医用光学内窥镜覆盖全视场范围的边缘光效评价方法

该研究阐述了行业标准YY 0068.1-2008《医用内窥镜硬性内窥镜第1部分:光学性能及测试方法》对边缘光效的基本评价思路,通过以特定的实际内窥镜数据为例分析相对视场位置的边缘光效评价结果与绝对视场位置的边缘光效评价结果相反的情况,指出仅由YY 0068.1-2008规定的90%最大入瞳视场角(W_(p))处相对视场位置评价边缘光效不全面,需补充建立覆盖全视场范围的绝对视场位置边缘光效的评价方法;同时,基于YY 0068.1-2008的基本评价思路建立了覆盖全视场范围的边缘光效评价方法,旨在为行业标准的进一步修订和完善提供参考。

有限视场下的攻击时间和角度多约束制导律

针对精确打击任务存在导引头视场受限这一过程约束的制导问题,提出了一种考虑视场限制以及攻击角度和时间多种约束的制导律.首先,在以比例导引项实现精确命中的基础上,利用最优控制理论,采用弹目距离加权控制能耗形式的指标函数,设计了攻击角度控制项,并推导了相应的剩余飞行时间解析预测表达式.其次,基于最优误差动力学方法,设计了攻击时间相关的控制项,保证了攻击时间误差的有限时间收敛.同时,针对导引头视场有限的问题,分析了各控制项对前置角收敛性的影响,利用特定的限制函数确保前置角在整个制导过程中始终处于有效视场内,并给出了前置角的有界性及收敛性证明.数学仿真结果验证了所提出制导律对多约束制导问题的有效性.

大视场白光干涉测量系统及性能研究

基于国产化的2倍迈克尔逊型干涉物镜组,优选配置0.5倍适配镜,对白光LED照明光源进行带通滤波参数的仿真估算和实验性能比较,构建了整套大视场白光干涉精密测量装置系统并进行了实验测试,通过白光干涉轴向响应实验曲线确定了中心波长。实验结果表明:通过光谱滤波获得了较为理想的白光干涉轴向响应曲线;系统的水平最大视场达到了14 mm;高度为2.04μm和20.43μm的标准台阶样品的测量结果分别为2.05μm和20.47μm,10次测量重复精度(标准差)分别为12 nm和16 nm。对粗糙度样板、微机电系统传感结构和半导体晶圆膜层进行了实测,表明所研制的系统装置在三维光学无损精密检测领域的应用具有可行性。

一种双视场电视/激光测距接收共光路一体化机设计

设计了一款双视场电视与激光测距接收共光路一体化机。根据应用需求,首先对CMOS、雪崩管器件选型;其次对光学、机械、电气部分进行设计,采用共用前物镜组,并利用镀有光谱分光膜的分光镜以及中继镜组,实现电视双视场与激光接收的共光路光学系统设计,电视大视场用于搜索目标,电视小视场用于跟踪目标,激光测距接收单元用于接收激光回波;然后采用主镜筒与整机壳体一体化设计,并以整体铸造方式进行加工,提高一体机整体结构强度;最后采用双H桥电机启动芯片并联设计,提高运行额定电流,并根据限位开关检测结果,实现电机对传动部件的精准限位控制。对设计结果进行分析,结果表明:设计的一体机大/小视场像质良好、像面稳定,激光测距接收单元工作状态良好。

多镜面大视场主动光学望远镜调控方法

为了更好地实现多镜面大视场主动光学望远镜波前像差抑制、提升望远镜探测能力极限,本文基于望远镜视场边缘内置的错位型曲率传感器进行波前感知,并利用功率谱对波前感知结果进行分析,进而基于波前像差的空间频率特征进行调控。首先,基于复光场理论分析了非瞳面对系统波前调控的影响机理。其次,分析了本方法在多镜面大视场主动光学望远镜调控过程中的精度特性。再次,利用桌面实验对多镜面大视场主动光学望远镜调控的可行性进行了验证。最终,波前重建结果与理论波前相关性高于0.85。利用功率谱对各个视场的空间频率特性进行了分析,与单纯使用均方根对多镜面影响敏感度进行分析的方法相比,灵敏度提升了20%。

