不同波长光源照明的水下成像及光学图像实时处理

水下成像环境复杂,为改进水下成像质量,在清水中掺入一定量的蓝绿墨水和牛奶来模拟不同的水质环境,采用不同波长的照明光源进行水下图像采集实验。考虑到水下的吸收和散射的影响,将不同光源采集到的图像特点进行对比分析,设计了一种新的光学方法来进行图像处理。结合长波长的红光抗散射和较短波长的蓝绿光抗吸收两方面的光传输特性,通过红光和绿光照明采集图像的灰度线性差值去除散射噪声信息,获取目标图像信息,在Windows和Android系统中进行图像采集和清晰化。实验结果表明该方法能有效增强图像清晰度,与虚光蒙板(USM)锐化算法相比计算量小,实时性高。     

桥梁挠度光电成像测量系统的光度学特性分析

根据桥梁挠度光电成像测量系统的要求，分别对实际野外工作条件下，系统的像面照度、成像对比度等光度学特性进行了分析、计算，讨论了系统的发光靶标、背景光、光电数字摄像机等系统参数与环境之间的相互制约关系，并讨论了在强烈日光条件下，用高反射率材料代替发光靶标以提高成像对比度的可能性. 提出了桥梁挠度的光电成像测量系统设计中，系统参数选择的光度学设计准则.     

基于光电成像系统最小可分辨对比度的扩展源目标作用距离模型

可见光/近红外光电成像系统的作用距离预测是实际系统总体设计的重要环节.为了使系统的预测及性能评价更准确.研究了光电成像系统对扩展源日标的作用距离预测方法,给出了最小可分辨对比度(MRC)的定义及其测量方法,提出了基于MRC的作用距离模型;通过结合实际系统分析,讨论了模型的计算过程及其特点.由于综合考虑了,日标与背景特性、环境路径和大气特性、光电成像系统特性以及人眼视觉特性等因索,提出的作用距离预测方法较传统基于瞬时视场(IFOV)的极限分辨角方法更为合理科学,可有效地进行陆上、海上以及航空航人遥感等可见光/近红外光电成像系统的性能评价.     

显微光子计数成像系统的噪声抑制及定量测量标准的确立

显微光子计数成像系统是极其灵敏的弱光探测成像系统,为使其应用进一步深入微观领域,噪声问题是首先要解决的难题。通过噪声来源分析,光路、机械结构的合理设计,使噪声降低到光子计数成像系统的探测灵敏域之下;并在噪声极低的条件下,进行了一种同位素微弱光源的稳定性、均匀性的研究,发现这种微弱光源性能稳定、发光均匀,可以作为定量测量的标准,为以后的微弱发光实验进行定量分析;光子计数成像系统的合理噪声抑制以及定量测量标准的确立,将在微光探测方面产生重要的影响。     

一种双波段成像系统的红外通道杂散光分析

为全面分析杂散光对红外系统成像质量的影响,设计了可见波段0.4 μm~0.7 μm、红外波段3 μm~5 μm,视场角均为2.27°×2.27°的共孔径成像光学系统。分析了杂散光来源,分别研究了带内与带外杂散光对其红外通道成像质量的影响。对于带内杂散光,设计了消杂光结构,采用FRED软件模拟分析了带内杂光抑制能力,结果表明:带内杂散光得到较好抑制,其鬼像影响可忽略不计,太阳杂散光抑制水平PST达到设定的10-8阈值量级。对于带外杂散光,主要研究了1.064 μm和2.6 μm两个波长带外激光对红外成像系统的影响,并利用有限元仿真计算,结果表明:系统反射镜温升达到703 K时,向外发出较强带内红外辐射,到达像面的辐射功率为0.195 mW,可对红外成像面造成强烈噪声干扰。     

光电成像系统动像光学传递函数

在论述光电成像系统时间响应特性图像运动的基础上,提出并完善了光电成像系统动像光学传递函数的数理模型,除已导出的匀速运动和简谐振动下的动像LSF和OTF公式外,又导出了匀加速运动下动像LSF和OTF公式以及椭圆、圆周运动下的两维动像PSF和OTF公式,从而可以全面计算、分析光电成像系统的动像传递特性,为更深入研究动态光电成像奠定了理论基础.     

