反射式电寻址红外切变聚合物网络液晶空间光调制器

为了给高帧频红外成像导引头半实物仿真提供高帧频、宽光谱、大动态范围的红外场景,利用切变聚合物网络液晶(SPNLC)电光调制机理制作了反射式电寻址SPNLC空间光调制器.通过LabView编写控制程序,利用计算机并口数据寄存器和控制寄存器为译码放大电路提供写入信号,驱动SPNLC盒各像素,实现红外图像的显示.实验得到厚度为13 μm的反射式电寻址红外SPNLC空间光调制器,当入射辐射的黑体温度为300℃,驱动电压为60 V时,测得样机所显示的几幅长波红外图像(8 μm～12 μm) 的帧频为100 Hz,输出最大温差大于15℃.     

面向实时视觉芯片的高速CMOS图像传感器

提出了一种面向实时视觉芯片的高速CMOS图像传感器.该高速图像传感器主要包括CMOS像素单元阵列、相关双采样(CDS)阵列、可编程增益放大(PGA)阵列、单次比较模数转换(ADC)阵列和控制模块.该传感器集成了光信号采集和行并行信号处理等功能,以大于1000 frame/s的速度输出数字信号或数字图像,同时实现了行并行...     

基于DMD的高动态范围场景成像技术

为了对高动态范围场景进行实时有效的观测,设计了一种采用数字微镜器件作为空间光调制器的成像系统.通过改进数字微镜器件的驱动时序,提高数字微镜扩展成像系统动态范围能力.针对光学系统存在畸变,采用多项式拟合法获得数字微镜器件到图像传感器的精确映射关系.针对一般调光算法导致调光后图像可视性差的问题,引入色阶映射算子生成调光模板,获得符合人眼视觉特性的调光结果.实验结果表明,在10帧/s的条件下采用数字微镜器件可提高传统成像系统动态范围66dB,成像系统总的动态范围达到126dB,图像传感器控制准确度达到0.69个像素级别,调光后场景高亮目标与暗背景可同时观测到,调光后采集图像的信息熵得到提高,系统满足对高动态范围场景实时成像观测的需求.     

光寻址电位传感器的正交相位检波检测方法

光寻址电位传感器的幅度检测方法易受噪声干扰,灵敏度差,信噪比和精度低,且受调制光源的影响较大,影响检测结果的准确性.为此提出了一种基于正交相位检波的光寻址电位传感器检测方法.该方法是将光寻址电位传感器的输出光电流信号分别与两路正交信号相乘,通过低通滤波提取直流分量并相除,即可得到光寻址电位传感器的输出信号相位信息.与已有的光寻址电位传感器相位检测方法相比,该方法具有算法复杂度低、实时性高的优点.实验研究了调制光源光强对光寻址电位传感器幅度检测和相位检测的影响,对比分析了光寻址电位传感器的传统幅度检测方法与正交相位检波检测方法对pH检测的灵敏度、线性度及信噪比.结果表明,相比于幅度检测方法,调制光源光强对光寻址电位传感器的相位检测影响更小,在频率为10 kHz,pH的范围为1.68~10.01的情况下,相位检测方法比幅度检测方法测得的灵敏度增加了7 mV/pH,精度提高了14.9 mpH,非线性误差减小了0.003%,均方差减少了0.1051×10^-5,信噪比增加了8.2827 dB.该方法特别适用于弱光下的光寻址电位传感器检测.     

基于液晶和DSP的强光局部选通智能网络摄像系统研究

基于透射式液晶的电光特性, 设计和开发了一套基于液晶和数字处理器 (digital signal processor, DSP)的强光局部选通智能网络摄像机系统. 系统基于透射式液晶和DSP开发板(核心芯片TMS320DM642)技术, 利用DSP控制液晶驱动, 实现液晶单个像素透过率的控制, 将强光的透过率下降2个数量级; 该系统利用另一块DSP 开发板(核心芯片TMS320DM6437)实现将处理后的强光视频信号进行网络传输与实时存储到PC机中, 实现选通智能网络摄像. 该系统24 h所需存储硬盘容量8.648 Gbit, 所用液晶的延迟时间25.5 ms, 电路延迟时间17 μs. 在光强大于2.2×10⁵ lx的强光照射下, 得到系统的选通视频实验结果. 结果表明该系统能解决强光下普通CCD高动态范围摄像机出现局部曝光过度而不能分辨细节的成像问题, 实现了CCD的高动态范围成像. 关键词： 液晶 DSP 光强透过率 高动态范围     