面向人眼宽视场视觉成像质量的评价方法

为考虑边缘视觉的影响,实现对人眼宽视场条件下视觉成像质量的量化,提出一种基于孪生神经网络的多视域成像质量评价方法。构建个性化眼模型,根据波前像差值获得不同视场处的成像图;利用色彩差异分割成像图中的不同区域,将其作为子图像以样本对的形式输入到孪生神经网络中,提取图像的多维特征;模拟人眼对色彩的差异化感知,对区域图像质量评价值进行加权,得到对整幅图像的质量评价。为验证算法的有效性,在TID2013、LIVE和CSIQ这3个图像数据库上进行实验,其结果表明,该方法对多视场处成像质量的量化评估有良好的性能。

大视场相机最优投影模型识别及星光标定方法

针对在轨摄影测量中近距离大尺寸测量需求,提出利用星光约束的大视场角摄影测量相机最优投影模型识别及标定方法。首先,构建了具备调节系数的星光几何投影分段函数模型。随后,针对分段星光投影模型开发多站位自标定光束平差算法。通过将光束平差算法与北方苍鹰寻优策略相结合,对投影模型调节系数、相机内方位参数、相机外方位参数及镜头畸变系数同步优化,直到星点像面重投影均方根误差达到全局最小,得到最优投影模型及其参数。实测实验表明,大视场角相机星光标定后,星点像面坐标的重投影均方根误差为1/9 pixel。在连续帧星光标定实验中,通过卡尔曼滤波算法对相机参数随机误差进行了有效消除。该方法可在相机星光标定过程中识别最优投影模型并标定全部成像参数,具备连续帧标定及参数校准能力。

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。

用于校正大视场共轴光学系统畸变的自由曲面设计方法

大视场光学系统的畸变往往较为严重,畸变会导致图像的扭曲和变形,为了解决这个问题,提出了一种利用自由曲面校正大视场共轴光学系统畸变的设计方法,应用该方法可以在优化后期提升光学系统的指标。基于逐点法、矢量折射定律通过光线追迹的方式,根据原有光学系统的出瞳位置和畸变情况,利用自由曲面对各视场主光线进行偏折,进而对畸变进行校正。给出了设计实例,分别拟合出了自由曲面和非球面。对比结果显示,相比于原系统,自由曲面的加入导致TV畸变从–6.3355%下降到0.0002%,相对照度从65.5%下降为50%,调制传递函数从0.54提高到0.64,蒙特卡洛分析90%概率调制传递函数从0.574提高到0.589。相比于相同位置的非球面,自由曲面对系统的畸变校正能力更强,降低了0.2109%,调制传递函数提升了0.06,并且更具有减小系统切向和矢向之间发散的优势,相对照度降低了0.2%,蒙特卡洛分析结果提升了0.002。证明了自由曲面设计方法对大视场共轴光学系统的畸变有着明显的校正作用,体现了自由曲面在大视场共轴光学系统中有着潜在的重要研究和应用价值。

一种大视场汇聚型双目立体视觉标定方法

双目摄像机汇聚型摆放易导致标记点出现散焦模糊和透视形变,使标记点定位出现偏差,在大视场环境下会引发不可忽视的标定误差,进而影响测量精度。为解决上述问题,提出了一种基于标记点定位偏差度加权的大视场汇聚型双目立体视觉标定方法。首先,利用靶标在摄像机坐标系下的位姿,计算标记点散焦模糊量和透视形变度;其次,根据标记点定位偏差度设置相应权重;最后,将标记点权重系数加入目标函数,引导标定参数优化。实验结果表明:在观测值为505 mm的情况下,该方法测距均方根误差和标准差可达0.809和0.290,不但有效提高了大视场汇聚型双目立体视觉标定精度,而且具有良好的稳定性。

