用于光学系统分析的质心配准法

将图像区域像素的统计特征引入活动轮廓模型,提出使分割轮廓所包括区域的质心对应角均方根误差极小的最优搜索方法——质心配准法。质心配准法有效地避免了散斑噪声等图像污染对图像区域分割精度的影响,实现了模糊图像精确的区域分割,求得图像最佳配准参数。对实际光学系统输出的多幅具有较大空时互补性的低分辨率图像进行了仿真实验,实验结果表明：该配准算法具有较高的精度,并在光学系统分析上得到了很好的应用。     

图像噪声对相位变更波前传感的影响研究

相位变更(PD)方法是一种基于两个或多个不同离焦面图像来恢复光瞳畸变波前相位的光学波前传感技术.它使用相对简单的光学系统,运用统计最优化计算方法,借鉴图像处理中的一些技术手段,在得到波前信息的同时,还可以得到目标的清晰像.但当图像存在噪声时,用于优化算法的误差函数会出现许多局部极值点,这会影响算法的收敛速度,共至会导致算法陷入局部极值而得不到正确的估计解.为消除这些影响,需对图像进行降噪处理.在实际光学系统中,由于光瞳大小的限制,实际得到图像的高频信息一般要远少于低频信息,所以宜使用低通滤波器对图像进行滤波.仿真中通过比较各种滤波器性能,针对含有加性高斯噪声的图像,采用了对图像模糊影响较小的巴特沃思(Butterworth)低通滤波器.研究结果表明,利用滤波器处理后的图像,相位恢复结果的均方根误差(RMsE)比未使用滤波器有明显下降.     

稀疏孔径光学系统成像的图像恢复算法研究

提出两种稀疏孔径光学系统成像的图像恢复模型.分析维纳滤波、最小二乘方滤波和极大似然法盲去卷积三种图像恢复算法的适用条件.针对存在噪声干扰的稀疏孔径光学系统,通过实验对比,指出维纳滤波和最小二乘方滤波把相机光学传函当作系统传函,其理论推导能够达到最优.盲去卷积把大气传输函数和相机光学传函作为系统传函进行恢复,其恢复结果优于维纳滤波带入常数K和最小二乘方滤波调整参量结果.     

基于相位差异法的简易光学系统的图像复原方法

简易光学系统因系统结构简单而存在严重像差,导致所成图像出现模糊、失真等问题.对简易光学系统的成像特性进行分析,在已知光学系统焦距和光瞳孔径的条件下,建立含有像差的点扩散函数模型和图像复原模型,根据焦面和离焦面图像以及精确的离焦量,无需点扩散函数的先验信息,采用相位差异法对简易光学系统所成图像进行重构.实验结果表明:单透镜、双透镜和三透镜系统复原图像质量评价指标提升率分别达到24.96%、24.80%和42.04%,重构后图像质量均有明显提升.     

天文望远镜像差对斑点成像技术的影响

着重研究了采用斑点成像技术处理天文望远镜图像时,光学系统固定像差对图像恢复结果的影响。在详细研究各种恢复天文图像振幅和相位的理论和方法的基础上,建立了一个包括Labeyrie振幅恢复方法和KnoxThompson相位重构方法的恢复扩展目标的斑点成像处理模型,分析了光学系统固定像差对系统传递函数相位分布和目标相位重构的影响：天文目标通过大气成像,固定像差将会被淹没在大气湍流随机起伏中,像差对相位重构没有显著影响。处理图像结果表明,斑点成像技术能同时消除大气湍流和望远镜系统固定像差的影响,得到高分辨力的扩展目标图像。还提出了一种消除光学系统像差的方法。     

双随机相位图像加密的实值编码研究

提出了一种基于双随机相位的图像实值编码方法,该方法可应用于光学图像加密.要编码的纯相位图像分别在空间域和频域加入随机相位掩膜,其中在频域将编码范围扩大4倍,经过光学系统的变换,将生成的图像取实部作为编码图像.实值编码的图像利用与编码过程类似的方法进行解码,可以准确地重建原图像.该编译码方法简单,编码图像是一个近似随机噪声的实值图像,便于数字图像的传输与输出.     

