大视场光学显微成像技术

光学显微成像技术具有实时性、高分辨率和非侵入性等特点,其成像尺度可跨越细胞、组织乃至生命体,极大地拓展了人们对生命本质的认识边界。然而,受限于光学显微成像系统有限的空间带宽积（Space-Bandwidth Product,SBP）,常规的光学显微镜难以同时兼具大视场和高分辨率,使得显微成像在大视场生物成像应用中受到较大的限制,例如,对脑神经网络以突触为单位的神经回路成像。近年来,大视场光学显微成像技术得到不断的发展,其SBP的视场相较于传统的光学显微镜有了十倍甚至百倍的提升,在保持高分辨率的基础上拓展了成像视场,从而可以满足生物医学领域重大问题的研究需求。本文介绍了近年来几种典型的大视场光学显微成像技术及其生物医学应用,并对其未来发展做了展望。     

基于Zemax的大视场水下成像光学系统设计

水下成像是海洋探测的重要手段,为满足海底微光以及大视场成像需求,利用光学设计软件Zemax设计了一款总长70mm,相对孔径为1/1.5,视场角为90°的水下成像光学系统。系统采用反远距结构,优化后仅由7片球面透镜和1片平板水密窗口组成,系统具有结构简单紧凑、大视场和大相对孔径等优点。设计结果表明,在各视场内,弥散斑的均方根半径均被控制在7μm范围内,且调制传递函数曲线在奈奎斯特频率为56lp/mm处的值均高于0.45,系统具有优异的成像质量。在单个探测像元内,系统的衍射能量大于90%,能量集中度高。此外,公差分析结果显示,系统具有较好的稳健性,且加工工艺易于实现。设计满足水下成像系统对大孔径和大视场的需求,具有重要的应用价值。     

光学复用大视场成像研究

为了简化光学复用成像系统复杂度和降低对编码方式的要求,基于反射镜旋转完成通道编码,构建了结合分束镜和光学成像系统实现双通道混叠成像的实验装置.为实现混叠图像的有效解混叠,提出了利用特征点检测与匹配方法实现多幅混叠图像之间平移量的自动识别,进而构建出具有亚像素精度的双通道光学复用成像系统的系统复用矩阵,并采用梯度投影稀疏重建算法完成基于多幅图像的双通道图像重建,最终实验实现了光学成像系统视场角的2倍放大.此外,对所提方法在其他场景的适应性也进行了实验验证,表明了其可在不改变焦平面探测器的情况下实现光学成像系统视场角的有效放大,大大节约了大视场光学成像系统的研制成本.     

多传感器大视场成像系统设计及关键技术研究

为完成大幅面静态图像的采集,设计了基于多传感器阵列的大视场成像系统。提出了一种改进的基于SIFT算子的图像匹配方法对采集的图像进行匹配,有效地降低了误匹配率。推导了目标视场角与图像间重叠区域的关系以及成像平台参数和图像间重叠区域的关系,用于计算图像间的重叠比例,并只在重叠区域内进行特征点的定位、图像的匹配及拼接,有效地缩短了图像拼接时间。提出了一种改进的重叠区域渐入渐出融合算法对图像进行融合,得到了理想的融合效果。     

航天时间延迟积分CCD相机摆扫成像快速几何校正设计与分析

为实现在轨卫星机动成像条带的快速准确拼接和应用,针对高分辨力卫星在轨推摆扫相结合的机动成像模式,提出了一种光线追迹像移匹配数学建模方法。通过对卫星机动过程中的摆角变化、地球表面面型的影响分析,利用摆扫过程中姿态对地指向不断改变导致的交轨方向速度失配量和成像变形量,补偿相机像面各点处的像移量从而进行快速几何校正。利用小卫星姿态控制系统全物理仿真平台对成像进行了仿真分析。分析结果表明,成像过程中随着扫描角的增加,像面上的像移量增大,成像变形情况也变严重。利用均方误差分析仿真成像与实验成像质量,仿真成像与实验成像相差-0.000011左右,较好地满足地面卫星相机成像仿真需求。对不同扫描角下存在速度失配的图像进行快速几何校正,该校正后图像的均方误差变小。该校正方法具有效率高,便于拼接应用的优点。     

基于仿生复眼的大视场探测系统结构研究

昆虫复眼具有小型化、多孔径、大视场、高灵敏度等特点,开展仿生复眼在成像探测技术方面的应用具有重要的意义。介绍了复眼的分类、结构和成像特点,结合当前仿生复眼的研究进展和技术水平,对大视场复眼成像探测系统的结构进行了探索和研究,得到了三种适合用于探测系统的复眼探测结构,对其结构形式进行了介绍,对其优缺点进行了分析,并选取其中一种较好的方案进行了详细设计。所设计的复眼由37个子眼组成,总视场150°。对仿生复眼在光学成像探测方面的应用进行了有益的探索,具有一定的前瞻性和参考价值。     

