不同光照条件下水下成像背景光的建模与研究

由于光在水中传输时的衰减和散射效应, 水下成像系统通常很难达到令人满意的成像效果, 而成像过程中由于光散射产生的背景光则是造成水下图像退化的主要原因. 本文对自然光照和人工光照两种不同光照条件下的水下成像背景光进行了建模和仿真分析. 结果显示: 自然光照下的无穷远处背景光与衰减系数成反比, 与散射系数成正比; 人工光照下的无穷远处背景光则与衰减系数、散射系数和相机-光源距离有关. 两种光照条件下的背景光都可以用无穷远处背景光的指数衰减表达式来表示. 水下图像背景光的强度主要与水体光学参数、相机-景物的距离、相机-光源的距离及相机成像角等因素有关. 本文的研究结论不仅可用于水下成像系统的设计与优化, 也可用来从水下图像背景光中估计水体光学参数、相机-景物距离等图像信息.     

半导体激光船舶号灯颜色属性的设计与仿真

为了提高现行船舶号灯在复杂光环境中的可识别性,更好地保障船舶夜航安全,运用色度学及半导体激光器的发光原理,设计了一种新型船舶号灯。选取长度大于等于50 m的机动船的右舷灯和桅灯为实验对象,在三维实体建模软件（Lighttools）环境下建立右舷灯和桅灯的实体模型,并对这2种号灯的半导体激光器光谱区波长、光谱权重、功率、光线数量、光线追迹阈值等参数进行设置,模拟了不同接收距离处灯光的颜色属性。模拟结果表明:半导体激光号灯右舷灯颜色刺激纯度为1;半导体激光号灯中桅灯光色的色品坐标与参考白光（色品坐标为（1/3,1/3））接近,二者均符合《国际海上避碰规则》对号灯颜色属性的要求。     

基于主动光照的深海图像增强算法

为了改善主动光在水下传播过程中由散射与吸收效应导致的深海图像对比度低下以及颜色失真问题,提出一种水下图像增强算法.不同于传统方法利用最亮点的强度值作为背景光,提出基于物体与背景光非相关性的背景光估计方法,有效避免了前景处的亮像素或白色物体像素对背景光的误判,同时确保了去散射的精确性,提高水下图像的对比度;针对人造光源的颜色增益和光路衰减导致的图像色偏等问题,在去散射图像上选取离光源最近的灰色像素,利用其对光源的敏感性,将光照强度分离出来.最终,通过估计并去除光源本身的颜色增益,同时补偿光在传播过程中的损失,实现图像的颜色校正.实验结果表明,所提算法可以有效去除水下图像的散射效应,较好地恢复图像色彩,进而获得较优的增强图像.相比于其他算法,增强后的图像信息熵和水下图像质量评价指标值较高,说明该算法能显著提升水下图像的质量,同时保留图像有用信息.     

LiNbO3晶体中光伏亮孤子实验研究

从理论上分析了具有不同Class常数的背景光在晶体折射率空间分布相对变化中的作用,得到了折射率改变为负的晶体中形成亮、暗光伏孤子的条件.以此为基础,用532nm的e光作信号光、488nm的o光作背景光并不断变化背景光和信号光的功率,首次在实验上观察到了LiNbO3:Fe晶体中亮光伏孤子的形成.     

LiNbO3晶体中光伏亮孤子实验研究

从理论上分析了具有不同Glass常数的背景光在晶体折射率空间分布相对变化中的作用,得到了折射率改变为负的晶体中形成亮、暗光伏孤子的条件. 以此为基础,用532nm的e光作信号光、488nm的o光作背景光并不断变化背景光和信号光的功率,首次在实验上观察到了LiNbO₃∶Fe晶体中亮光伏孤子的形成. 关键词： 亮光伏孤子 自散焦 自聚焦 光生伏打效应     

基于LED照明的色差评价研究

截止目前,多国相关颜色科学工作者已累计提出了40多个色差公式,但是目前所有的色差公式的相关使用,都只能限定在CIE给定的观测条件。固态照明作为近些年光源研究的重点方向,相关的研究如基于LED照明条件的色差研究仍未展开。该研究遵循CIE的色差研究指导原则,首先选取CIE推荐的17种颜色中心中的五种颜色,制成实验色块样张,分别以U30,TL84和D65光源为参考光源,以LED灯泡为实验光源。选用CIE1976LUV色差公式、CIE1976LAB色差公式、CIEDE2000色差公式分别对打印色块进行理论色差值的计算。然后采用20名观察者,通过心理物理学的视觉评价实验对打印色样进行主观色差评价,最后通过标准化残差平方和(STRESS)将客观计算值与主观评价数据进行对比分析。发现实验中选用的三种色差公式在LED照明条件下的色差预测性能均不是很理想。相比而言,在LED照明条件下,CIE1976LUV公式的预测性能相对要好,CIEDE2000公式次之,CIE1976LAB公式最差。     