基于遗传算法的稀疏孔径两次离焦相位差法

稀疏孔径望远镜的子镜装调误差是影响光学系统成像质量的主要因素之一。研究了基于遗传算法的两次离焦相位差法,即在稀疏孔径望远镜系统的两个不同的离焦面上获得两幅图像数据,采用遗传算法,通过最大似然估计目标函数最优化的方法,恢复目标图像并计算出稀疏孔径光学系统的活塞误差和倾斜误差,分析了复原图像的信噪比和方差。结果表明:遗传算法与两次离焦相位差法的结合不但可以精确求得子镜的装调误差,而且能够算出两次离焦的距离。与传统相位差法相比,计算时间相当,实验难度降低。     

边缘增强新方法及在联合变换相关器中的应用

基于耦合理论定义并推导出耦合增益系数g,分析耦合增益系数g随TL和r的变化.提出图像边缘增强的新光学系统,该系统利用背景信号增强边缘信号,具有高输出效率和高亮度的优点.设计并构建出该光学系统,并利用CCD获得手骨的边缘增强图像.论证了光相关原理,模拟边缘增强和非边缘增强字母E的三维相关分布,并比较了两种相关器的分辨率Iac和半高宽(FWHM).分析表明：边缘增强预处理能有效提高相关器的性能.     

基于相位差混合处理方法的高分辨力成像技术

为了提高成像系统的分辨能力, 并尽量减小系统的复杂度, 本文将相位差波前探测技术和相位差图像恢复技术结合起来构成相位差混合处理方法, 给出了点目标和扩展目标情况下混合处理方法的数值仿真结果, 并针对点目标情况进行了实验验证. 实验表明, 在像差较大的情况下, 直接用事后处理方法无法得到满意的结果. 在三种湍流强度下, 经混合方法处理后得到光斑的半高宽分别由自适应光学系统校正后的5.1, 5.1和5.0个像素减小到3.3, 3.2和3.0个像素. 可以看出, 利用相位差混合处理方法得到的图像明显优于单独的事后图像处理方法和自适应光学校正, 相位差混合处理方法在高分辨力成像领域有着巨大的应用潜力.     

平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统的传输特性

为分析平顶高斯光束通过光学系统传输时圆孔光阑失调和光学元件失调对平顶高斯光束传输特性的影响,利用失调圆孔光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式,得出了平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统传输的近似解析式,给出了输出光束场分布与光束参量、光阑孔径尺寸、光阑和光学元件失调量等的定量关系.针对特定光学系统定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明各元件失调都对输出光束强度分布产生较大影响.但在各失调量较小的情况下,透镜失调对输出光束传输特性的影响比光阑失调对输出光束传输特性的影响更明显.     

平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统的传输特性

为分析平顶高斯光束通过光学系统传输时圆孔光阑失调和光学元件失调对平顶高斯光束传输特性的影响,利用失调圆孔光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式,得出了平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统传输的近似解析式,给出了输出光束场分布与光束参量、光阑孔径尺寸、光阑和光学元件失调量等的定量关系.针对特定光学系统定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明各元件失调都对输出光束强度分布产生较大影响.但在各失调量较小的情况下,透镜失调对输出光束传输特性的影响比光阑失调对输出光束传输特性的影响更明显.     

单目视觉目标距离测量方法研究

提出了一种利用单目视觉测量目标距离的方法.当目标与光学系统的距离变化时,其共轭像面的位置也发生相应的变化,而摄像头的CCD是固定的,因此在CCD上得到的是模糊度不同的图像.利用小波变换对得到的图像进行处理,检测模糊图像边缘的宽度,再利用三次样条插值运算计算出目标至光学系统的实际距离.实验结果表明该方法是可行的.     

单目视觉目标距离测量方法研究

提出了一种利用单目视觉测量目标距离的方法.当目标与光学系统的距离变化时,其共轭像面的位置也发生相应的变化,而摄像头的CCD是固定的,因此在CCD上得到的是模糊度不同的图像.利用小波变换对得到的图像进行处理,检测模糊图像边缘的宽度,再利用三次样条插值运算计算出目标至光学系统的实际距离.实验结果表明该方法是可行的.     

波前编码系统相位板视场效应的消除

通过在光学系统的光阑面上加入一个非球面相位板,使得光学系统的成像对离焦不敏感.但当入射视场角较大时,图像的边缘发生变形且难以恢复.针对此问题,提出了两种解决方案,方案一是把相位板移至光路中光线较为平缓的区域,但不是系统的光阑位置;方案二是保持相位板位置不变,优化整个光学系统,使相位板前的光线能够平缓地入射到相位板.实验中对一个EFL=12.5 mm,F/#=1.3,半视场角为13.5°的波前编码实际系统进行仿真比较,得出方案二可以有效地消除波前编码相位板引入的视场效应.     