高速线扫描共焦检眼镜

高速线扫描共焦检眼镜使用线光束照明眼底视网膜,同时利用线阵CCD对视网膜平面的单次散射线光束探测成像。系统光学放大率为7倍,横向分辨率小于10μm,对于58kHz线频的1024pixel×512pixel成像模式,成像帧频高达110frame/s。该系统实现了高分辨率、高帧频模拟人眼实验图像的获取。     

干涉型光纤传感器相位生成载波技术研究与改进

对干涉型光纤传感器的相位生成载波解调技术进行了研究.对PGC算法进行了数学推导和仿真计算,对数字低通滤波器进行了详细分析,给出了其影响PGC解调性能的原因及数字滤波器的设计方法.讨论了传感器干涉光强对PGC算法输出结果的影响,提出了改进的PGC算法,该算法可以有效的实现自动增益控制,消除干涉光强漂移对解调的影响,并大大减小由干涉光强引入的系统噪音;还可以在有限阶数低通滤波器的情况下,极大的增加系统可解调的大信号幅度,提高系统动态范围12 dB以上.     

用于纳米粒子检测的双环谐振器

设计了一种可以探测单个纳米粒子的光学传感器结构,该结构由双环、双环间耦合区的通孔和直波导构成,并引入了Fano效应,进一步增强了粒子在光场中出现时的光耦合场变化.当纳米粒子穿过两个微环间的通孔时,其耦合系数和输出端的光强均发生变化,提出了一种基于双环谐振器结构的高精度耦合系数传感方法,通过检测双环谐振器耦合系数和输出端光强的变化对单体纳米粒子进行精确检测和计数.理论计算结果表明,在损耗为1 dB/cm的情况下,与单环结构相比,双环结构的灵敏度提升了两个数量级.该双环结构在减小波导损耗的同时有效提升了检测灵敏度.     

高帧频384×288长波数字红外焦平面探测器

高帧频红外焦平面探测器在红外武器系统、光谱成像和高速测温中有着重要应用.目前,我国高帧频红外焦平面技术还比较落后,这严重制约着我国高端红外武器装备、光谱成像技术、高速测温仪器的发展.针对高帧频红外成像应用,设计并流片加工了一款384×288面阵、像元间距为25 μm的数字读出电路,与长波HgCdTe红外探测器芯片进行倒装互连,形成混合探测器芯片,并封装于金属真空杜瓦中,再配置斯特林制冷机,成功研制出了高帧频384×288长波数字红外探测器组件.经测试,所研制器件最高帧频达到1012 Hz,噪声等效温差(NETD)为16.8 mK,动态范围达到95.2 dB.采用所研制器件成功捕捉到了打火机点火瞬间的红外图像,该图像清晰呈现了火焰产生、迸出的过程,获得了良好的成像效果.     

反馈式跑道型光学微环的传感灵敏度研究

提出了一种由U型反馈波导、跑道谐振腔和敏感环组成的反馈式跑道型光学微环传感器.采用耦合模理论推导了该传感器的归一化输出光强公式,数值分析了传输损耗因子、自耦合因子和敏感环尺寸对归一化输出光强的影响.分析表明:敏感环的损耗因子对归一化输出光强的调制作用明显,只要损耗因子发生微小变化,输出光强即发生较大变化;敏感环工作在弱耦合状态时传感灵敏度较高;敏感环的尺寸对传感灵敏度影响较大,适当地调整敏感环的大小可得到陡峭的输出光强谱线.对结构参数进行优化后不仅可以输出尖锐陡峭的非对称法诺谐振光强谱线,而且具有较高的法诺谐振光谱斜率,能更好地增强传感灵敏度.在信噪比为30dB的测量系统中,优化的反馈式跑道型光学微环传感器的探测极限达4.48×10-8单位折射率.     

两种高速CMOS图像传感器的应用与测试

采用MI-MV13和LUPA-1300-2两种不同厂家型号的高速CMOS图像传感器,设计了分辨率为1 280×1 024的300～500 frame/s高速数字工业相机,并在实验室条件下对设计相机进行了关键性能指标对比测试,得到了光谱响应及量子效率、增益、动态范围、暗电流、读出噪声、光电响应非均匀性等测试结果。测试分析显示,LUPA-1300-2的峰值量子效率为50%,比MI-MV13的峰值量子效率高12%,与厂家的参考指标基本一致。测试结果证明：该测试方法正确,对两种高速CMOS图像传感器的关键性能指标的测试客观可信,所设计的高速CMOS摄像机的性能基本满足高帧频摄像的要求。     

Accurate measurement method of the thickness of a quartz pendulous reed by combining polarized reflectance and vision image