星载光电成像系统探测能力分析与研究

星载光电成像系统可实现远距离空间目标的探测与识别,而探测距离是系统的主要性能参数。以空间目标反射太阳光为基础,建立了系统极限探测距离的数学物理模型,分析了影响探测距离的因素,对极限探测距离与太阳光入射方向、光学系统的有效通光口径、探测器的信噪比阈值以及曝光时间的定量关系进行了数值模拟研究。研究结果表明:增大光学系统的有效通光口径可实现系统探测能力的显著提升;当信噪比阈值和太阳光入射角同时变化时,降低信噪比阈值可有效提高系统的探测能力,并且此时太阳光入射角的变化对系统极限探测距离的影响较小。     

空间调制型全Stokes参量偏振成像系统原理及仿真

空间调制型全Stokes参量偏振成像是针对同一目标不同偏振分量的同时探测技术,以双折射晶体作为调制元件,将Stokes参量S0~S3调制在同一幅图像中,只一次采集便可获得包含4个Stokes参量的调制信息。分析空间调制型全Stokes偏振成像系统的探测原理和数学模型。阐明重构偏振图像S0~S3的理论依据,并分析了系统参数的选择对图像重构效果的影响。根据实际系统参数,进行数值仿真模拟成像过程,获取调制图像,使用一种简单的频域解调算法,重构出S0~S3的4幅偏振图像,得到比较满意的重构效果,不仅验证了方案的可行性,同时为仪器设计或器件选型提供参考。     

红外成像系统NETD参数测试算法及应用研究

噪声等效温差(NETD)是表征红外成像系统灵敏度的关键参数,也是评估红外成像系统性能的重要参数之一,应用广泛。通过对红外成像系统3D噪声、信号传递函数(SiTF)、NETD等参数测试方法、算法和流程研究,给出一种基于视频文件的3D噪声离线对比测试方法和一种SiTF线性区自动判断计算斜率算法,在此基础上针对某型技术保障装备国产化光电检测平台开发了配套应用软件功能模块。实现了通过计算单位均方根噪声所对应的SiTF斜率值,分析得出系统NETD参数值的功能。以某型热像仪为被测对象,开展了测试结果重复性和一致性试验,并与美国Optikos公司I-SITE红外整机测试系统进行了对比测试。实验结果表明开发的NETD参数测试功能模块测试精度和重复性满足设计要求,具有较高实用价值,已进行了工程应用。     

强激光系统光束质量的非线性退化及补偿研究

为了在强激光非线性传输仿真中综合考虑系统像差等因素,提出了一种基于光线追迹的非线性介质光追方法,并编程实现了线性介质与非线性介质的混合建模。以三片式聚焦系统为例,在系统中加入KDP晶体作为非线性介质,仿真分析了不同激光功率密度下KDP晶体的非线性效应对光束质量的影响。仿真结果表明,当激光功率密度达到1.62×1010 W/cm2时,非线性效应会导致光束质量明显下降。在该仿真结果的基础上提出了在不改变焦面位置的情况下,将元件间隔作为补偿器进行系统优化的方法。优化结果表明,焦斑尺寸较优化前减小2.8μm,规范尺寸下的环围能量提高了16.2%,焦面处的光束质量得到显著改善。     

小型Offner凸光栅光谱成像系统的结构设计及分析

根据小型Offner凸光栅光谱成像仪光学系统的特点,对其反射镜支撑结构和桁架结构进行了研究,完成了小型Offner光谱成像系统的结构设计,建立了系统的3D实体模型。为了验证结构设计的合理性,对设计的3D模型进行有限元分析。在模态分析中得到该结构的第一阶固有频率为362 Hz,高于系统设计要求的120 Hz;在加速度及温度载荷分析中,得到主要光学元件的面形值以及它们之间的相对位置变化,其离轴及偏角均在允许公差范围内,说明结构刚度满足使用要求,证明了结构设计的合理性。     

