大幅宽面阵相机多片探测器影像拼接方法

大幅宽面阵相机通常采用多片探测器拼幅成像的方式来增大幅宽。为了提高数据的使用效率,用户要求提供几何无损和视觉无缝的拼接产品。由于分片探测器间重叠区域小甚至无重叠区,拼接后影像畸变增大等原因,传统像方拼接方法难以适用。针对此问题,文章提出一种基于传感器校正的大幅宽面阵相机多片探测器影像高精度几何拼接方法。该方法首先根据卫星相机分片探测器的物理结构及其成像几何特性,虚拟一个完全理想的无畸变面阵影像,影像覆盖范围与原始分片探测器影像覆盖范围相同;在严格标定分片探测器像元指向的基础上,建立虚拟影像与原始分片影像的像点坐标换算关系,并将原始分片影像的像点灰度值赋给虚拟影像对应像点,进而实现对分片影像的无缝拼接和畸变校正。经对仿真数据和在轨数据的试验验证,结果表明:对于不同探测器拼接方式和搭接区重叠情况,文章中所提方法可获得视觉无缝和几何无损的拼接影像,影像的片间拼接精度和影像内部几何畸变均优于1个像素。

大面阵连续变焦面阵扫描红外光学系统设计

基于红外扫描图像系统理论,设计了一款采用大面阵1 280×1 024 pixel@12μm/F2中波制冷传感器的连续变焦面阵扫描红外光学系统。按照设计指标要求,对光学系统参数进行分析后,确定采用像方扫描方式补偿扫描平台运动产生的积分时间内的物面移动,解决面阵探测器扫描时的热成像拖尾现象,望远系统采用二次成像、负组元变倍、正组元补偿的结构形式实现连续变焦,即光学系统结构确定为三次成像的型式。在设计程序中对凸轮曲线、扫描光学系统的热冷反射做出分析调整。光学模拟结果显示:系统在扫描振镜往返情况下,全视场的MTF值在频率42 lp/mm处均大于0.3,并且凸轮曲线在整个变焦过程中平滑,没有出现拐点,最大压力角小于50°。最后,对系统开展了成像实验测试,实验结果表明:该控制系统能够在60 mm~600 mm区域连续变焦,在变焦过程中成像周围景色清晰可见,完全没有冷反射情况发生,同时系统在旋转扫描过程中成像均清晰稳定,没有拖尾现象。该系统可用于连续变焦搜索跟踪一体的红外系统中。

EMVS互质面阵张量波束成形

相比于标量传感器均匀阵列,电磁矢量传感器(electromagnetic vector sensor,EMVS)稀疏阵列能够在降低系统软硬件成本的同时感知更大范围、更高维度的空间信号信息,并通过精尖波束扫描实现信源测向性能的综合提升。然而,传统基于矩阵信号建模的波束成形算法难以利用EMVS接收信号的多维结构化信息,且存在由阵元稀疏排布所引入的虚峰干扰问题。为了应对上述挑战,提出了面向EMVS互质面阵的张量波束成形算法,有效利用了空域互质采样的波束分布特性和张量信号处理的优势实现指向性张量波束扫描测向。具体而言,将EMVS互质面阵中稀疏均匀子面阵的接收信号表示为一对涵盖多维度空间电磁信息的高维张量,并从张量信号空域滤波的准则出发,设计面向稀疏均匀子面阵的张量化最小方差无畸变响应优化问题。为了克服由上述优化问题中张量内积项所造成的传统求解方法失效难题,提出通过张量权重的canonical polyadic分解,将原始张量化最小方差无畸变响应优化问题转换为对应波达方向信息维度与极化状态信息维度的子问题,并基于各子问题的局部最优解设计交替迭代求解方法,以获得张量权重的全局最优解。进而,基于张量空间的质数分解唯一性分析,理论证明一对满足互质阵元排布的稀疏均匀子面阵所对应的虚峰具有互不重叠特性,并提出张量波束功率的互质合成处理方法,以此构造具备精尖主瓣且虚峰抵消的张量波束功率图,从而实现多信源空间方位的精准估计。仿真结果验证了所提EMVS互质面阵张量波束成形算法的有效性。

基于四面体特征的面阵激光雷达与相机标定方法

为了提高面阵激光雷达与相机标定精度,提出了一种基于四面体结构的面阵激光雷达与相机标定方法。利用图像中角点的反投影射线和点云中直线特征建立“点-三线”的对应关系,提高了约束强度,根据异面直线间的距离和投影直线间的夹角建立约束方程,通过非线性优化求解相机和雷达坐标系间的变换向量并最终得到变换矩阵。构建三角板和地面组成的四面体结构并进行实验验证,实验结果表明:该方法的平均投影误差在0.6像素以内,优于其他两种标定方法,为后续激光雷达数据与图像数据融合提供了研究基础。

