高边缘视场光学效率的衍射波导准直投影镜头设计

随着微型发光二极管(micro-light emitting diode,Micro-LED)微型图像源被应用于增强现实(augmented reality,AR)显示技术,AR显示系统朝着超小型化方向发展。然而Micro-LED图像源发光角度大,准直投影镜头要求体积小且像质高,其产生的渐晕现象也导致视场(field of view,FOV)边缘处光学效率低、照度不均匀,这对AR光学系统设计造成了挑战。为了解决上述问题,该文基于增加计算得到的非球面场镜,设计了一种照度均匀性高、边缘视场光学效率较高的衍射光栅波导准直投影镜头。对场镜理论进行详细分析,从而确定焦距区间,最终求解其面型参数,设计出照度相对均匀的镜头。设计的新型准直投影镜头对角线FOV为41.2°,F#为1.87,调制传递函数在125 lp/mm处大于0.5。仿真结果表明,系统照度均匀性相对提高了14%,边缘FOV的光学效率相对提高了15%,具有良好的成像性能,该镜头可应用于超小型AR衍射光栅波导头戴显示系统中。

基于FPGA的多传感器融合同步授时系统设计

为了充分发挥多传感器融合系统的优点,提高其同步授时的精确性和信息融合的鲁棒性,设计了一种基于FPGA的多传感器融合同步授时系统。系统传感器包含激光雷达、相机以及惯性测量单元IMU;通过FPGA内部的秒脉冲(PPS)校准模块产生的精确且稳定的信号作为标准触发信号,触发校准模块以该标准触发信号作为基准结合各传感器自身工作频率产生同步脉冲触发各传感器,以此方式实现激光雷达、惯性测量单元IMU和相机的同步授时。实验结果表明:基于FPGA的多传感器融合同步授时系统实现了各传感器的同步授时,且传感器信息融合的有效性与鲁棒性较好。

使用级联相位调制器和强度调制器产生平坦光学频率梳的方法

光学频率梳在光通信、光谱学等领域有广泛的应用。平坦度是光学频率梳重要的性能指标。使用级联相位调制器和强度调制器产生光学频率梳的方法,是让叠加的谐波驱动调制器,通过调节驱动电信号的幅度和相位以及强度调制器的偏置电压,可以实现平坦度好的光学频率梳。首先,建立光学频率梳的优化问题模型,通过差分进化算法得到上述各个参数,并得到在不同叠加微波驱动信号下的平坦光学频率梳。其次,固定某一微波驱动信号的相位,在同一优化问题下使用同样方法得到微波驱动信号的其他参数,并分析生成的平坦光学频率梳性能。最后,搭建实验系统,根据仿真得到的优化参数确定实验参数,并得到相应的光学频率梳。研究表明,当采用基频和三次谐波驱动相位调制器、采用四次谐波驱动强度调制器时,可以产生13根谱线的光学频率梳,仿真和实验时的平坦度分别为0.27 dB和0.83 dB。当采用基频、三次谐波和五次谐波同时驱动相位调制器和强度调制器时,可以产生19根谱线的光学频率梳,仿真显示其平坦度为0.56 dB。以上仿真和实验结果证明了所提方法的可行性和鲁棒性。

三角法激光测量系统的误差分析及消除方法

从理论和应用两方面分析了三角法激光测量系统的误差,得出:定点标定和插值可以消除 光学放大率随测量点位置变化的影响;双光路方案或标准点校准方法可以消除光线路径随环境温度、湿度变化而引入的误差;提高激光束质量和采用峰值求光斑中心的方法,可以消除激光束强度分布、物体表面粗糙度、CCD传感器、信号处理电路等引入的误差。

基于固定扫描点的建筑物三维测量方法

提出一种基于固定激光扫描点的三角投影法测量建筑物大目标三维尺寸的方法。利用线结 构光旋转扫描形面和对投影图像进行处理分析,实现三维重建和测量。导出了三维几何尺寸的计算公式,进行了仿真实验,获得满意的数据。在进行建筑物等大目标三维测量时,不需激光器和传感器平行移动,减少误差来源,提高精度,方便可行。

少模光纤通信系统中的自适应频域均衡算法

少模光纤模式复用存在模式耦合和差分模式时延,必须通过自适应均衡算法补偿。为了降低长距离少模光纤通信系统中自适应均衡算法的复杂度,采用基于变步长-频域块最小均方算法的多输入多输出均衡器对2×2模分复用系统解复用。利用频域块最小均方自适应算法修正均衡器权系数,并通过变步长函数调整步长因子,兼顾算法收敛速度和收敛性能。算法可通过快速傅里叶变换降低计算复杂度。在112Gbit/s的1000km少模光纤高速通信仿真系统中,保证相同收敛速度情况下,提高信号Q2因子3.7d B,并在可编程现场门阵列上验证了100km少模光纤通信系统时的算法性能。结果表明,该算法能够实现模分复用系统的信号解复用,达到快速收敛、低稳态失调的目的。

