基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪:原理及数据处理

介绍了一种基于多级阶梯微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪的原理及数据处理方法.仪器利用一块多级阶梯微反射镜取代传统迈克尔逊干涉仪中的动镜以实现静态干涉,通过摆镜扫描使目标物体成像在不同的子阶梯反射面上从而获得目标物体不同光程差的干涉信息.某一时刻,目标物体经摆镜与前置成像系统后在平面镜与多级阶梯微反射镜上形成两个一次像点,两个一次像点被平面镜和多级阶梯微反射镜反射之后经后置成像系统最终成像在探测器焦平面上.平面镜与多级阶梯微反射镜之间的高度差会使到达探测器的两束光的光程差不同,因此探测器焦平面上可以获得目标物体的二维空间信息及一维干涉信息.根据多级阶梯微反射镜参数及光学系统设计参数计算得到摆镜步进角度为0.095°.利用实验获得的三维数据立方体进行了图像拼接与光谱复原.针对子阶梯反射镜存在宽度差异的问题,提出了一种基于极坐标霍夫变换的图像分割方法.为缓解拼接全景图中的间断线效应,将图像变换到HSI颜色空间并插值拟合其亮度分量后再变换回原空间.对拼接后的干涉图像进行了降维、去直流、寻址、切趾、相位校正、傅里叶变换及光谱分辨率增强等处理,完成了光谱复原工作.复原光谱分辨率为194 cm-1,优于设计指标(250 cm-1).     

子孔径光学检测拼接准确度实验研究

实验研究了子孔径光学检测的拼接准确度.实验选取9个子孔径进行拼接,同时利用ZYGO干涉仪来测量子孔径和整个被检面的表面面形.实验发现,测量基准子孔径和整个被检面的时间间隔对子孔径拼接准确度的评价存在严重影响.为此,重点研究了产生影响的原因并提出了消除测量基准子孔径和整个被测面时间间隙影响的方法.最后,利用该方法研究了子孔径重叠面积对拼接准确度的影响.结果显示,当重叠面积比为7%时,PV和RMS的拼接误差分别为0.03λ(λ=632.8 nm) 和 0.01λ,并且重叠面积比和拼接准确度呈近似线性关系.     

基于视场拼接的全视差三维显示系统

提出了一种新的基于视场拼接的全视差三维显示方法及图像生成方案.系统核心部分由一个微投影机阵列、一个反射光路和一个散射屏组构成,图像生成方案采用基于OpenGL的算法实现.为了验证所提出的基于视场拼接理论的正确性,利用液晶显示器、菲涅耳镜组、定向散射屏和背投式反射光路搭建了实验样机.该装置可以在更紧凑的系统结构下显示包括横向视差和纵向视差在内的三维图像,并且通过图像生成算法的配合实现了动态三维显示效果.     

一种不同地面分辨率图像的拼接算法

航空遥感监测中变焦镜头的广泛应用以及飞行高度的变化会获得不同地面分辨率的航空影像,因此为了实时监控到飞行区域的整体情况,需要对不同地面分辨率的图像进行拼接。提出了针对不同地面分辨率图像进行拼接的方法。首先用四分法对图像进行分割,检测变化倍率,选择配准策略;然后用基于加速鲁棒性特征(Speeded-Up Robust Features,SURF)的算法对相邻图像进行拼接。获得了焦距变化从高倍过渡到低倍,或从低倍过渡到高倍的拼接图像。通过航空变焦模拟影像的拼接实验和地面变焦影像的拼接实验表明,该方法能够对不同地面分辨率的图像进行拼接,且拼接结果均以高分辨率为基准。     

光子回声量子存储器中非均匀展宽频谱对存储效率的影响

本文提出了一个利用光子回声技术探究非均匀展宽频谱线形(如高斯、洛伦兹分布)对存储效率影响的简捷方法。我们发现当信号光脉冲的持续时间与介质频谱线宽的乘积远大于1时,可将分布函数的傅里叶变换近似成狄拉克函数,使得研究非均匀展宽频谱对存储效率的影响变得非常容易;通过计算发现不同线形分布达到最佳存储效率的光学深度有所不同,频谱线形趋于均匀时达到最优存储效率的存储介质光学深度最小。该研究对实验上实现最优化光量子态存储具有指导意义。     