机载大视场高光谱成像系统设计

为适应机载高光谱成像系统的发展需要,设计了一种机载大视场高光谱成像系统。前置望远系统为大视场宽谱段透射式系统,高光谱成像仪为基于Offner次镜的改正型Féry棱镜中继系统。系统设计过程中两次使用Zemax多重组态设计;尝试将Offner次镜的改正型Féry棱镜设计为高光谱成像仪;将Féry棱镜高光谱成像仪集成为高光谱成像系统进行一体化系统分析。该设计在结构和设计方法上均有改进。设计的大视场可见近红外高光谱成像系统视场可达28°,机载载荷高度为5km时,全系统的刈幅宽度为2.493km,地面分辨率可达0.6m。左半视场和右半视场全谱段调制传递函数均大于0.6,最大谱线弯曲和谱带弯曲不到0.2pixel,成像质量接近衍射极限。     

大视场声光可调谐滤波器成像光谱仪光学设计

为了在15视场角范围内获得工作谱段范围在400 nm~ 900 nm声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪系统的二维空间信息以及一维光谱信息,设计了一种应用于AOTF 成像光谱仪的光学系统。介绍AOTF的工作原理,根据AOTF 成像光谱仪总体方案,对前置系统及后置成像系统进行了设计。设计中前置系统采用倒置的伽利略望远镜结构,后置成像系统采用改进的库克三片式结构。最终完成了一个焦距为19.311 mm,F数为12.3,在34 lp/ mm 的空间频率下各视场调制传递函数( MTF) 均值大于0.5的光学系统。     

大视场龙伯透镜电磁成像超分辨算法

现有的反射面电磁成像系统体积庞大,无法满足机载、车载、无人机等应用平台要求。针对此类问题,研究了龙伯透镜的结构特性和成像特性,设计了大视场龙伯透镜电磁成像系统,利用空不变成像特性进行超分辨图像处理,实现了快速、大视场、宽频带、高分辨电磁辐射源分布成像。计算了口径300 mm带球核分层龙伯透镜参数,仿真了4～18 GHz龙伯透镜焦弧面场强分布,验证了龙伯透镜空不变的成像特性及其超分辨算法的有效性。实验对比了抛物反射面电磁成像系统和本文龙伯透镜电磁成像系统的体积、成像范围、源数目和分辨率,结果证明了本文系统的优越性,同样分辨率下,达到了方位角及俯仰角均为40°的大视场范围。     

基于手指静脉特征图像的加密研究

移动互联下的信息安全是目前研究的热门,本文从手指静脉图像的加密出发,首先对手指静脉图像的特征进行了提取,通过构建图像平滑器来获得静脉图像的大小,明暗区域的选择和特征图像的加强来获得采集后的静脉特征图像,其次对静脉图像采用基于小波基函数,Arnold映射,二次Logistic 映射和Baker变换的混合加密方式对进行加密。在相关系分析和差分攻击分析等方面实验比较,说明本文的算法具有很好的安全性和低耗时性,能够完全适应在移动互联环境中推广。     

基于Top-hat变换的OSAHS图像边缘检测算法

提出了一种基于多方向、多尺度Top-hat变换的图像边缘检测方法,应用于阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合症(Obstructive Sleep Apnea Hypopnea Syndrome, OSAHS)早期病理图像的边缘检测及诊断。首先,构造不同方向、不同尺度的Top-hat算子增强图像的对比度,利用形态学梯度进行边缘检测,然后把各个算子检测到的图像边缘按照一定的权重进行组合,得到理想的边缘,以便准确地获得病理图像的相关参数,进而实现医学电子诊断。本文以口腔图像、咽喉声带处图像、鼻道内部图像的处理为例,这三组图像的处理结果表明,与传统的边缘算子相比较,该方法能使图像的边缘信息更完整、更准确,图像的边缘闭合度可达到97.67%。     

基于模型的测试在工作流应用程序中的研究

近年来,工作流技术越来越多的应用于软件程序中,与之相关的新工作流语言以及工作流引擎也得到了快速的发展。但是,目前辅助工作流应用软件的测试方法仍显不足,特别是工作流引擎测试方面还存在着严重的局限性。为此,本文提出了基于模型测试的方法对工作流引擎进行测试,此外,还引入了抽象测试框架的概念,将其应用到工作流的测试上,它能够为工作流引擎构建测试环境和测试套件。最后,在Cumbia平台上搭建的一个工作流引擎上进行应用,说明了基于模型的测试方法和抽象测试框架可以有效应用于工作流引擎的测试。     

