红外阵列成像精确测温及温度补偿

针对现有红外热像测温存在精度低、成本高等问题,利用MLX90640搭建了红外阵列成像精确测温系统,建立了改进最小二乘曲线拟合的温度补偿模型提高测温精度。首先,通过红外阵列探测器采集物体温度信息,同时,采用改进双线性插值算法对温度数据进行扩充,增强红外图像细节特征显示。然后,利用BR125黑体校准源进行30~100℃的系统温度校准标定,通过采集不同设定距离下多种温度测试数据,对多种不同曲线拟合模型的拟合程度分析,进行温度误差拟合曲线修正优化,建立温度修正优化模型,实现了在不同距离下对红外测温估计值的精准预测。实验测试结果表明,所提修正模型在进行优化补偿后最大温度误差不超过1.0℃,平均温度误差从5.70℃减少到0.24℃,使得测温精度大幅提升。为了评估实验结果的偏差程度,进行了不确定度分析,平均标准偏差为0.848℃,达到了实验预期结果,验证了该方法测温的精确性及所提模型的可靠性。该系统实现了对物体温度快速精确测量,可实时观测出区域内物体温度分布情况,具有广泛的应用场景。

光学角规在透镜中心偏测量仪校准中的应用

介绍了透镜中心偏测量仪的校准现状,设计使用光学角规对透镜中心偏测量仪自准直光管的示值误差进行校准。通过分析光学角规的基本原理,偏向角的定义,偏向角和楔角的转换关系,详细说明如何选择光学角规以及如何使用光学角规实现透镜中心偏测量仪自准直光管示值误差的校准与溯源。选用标称值分别为2′与5′,并经过国家计量院溯源的一等光学角规,对1台单光路设备和1台双光路设备进行校准,测量重复性均优于0.1″,不确定度达到0.11″。结果表明,光学角规可以有效解决高精度透镜中心偏测量仪自准直光管示值误差的校准溯源问题。

变光阑长波红外连续变焦光学系统设计

非制冷长波连续变焦光学系统由于相对孔径大导致小型化和无热化设计困难,本文采用可变光阑约束物镜尺寸压缩系统总长,实现长波640×512非制冷连续变焦光学系统轻小型化设计。通过材料合理配置及主动补偿实现5片透镜的8.5×连续变焦光学系统消热设计。该系统F#恒定1.2、工作波段为8~12μm、视场变焦范围为30°×24°~3.5°×2.8°、系统总长187.5 mm,该连续变焦光学系统重量轻、总长短、透过率高、在-40℃~+60℃温度范围全视场成像质量良好。

大变倍比制冷型长波红外变焦光学系统设计

长波红外变焦光学系统相对于中波红外变焦光学系统存在可用材料少、系统高低温环境无热化难度大等难题。本文采用机械补偿变焦技术实现光学多视场变焦,利用主动补偿的消热差技术使系统在−40°C~+65°C温度范围内能够清晰成像,实现四片透镜架构的制冷型长波红外四视场光学系统设计。该光学系统四视场焦距分别为25 mm、109 mm、275 mm、400 mm,变倍比为15,光学系统包络尺寸为268 mm(长)×200 mm(宽),光学零件总质量为618 g。该光学系统具有质量轻、性能高、成本低等SWaP-C特征,在辅助导航、搜索、跟踪等安防领域中具有较大应用潜力。

基于TDLAS的CO检测系统调制参数优化与温度补偿

在可调谐激光吸收光谱(TDLAS)技术中,携带气体浓度信息的二次谐波信号易受激光扫描信号与调制信号的幅值、频率等参数影响。基于TDLAS技术搭建了CO浓度检测硬件系统,与对应仿真模型进行比较分析,研究了调制参数对二次谐波信号峰值、信噪比、对称性以及峰宽的影响,总结出具体变化规律。实验确定了系统最优调制参量,在硬件不变的情况下提高了检测精度。对CO在1567.7nm的吸收光谱进行了检测,发现测量浓度随着温度的升高而降低,最大相对误差已超过15%。为了减少温度变化对测量的影响,分别采用RBF及BP神经网络、PSO优化BP神经网络和WOA优化BP神经网络算法对系统进行补偿。结果表明,WOA优化BP神经网络方法的补偿效果最好,修正后浓度相对误差降至1%以下,有效提高了系统在变温环境下的准确性和稳定性。研究为系统的调制参数设置以及精准检测提供参考,为后续实验提供了有价值的指导。