多探测器拼接成像系统实时图像配准

依据已设计完成的基于同心球透镜的四镜头多探测器阵列拼接成像系统,对该系统图像拼接配准过程所采用的特征检测提取、特征向量匹配与筛选、空间变换模型参数估计等算法进行了研究。首先,采用Fast-Hessian检测子提取参考图像和待配准图像的特征点,并生成加速鲁棒特征(SURF)描述向量。接着,采用快速近似最近邻(FANN)逼近搜索算法获得初始的匹配点对,并对匹配点对特征向量的欧式距离进行排序。然后,参照成像系统光学设计参数设定合理的阈值,筛选并保留下较好的匹配点对。最后,提出了一种改进的渐进式抽样一致性(IPROSAC)算法对空间变换矩阵模型进行参数估计,从而得到参考图像与待配准图像的空间几何变换关系。实验结果表明:该算法对图像尺寸、旋转和光照变化都具有一定的不变性,特征匹配时间为0.542 s,配准变换时间0.031 s,配准误差精度小于0.1 pixel,可以满足成像系统关于图像配准实时性和准确性的要求,具有一定的工程应用价值。     

空间光调制器曲面拼接实现全息三维显示视角拓展

本文对多空间光调制器不同拼接方式拓展全息三维再现像视角的方法进行了分析,基于多片空间光调制器拼接拓展视角的思想,利用平面反射镜、分光镜和两片透射式空间光调制器设计了曲面拼接系统,进行了全息三维再现像的视角拓展实验研究。用该系统对四棱锥物体的层析菲涅尔衍射全息图进行再现,结果表明,总视角由基于单片空间光调制器的1.7°增大到3.2°,即拓展到约1.9倍,分光镜能够消除两片空间光调制器间的间隙,实现无缝拼接。该方法同样适用于更多空间光调制器的曲面拼接中,可以有效地拓展全息再现像的视场角大小。     

基于频谱分析的匀速运动模糊图像模糊方向识别

点扩展函数的设置是图像复原中的关键问题,对于匀速直线运动模糊图像,运动方向和模糊长度决定了点扩展函数。根据运动模糊图像和原始图像在频谱上存在的对应关系,即运动模糊图像频谱存在着对应于传递函数零点的暗条纹,提出对运动模糊图像,通过二维傅里叶变换、二值化以及Radon变换检测运动模糊图像频谱图上暗条纹的方向和位置,来实现运动方向测量的方法。用该方法对模糊图像进行检测,模糊方向的识别精度小于1°。实验证明该方法可以实现平面内任意方向运动的测量。     

CCD非线性及其校正研究

分析了CCD非线性产生的原因,提出了CCD非线性校正的新方法——多点多段线性逼近法.给出了CCD非线性产生及校正方法的简单公式推导及物理解释.通过计算机模拟和实验进一步验证了CCD非线性校正之后,明显地减小了γ级频谱的产生.模拟情况下物体面形恢复后的标准偏差明显减小:未校正时为0.040 7 mm,校正之后时为0.025 2 mm;实验情况下校正之后的物体恢复面形效果明显优于未校正时的效果.     

激光调频连续波测距的精度评定方法研究

基于双光纤光路等光频重采样原理,提出了一种距离精度的评定方法.通过推导噪声背景下等光频重采样信号中距离参量的克拉美-罗下边界,得到了影响系统测距精度的两个重要因素:信噪比和扫描带宽,并进行了实验验证.实验表明,该评价方法并不会受到任何距离估算方法的影响,根据此方法可以选择一个最优的距离估算方法.通过对两个影响精度的因素进行仿真分析可知,在扫描带宽为2.2 nm时,若将测量光路的信噪比提升至70 dB以上,系统可获得低于10μm的测距精度.该精度评定方法可为后续改善调频连续波测距系统性能提供理论参考.