滚仰式光电吊舱地理导引实现与误差分析

为了提升地理导引精度和成功率,根据滚仰式光电吊舱的结构特点,通过建立坐标系统、目标坐标求解和框架角解算三个步骤,完整构建了地理导引的数学模型,并在此基础上引入了速度前馈和小区域搜索模式。同时,对受惯导测量误差和目标距离影响的框架角解算误差进行了数据仿真。结果表明:经纬误差和航向角误差对俯仰角的解算误差影响较大;而高程误差和水平姿态角误差则对横滚角的解算误差影响较大。提升惯导的定位精度,可进一步减小框架角解算误差,从而提升地理导引精度,而当航向角<0.1°,水平姿态角<0.05°时,姿态角误差的影响权重会变小,再通过减小姿态角误差提升导引精度的作用已不明显。随着目标距离的增大,框架角解算误差会急剧减小。最后进行了导引试验,其俯仰、横滚角均方差均小于0.12°,表明了算法的准确性和仿真分析的有效性。

基于多特征SAD-Census变换的立体匹配算法

视差不连续区域和重复纹理区域的误匹配率高一直是影响双目立体匹配测量精度的主要问题,为此,本文提出一种基于多特征融合的立体匹配算法。首先,在代价计算阶段,通过高斯加权法赋予邻域像素点的权值,从而优化绝对差之和(Sum of Absolute Differences,SAD)算法的计算精度。接着,基于Census变换改进二进制链码方式,将邻域内像素的平均灰度值与梯度图像的灰度均值相融合,进而建立左右图像对应点的判断依据并优化其编码长度。然后,构建基于十字交叉法与改进的引导滤波器相融合的聚合方法,从而实现视差值再分配,以降低误匹配率。最后,通过赢家通吃(Winner Take All,WTA)算法获取初始视差,并采用左右一致性检测方法及亚像素法提高匹配精度,从而获取最终的视差结果。实验结果表明,在Middlebury数据集的测试中,所提SAD-Census算法的平均非遮挡区域和全部区域的误匹配率为分别为2.67%和5.69%,测量200~900 mm距离的平均误差小于2%;而实际三维测量的最大误差为1.5%。实验结果检验了所提算法的有效性和可靠性。

基于轻型自限制注意力的结构光相位及深度估计混合网络

相位提取与深度估计是结构光三维测量中的重点环节,目前传统方法在结构光相位提取与深度估计方面存在效率不高、结果不够鲁棒等问题。为了提高深度学习结构光的重建效果,本文提出了一种基于轻型自限制注意力(Light Self-Limited-Attention,LSLA)的结构光相位及深度估计混合网络,即构建一种CNN-Transformer的混合模块,并将构建的混合模块放入U型架构中,实现CNN与Transformer的优势互补。将所提出的网络在结构光相位估计和结构光深度估计两个任务上进行实验,并和其他网络进行对比。实验结果表明:相比其他网络,本文所提出的网络在相位估计和深度估计的细节处理上更加精细,在结构光相位估计实验中,精度最高提升31%;在结构光深度估计实验中,精度最高提升26%。该方法提高了深度神经网络在结构光相位估计及深度估计的准确性。

基于高光谱成像技术的涌泉蜜桔糖度最优检测位置

本文旨在探索涌泉蜜桔糖度的最优检测位置和最佳预测模型,以便为蜜桔糖度检测分级提供理论依据。本文利用波长为390.2~981.3 nm的高光谱成像系统对涌泉蜜桔糖度最佳检测位置进行研究,将涌泉蜜桔的花萼、果茎、赤道和全局的光谱信息与其对应部位的糖度结合,建立其预测模型。使用标准正态变量变换(SNV)、多元散射校正(MSC)、基线校准(Baseline)和SG平滑(Savitzkv-Golay)4种预处理方法对不同部位的原始光谱进行预处理,用预处理后的光谱数据建立偏最小二乘回归(PLSR)和最小二乘支持向量机(LSSVM)模型。找出蜜桔不同部位的最佳预处理方式,对经过最佳预处理后的光谱数据采用竞争性自适应重加权算法(CARS)和无信息变量消除法(UVE)进行特征波长筛选。最后,用筛选后的光谱数据建立PLSR和LSSVM模型并进行分析比较。研究结果表明,全局的MSC-CARS-LSSVM模型预测效果最佳,其预测集相关系数Rp=0.955,均方根误差RMSEP=0.395,其次是蜜桔赤道部位的SNV-PLSR模型,其预测集相关系数Rp=0.936,均方根误差RMSEP=0.37。两者预测集相关系数相近,因此可将赤道位置作为蜜桔糖度的最优检测位置。本研究表明根据蜜桔不同部位建立的糖度预测模型的预测效果有所差异,研究最优检测位置和最佳预测模型可以为蜜桔进行糖度检测分级提供理论依据。