The detection of thickness provides important information on the production process of the quartz pendulous reed (QRP). Through real-time detection of QPR thickness, high-quality products can be produced, and defective products can be identified and removed. In order to improve detection accuracy and efficiency, a novel noncontact method for measuring the QPR thickness by combining the polarized reflectance and vision image is presented, which can be automated. Based on Snell’s law of fundamental optics, the image of the laser spot is obtained by a laser vision system. The selection criterion of the laser incident angle is analyzed. An improved edge detection algorithm is proposed to locate the subpixel edge of the laser spot, and the calculation method of the laser spot center is presented based on a set of subpixel edge-point data obtained by defining an error function which is to optimize the distribution of data points and minimize it. Experimental results show that the method proposed has good stability and high measurement accuracy, which can achieve noncontact accurate measurement of QPR thickness.     

基于四波段图像融合的彩色夜视方法研究

为了在低照度条件下获取目标的彩色图像,提高夜间对目标的识别能力,提出了基于四波段图像融合的彩色夜视方法.采用F-P滤光片设计出了透射中心在三基色光中心波长及近红外波段的四波段滤光片,在各个透射区域的平均透射率均达90%以上;将四波段滤光片设计成圆形滤色轮结构,用分光计测得了各波段滤光片的光谱透射性;对加入滤光片后的系统信噪比进行了分析和计算,分析结果表明加入滤光片不会引入噪声,计算结果表明加入蓝色、绿色、红色和近红外波段滤光片的成像系统的信噪比分别是原来单色微光夜视系统信噪比的19.59%、38.45%、47.28%和46.70%.借助国产超二代像增强器在微光实验室进行了四波段图像采集及彩色图像融合实验,实验时光照度分别为1×10~(-3)lx和1×10~(-1)lx,对获取的图像质量进行了评价.结果表明:在照度为1×10~(-3)lx时,融合的彩色图像在均值、方差和熵这三项指标上均优于过滤后的蓝色和绿色的单色图像,且由于彩色图像中利用了近红外图像进行增强,使得彩色图像亮度更高,颜色分辨性更好;在照度为1×10~(-1)lx时,融合后的彩色图像的信息熵比红、绿、蓝三种基色图像的大,彩色图像携带的信息量更大.本文的研究对彩色夜视成像系统的设计和研发具有借鉴和指导意义.     

High-speed CMOS readout integrated circuit for large-scale and high-resolution microbolometer array

A new CMOS readout integrated circuit (ROIC) for microbolometric focal plane array (FPA) is proposed in this paper. By applying multiple-module parallel working technique, the pixel readout speed of the CMOS ROIC can reach 10 MHz, which is very suitable for large-scale microbolometer array. The CMOS ROIC of each parallel working module consists of three major parts: direct injection (DI) input circuits, column-shared integrating circuits, and common noise-suppressing circuits. The readout structure of the ROIC is simple because of the DI input, shared and common circuits, and this makes the ROIC satisfy the requirements of small-pixel microbolometric FPA. Furthermore, the voltage signals from different working modules can be output according to a certain order through a high-speed output circuit. An experimental readout chip based on the proposed ROIC has been designed and fabricated to verify its readout function and performance. The measurement results of the experimental readout chip have successfully proved that the proposed CMOS ROIC can be applied to high-speed, low-noise, large-scale and high-resolution microbolometric FPA.     

非制冷红外探测器读出电路的非均匀性研究

对于长线列的非制冷红外探测器组件, 不同探测元之间的非均匀性是衡量电路设计的关键指标. 为了实现长线列非制冷红外探测器的高性能读出, 本文设计了一种基于电流镜方式的非制冷红外探测器160线列读出电路, 电路由电流镜输入模块、电容负反馈互导放大器模块及相关双采样输出模块组成. 电路采用0.5 μm工艺制作完成. 通过合理设置电路中MOS管的参数和布局电流镜版图, 电路的非均匀性有了明显地改善. 通过测试, 电路的非均匀性小于1%, 器件总功耗约为100 mW, 并具有良好的低噪声特性, 输出噪声小于1 mV, 输出摆幅大于2 V. 该电路与160线列非制冷红外探测器互连后, 能较好地完成红外信号的读出, 在积分时间为20 μups的情况下, 器件的响应为0.294 mV/Ω, 整体性能良好. 该电路的研制对超长线列的非制冷红外冷探测器读出电路研制奠定了重要的技术基础.     