一种集成图像处理功能的数字像元焦平面读出电路

设计了一种像元级数字化焦平面读出电路,克服了传统模拟读出电路技术的电荷容量局限,实现了更大的动态范围和更低噪声的数字化图像读出;同时在像元内部进行数字化图像处理,可实现非均匀校正(NUC)、盲元补偿、数字时间延迟积分(TDI)、空间滤波等图像预处理功能。该电路采用40 nm CMOS工艺流片,面阵规格为640×512,像元步进为30μm,全芯片尺寸约22 mm×19 mm。测试结果显示,该电路通过TDI、空间滤波功能可大幅降低(分别约90%和63%)输出图像空间噪声,提升成像质量。

一种大视场红外相机的畸变校正方法

本文针对大视场红外相机的畸变校正过程复杂的问题,提出了一种新的畸变校正方法。首先,选择单参数除法模型(division model,DM)作为相机畸变模型,使用改进的加速特征稳健算法(speed-up robust features,SURF)自动获取两幅有相同场景的畸变红外图像的特征点对,然后利用九点非迭代算法和核密度估计方法获取图像的畸变参数,最后根据求得的畸变参数使用基于边缘保持的灰度插值方法对图像进行畸变校正。在整个过程中,不需要预先知道相机的参数和场景信息,通过输入两幅具有相同场景的图像,完成畸变校正,为大视场红外相机的畸变校正提供了一种新的解决方法。实验结果表明,使用该方法对大视场红外相机进行畸变校正具有可行性和鲁棒性。

波前编码红外成像系统的温度梯度适应能力探究

利用波前编码技术为红外光学系统进行无热化设计可提高其在不同均匀工作温度下的适应能力,但针对温度突变、成像系统内温度分布不均情况,波前编码技术是否能正常进行成像及其适用的温度范围还有待进一步研究.为简化分析流程,采用温度梯度模型来仿真非稳态下的温度变化.利用温度梯度模型来定性分析光学系统在轴向、径向温度梯度为系统引入的附加像差.计算两个方向下的光程差变化来比较两种温度梯度环境下系统的成像性能差异.在此基础上,为非稳态温度环境下红外光学系统的设计建立了结合光/机/热分析的无热化设计流程,通过ZEMAX设计了一套最大轴向尺寸为85 mm、最大径向尺寸为25 mm的红外光学系统,通过SolidWorks加载轴向和径向的热形变,探究所设计的系统能够适用的温度梯度范围.结果表明,结合光/机/热分析的无热化设计流程可以有效表明系统在非稳态温度下的成像情况.对上述采用三次相位板进行无热化设计的红外光学系统,在非稳态温度下可以适应±10℃的轴向温差范围,但是仅可以适应±1℃的径向温差范围.因此在进行红外波前编码光学系统的无热化设计时,需要对径向方向进行重点优化.

大视场小型无热化长波红外镜组设计

跟随红外镜头小型化、大视场化的趋势,利用ZEMAX设计了一款大视场无热化小型长波红外镜组。系统匹配384×288@17μm的非制冷型长波红外探测器,工作波段为8~12μm。系统F数为1.6,相比于传统红外镜头,视场角更大,全视场达72°,尺寸更小,总长仅为6.96 mm。主镜头仅用3片镜片,通过两种红外光学材料的搭配以及6面非球面实现像差的校正和光学系统的无热化,工作温度范围覆盖-40~60℃。仿真结果表明,在空间频率15 lp/mm处,全视场的调制传递函数大于0.5,空间频率30 lp/mm处,全视场调制传递函数大于0.15。同时为了增大红外探测器的填充因子,提高能量利用率,在系统中搭配设计了放置于红外传感器前的微透镜阵列。实现了红外光学系统的小型化,为红外热像仪在智能手机上的应用提供了解决方案。

直线压缩机及关键技术研究进展

介绍了小型低温制冷机用直线压缩机的结构和动力学理论,结合国内外近20年来的文献和报道,总结了国内外主要研究单位的直线压缩机研究进展。对影响直线压缩机的关键因素如磁路设计、支撑结构、间隙密封技术进行了总结,最后指出当前小型低温制冷机用直线压缩机的未来研究趋势。

用于远距离高温目标辐射探测的光谱系统设计

针对远距离高温目标多光谱辐射测温的需求,设计了一款多通道光谱探测系统。系统前端采用同轴两反卡塞格林式结构收集目标光谱辐射,后端包括用于目标定位的长波红外成像瞄准系统和分别工作在380~1050nm、980~2550nm双波段光谱系统。光谱系统采用Czerny Turner结构,在380~1050nm波段分辨率优于5nm,980~2550nm波段分辨率优于15nm,光谱通道数量大于220个。400m目标外场实验和700~2300℃高温黑体温度实验表明,多通道光谱探测系统能够进行远距离目标的瞄准和光谱探测。本文设计的多通道光谱探测系统有望用于地面、航空及航天等远距离的温度探测。