激光诱导击穿光谱技术相关物理机制研究进展

激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)是利用强脉冲激光与物质相互作用所产生的等离子体光谱来实现对物质组成元素定性和定量分析的一种新方法。在脉冲激光诱导等离子体的过程中,不同的激光参数(能量、脉宽、波长)、检测过程中的环境条件以及材料本身的特性等,对激光诱导等离子体的物理机制都有不同程度的影响,进而影响LIBS定量分析的结果。本文综述了现阶段LIBS技术中包括LIBS基本原理、激光参数区别、环境和材料特性差异所涉及的物理机制。为深入理解激光与物质相互作用、提升LIBS检测能力提供了依据。

基于双自由度转台的全向空间单目视觉室内定位测量方法

针对传统单目视觉测量系统测量视场有限的问题,本文提出一种基于双自由度旋转平台的全向空间单目视觉测量方法。首先,对双自由度旋转平台的转轴参数进行标定,用副相机拍摄固定在双自由度转台上的棋盘格标定板,提取棋盘格角点的位置坐标,并将其转化到同一相机坐标系下。利用PCA(主成分分析)平面拟合得到初始位置转轴参数中的方向向量,使用空间最小二乘圆拟合方法得到初始位置下转轴参数中的位置参数。然后,通过转台转动的角度以及罗德里格斯公式将不同位置下相机获取的数据进行坐标系统一,实现水平和竖直方向全向空间下的目标测量。最后,通过高精度激光测距仪验证了本方法的测量精度,并通过与双目视觉测量系统、wMPS测量系统进行比对实验,验证了本方法的全向空间测量能力。实验结果表明,本方法测量精度基本达到双目视觉测量系统水平,但测量范围远大于双目视觉测量,可以满足全向空间测量要求。

二维低频光纤布拉格光栅振动传感器的设计

本文设计了一种可在x轴和z轴方向工作的对称圆形柔性铰链式二维振动传感器,以对低频振动信号进行获取和监测。从理论上分析了传感结构的力学特性,在Comsol中建立模型进行仿真分析,并采用有限元法对结构进行优化设计,将铰链谐振频率设计为420 Hz。采用光纤布拉格光栅(FBG)作为应变检测器件粘贴在铰链结构表面,利用边沿滤波器法实现FBG的动态解调,采用标准振动台对传感器性能进行测试。实验结果表明该传感器在x轴和z轴的谐振频率为420 Hz,工作频率为20~300 Hz。在平坦区的平均灵敏度为1847.32 mV/g,加速度分辨率达5.41×10^(-4)g。该传感器在所有二维方向上的横向干扰水平均小于5%。本文设计的传感器为二维振动传感器,可适用于低频振动信号的高灵敏检测。

