长春理工大学高性能柔性传像束破解光纤成像难题

8月2日，由长春理工大学承担的“高性能柔性传像束研究”项目正式通过鉴定。专家认为，这种“高性能柔性传像束”具有单丝直径细、分辨率高、数值孔径大、柔性好等优点，在材料配方、单纤维酸深玻璃涂层工艺、先进的相关集束方法即“双向震动排丝’’工艺、用酸溶玻璃拉制粗管技术等方面有创新，其高性能传像束的单丝直径、分辨率及数值孔径等技术指标达到了国际同类产品的先进水平。

高性能柔性传像束破解光纤成像难题

由长春理工大学制作的φ0．5mm×200mm、φ0．8mm×300mm、φ1．4mm×580mm和φ1．40mm×1350mm的柔性传像束，已提供给徐州、天津、厦门、沈阳、深圳、上海等地单位使用，取得了较好的效果。这一创新研究成果标志着我国高性能柔性传像束研究进入了国际先进行列。

基于层叠法工艺制造柔性多路集成大阵面光纤传像束实验研究

本文描述了利用溜丝层叠法工艺制造大阵面柔性多通路集成光纤传像束实验。分析讨论了实验方案原理和实验结果。指出了该实验方案的优缺点和应用前景。

基于光纤传输的柔性红外光学成像系统设计

讨论了基于光纤传输的柔性红外光学成像系统设计方法,采用光学成像前置模块+光纤传像束+光学成像后置模块的分体式布局,通过合理的优化设计,实现光学孔径与制冷探测器的高效匹配。该设计方法减轻了伺服转动机构光学负载质量,压缩了光学负载的外形尺寸,扩展了光机系统柔性布局的新方式,通过该设计方法,配合伺服转动结构,可实现半球空域内的任意方向成像。

传像光纤束成像算法在DM642上的实现与优化

针对异型传像光纤束成像的算法结构,提出一种基于DM642的异型传像光纤束成像算法的实现与优化方法。该方法结合DM642的硬件结构和汇编指令执行流程,并针对这两个方面提出了相应的优化策略。实验结果表明,经过优化的系统在速度和效率方面均得到了明显的提高,可以满足成像算法的实际需求。

柔性硫系玻璃红外光纤传像束的制备与性能测试

讨论了红外光纤传像束的学术意义和制备工艺,制备了一种硫系玻璃红外光纤传像束并进行了专门的性能测试。选用As40S58Se2、As40S60作为芯棒和皮管玻璃组分,采用管棒法拉制成纤,利用人机结合的排丝工艺制备出了单丝直径为50μm,纤芯直径为40μm,576元正方形排列的红外光纤传像束。搭建了相应的实验测试平台,对光纤束排列规则度、断丝率、光学效率及传像束引起系统调制传递函数(MTF)下降量等指标进行了测试。测试表明,传像束断丝率为2.7%,衰减损耗低于0.5dB/m,光学效率约为31%,在红外光纤传像系统中光纤传像束引起的MTF下降量小于10%。最后,利用研制的红外传像束完成了红外成像实验,结果表明,红外光纤传像束能够实现良好的红外成像。

光纤望远系统束端面垂直度对成像效果的影响

针对光纤望远系统中大截面光纤传像端面垂直度误差，分析了像束出射端光通量分布状态的变化。结合实际的光纤望远系统，阐明了像束端面垂直度对整个系统成像效果主要参数－系统透过率的影响原因。

光纤成像光谱仪中谱线畸变对调制传递函数的影响

将光纤传像束应用到色散型成像光谱仪中取代其狭缝,链接望远系统和光谱仪组成光纤成像光谱仪。它是二重采样系统,光谱仪的谱线畸变使光纤束采样像元的像与探测器像元之间产生对准偏差,从而对第二次采样过程产生影响,导致调制传递函数(MTF)下降。从线扩散函数角度出发推导出采样过程光学传递函数,分析了谱线畸变对系统MTF的影响,建立了一套评价光纤成像光谱仪MTF的模型。该模型比狭缝型成像光谱仪MTF计算模型多了一项光纤积分MTF因子和一项由谱线畸变引起的对准偏差MTF因子,最后用该模型评价了某机载可见近红外波段光纤成像光谱仪MTF。MTF计算模型的推导和建立方法对计算二重采样系统光学传递函数有参考意义,能指导光纤成像光谱仪的设计。

长波红外硫系玻璃光纤束制备与大面阵成像性能研究(特邀)

长波红外光纤传像束在军事、医疗以及环境监测等领域有着重要应用。当前,长波红外光纤高的光学损耗制约了红外光纤传像束的性能和应用。为了制备低损耗长波红外光纤,选择As-SeTe硫系玻璃组分,首先对As、Se、Te高纯原料进行了提纯工艺研究,原料表面氧杂质含量分别由1.3 at%、0.46 at%、0.48 at%降至0 at%(未检出)、0.06 at%、0.15 at%,除氧效果显著。以As-Se-Te玻璃为基质组分,对比研究了制备工艺对玻璃红外透过谱段的影响,采用Al作为除氧剂结合蒸馏提纯工艺,制备出热学性能优异、长波红外谱段良好的红外硫系玻璃。采用棒管法拉制出丝径100μm的光纤,弯曲半径小于5 mm,在长波红外波段损耗基线约为0.2 dB/m。采用叠片法制备出像元2.25万,单丝呈紧密排列的光纤传像束,断丝率小于3‰,传像束有效区域透过均匀,无黑丝、暗丝,对红外目标成像清晰,无明显畸变,综合成像质量良好。