摄像机视场约束下无人机视觉着舰导引方法

无人机基于计算机视觉技术进行着舰时,既需要关注自身的飞行轨迹是否合理,也需要注意所对应的视觉特征点在图像空间中的运动是否合理,即需要满足机载摄像机视场等约束。此外,由于海洋风浪等扰动作用,很难整定出合适的参数使视觉特征点以期望的轨迹运动,并使得图像误差以期望的动态过程收敛。针对这些问题,设计了一种将基于tau耦合策略的轨迹规划与IBVS相容的视觉导引方法,同时引入PPC理论以直接描述图像误差收敛的动态过程,并赋予参数整定工作明确直观的物理意义,从而降低参数整定的难度。最后仿真验证了所研究成果的可行性和有效性。

视场角限制下的攻击时间和角度三维矢量制导律设计

为了提高导弹精确打击目标的能力,控制攻击时间和攻击角度三维制导问题在实际应用中具有重要的意义。针对这一问题,本文基于三维矢量制导模型提出了一种视场角约束下的攻击时间和攻击角度控制律。首先,通过将平面矢量制导律扩展至三维空间,提出了一种三维矢量攻击角度约束制导律;其次,在上述制导指令的拦截分量中引入剩余时间偏置项,设计了一种在视场角约束下的三维矢量制导律,并进行了稳定性分析。保证导弹能在视场角约束的条件下,以期望的攻击时间和角度击中目标,并且误差均小于0.01;最后,通过数值模拟验证了所设计制导律的正确性和有效性。

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。

基于液晶光栅的大视场红外凝视成像系统设计

分视场成像的中波红外凝视成像系统为解决红外光学系统很难同时满足大视场、高分辨率的问题,将多个子视场分时成像于同一个探测器中,然而目前该系统还存在着无法实现无缝拼接和液晶快门阵列结构复杂的缺点。本文在此基础上提出了一种新的基于液晶光栅的大视场中波红外凝视成像系统设计。通过在一次像面处加入矩形视场光阑并将其后移,使原有的0.28°的视场缺失减小至0°,实现图像的无缝拼接。快门阵列采用双光栅快门结构,使其无需复杂的位置关系,并将液晶快门阵列放置于平行光路中,可消除其所引入的色差与偏振带来的主光线间纵向位移影响。采用所提出的方法,设计出了F数为3.25,焦距为130 mm,波长范围为4.25~4.75μm,全视场对角线为10.8°的红外凝视成像系统,其各子视场单元MTF均为0.3@30 lp/mm以上。最终通过仿真结果表明,该系统具有分视场成像的功能,且成像质量良好。

基于星点亚像元误差补偿的大视场红外相机在轨检焦方法

针对大视场红外相机在轨调焦时受大气条件、地物丰富度、月相角等因素影响导致对地调焦和对月调焦周期长、效率低的问题,文章提出一种基于星点亚像元误差补偿的红外相机在轨检焦方法,通过对未经大气退化的星点图像进行精准质心定位提取清晰度评价指标,有效规避外界因素的影响,提升在轨检焦效率,保障在轨检焦精度。首先对星点图像分别采用自适应阈值质心法和高斯拟合法提取质心估计值;依据图像信噪比、星点目标能量集中度确定最佳因子,构建误差补偿模型进行精确质心定位;再提取图像点扩散函数的波形半高宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)作为在轨检焦清晰度评价指标;设置不同谱段、不同能量集中度的星点红外图像作为在轨检焦图像,分别采用质心法、高斯拟合法及星点亚像元误差补偿方法进行目标质心提取并估计FWHM,实验结果表明:三种方法的质心提取平均误差分别为0.1195、0.0107、0.0027,均方根误差分别为0.1210、0.0124、0.0085,星点亚像元误差补偿方法质心提取误差最小,稳定性最好。能量集中度为0.4~0.8之间时,采用星点亚像元误差补偿方法质心提取平均误差均小于0.01,优于其他方法。在此基础上,采用该方法提取的FWHM平均精度提升了三倍以上,且不受星点质心位置随机性的影响,对于实现基于恒星的在轨检焦具有较高的可靠性和稳定性,满足在轨检焦要求。