一种基于多通道Gabor滤波的纹理提取方法

研究了一种在多种纹理叠加的复杂轮胎X光图像中进行纹理提取的新方法。轮胎X光纹理在频谱中被看作是局部空间频率的辐射模型,并且不同纹理对应的主频率聚集区域基本能相互分开。基于Gabor滤波器对空间频率的带通滤波能力以及方向、形状、带宽和通带中心频率的可调节特性,构造了多通道Gabor滤波器组提取每种纹理对应的主要频率成分,提取的频率成分经过频-时域变换就实现了纹理提取。考虑到实际纹理灰度分布不是理想的正弦分布,改进了传统的Gabor滤波方式,使其保留了纹理的低频成分。实验结果表明,图像中叠加的多种纹理能被准确提取,纹理区域边界也没有失真,并且有效降低了纹理之间频谱混迭造成的影响。

少模光纤通信频域均衡中的大点数FFT设计

为了减小频域均衡系统电路实现的功耗和面积,满足长距离少模光纤通信对均衡器的要求,对关键环节快速傅里叶变换(FFT)电路的实现进行了研究,采用2维分解算法将大点数的FFT运算转换为小点数FFT处理器的设计,降低了硬件复杂度。设计了基于现场可编程门阵列的高速蝶形运算核,实现了16384点FFT的2维R22SDF结构,提高存储器的资源利用率,减少了复数乘法器的使用;进行了理论分析和实验验证,取得了不同时钟频率下的电路结构占用资源的数据。结果表明,FFT运算器的正确性得到验证,该FFT运算器能够适应少模光纤通信系统中优化频域均衡电路结构的要求,能够实现200MHz数据传输速度的频域均衡实时处理。

基于渐开线原理的快速光学延迟线装置

为了提高光学延迟线装置的性能,基于渐开线原理设计了快速光学延迟线(FODL)装置。分析了渐开线的基本原理并建立了数学模型,推导了光学延迟线装置的延迟距离公式。对光束通过延迟线装置后的光斑畸变进行了理论与实验分析。最后,搭建迈克尔逊干涉系统,对延迟线装置的延迟线性度、延迟平稳性、延迟距离和扫描频率进行了实验验证。结果表明:对于快速光学延迟线装置,入射光斑的半径越小,旋转平面反射镜的旋转角度间隔越小,出射光束的光斑畸变越小。该装置的延迟距离为40.036mm,延迟时间为133.453ps,线性度误差为0.419%,平稳性误差为0.806%,扫描频率为20Hz。与常用光学延迟线装置相比,该装置能够提供较大的延迟距离和较高的扫描频率,同时具有线性度好、平稳性好等优点,满足快速光学延迟线的使用要求。

基于统计特征的轮胎纹理缺陷在线检测

根据轮胎X光纹理缺陷区域灰度及灰度分布异常的特点,研究了一种通过分析统计特征进行在线缺陷检测的方法。在轮胎X光纹理灰度分布模型基础上,采用正则化预处理去除背景噪声,然后进行图像分块,分别计算每块的灰度均值和方差,并采用双线性插值运算形成均值图像和方差图像,再通过二值化实现缺陷检测。实验表明,与人工检测方法进行对比,该方法误判率低,检测精度高,并且运算速度快,能满足在线检测要求。

光线弯曲对激光测量热钢板厚度的影响

以无热源大平面空气壁模型,用传热学理论计算了大平面热钢板附近空气的一维温度分布,从而得到了大平面热钢板附近空气的一维折射率分布。利用光线折射理论,求出了光线的传输路径和像点的偏离量。分析和计算表明:当钢板温度、测量角和测量距离等参数增大时,像点偏离值就随着增大。对于钢板激光测厚系统,采用单表面单光路时,光线弯曲引起的测量误差较大,并且基本不随测量厚度减小而减小。采用完全对称的双面双光路时,左右光路的像点偏离正好抵消,光线弯曲引起的测量总误差很小,而且随测量厚度减小而减小。

高速运动目标的光电精密测速系统误差分析

在利用光电精密测速技术时,涉及复杂的空间光交汇计算,通用误差分析方法比较困难。在目标与光束垂直度适当的情况下,目标运动方向的偏差对测量精度的影响属于二阶小量。系统整体误差的主要来源为距离测量误差、时间测量误差以及光束不平行度产生的误差。分析得出,本系统在两光束间的不平行度α=100″,探测器对准精度为0.1mm的情况下,测量精度可以达到0.02%。