基于混合灵敏度的在轨组装望远镜CMOS组件热设计

针对某在轨组装望远镜CMOS组件与其他模块间存在复杂热耦合,且外热流变化剧烈,导致CMOS组件热设计难以确定最优参数的问题,本文提出了一种基于平均影响值(mean impact value,MIV)算法并结合传统回归分析Pearson和Spearman算法相互对比验证的混合灵敏度分析方法,开展CMOS组件热设计参数灵敏度分析,得到关键参数并完成热设计优化。相较传统遍历选取热设计参数方法,热设计参数数量由原始10个减少为2个重要及5个次要参数,参数选取更具有目的性,提升了热设计效率。仿真分析结果表明,CMOS轨道周期内温度波动1.6℃~25.4℃,热设计满足工作温度,验证了基于混合灵敏度分析方法的热设计可行性。

非制冷快照式红外视频光谱成像仪及其数据处理

随着现代社会的工业化进程和快速发展,工业生产中的危险化学气体泄漏严重危及人身财产安全。如何有效检测污染气体的存在并获取气体的浓度和分布等信息,成为气体泄漏检测的重要课题。非制冷快照式红外视频光谱成像仪(Uncooled Snapshot Infrared Video Spectrometer,USIVS)是一种理想的硬件方案,能够直接从图像中感知危险化学气体的存在并获取危险化学气体的位置,为紧急处置提供有力支持。但是,商业化的轻量级被动式红外光谱成像仪的灵敏度和光谱分辨率相对受限,已有的气体浓度反演方法难以准确检测污染气体的存在。本文介绍了一种基于非制冷快照式红外视频光谱成像仪及其适用的数据处理技术流程。利用气体浓度反演方法对不同温度和光程长度下的气体进行了模拟实验,并得到了较为准确的反演结果,平均误差分别为2.88%和0.61%。在实验室和室外场景下进行了气体浓度反演方法的测量实验,结果表明该算法具有较好的稳定性,平均误差分别为6.18%和7.47%。通过USIVS与数据处理技术流程的有效结合,能够快速准确地检测污染气体的存在并给出图像中每个像素的气体浓度,实现气云浓度反演的效果,为后续该类技术的商业化及实用化提供了参考。

双色红外焦平面数字读出电路研究

设计了一款中、长波双色应用的数字化红外焦平面读出电路。由于双色红外焦平面器件在注入电流及动态输出阻抗上存在着数量级的差异,同时双波段均要求高灵敏度,因此读出电路需要在有限像元面积内实现双输入级的结构设计和大动态范围。电路采用基于直接注入型输入级的脉冲频率调制结构,设计电荷复位单元代替传统电压复位结构,可降低可探测的电荷分辨率,并改善由复位遗失电荷带来的非线性影响,同时电路设计了20bit混合结构的计数器,满足电路大电荷容量和低功耗的要求。仿真结果表明,实现的最小电荷分辨率为692e^(-),对应电荷容量为7.2×10^(8)e^(-),双波段探测线性度均高于99.8%,在中、长波典型应用情况下功耗分别为3.03,6.66μW。

一种面向心电信号处理的奇异谱分析改进算法

心电图(ECG)作为人体的关键生理信号被广泛应用于医疗领域,但在采集过程中心电信号容易受到噪声干扰而影响信号质量。为此,设计了一种奇异谱分析(SSA)的改进算法用于心电信号降噪处理。奇异谱分析改建算法是在SSA中的主元重组(grouping)阶段引入逻辑回归(LR)算法,将主元重组方式改进为自动重组,实现面向心电信号的SSA自监督降噪处理。使用基于AD620的心电信号采集装置,构建53条心电信号测试集进行验证,使用奇异谱分析的改进算法,主元自动选择的准确性为98.68%,重构的心电信号信噪比(SNR)由10.43 dB平均提高到20.17 dB,能够有效提取出清晰的PQRST波,使其在医疗领域心电信号检测与降噪方面具有很好的实用化前景。

制冷型折衍混合双波段红外光学系统设计

能够同时工作在中波红外和长波红外频谱范围内的双波段红外光学系统可以有效利用这两个波段的信息,实现优势互补,从而显著提升其探测性能,应用前景广阔。双层谐衍射光学元件不仅具备独特的色散特性,还可以在多个设计波长处获得很高的衍射效率,为双波段红外光学系统设计提供了新思路。针对双层谐衍射光学元件的相关理论进行了研究,并基于双层谐衍射光学元件完成了焦距为200 mm,F数为2的制冷型折衍混合双波段红外光学系统的设计。成像质量分析以及冷反射分析结果表明,所设计光学系统的各类像差得到了有效校正,成像质量优良。