新型分子高光谱成像系统性能分析及数据预处理

将分子成像技术和高光谱技术相结合,研制了基于AOTF(Acousto-optic Tunable Filters)的分子高光谱成像系统。系统由显微镜、分光仪、CCD镜头、图像数据采集卡和计算机等几部分组成。在综合考虑各功能部件的性能及相互的制约关系的基础上,分析了系统的性能指标,系统的光谱范围从550～1 000 nm,可采集200个波段,空间分辨率可达0.061 5 μm,光谱分辨率可达2 nm,当CCD工作在积分模式下采集速度可达到2.612 5 s·B-1,当CCD工作在非积分模式下可达到约0.11 μs·B-1。由于受系统光源和光路中透镜及传感器性能的影响,采集到的图像数据需要进行预处理,文中提出一种空间维和光谱维联合校正的灰度校正系数算法,并给出算法的具体实现。以白血病的血液作样本,通过对比校正前后的单波段图像、伪彩色图像和光谱曲线,说明校正算法的有效性,为后续的光谱图像数据分析提供了有效的数据。     

小型Offner凸光栅光谱成像系统的结构设计及分析

根据小型Offner凸光栅光谱成像仪光学系统的特点,对其反射镜支撑结构和桁架结构进行了研究,完成了小型Offner光谱成像系统的结构设计,建立了系统的3D实体模型。为了验证结构设计的合理性,对设计的3D模型进行有限元分析。在模态分析中得到该结构的第一阶固有频率为362 Hz,高于系统设计要求的120 Hz;在加速度及温度载荷分析中,得到主要光学元件的面形值以及它们之间的相对位置变化,其离轴及偏角均在允许公差范围内,说明结构刚度满足使用要求,证明了结构设计的合理性。     

激光干扰红外成像系统的噪声等效温差及信噪比分析

噪声等效温差(NETD)和信噪比(SNR)是衡量红外成像系统性能的重要指标之一,它与探测器的多种性能参数有关。分析了激光辐照干扰红外探测系统及不同材料类型红外探测器性能参数变化。通过理论定量计算分析,比对YAG激光(波长1.06 μm)干扰前后系统噪声等效温差、信噪比曲线,得到了激光损伤后的NETD比损伤前NETD大2至3个数量级,同时,激光干扰后的信噪比相对激光干扰前信噪比小2个多数量级,进一步推导出激光干扰对红外探测系统的影响。     

推扫式多挡增益光谱成像模拟及噪声分析

综合性遥感监测对载荷的灵敏度和动态范围都有较高的要求,为此提出一种基于逐像元多挡增益切换的光谱成像方法。不同于帧增益或者行列增益切换的成像方式,该方法利用4T-APS CMOS探测器无破坏读出的特点,可以进行像元级的增益优化。这种方式可以兼顾水体、植被、云层等多要素的成像需求,极大地提高了载荷的研制效益。其基本原理为探测器先进行全局曝光,然后根据多级积分电容的饱和判断,选取不饱和的最高增益信号以增益码加信号的形式下传。地面根据增益码对应的定标系数反推出像元真实辐射值。由于谱段多且为分段响应,为保证系统的定量化应用,建立多挡增益光谱成像模型并进行噪声分析具有重要意义。通过对噪声类型的分析,建立了多挡增益下的泊松-高斯噪声模型。基于该模型计算了像元受噪声影响以低增益读出的概率。结果表明,虽然噪声会影响读出增益的变化,但影响区间极小,入瞳辐亮度在5 mW·cm-2·μm-1·sr-1以内,信号比增益挡位辐亮度分界值小0.05 mW·cm-2·μm-1·sr-1即可保证正常读出的概率大于99.6%。随着信号增强,光子噪声增大,增益减小,影响区间扩大。根据多挡增益信噪比模型,分析得出光谱模式与合并通道模式下的信噪比变化。最后,利用宽波段成像光谱仪（WIS）数据作为入瞳辐亮度进行了四挡增益的推扫式光谱成像模拟,分析了多挡增益光谱图像的固有特点。根据噪声模型对中心波长为0.443 μm的光谱图像添加1~3σ的随机噪声,分析了噪声对地物目标所处增益的影响。结果显示,在满足信噪比指标的前提下,该系统的单挡动态范围为74 dB,总动态范围可达114 dB。该方法不但提高了水体等弱信号的信噪比,而且可以保证建筑、云层等亮目标不饱和。成像模拟及噪声分析不仅有利于该载荷的后续研制,也可以为同类光谱仪器的设计提供参考。