内腔式非稳腔DF激光光束质量研究

激光光束质量是衡量激光器应用性能的重要指标之一,面向远距离光电对抗应用场景,本文开展了非链式脉冲氟化氘(DF)激光器非稳腔设计和光束质量提升技术研究。设计了3组不同放大倍率的正分支虚共焦非稳腔,搭建了凸面腔镜横向和轴向两种支撑结构的非稳腔实验装置,其中横向支撑结构内置循环水冷却通道。以86.5%环围能量定义激光光斑大小,选用β因子评价激光光束质量,比较两种支撑方式下的输出能量和光束质量。研究发现:相同条件下,轴向支撑结构的非稳腔输出能量较横向支撑结构高6%,但远场发散角较横向支撑大9%;水冷横向支撑结构虽存在部分能量遮挡,但其较好的热稳定性显著提升了激光光束质量。在M=2.25的横向支撑内腔式非稳腔条件下获得了光束质量因子β=1.83、发散角θ_(0.865)=0.63 mrad的激光光束。该条件下的激光单脉冲能量为2.34 J,激光脉宽为88.2 ns,峰值功率达到26.5 MW。

红外辐射测量系统的快速宽动态非均匀性校正算法

本文针对红外辐射测量系统需要积分时间连续变化的需求,提出一种快速宽动态的非均匀性校正算法。该算法考虑了积分时间效应和光学系统杂散辐射的影响,并利用25 mm口径的制冷型中波红外辐射特性测量系统进行试验验证。将本文所提算法与经典算法进行对比,结果表明,校正效率较传统非均匀性校正算法提高了3.4倍。本文还利用剩余残差评价原始图像以及两种算法的图像校正效果,利用多个积分时间(0.6 ms,3 ms和3.5 ms)模拟连续变化的积分。结果显示本文算法在各个积分时间下剩余残差均表现稳定且校正图像都具有良好的校正效果。

紫外小F数高变倍高光谱成像仪设计

常规成像光谱仪一般变倍比较低,不利于大视场长狭缝多通道光学系统的扩展应用,此外,空间遥感中紫外波段的辐射能量较低,需要成像光谱仪具有更小的F数。针对高光谱分辨率成像光谱仪小F数的探测需求,本文设计了一种具有高变倍的高光谱分辨率Offner紫外成像光谱仪。该成像光谱仪的后置分光系统采用了具有轻小型特点的改进型Offner结构。结合成像光谱仪对变倍比和小F数的需求,通过理论推导得到Offner初始结构参数。在像面前插入一块弯月透镜,增加系统的优化自由度,进而提升系统的成像质量。最终得到的成像光谱仪工作在270~300 nm波段时,具有40 mm的长狭缝,光谱分辨率优于0.6 nm,系统变倍比小于0.22,F数小于2,在截止频率为14 lp/mm时,系统调制传递函数(MTF)均优于0.9,系统各波段各视场均方根半径(RMS)均小于12μm。本文的研究对紫外波段高光谱探测成像光谱仪实现小F数、高变倍设计提供了一种设计方案。

大口径环形分段光学系统基准构建方法

为了更好地对大口径分段望远镜进行集成检测与稳定性保持基准构建,本文提出一种大口径环形分段光学系统基准构建方法。首先,采用局部光瞳投射的方式实现光瞳对准映射;其次,利用微透镜阵列构建系统共焦空间基准;之后,基于环带整体调控模式,采用共焦与曲率半径联合分析,实现曲率半径与系统对准的共同调节;最后,利用白光干涉所形成的条纹包络进行粗共相探测,并利用通道光谱方法实现粗共相与精共相间的精度衔接,空间共焦基准定位精度优于125μm,共相基准覆盖范围优于20μm,精度优于0.5μm,光谱基准不确定度优于5%。实现了不同时空特征扰动的分层次、多模态抑制,利用以上共基准原位测量新方法有效提升了光学系统原位计量检测精度并缩短了溯源链长度,增加了检测效率与准确度。

天基空间态势感知数据仿真研究进展

空间态势感知(Space Situational Awareness,SSA)数据仿真可以为空间监测设备及态势感知算法(包括空间目标检测、跟踪、识别和表征)的开发、测试和验证提供关键性数据支持,在空间态势感知能力建设中发挥重要作用。本文以天基空间态势感知光学数据仿真为研究对象,给出了SSA数据仿真的研究目的和主要研究内容,详述了SSA光学成像仿真的典型研究方法与过程。介绍了国内外相关工作的研究现状与工作进展,涵盖双目视觉传感器、激光雷达、红外传感器、可见光望远镜和恒星敏感器等不同光学传感系统的成像建模与仿真工作成果。分析了空间态势感知数据仿真研究的发展趋势,为未来SSA数据仿真研究思路与方法提供参考。