利用中继卫星的航天器入轨段天基测控技术研究

大规模星座入轨段测控对卫星安全至关重要,但同一地面站同时支持的卫星数量有限。为解决大规模星座发射入轨段地面测控资源不足的问题,文章首先介绍了目前一箭多星的入轨段测控方法,然后从天基测控支持大规模星座入轨的可行性和可靠性角度出发,对中继卫星的能力和中继测控终端的设计进行了研究,提出一种利用天基测控实现多星入轨段测控的方案。该方案详细分析了大规模星座卫星入轨初期测控链路的影响因素,并给出一种综合利用软件仿真结果和星上自主计算结果的稳定可靠的入轨段天基测控方案。该方案仅需在现有中继测控终端使用方法基础上进行适应性更改即可满足多星入轨需求,方法简便易实现。

单光路拉曼分布式光纤测温系统

针对常规拉曼分布式光纤测温系统中,拉曼Stokes和anti-Stokes散射光的走离效应导致位置校正困难,测温严重失真的问题,提出了基于单光路的拉曼分布式测温系统方案,建立散射光功率校正模型和温度标定算法,实现对被测光纤沿线温度的精确测量。根据拉曼散射光温度敏感原理,推导基于单路Stokes光及单路anti-Stokes光的温度解调公式。考虑到单光路温度解调严重受限于脉冲激光器和光电探测器稳定性的问题,设计温度标定单元并建立了信号光功率校正算法。搭建实验平台,对比分析传统双路、单路Stokes光及单路anti-Stokes光方案的测温性能。最后,讨论并总结基于单光路拉曼分布式光纤测温系统的优选方案。实验结果表明:在约12 km的光纤线路上,基于拉曼anti-Stokes光的方案的测温偏差为-0.3~2.2℃,均方根误差为1.0℃,空间分辨率为6 m,与传统方案相比性能更优。基于信号功率校正的单光路拉曼anti-Stokes光的分布式光纤测温系统灵敏度高,能完全规避传统双光路系统的走离校正问题,具备很高的实用价值。

基于光学特性的初榨橄榄油掺假度便携式分析仪设计与试验

针对国内愈来愈严重的橄榄油掺假问题,该研究研发了一种基于光学特性检测技术的特级初榨橄榄油掺假度无损检测仪。以8个产地的玉米油、花生油、菜籽油和大豆油为掺假油制备了339份掺假质量分数分别为0、1%、3%、6%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%和60%的掺假特级初榨橄榄油样本,采用连续投影算法分析了橄榄油掺假检测特征波长的分布情况,最终选取包含18个波段的多通道光谱传感器,根据特级初榨橄榄油的物理特性,设计了一种便携、低成本的橄榄油掺假检测仪器。利用研发装置采集的掺假油光谱数据分别建立了反向传播(back propagation,BP)神经网络、支持向量回归(support vector regression,SVR)和基于偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)的橄榄油掺假率定量分析模型。结果表明,建立的SVR模型结果最优,其校正集和验证集决定系数分别为0.989和0.965,均方根误差分别为0.020和0.037。为进一步评估检测装置的稳定性和准确性,使用平均变异系数分析了特级初榨橄榄油掺假样本的测定结果,并通过预测结果与实际掺假浓度值进行残差分析,结果表明所研制的橄榄油掺假度分析装置对橄榄油掺假分析检测的稳定性与精度均满足现场实时检测需求。

基于8.309μm QCL的硫化氢/甲烷开路式检测方法研究

H_(2)S,CH_(4)多组分气体浓度测量技术的研究对石油石化行业的安全生产有重要意义。基于中红外TDLAS技术,选用中心波长为8.309μm的量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)为检测光源,搭建30 m长距离的遥测实验系统,使用WMS波长调制法对H2S,CH4气体的吸收谱线进行连续调谐与扫描,并对高频正弦载波进行了最优深化调制,实现了H2S,CH4多组分气体的同时测量。实验将H2S与5%体积分数的高浓度水汽进行混合测量,分析并验证了该波段的水汽吸收难以对测量造成交叉干扰的优良特性,并利用Savitzky-Golay平滑滤波器提高了检测信号的信噪比。通过遥测实验,分析了15 m,30 m不同遥测距离对检测信号的影响,并利用增加积分时间与计算信噪比的方法,得到了128.75×10^(-9)m的遥测最低限。最后,Allan方差的计算结果表明,当积分时间为183 s,142 s时,系统对H2S,CH4气体的最低检测下限分别为0.593×10^(-9)和1.160×10^(-9)。本文的研究结果为中红外波段H2S,CH4多组分气体的高灵敏度、同时测量提供了一种有效途径,为多组分气体的遥测应用提供了参考。