液滴的运动状态及稳定性。对本实验室频率为34kHz的锡靶发生器产生的液滴进行了锡液滴监测实验。监测结果显示,锡液滴直径约为137μm,平均间距为375μm,稳定性较好,并对水平面上横向稳定性进行了分析。     

基于线阵CCD反狙击探测仪的研制

针对传统反狙击探测方法主动性差、定位精度低的不足,提出了一种运用"猫眼效应"原理实现激光主动探测的反狙击方法.系统采用半导体激光器作为光源,以线阵CCD作为激光回波探测器.光学系统将一定角度的接收视场和线阵CCD的2 160个像元位置相对应,探测精度可达mrad量级.CCD工作时序由FPGA产生,其程序可在线编译.结合帧减和阈值比较算法,最大程度上剔除了噪声,试验探测距离可达250 m.     

A two-dimensional vision system with optical ranging capability

This paper describes an optical three-dimensional (3D) camera developed by combining a two-dimensional intensity image and non-contact time of flight (TOP) range image. The camera system consists of an amplitude modulated light source, an image dissector tube, a phase measuring circuit, and a host PC for system control. A semiconductor diode laser light source or a white light source and Kerr cell is used to generate continuously high frequency modulated light for bulk illumination of the scene to be viewed. A compact, 25 mm diameter image dissector camera (Hamamatsu N2730 or R4193) is used as a receiver to detect the modulated light and generate both a two-dimensional intensity image and a range image. The range is obtained by measuring the phase between the received signal and the transmitted signal. With the large detection area and the random access property of the image dissector camera, it is easy to scan systematically and electronically the illuminated area, within the frame, to identify the required object. Three different modulated frequencies (between 10 MHz and 45 MHz) have been used to obtain a range accuracy of 4 mm, over a distance of 10 m, within a time period of 10 ms per pixel. A demonstration of the three-dimensional vision system has been given, having an update time of 1 s during which a high resolution intensity image (300 × 300 pixels) is produced together with a limited number (100) of range measurements obtained for important features.     

主动成像系统距离选通实验方案设计

 距离选通技术是克服大气后向散射，提高主动成像系统信噪比的有效方法。分析了距离选通的技术要求，分别使用电源调制和机械调制的方法获得了适合用于主动成像系统脉冲光源,并进行了距离选通实验，机械调制方法适用于大功率连续半导体激光器。使用氙灯泵浦YAG激光器实现了对675 m和1 509 m距离目标的主动成像，详细分析了几种方案的利弊并提出了改进方法。     

距离选通水下成像系统成像范围的分析与计算

距离选通水下激光成像系统是一种基于时间标记原理的水下光电成像系统,它能够有效抑制水体后向散射光的干扰,提高目标探测距离,具有较高的军事和民用价值。距离选通水下激光成像系统在对距离未知的目标搜索过程中,准确地设置系统的搜索范围,对于提高距离选通成像系统对距离未知目标的搜索效率具有重要的意义。根据距离选通成像原理,搭建了距离选通成像实验系统,建立了成像系统的几何模型,分析并计算了距离成像系统的最小探测成像距离和最大探测成像距离,给出了最小探测成像距离和系统结构参数之间关系的仿真计算结果,并用实验验证了最大探测成像距离与水体衰减系数之间的关系。     

窄脉冲外差体制CO2激光主动成像研究

根据大目标外差探测时发射功率P_T与距离R₂成正比规律的脉冲激光雷达方程和天线定理,利用国内最新研制的小型高重频电光调Q波导CO₂激光器,采用非线性扫描和激光器不等时发射技术,设计研制了一套窄脉冲外差体制CO₂激光主动成像系统,对室内20m处大目标实现了像元素64×32、成像速率10帧/s实时成像显示,图像质量较好,激光器峰值功率约为60W、脉冲重复频40KHz、前沿50ns、脉宽300ns.     

基于重采样技术的调频连续波激光绝对测距高精度及快速测量方法研究

调频连续波激光测距方法可以实现高精度的大尺寸绝对距离测量, 且测量过程无需合作目标, 在大空间坐标精密测量领域有很高的研究价值. 而如何提高测量分辨率和实用化一直是近年来调频连续波激光绝对测距研究的热点. 本文研究了调频连续波激光测距的原理, 基于双光路调频连续波激光测距系统, 提出了通过信号拼接提高测量分辨率的信号处理优化方案, 该方案可以提高测距分辨率, 且可以降低对激光器的性能要求; 提出了可实现高速测量的简易测量方法. 设计加工了双光路光纤调频连续波激光测距系统, 利用该系统进行了测距分辨率及测距误差标定实验, 实验结果表明: 优化方案可以有效地提高测量分辨率和测量效率, 在26 m测量范围内, 测距分辨率达到了50 μm, 测距误差不超过100 μm; 快速测量方案有较高实用价值.     

微型石英敏感平板玻璃零件参数的激光视觉测量研究

高精度、快速非接触的平板玻璃零件的几何参数测量,已成为相关生产领域的主要问题,也是激光光谱学的一个重要应用方向。平板玻璃零件几何参数的准确检测不仅有助于加工工艺的改进和产品装配精度的提高,还可以实现按参数分档管理。为实现微型石英敏感平板玻璃零件参数的精密测量,提出了一种基于激光与视觉图像处理技术的多参数测量方法,设计了由自适应同轴视觉检测单元和激光视觉厚度测量单元构成的测试系统。为了保证其中的半导体激光器LD(laser diode)能提供稳定的光源,设计了一种恒功率驱动控制系统。在亚像素图像处理中给出了改进的亚像素边缘定位算法,实现了二次曲线特征边缘亚像素精确定位。利用检测出的曲线边缘点数据,通过定义一个新的误差函数并最小化,可以计算出微型石英敏感平板玻璃零件参数,从而实现图像特征参数的精确提取。在实验室条件下进行微型石英敏感平板玻璃零件几何参数的检测试验,测量结果的平均偏差优于2 μm。该方法稳定性好,测量精度高,满足微型石英敏感平板玻璃零件参数检测的精度要求。     

Creep deformation measurement using quartz optical fiber

This paper describes an optical system for high temperature creep strain measurement using quartz optical fiber, super long working distance microscope and digital image processing techniques. In this system one end of the quartz optical fibers is arrayed in a small area on the specimen surface and the other end is illuminated by a laser beam. The fiber ends on the specimen surface form the spot array. The small optical spots on the specimen are tracked by a CCD camera and the images are processed by digital image processing software. The diameter of each quartz fiber is 100 μm and the fibers can be arrayed in a small area. The local strains are determined by measuring the variety of relative distance between two spots. Experimental results of local creep strain on the welding joints of 15CrMo and HK40 at 850°C are obtained.