超大面阵红外焦平面探测器杜瓦热机结构研究(内封面文章)

针对拼接式超大面阵红外焦平面探测器杜瓦封装性能要求,采用基于精密垫片的三点可调式模块结构,设计了多点耦合高导热柔性冷链结构和低应力高均温的SiC冷平台结构,并开展了探测器模块精密拼接、超大规模面阵焦面温度均匀性、大杜瓦组件低冷损、超大冷平台组件力学可靠性等关键技术研究。利用2 k×2 k红外探测器模块以3×3的阵列拼接,组件总规模达到6 k×6 k,利用液氮制冷采集了9个模块的温度,温度均匀性为±0.45 K,模块拼接后焦平面阵列平面度优于±10μm,在外壳为室温时获得超大杜瓦组件的漏热为7.53 W。对大组件开展的力学试验表明,XYZ三方向最低基频为557 Hz,经9 grms随机振动后,组件功能正常,未发生明显变化,满足工程化应用需求。

基于结构光场辅助的面阵定位投影标示技术研发

以一套数字光处理面阵投影装置和一个工业相机作为基本硬件平台,研发了三维定位标示原型系统i-Guider,阐述了i-Guider系统的工作原理和关键技术。在数字光处理投影仪中固化一组正弦相移条纹结构光图像,将投影仪作为逆成像装置,在结构光场的辅助下利用一块平面标定板实现相机–投影仪内外参数的精确标定。对于三维数模上的曲线轮廓、操作说明等操作信息,提出一种现场自动生成标示信息定位投影图像的方法,并通过HDMI端口将现场生成的标示信息投影图像传递给面阵投影仪,实现操作信息在三维工件实物上的精确定位标示。以一个机身蒙皮试验件为对象,开展了蒙皮定位钻铆三维标示试验,结果表明,i-Guider系统定位投影标示精度在0.25 mm以内,且具有良好的三维定位标示效果。

面阵投影增材制造技术自适应分层算法

增材制造采用“逐层叠加”的原理来成型制件,层厚越小,制件的表面质量越高,成型效率越低。为了调节制件成型效率与表面质量之间矛盾的问题,提出了基于STL制件法矢量的自适应分层算法。该算法先计算出与切面层相交的三角面片的法矢量与制造方向的夹角集,然后对夹角集的均值与最小值进行加权求和,依据加权求和后的角度关系,实现对制件进行自适应调整分层厚度。对同一制件分别采用本文算法及已知的4种算法进行分层,实验结果表明,这里算法能够有效平衡制件表面质量与成型效率之间的关系,较其余4种自适应分层算法,阶梯体积误差小且制件成型时间短。

超大面阵碲镉汞探测器低应力设计及有限元分析

随着碲镉汞材料和器件技术的不断发展,满足大视场、超高分辨率应用需求的超大阵列规模的红外探测器逐步投入工程应用,超大面阵探测器芯片的低温可靠性成为封装技术的重点研究内容。以某超大面阵碲镉汞混成芯片为研究对象,采用有限元仿真分析法研究了冷头材料体系、冷台外径、冷台的结构形式等因素对混成芯片低温应力和芯片光敏面低温变形的影响规律,最终优化设计出一套可满足超大面阵芯片低温可靠性要求的冷头结构和材料体系。仿真结果显示,该冷头体系硅电路低温下最大应力约为70 MPa,碲镉汞光敏区在低温下的变形约为30μm。仿真结果能满足工程应用可靠性要求的经验仿真阈值,有效改进了超大面阵红外探测器的高可靠小型化封装技术。

基于面阵霍尔传感器的漏磁检测

传统漏磁检测中,单探头检测面积小,且采用永磁体励磁时,移动装置不灵活,检测效率较低。因此,本文采用交流励磁,设计48个面阵传感器检测模块,单次有效覆盖面积(36×36)mm。电路设计采用多路复用技术,用DG508作为多路模拟开关,myRIO1900数据采集卡分时控制采集;上位机软件中对原始数据采用自平衡技术;数据处理过程采用阈值增强技术,提高缺陷图像显示效果。实验表明:该设计可检测厚度2mm保护层下的人工刻槽。