利用Offner光学系统进行图像恢复和光学检测

设计了一种Offner光学系统,用于基于相位差异技术的图像恢复和光学系统波像差的辅助检测。该Offner光学系统采用同轴抛物面反射镜作为Offner反射镜,以高速CCD相机和Shack—Hartmann波前探测器作为接收元件,能完好地消除复色光源在图像恢复过程中带来的色差;设计的RMS波像差小于a／50（A=632．8nm）,结构简单,容易实现。利用该系统分别以分辨率板和光纤光源为目标进行了图像恢复实验,经过恢复后的图像分辨率提高了19％。此外,利用该系统,采用相位差异算法解算了系统波像差,并与Shack—Hartmann波前探测器的测量结果进行了比较。比较显示两者的RMS波像差测量值相差5％,证明该系统同样能够进行光学波前检测。     

半导体光纤环形激光器输出状态分析与分类

研究了不同注入电流、不同输出偏振度下,半导体光纤环形激光器输出光的混沌特性.分别采用时域观察法、C-C法、Wigner-ville分布时频分析法、最大Lyapunov指数法联合分析输出光的时域、频域统计特性.从而将激光器输出按偏振度划分为三类:偏振度在0%到20%,随着电流的增大,激光器输出偏振混沌激光,其类型发生阶跃性跳变;偏振度在30～80%,激光器输出仍以偏振混沌激光为主,其类型不随电流增大而发生跳变;偏振度趋于90～100%,激光器输出以强度混沌激光为主,偏振混沌光随着偏振度趋向100%而下降为零.利用虚假邻点法计算嵌入维数和回归图法重构吸引子,得到上述三种输出类型的复杂程度依次是:椭圆吸引子(6维)、方形吸引子(7维)、点形吸引子(5维).由此得出,半导体光纤环形激光器用于偏振混沌通信的最佳区域为:偏振度处于30%至80%,注入电流处于330 mA～550 mA.     

基于光学系统像面分割的图像恢复方法研究

实际光学系统的点扩散函数随视场的不同而变化,因此基于线性不变成像系统的图像恢复方法在处理由大视场系统得到的图像时,恢复效果不理想。若把成像系统作为线性空变系统来进行处理,根据等晕成像原理,如将降质图像分割为不同区域进行复原的话,则可以有效地提高图像的恢复效果。针对区域间边界不连续性的问题,提出了区域延拓的解决方法,通过数字仿真,验证了图像分割处理与区域延拓方法的可行性。     

基于硅基液晶显示技术的可见光光学目标模拟器的研制

为了产生制导武器仿真系统中所需的逼真的目标背景图像,建立了基于硅基液晶显示技术的可见光光学目标模拟器。给出了模拟器图像输出的实际效果图以及光学参量的测试方法和数据。测试表明,该装置有较好的亮度、对比度和均匀性,与传统的阴极射线管显示技术相比有效减轻了图像闪烁问题,能够提供稳定的视频输出,更有利于仿真系统中对动态目标的识别,是一种较为理想的图像模拟装置。同时给出了双复眼光学系统初始结构的计算方法并推导出简单的计算公式,该算法可以应用于其他双复眼照明系统中。     

拼接孔径光学系统在轨失调相位恢复

为了提高遥感成像系统分辨率并降低大孔径光学系统的加工难度,拼接式合成孔径技术被应用于遥感领域。但是在拼接过程中,由于子镜失调会导致相位误差,致使光学系统成像分辨率下降,提出采用位相差相位恢复方法估计子镜失调引起的相位误差,并用于反求子镜失调,为在轨装调提供依据,最终达到改善系统成像性能的目的。将已知离焦位相情况下的模型输出与实际成像输出之间的差异作为失调相位估计的目标函数,建立了存在失调的拼接孔径系统成像的数学模型。通过对几种求解非线性方程最优解方法的比较,采用BFGS法来寻找位相最优估计值。仿真实验表明:提出的算法能将光学系统的相位恢复误差控制在6%范围内。     

高斯光束照射下的Vander Lugt相关器的特性研究

针对特定目标图像,定量分析了在Vander Lugt相关器中照明光束为高斯光束时输出相关峰值随高斯光束特性参量的变化情况。结果表明,输出相关峰值随高斯光束腰斑半径的减小和输入场景中目标位置偏离高斯光束中心距离的增加而减小。为了得到高的输出相关峰值,由扩束准直光学系统输出的高斯光束腰斑半径应满足一定的要求。