嵌入式水尺图像检测系统与判读算法研究

为提高沿岸、岛礁的潮汐测量及内陆水位监测的机动灵活性,设计了一种嵌入式、非接触水位自动测量的水尺图像采集与处理系统。该系统包括了成像单元,数据采集、处理和存储单元,交互接口单元。基于实际使用情况,提出了一种水尺自动判读算法。利用传感器的窗口截取特性,采集含有少量背景信息的水尺图像;采用Sobel水平边缘检测算子进行特征提取;最后采用投影分析的办法来判读水尺信息。水域实验结果表明,该系统能进行全天候的水位自动测量。在成像距离为25～100m范围内,达到6mm以内的判读精度。

激光三角法大量程小夹角位移测量系统的标定方法研究

针对激光三角法输入输出关系在大位移小夹角测量中非线性太强的缺点,改进标定方法以提高系统稳定性和测量精度。根据本文的实际情况,从基本的像点-位移曲线关系出发,对公式进行了化简。结合非线性回归分析和逐段逼近的方法,提出新的标定方法。通过非线性回归保证标定的精度和稳定性,逐段逼近对系统误差自动校正。最后进行了大量实验,数据表明该标定方法具有良好的稳定性和较高的精度。该方法采样数据较少,精度高,对系统误差有一定的自动校正能力,特别适合于对大位移测量系统进行快速标定和系统误差校正。

一种基于DSP+CPLD的低功耗实时红外成像系统实现方法

非致冷红外焦平面阵列(IRFPA)固有的非均匀性严重制约了系统成像质量,其输出动态范围大和监视器显示输出动态范围小也构成了矛盾。为解决这些问题,采用了复杂可编程逻辑器件(CPLD)设计红外焦平面阵列输出驱动和视频编码芯片的显示时序,以高速低功耗数字信号处理器(DSP)为核心,实现了嵌入式红外图像实时采集与压缩校正硬件系统。提出了一种结合两点校正的灰度直方图统计阈值分段线性压缩变换算法,并进行了实验。结果表明,系统可以实时的对红外图像进行采集和压缩校正,处理后图像的非均匀性得到很好的校正,背景被抑制的同时目标和细节得到了增强。该方案简单可靠,电路功耗较低,可为小型化红外热像仪的研制提供参考。

变折射率介质对成像变形的影响

为了得到由介质折射率不均匀导致的对成像质量的影响规律,选取了4种典型的折射率分布,应用光线追迹算法,得到在视场角、物距和折射率变化幅度共同作用下实际像点与理想像点间偏差的变化曲线．对于轴向折射率分布,其偏差与视场角成线性关系,随折射率变化幅度的增大而增大,但不随物距变化;对于径向折射率分布, 其偏差与视场角一般成非线性关系,并随着视场角的增大而增大,而且随折射率变化幅度的增大而增大,物距变化能够导致偏差的显著变化．

光电瞄具多光轴平行性检测系统的设计与研究

为了精准地测量光电瞄具多光轴的平行性,采用大口径离轴抛物面反射镜平行光管的多光轴检测方法进行了理论分析,并设计了完整的测量系统(包括光学成像系统、控制系统、图像采集与处理系统)。该系统采用离散余弦变换系数作为评价标准,实现了高精度的自动对焦;采用大口径离轴抛物面反射镜满足不同型号瞄具的测量,实现了可见光、近红外和远红外3种光学系统的光轴平行性的自动检测。结合一种光电瞄具成品进行了实际测试,当光轴之间偏差角为0.04mrad～0.08mrad时,相对误差在13%以内,此范围可认为是系统检测角度的下限。结果表明,该系统减小了人为读数等主观原因造成的误差,通用性强、检测效率高,精度满足需求。

大功率步进电机高低压驱动技术

讨论了步进电机的驱动特性 ,对大功率步进电机中的一些问题进行了分析 ,提出了N型功率MOS管的高低压驱动技术。通过理论计算和实验证明 ,该驱动方法具有高的驱动效率。

基于频谱滤波的多纹理提取算法

研究了一种在有多种纹理叠加的复杂图像中进行单一纹理提取的算法。首先采用极坐标方法分析纹理频谱的环型和楔型特征并求出纹理分布的周期和方向特征;然后根据这些特征在频域中构建环型和楔型Gauss带通滤波器对纹理频谱进行滤波;再将滤波后的频谱图像转换到时域中就得到了只保留相应纹理成分的图像;最后经过纹理区域矫正处理后就可以提取出真实的纹理。实验结果表明,该方法可以准确提取出图像中叠加的多种纹理,并能完整保留每种纹理的基本特征,在纹理分布不均匀的区域也能提取出纹理的骨架。

多媒体教学软件的超媒体空结构

在讨论多媒体教学中信息转化为知识的教学认知过程的基础上 ,提出具有普遍指导意义的单机和网络多媒体教学软件空结构 ,介绍了空结构的功能和实现方案 ,以及空结构的使用方法 .利用空结构思想指导多媒体教学软件的设计具有简便、快速。