一种改进的夜间数字能见度测量方法

为降低背景光噪声对数字摄像法夜间能见度测量的不确定性影响,对双光源法能见度测量系统进行改进。该系统利用避光筒限制CCD相机视场角,拍摄2个位于不同距离的LED背光源,然后对摄取到的图像进行处理得到光源图像的灰度值,再根据阿拉德定律求得大气消光系数,计算出大气能见度值。通过在无背景光、有背景光未加避光筒和加避光筒3种条件下的比对实验,分析光源图像的灰度信息,并将实验结果进行处理,得出有避光筒和无避光筒时测得的能见度值与无背景光下测量结果的相关系数分别是0.911 3和0.322 7,均方根相对偏差分别是6.87% 和23.38%。结果表明:系统抑制背景光噪声的能力明显增强,能较准确地测量夜间能见度。     

不同光环境下暗适应及辨色能力的实验研究

为了研究船舶驾驶舱内光环境和仪表指示仪器颜色之间的识别关系,进行了暗适应和颜色辨识能力实验,并对实验结果进行了分析.结合我国船舶工业中对光环境及暗适应的处理,得出船舶驾驶员在不同光环境下对颜色辨识能力的关系.通过实验,以人对颜色的主观识别能力和光环境变化作为衡量指标,发现在满足暗适应条件的同时,对提高暗适应能力的红色白炽灯进行掺白光改造,并且对仪表指示器外涂颜色的亮度加以规定,可以使船舶驾驶员有效减少对仪器仪表的误判和误操作.     

基于近红外光谱的高精度测温系统

目前红外测温方法难以消除复杂环境下外来辐射的干扰,导致测温精度低,设计了一种高精度的红外测温系统。该系统提出了由宽带滤光片和三级干涉滤光器结合的滤光方法,根据该方法对高温物体发出的近红外光谱进行滤光,将高温背景光和环境干扰光滤掉,得到两个单色光谱,经红外探测器接收获得其辐射功率比,通过计算得出物体温度。该系统透过的单色光谱带宽仅有1nm,将透射光谱以外的背景光辐射和环境光源辐射抑制达8个数量级,降低了因被测对象周围环境升温引起的测温误差,提高测温系统的精度。最后通过实验验证了该测温系统的可行性,精度达0.2%。     

隐形结构光三维成像动态背景光干扰抑制技术

结构光照明成像在近距离高分辨率物体三维测量方面具有重要应用。在传统结构光照明成像的基础上,提出了隐形结构光三维成像动态背景光干扰抑制技术,对实际目标进行了三维轮廓获取,并对动态背景光的抗干扰能力进行了详细的分析和验证。基于激光干涉原理产生的结构光,投射两束正交偏振光束到物体表面并不产生干涉条纹,采用同步相移探测技术实现结构光条纹的探测和再现。采用同步相移探测技术,可同时获得4步相移条纹图像,有效降低了背景光的干扰,提升了动态三维成像的能力。理论研究了隐形结构光的成像原理及动态背景光抑制机理,搭建了实验验证装置,获得了动态背景光干扰下实际目标的三维重建图像,实验结果与理论分析吻合。     

基于激光照明的高速船用夜视系统设计

针对高速船常用夜视设备所存在的安全隐患，提出了一种基于激光照明的高速船用夜视系统的解决方案，通过研究近红外激光夜视技术，开发出具有夜间大角度照明、作用距离远、成像清晰的全天候高速船用夜视设备，多次海上测试效果良好，可为高速船夜间安全航行提供可靠保障。     

基于PDE的前视红外成像舰船目标检测

针对复杂环境下的海面目标提取问题,提出一种基于偏微分方程（PDE）的红外舰船检测算法。首先采用基于PDE理论的滤波模型对初始图像滤噪并进行背景估计,然后结合邻域差分进行背景抑制后分割提取目标。实验表明,该算法能够有效检测强杂波背景中的目标,方法适应性强。     

基于激光陀螺的舰船姿态信息测量系统

设计了舰船姿态信息测量系统，主要用于舰载惯性导航系统试验测试。在分析系统测试原理的基础上进行总体技术方案构建，对惯性测量单元、旋转调制系统和温度控制系统进行了重点设计，完成了导航解算方案和姿态误差仿真试验。试验结果表明，所设计的各部分工作正常，满足系统的总体要求。为将来实施舰栽惯性导航装备试验打下良好基础。     

用于微光夜视系统检测的夜天光模拟

介绍用于微光夜视仪性能评价的夜天光模拟器的原理和系统概念以及对光源、光谱、滤光片等的选择。     

单通道双谱夜视系统中的光谱匹配及滤光技术

在分析夜间自然辐射、目标和背景自身的辐射以及反射光谱特性的基础上,结合微光CCD摄像机的光电阴极响应谱线,提出光谱分割的设想,并据此设计单通道双谱微光夜视系统方案.依据光谱匹配及滤光技术的原理,提出光学薄膜设计及制作要求.对实际制作滤光膜的分谱特性进行了实验研究.结果表明:滤光薄膜的分谱效果对于单通道双谱微光系统提高目标识别概率是有效的.     