Narrowband speech wideband extension algorithm research

To reduce the spectral distortion,a Hidden Markov Model-based narrowband speech bandwidth extension algorithm is presented.Firstly,the parameters which have higher mutual information with wideband envelope were extracted to constitute the feature vector,and then a posterior probability was calculated via the joint probability of the partial observation feature vector sequence and the markov states.Secondly,based on the posterior probability,the wideband envelope was estimated using Bayesian parameter estimation method and minimum mean square error criteria.For estimation of wideband excitation signal,intermediate frequency extension algorithm is proposed based on the harmonic correlation between the low frequency and high frequency.The experimental results show that,compared with the traditional bandwidth extension algorithm based on Hidden Markov Model,the average spectral distortion is reduced by 0.187 dB and the number of speech frame with spectral distortion over10dB is decreased by 34.3%.     

A 3 × 6 arrayed CCD X‐ray detector for continuous rotation method in macromolecular crystallography

A 3 × 6 arrayed charge‐coupled device (CCD) X‐ray detector has been developed for the continuous‐rotation method in macromolecular crystallography at the Photon Factory. The detector has an area of 235.9 mm × 235.9 mm and a readout time of 1.9 s. The detector is made of a 3 × 6 array of identical modules, each module consisting of a fiber‐optic taper (FOT), a CCD sensor and a readout circuit. The outputs from 18 CCDs are read out in parallel and are then digitized by 16‐bit analog‐to‐digital converters. The advantage of this detector over conventional FOT‐coupled CCD detectors is the unique CCD readout scheme (frame transfer) which enables successive X‐ray exposures to be recorded without interruption of the sample crystal rotation. A full data set of a lysozyme crystal was continuously collected within 360 s (180° rotation, 3 s/1.5° frame). The duty‐cycle ratio of the X‐ray exposure to the data collection time was almost 100%. The combination of this detector and synchrotron radiation is well suited to rapid and continuous data collection in macromolecular crystallography.     

基于目标运动的复眼式双目视觉测距法

昆虫（螳螂）复眼利用目标的动态差异实现立体视觉,具有视场大、计算简单、实时性高等特点,是立体视觉研究的新方向。为实现复眼立体视觉在机器人视觉导航中的应用,根据复眼结构以及信息处理机制,提出并研究了环形光电传感器的目标快速检测与定位方法。首先,搭建了基于60个光电二极管的等6°夹角分布式环形传感器,形成具有360°视场的环形仿生复眼;其次,建立了基于光流原理的运动目标方位角检测模型,采用傅里叶拟合法实现了方位角检测模型的优化,实现了运动目标方位角与目标距离大视野范围内的简单、快速检测。实验结果表明:1）可实现距离375 mm范围内运动速度为30 mm/s的目标方位角实时检测,测量误差在2°范围内;2）基于目标方位角检测模型,可实现双目阵列传感器在300 mm×375 mm视野重叠区域范围内、平均测量误差在10 mm范围内的立体视觉测距。基于光流的运动目标方位角检测模型可用于实现对运动目标空间位置的动态实时检测,在运动检测、视觉导航等领域具有广泛的应用前景。     

基于CCD电极直接驱动控制的双脉冲发光图像高速曝光技术原理研究

电荷耦合器件(CCD)是一类高性能的光电成像器件,具有成像阵列大、图像质量好的特点。但由于正常工作驱动时序复杂,工作帧频一般较低,无法满足较高成像帧频的要求。针对一种双脉冲发光图像的高速高分辨高质量成像要求,根据CCD信号电荷收集及转移的电极驱动特性,选择合适的CCD类型,以电荷转移时序为时间分隔界限,设计了一种电极直接进行控制的时序,实现了两个光脉冲图像的分离积分及信号转移、读出等,完成了双脉冲发光图像的等效高帧频曝光的原理验证,在保持CCD原有高成像质量的情况下获得了μs级间隔的两幅图像可分辨的能力,并实现了一种二分幅相机系统。     

时域压缩合成孔径超分辨水声成像算法

提出一种针对水下稀疏目标的时域压缩合成孔径声呐成像方法(TC-SAS),实现了水声目标高分辨实时成像。通过多子阵的孔径合成,在时域上构造出成像网格格点到有效孔径内逐帧阵列的格林函数,并给出成像区域散射强度到数据域的映射矩阵;然后利用该区域空域稀疏的先验知识,通过正交匹配追踪的稀疏重构方式,解算出成像区域散射系数矩阵,实现了稀疏目标高分辨成像.同时,针对线性调频信号提出数据缩减的方法,通过对观测数据和字典矩阵同时脉压后截取,减小了数据规模;进一步结合二维矩阵数表查表的方法,以空间换时间,实现了区块实时成像。数值仿真以及湖试试验表明,所提算法能分辨出传统的时延求和算法难以分辨的目标,并且在图像清晰度指标上平均提升4.9 dB.改善了合成孔径声呐的成像质量.