基于CIDAS事故场景的智能车辆视场配置

为优化智能车辆感知视场,以中国交通事故深度调查(CIDAS)数据库中的事故案例为基础提取22种交叉口乘用车典型事故场景,在交叉口典型乘用车事故仿真场景中提取来车相对于主车的极限相对位置并将其转换为车辆安全通行下最小感知区域;为实现基于场景安全通行的智能车辆感知视场配置,建立场景安全通行需求的智能车辆感知视场配置框架并提出感知视场配置求解方法;在对感知元件进行功能建模后,使用视场配置方法求解场景安全通行下感知元件组合方案;最后使用感知区域覆盖率、目标有效感知率对该感知元件组合方案进行评价,结果表明搭载该感知元件组合方案的智能车辆在事故场景中可满足安全通行要求。

基于自由曲面的紧凑型大视场离轴三反空间光学系统设计

为缩小空间光学系统的体积,降低遥感卫星的发射成本,根据初级像差理论求解光学系统的初始结构,采用视场和面型的渐进式优化策略设计了一款焦距为2000 mm,视场为5°×5°,F数为12.5,外包络圆直径为750 mm,具有“环形轮廓”的离轴三反光学系统。系统的主镜和三镜采用XY多项式自由曲面,次镜采用Zernike多项式自由曲面。根据自由曲面的面型参数,仿真出三个镜面的二维矢高图。设计结果表明系统的成像质量接近衍射极限,各视场RMS光斑直径最大为8.38μm,小于探测器的2个像元尺寸大小。系统能量集中度高,最大相对畸变量为1.88%,最大波前像差为0.053λ,各视场波像差优于λ/18。公差分析结果表明系统成像质量良好,可以满足各项指标要求。

一种大视场高分辨率的复眼光学系统设计

针对传统无人机载成像系统无法实现大视场与高分辨率共存的问题,设计了一款大视场高分辨率无人机载复眼相机系统,该相机由曲面子眼阵列、光学中继系统和图像探测器三部分组成。中继系统使用了非球面设计,减小了系统体积。单个子眼焦距为20 mm,视场角为10°,中继系统为一鱼眼透镜,焦距为7 mm,可将子眼阵列所成焦曲面像转为平面像。总系统视场达到122°×106°,F数为3,焦距为3 mm,在飞行高度1 000 m时对地分辨率为0.8 m。仿真结果显示,各个光学子通道调制传递函数(modulation transfer function, MTF)在208 lp/mm处均大于0.3,系统在给定的公差范围内像质能够满足要求。与现有无人机载复眼系统相比,该文设计的系统视场更大,分辨率更高,且体积更小。

被动探测视场角约束下的深度强化学习制导方法

针对红外制导导弹拦截机动目标的导引律设计问题,提出了一种纯角度量测下考虑视场角约束的深度强化学习制导方法。首先,将拦截制导问题转化为一个马尔可夫决策过程,建立了基于双延迟深度确定性策略梯度算法的深度强化学习制导模型,并充分考虑了导弹一阶自动驾驶仪特性;其次,设计了一种满足导引头视场角约束,同时又能权衡能量消耗和制导精度的综合奖励函数,并在典型场景下进行了深度强化学习制导律训练。在目标采用不同机动形式的条件下进行了对比仿真与蒙特卡洛仿真。仿真结果表明,该方法采用红外导引头探测到的纯角度信息,能够在满足视场角约束、过载指令饱和约束的前提下以较高精度命中目标,同时对目标的不同机动方式具有较强的鲁棒性。

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。