可见光波段多路激光合束及闭环校正技术研究

为了实现可见光波段多路不同波长激光的周期性闭环校正,设计了一种具有光束指向和位置偏差独立监测与调节的激光合束系统。首先,根据系统的应用需求,提出了合束系统的设计指标与整体合束方案。然后,在合束方案的基础上,建立了合束系统的光束控制模型,并通过数值仿真得到了合束系统光束控制的解算方法。闭环合束系统通过光束指向和位置监测装置分别实现合束激光指向偏差与位置偏差的独立监测,并根据监测结果进行光束调节装置控制量的解算;进而通过两维摆镜和一维平移台分别实现光束指向和位置偏差的独立高效调节。最后,采用两路不同波长的激光束,配合光束监测与调节装置,搭建了闭环合束模拟实验平台,对周期性闭环合束系统的合束效果进行了验证。实验结果表明:在长时间的工作过程中,两路激光均实现了与基准光路的精密合束,合束指向精度优于±7μrad,位置精度优于±0.84 mm。本研究所组建的激光合束系统不仅具有合束精度高、校正速度快、光路扩展性强的优势,而且可实现激光束的周期性闭环校正,能够有效保证合束激光的长期工作稳定性。

面向地物混杂背景的偏振光谱图像融合方法

针对偏振光谱图像融合方法在地物混杂背景遥感探测中多尺度变换融合图像存在边缘轮廓细节模糊、对比度不佳的问题,提出一种基于非下采样轮廓波变换的稀疏表示与引导滤波器相结合的图像融合方法,以改善融合图像的质量和视觉效果。首先,该方法通过非下采样轮廓波变换对光谱图像和偏振图像进行多尺度多方向分解,进而将图像分解成不同子带内的特征信息。其次,低频子带采用稀疏表示融合,从而降低融合图像中物体对比度损失。此外,采用引导滤波器融合高频子带,以增强图像轮廓细节信息。最后,对低频与高频融合系数进行非下采样轮廓波逆变换,最终得出融合图像。分析表明融合图像对比度相对于原始光谱图像与偏振度图像分别提升了54.5%和15.4%,更容易区分混杂背景下阴影中的物体。基于此方法对偏振光谱成像仪所采集的不同波长下的光谱与偏振图像进行融合,并实现真彩还原。真彩还原图像证明此融合方法在保留混杂背景下的环境信息的同时实现了物体和背景的有效区分,有效提高了偏振光谱遥感探测成像的图像质量,有助于提升偏振光谱遥感探测成像中图像信息的完整性和真实性,扩大其在复杂环境遥感探测和图像识别中的应用范围。

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。

基于金属-介质-金属的可调谐窄带完美吸收的研究

为了实现窄带完美吸收,本文提出了一种简单的三层金-二氧化硅-金薄膜(MDM)结构。通过电磁波时域差分算法(FDTD)进行模拟仿真和理论计算,详细分析了该结构的可调谐吸收特性,同时建立了理论模型,分析了其中存在的电磁模式以及窄带完美吸收的物理机制。首先,利用电磁波时域差分算法和传输矩阵算法(TMM)对该结构进行了理论计算,详细地分析了各个结构参数对吸收光谱的影响。然后,对该结构形成的窄带完美吸收物理机制进行了分析讨论。最后,利用磁控溅射制备手段,成功制备了三层结构的样片。实验观测到的结果与理论仿真一致。实验结果表明:本文提出的窄带完美吸收结构,最窄带宽约为21 nm,最高吸收可达99.51%,基本实现了窄带完美吸收。本文研究成果为相关应用奠定了基础。