基于均匀面阵的频控阵MIMO雷达无网格参数估计方法

现有的面阵场景下的频控阵(Frequency Diverse Array,FDA)MIMO雷达参数估计方法大多需要进行谱峰搜索,因此面临计算复杂度高、估计精度不够准确等困难。针对这一问题,提出了一种基于均匀面阵FDA-MIMO雷达的无网格参数估计方法。首先推导了角度和距离解耦的均匀面阵FDA-MIMO雷达模型,其次提出了适用于该模型的基于低秩矩阵重构的优化问题,并推导了基于交替投影的算法实现,以加快计算速度。最后通过仿真实验验证了所提算法在计算复杂度较低的同时具有较高的估计精度。

连续激光辐照面阵CCD串扰现象时空分布特性

研究了532 nm连续激光辐照面阵CCD串扰现象的时空分布特性。以CCD垂直传输沟道的最上游、中游、最下游三个部位作为典型辐照部位。研究结果表明,激光辐照CCD垂直沟道方向上不同位置,不会影响主光斑出现的时序,只要连续激光开始辐照时刻或结束辐照时刻在读出转移动作之前,主体信号电荷将形成干扰图像中的主光斑;但辐照部位对串扰线的时空分布具有重要影响。串扰线长度和空间分布位置,在激光结束辐照于读出转移时刻之前时,与携带溢出电荷的垂直传输势在读出转移时刻到达的位置有关;在激光结束辐照于读出转移时刻之后时,与获得溢出电荷的垂直传输势阱对应的绑定像素位置有关。研究结果进一步完善了连续激光对面阵CCD成像器件的干扰效应研究。

基于三维面阵激光成像系统的目标跟踪算法研究

针对现有的RGB目标跟踪算法难以有效应对光线变化、尺度变化、遮挡等问题,文章提出了一种基于三维面阵激光成像系统的感知遮挡相关粒子滤波目标跟踪算法;首先提出基于Depth深度数据及其HOG特征的目标遮挡判断机制,然后融合相关最大似然估计粒子滤波算法形成目标预测-跟踪-校准-再检测的跟踪机制;与现有的目标跟踪算法进行对比实验的结果表明,基于三维面阵激光成像系统的感知遮挡相关粒子滤波目标跟踪算法可以很好地检测目标遮挡并进行目标跟踪,降低了光线变化带来的影响,在目标预测-跟踪-校准-再检测方面,计算量较小,实时性较好,精确度达到85.7%。

面阵数字航测影像快速辐射校正方法与实现

随着计算机软硬件的发展,特别是可编程图形处理单元(GPU)框架计算统一设备架构(CUDA)的不断进步,使得利用CUDA开发影像快速处理应用的需求大幅增加。本文在分析国产大面阵航测相机DMZⅡ辐射特性的基础上,提出了基于C UDA的面阵数字航测相机全色子影像快速辐射校正方法,阐述了具体实现步骤和线程配置方法,并利用DMZⅡ相机在某试验区获得的影像数据,开展快速辐射校正算法性能测试。结果表明,相较于传统中央处理器(CPU)串行编程方法,本文提出的方法可提高超13倍的计算效率,且逻辑明确,实现简单,可为开发类似影像快速处理需求的相关应用提供技术参考。

超大面阵红外探测器冷平台支撑结构研究

为满足拼接式超大面阵型红外探测器的空间应用需求,超大规模冷平台组件需要在低温下工作,冷平台支撑结构需要较高的刚度以满足组件的抗振动性能,又需要较高的结构热阻以降低其传导漏热。提出了对称式八杆结构作为冷平台支撑,该支撑结构采用新型的高强度、低热导率的氧化锆陶瓷材料。基于有限元软件分析了支撑结构的高度、安装倾斜角度、宽厚比和材料对于组件的模态基频、支撑结构热阻以及组件在30 g静力学载荷下的最大应力的影响,通过对比选取了其中一组参数设计了实际的测试组件,支撑的结构热阻达到了220 K/W,对组件进行了5~2 000 Hz的正弦扫频试验、总均方根为9 g RMS的XYZ三个方向的随机振动等力学环境试验,最终组件通过了空间环境适应性试验验证,组件的基频达到了560 Hz,并且测试结果与仿真结果趋势符合较好。结果表明:对称式八杆氧化锆支撑结构解决了超大面阵型红外探测器冷平台组件既需要高力学性能又需要低漏热的难题,满足工程化应用需求。