基于模型的发动机仿真与优化

利用Matlab软件中的MBC(model-based calibration)工具箱和仿真软件Ricardo Wave对汽油发动机的动力性进行了基于模型的标定和优化;在标定流程中,首先利用Wave建立了发动机仿真模型,并通过验证;接着,运用实验设计(DoE)方法确定了发动机的运行工况点,并用仿真模型计算出发动机在这些工况点处的参数和性能(扭矩、油耗、功率和缸内最高压力等);最后,建立发动机数学统计模型和标定优化;得到了发动机点火提前角、空燃比MAP图和优化后转矩的三维图;研究结果表明,该方法结合现代DoE试验设计理论和自动标定技术,不仅使发动机的扭矩从198 Nm提升到215 Nm,还能减少试验时间,提高标定效率。     

基于无线C/S模式的嵌入式图像采集系统设计

为增加视频监控的多样性,设计并实现了一种基于C/S模式的嵌入式无线视频监控系统;该系统以A20-ArmPC一体板作为服务器,以UVC图像传感器作为视频采集设备,通过无线网络传输视频数据,最后以PC作为客户端接收数据并予以显示;结果证明本设计稳定可靠,视频清晰流畅,在视频监控领域具有推广和使用价值。     

基于Camera Link的高速图像传输模块及时序优化设计

为了解决图像信号源卡与高速图像记录器实际测试过程中出现的误码较多、图像显示效果不佳等问题,给出了系统组成及原理,并在对发送与接收时序及误码出现原因加以细致分析后,提出了时钟相移与降频等方法对发送端的时序进行优化设计。通过实验对比优化前与优化后发送端的波形图以及数据校验结果,证明了优化后的数据传输更加稳定可靠,大大减少了误码的出现,提高了图像数据的准确率与可靠性。因此该优化方法切实有效,并且对其他高速同步数据的发送与接收具有一定的参考价值。     

基于PCA的彩色印刷图像色彩分割算法

针对彩色图像的印刷过程中,原图像的色彩分割问题,提出了基于PCA（主成分分析）并结合其它典型彩色图像分割方法的新分割算法。该算法首先利用PCA算法把图像分解为主特征分量和残特征分量两分量图;然后采用二次分水岭算法对残特征分量图进行分割;利用K-Means算法对主特征分量图进行聚类初分割,接着对聚类初分割后的图像进行相似色彩区域融合;最后把分割后的两分量图的进行融合,得到最终的分割结果图。该算法可以应用于彩色印刷图像的色彩自动分割和彩色印刷过程的自动色彩控制中。     

大型民机试飞测试发展与挑战

飞行试验是对飞机的性能进行验证和确认的关键阶段,试飞测试是保障该阶段工作的重要内容;国内目前对于军机已拥有了成熟的测试技术、测试方法和可靠的测试设备,而对于民用飞机特别是大型民机的试飞测试目前还处在起步阶段;随着国家大飞机研制专项的不断推近,大型客机试飞测试需求逐步明确;从大型民机试飞测试需求和测试工作特点出发,对机载测试技术变革、遥测和数据处理技术等键技术在国外的最新发展和国内大型飞机的现状进行对比分析,可以看出我国民机试飞测试在网络化机载测试系统应用、遥测传输链路带宽、大数据快速处理等方面存在较大的挑战;在此基础上对应对挑战的发展策略和后续攻关的方向进行研究,可以为我国大型飞机特别是民机试飞测试技术的发展提供参考。      

基于GPS的车辆定位监控系统

针对车辆被盗、非授权驾驶等车辆安全问题和公车私用现象,提出基于GPS技术实时地进行车辆跟踪和定位,实现车辆轨迹汇报、防盗等功能。在Linux环境下,使用C语言编写了一套简单的车辆定位系统,系统采用GPS模块,实时地采集车辆的经纬度、海拔高度、车辆行驶速度等信息,实现了车辆定位信息的记录、输出、锁定、打印功能,并通过TCP协议将车辆监控数据上传到网页上,实现让监控人员可以清晰地查看车辆行驶状况的功能。并使用QT设计了一个显示界面输出定位信息,同时实现了根据时间将符合条件的定位数据进行筛选的功能。     

基于窗口的印刷车间作业动态调度研究

为了解决实际印刷车间突发设备故障和紧急插单问题,采用滚动窗口技术结合遗传算法的方法,建立适合实际印刷车间生产的动态再调度模型;设定若干印品订单、机器设备的加工工序以及各工序加工时间、工序约束条件等,以订单的最大最小加工时间和再调度的偏离度为多目标优化,采用周期与事件混合驱动策略,将滚动窗口再调度机制和遗传算法相结合进行流程设计和编码,构建印刷车间再调度模型;采用标准问题FT06和FT01验证了文章设计的模型算法的有效性和可行性;运行程序,模拟正常加工时紧急插单和机器故障突发时,系统生产新的调度计划即调度甘特图,仿真结果表明该动态调度模型可以用于印刷作业的正常排产调度,在遇突发状况时可生成稳定、符合交货日期的再调度方案。