基于深度降噪卷积神经网络的宽波段共相检测研究

拼接镜的共相误差检测是当前科学研究的热点问题之一,基于宽波段光源的共相检测技术解决了夏克哈特曼法由于目标流量低引起的测量时间长的问题,从而提升了piston误差的检测精度和量程。然而,当前宽波段算法在实际应用中,由于复杂的环境以及相机扰动等干扰因素的存在导致获取的圆形孔径衍射图像含有一定量的噪声,从而导致相关系数值低于设定阈值,最终使该方法精度降低,甚至失效。针对这一问题,本文提出将基于深度降噪卷积神经网络(DnCNN)的算法集成到宽波段算法中,以实现对噪声干扰的控制,并保留远场图像的相位信息。首先,将使用MATLAB获得的圆孔衍射图像作为DnCNN的训练数据,然后,将不同噪声水平的图像导入到训练好的降噪模型中,即可得到降噪后的图像以及降噪前、后圆孔衍射图像的峰值信噪比和二者与清晰无噪声图像间的结构相似度。结果表明:降噪处理后的图像与理想清晰图像之间的平均结构相似度较处理之前有了明显提升,获得了理想的降噪效果,有效增强了宽波段算法在高噪声条件下的应对能力。该研究对于探索用于实际共相检测环境宽波段光源算法具有较强的理论意义和应用价值。

复杂水文微弱多目标激光探测仿真与实验

为了探究在近岸复杂水体中激光探测对微弱目标的探测能力,研究水质、目标特征、目标距离对水下激光探测的影响具有重要理论和应用价值。论文建立了水下微弱目标激光探测模型,采用蒙特卡洛仿真验证了不同浊度微弱多目标激光探测性能,模拟了不同距离下微弱目标的激光后向散射回波信号,对多个不同反射系数的目标后向散射回波特性进行了分析。同时设计并研制了灵巧便携式水下微弱目标激光探测系统,进行了实验室及外场湖泊环境下的多目标探测、测距测试验证。在浊度为12.87 NTU的近岸湖泊水域,该系统可在10 m范围内对3~4个直径为80~400μm的不同低反射系数的混合小目标进行有效探测,平均测量误差为±0.11 m,与理论仿真结果一致。本文研究结果可为蓝绿激光水下多微弱目标探测链路计算、系统设计及参数优化提供参考,可以支撑近海浑浊水体下水下障碍物激光探测工程实践。

大气湍流对高分辨率遥感卫星的成像影响研究

遥感卫星在国防和民用探测等领域发挥着重要作用,而大气湍流严重影响高分辨率遥感卫星的成像质量。本文重点研究了遥感卫星对地探测时,相机口径、卫星轨高和大气湍流强度对空间相机成像质量的影响。首先,基于球面波传输模型和Kolmogorov湍流理论,针对空对地探测湍流波前进行仿真。然后,分析畸变波前随相机口径、卫星轨高和大气相干长度的变化规律,并推导出普适公式。在此基础上,进一步推导出空间相机成像分辨率随相机口径、卫星轨高和大气相干长度变化的计算公式。最后,研究了大气湍流对空间相机调制传递函数(MTF)的影响,并以MTF=0.15为基准,仿真分析了MTF相对误差随相机口径、卫星轨高和大气相干长度的变化规律。本研究为高分辨率遥感卫星的设计、分析和评估提供理论依据。

基于张量分解与非下采样Contourlet变换遥感图像增强

图像质量低、特征信息不明显是遥感图像获取过程中的常见问题。传统的图像增强方法常常因为不能有效地整合全局信息,从而不能高精度、高效率地凸显有用信息。本文通过结合张量分解和非下采样Contourlet变换,提出一种改进的遥感图像增强方法。使用优化的非下采样Contourlet变换对原始图像进行分解,将各尺度和方向的高频细节图像组合成高阶张量。通过贝叶斯概率张量补全,从不完全张量中识别潜在因子,以预测图像缺失的细节信息。实验结果表明:所提出方法能在有效恢复样张缺失信息的同时突出图像的特征信息,与不同图像增强方法相比,样张处理后在信噪比、结构相似度以及均方根误差方面最大提升分别为27.9%、37.6%和45.4%。改进的遥感图像增强方法在可视化比较和定量评价方面优于常用的图像增强方法。