面向GEO目标探测的面阵TDI空间相机

为了提高远距离、暗弱目标探测灵敏度,通常需要增大可见光相机口径,这会显著增加相机的质量和体积,无法适应卫星轻小型化要求。针对低轨探测地球同步轨道(GEO)目标需求,利用低轨零倾角卫星与GEO目标相对速度恒定,设计了面阵相机时间延迟积分(面阵TDI)成像模式。与自然交会模式、面阵凝视模式相比,在不增加相机口径的前提下,大幅提高了相机探测灵敏度。阐述了面阵探测器TDI成像原理,推导了相机信噪比计算模型,对目标运动、积分时间、探测灵敏度和信噪比等主要成像参数进行了计算,分析对点目标探测成像的影响。研制了一台原理样机,在暗室条件下的实测结果表明,相机TDI级数为96级,可实现对GEO轨道目标探测能力优于15星等,信噪比大于5。

面阵固态激光雷达在排水管道检测中应用研究

激光雷达扫描是排水管道完整性检测的一种重要方法。针对目前激光扫描设备无法快速绘制出排水管道内壁三维轮廓图像的问题,文中设计一种基于面阵固态激光雷达传感器的管道内壁信息采集传输系统,给出激光雷达传感器的硬件采集电路原理图,详细阐述系统软件设计方案和实现过程。模拟场地测试时,采集面阵固态激光雷达三维点云数据和深度数据,详细对比检测量和实测量,以验证检测数据的可靠性。结果表明,面阵固态激光雷达测量精度为1.8 cm,检测范围可达5 m。现场实测时,绘制排水管道内壁面阵固态激光雷达三维深度图,三维图中管道底部泥沙和管道顶部污垢清晰可见,能快速检测出排水管道内壁的完整信息。所设计系统实用性高、检测速度快,具有良好的稳定性。

使用等效偏移角稀疏测量的面阵相机序贯图像几何校正

天基光学相机实际在轨对地观测成像的畸变需通过几何校正抑制。目前主流面阵相机对地观测获得的小尺寸、高帧频序贯图像很难满足传统几何校正方法逐帧解算对单帧图像控制点数量与空域分布的要求且计算量巨大。针对这一问题,提出一种使用等效偏移角稀疏测量的面阵相机序贯观测图像几何校正方法,将逐帧校正参数解算问题转化为时域稀疏测量条件下等效偏移角信号恢复问题,利用等效偏移角信号时频信息可有效降低对单帧图像控制点数量和空域分布要求。通过高分四号卫星面阵相机在轨实测图像数据验证了所提方法的可行性且其能大大降低序贯图像几何校正处理的计算量。

双极化面阵的快速波达方向估计算法

针对目前极化敏感面阵空域-极化域联合谱估计运算量大、耗时长的问题,提出一种降维求根MUSIC(Multiple Signal Classification)优化算法。通过对接收信号进行降维处理,提出新的求解模型将传统四维MUSIC转化为两个一维求根MUSIC求解空域波达方向和引用已求解出的空域信息结合拉格朗日乘子法解决来波信号极化信息估计问题。相比传统的4D-MUSIC和秩亏MUSIC,所提算法在不损失估计精度的前提下提高了运算速度,降低了运算复杂度,无需谱峰搜索过程,消除了因搜索步长而导致的量化误差。对日后大规模阵列计算及MIMO(Multiple Input Multiple Output)雷达引入提供快速求解方法。仿真实验表明,所提算法在低信噪比0 dB下空域误差约为0.85°,速度相比秩亏MUSIC提升了约64.7%,验证了该算法的有效性和高精度性。

开关柜母排多点面阵测温与温升异常辨识方法

针对单点传感测温难以全面准确识别高压开关柜过热故障的问题,提出一种以低分辨率多点面阵测温取代传统点测温的新方法及其技术实现.首先,提出低分辨率红外阵列传感器的开关柜温度状态多点传感检测技术,获取开关柜电缆室母排与电缆连接处的多视场温度分布数据.其次,在实现过热区域定位的基础上,建立k最近邻(KNN)算法温度故障辨识模型,识别开关柜母排故障状态.最后,搭建开关柜温度状态监测平台,采集数据并分析.实验结果表明,多点面阵测温不仅适用于开关柜状态监测要求,且其温升异常检测方法可有效实现过热故障的区域定位与识别分类.

基于面阵成像的末敏弹目标捕获方法研究

为提高末敏弹在复杂战场环境下的作战能力,研究了基于面阵探测器的扫描探测过程,建立了适用于红外和可见光的面阵探测器扫描模型并且提出一种装甲目标捕获方法。对静止和不同运动速度下的装甲目标的捕获过程进行仿真,仿真结果表明,面阵扫描探测对装甲目标的捕获和定位能力优于点源探测器,其捕获概率达到82%以上,为面阵探测器在末敏弹上的应用提供了技术支撑。