Sentinel-2卫星的多光谱轻量级船舶目标检测算法

近年来深度卷积神经网络在可见光船舶检测方面取得了显著的进展，然而，大多数相关研究是通过改进大型的网络结构来提高检测性能，因此加大了对更高计算机性能的需求。此外，可见光图像难以在云、雾、海杂波、黑夜等复杂场景检测到船舶。针对以上问题，提出了一种融合红（red, R）、绿（green, G）、蓝（blue, B）和近红外（NIR）4个波段光谱信息的由粗到精细的轻量型船舶检测算法。与现有的方法中根据光谱特性利用水体检测算法提取水体区域不同之处是该算法是利用改进的水体检测算法来提取船舶候选区域。为获取更准确的候选区域，对船舶、厚云、薄云、平静海面、杂波海面5种场景中4个波段的像素值进行了统计分析，选取近红外大于阈值作为辅助判断，并以其中心点获取候选区域32×32大小的切片，并对切片进行非极大值抑制，由此获得了船舶粗检测结果。随后构建了轻量级LSGFNet网络对船舶候选区域切片进行精细识别。构建的网络融合了1×1卷积提取的波谱特征与3×3的提取几何特征，为防止光谱特征与几何特征的信息在融合时“信息不流通”，在LSGFNet网络中引入了ShuffleNet中的通道打乱机制，并减小了模型结构，与典型的轻量级网络相比具有更好的效果且模型较小。最后，利用Sentinel-2卫星多光谱10 m分辨率数据构建了512×512大小的1 120组数据进行粗检测，以及32×32大小的6 014组数据进行精细网络训练，其中候选区域粗提取的查全率为98.99%，精细识别网络精确度为96.04%，不同场景下的平均精确度为92.98%。实验表明该算法在抑制云层、海浪杂波等干扰的复杂背景下具有较高的检测效率，且训练时间短、计算机性能需求低。     

非标准光源在颜色测量中的差异性分析

不同光源因光谱功率分布差异,具有不同色温、显色指数,测色差异很大。D65标准光源最接近日光光色,是国际照明委员会(CIE)推荐测色标准光源。但其价格昂贵、工作条件苛刻且不易得,实际测色中常用非标准光源代替。为了研究非标准光源的测色差异,设计了一套溶液比色系统,分别采用高压脉冲氙灯、LED灯、卤钨灯作为光源,亚硝酸盐显色实验为基础,以色度学原理计算3种光源的测色差异。结果显示,氙灯、LED灯光谱分布较为均匀,色度坐标接近等能白光E(0.33, 0.33), 测色比较接近真实颜色,而卤钨灯测色误差较大。氙灯与LED灯在L*a*b*空间测色平均色差ΔE_ab在10 NBS以内,两者与卤钨灯测色平均色差ΔE_ab在20 NBS以上。     

全色彩RGB灯电控光源设计研究

介绍星敏感器和星模拟器在航空器空间姿态确定中的作用和地位及其基本工作原理。依据色度学理论与公式,分析如何使用红、绿、蓝三原色合成各种颜色的光源,并推导三原色色品坐标和亮度与合成光源色品坐标之间的数学方程式。在理论研究的基础上,设计一种以全色彩RGB灯作为发光器件的静态多路星模拟器电控光源。在实验室条件下,对电控光源系统输出光功率和峰值波长的稳定性进行测试实验,并给出实验结果。实验结果表明:单个光源的短期稳定性均优于1/1 000。     

舰船尾迹和海面红外仿真成像

舰船在军事领域有着极其重要的地位,其尾迹对海面的温度和高度都会造成相较明显的变化,且具有持续时间长、不易消除等特点,所以模拟舰船尾迹和海面红外辐射图像可以更为直观地识别舰船目标,具有强烈的军事需求。以MODTRAN软件模拟的不同背景环境下大气对8μm～14μm波段的透过率为数据基础,结合Cox-Munk坡度概率分布模型并考虑海浪遮挡因素建立了一种舰船尾迹红外辐射模型,模拟了不同背景环境、不同探测距离的红外尾迹图像。仿真结果表明：相同探测条件下,随着探测距离增大,舰船尾迹辐射亮度减小,但粗糙海面对红外辐射的遮挡作用显著减弱,海面舰船尾迹更易被识别;大气传输模型对红外成像结果影响较大,夏季背景辐射能量大且海面平均遮挡作用小,舰船尾迹红外成像更为清晰。