基于FPGA的传像光纤束图像预处理器

针对传像光纤束成像的算法结构,提出一种基于FPGA的传像光纤束图像预处理器设计方案。该图像预处理器相对于传统的图像预处理器具有充分利用FPGA有限的片上资源,合理安排数据操作之间的并行性和流水性等优点。具体实验结果表明,该预处理器能满足传像光纤束成像系统的实时性要求,达到预期效果。

推帚式超高分辨率红外焦平面传像束变换光电成像系统

中国科学院上海技术物理研究所研制的“推帚式超高分辨率红外焦平面传像束变换光电成像系统”获得国家发明专利。 该系统通过采用红外光纤传像束和相应图像处理技术，将大型红外光电成像系统对超长线列探测器及相关制冷技术的研发，转换为应用目前成熟的红外焦平面阵列技术和计算机图像处理技术，可获得更高的分辨率和优良的性能，

光纤耦合的亚像元超分辨率扫描成像图像处理

遥感成像时,采用六角形排列叠层结构的光纤束耦合图像,微扫描工作方式使目标图像依次通过各层光纤。六角形排列的光纤束邻近层光纤之间的错位属亚像元量级,采用亚像元图像处理能获取超分辨率图像。亚像元处理时,首先分离邻近层光纤耦合的图像,以其中一幅图像为基准对另一图像进行配准处理得到中间图像,然后对中间图像和基准图像进行傅里叶变换。考虑仪器及人眼分辨极限,设定图像信号为带限信号,将光纤束邻近层半个像元的错位转化为两幅图像频谱的相位差,从而确定图像融合的插值函数。实验结果表明,针对光纤束六角形排列的亚像元处理获取了超高空间分辨率的图像。

红外光纤传像系统像质优化方法研究

红外光纤传像系统在红外探测领域具有重要的学术价值和广阔的应用前景。文中采用理论分析与实验验证相结合的方法，对其像质优化问题进行研究。基于系统工作原理和特点，建立了其调制传递函数的理论模型，分析了影响其像质的主要因素。结果表明：为保证系统成像质量，前置物镜及后继耦接镜在系统Nyquist频率处的MTF值应大于0.8，且耦接镜所成光纤像与探测器像元的对准偏差应小于0.5像元。为进一步分析光纤传像束自身缺陷对像质影响，特搭建了成像实验装置，对两种不同规格光纤传像束推扫成像结果对比发现：通过使用合适后继耦接镜、多层光纤TDI模式成像、传像束前后端镀增透膜、准确的均匀性校正处理等方法，可有效改善系统的成像质量。以上研究为该类系统的研制提供了必要的技术储备。

高耐辐射分体式光纤成像系统

为了解决辐射环境中图像采集问题,提出分体式光纤成像系统。该成像系统由传像组件、采集组件及显示终端组成。传像组件包含物镜及光纤传像束等,将图像由辐射剂量较高的环境中传输至辐射剂量较低的环境中;采集组件包含耦合透镜及电荷耦合器件(CCD)等外围电路,完成图像采集;显示终端对采集到的图像进行校正并显示。为了提高该成像系统耐辐射能力,传像组件本体采用耐辐射玻璃为主要材料进行制备;传像组件及采集组件的外部采用钨镍合金等辐射屏蔽材料进行耐辐射加固。实验及实际应用结果表明:高耐辐射分体式光纤成像系统,在不影响成像质量的前提下,相较于现有成像系统寿命显著增加,是高辐射剂量环境中图像、视频采集的有效手段。

低损耗As-S玻璃光纤的制备与应用研究

采用反复蒸馏提纯技术和开放式动态蒸馏相结合的工艺,制备了高纯As-S玻璃,基本消除了玻璃在2.9、4和6.3μm处的杂质吸收。利用旋转法制备出壁厚均匀、表面质量优异的硫系玻璃套管。采用棒管法拉制出丝径50μm,芯径40μm具有芯包结构的硫系玻璃光纤。拉制的As-S光纤机械性能和光学性能优异,光纤丝径波动小于1%,弯曲半径优于4 mm,中红外波段损耗基线小于0.5 d B/m。制备出像元呈正方形排列,出端规格64×9,入端规格192×3,用于线–面转换的红外传像束,像束断丝率为2.7%。利用该异型传像束成功实现了长线阵的红外推扫成像。

基于FPGA+DSP的超分辨率成像系统设计

针对异型传像光纤束成像的算法结构,介绍了一种以TI公司高性能DSP(TMS320DM642)和Xilinx公司150万门级FPGA(XC3S1500)为核心处理器的超分辨率成像系统。在该系统中,作为系统核心的DSP承担目标图像合成算法,而FPGA则负责如图像格式转换等预处理工作。通过合理分配DSP和FPGA的处理任务,本系统充分发挥了FPGA硬件实现的快速性和DSP软件实现的灵活性。实验测试表明,该成像系统满足实时性要求,易于维护和升级,具备较强的通用性。

光纤耦合系统中的数字图像积分算法研究

空间遥感成像时,为提高图像信噪比,串行扫描方法得到广泛运用。设计了特殊排列的光纤束,利用该光纤束耦合的扫描成像系统,通过控制扫描步进长度,让目标依次通过每层光纤束,获取多幅数字图像。将多幅数字图像还原目标图像时,借助模拟积分的概念,提出了简单平均、选择平均和加权平均三种处理方法,更加有效地提取了图像特征和消除脉冲干扰。

柔性硫系玻璃光纤传像束的制备及性能研究

通过引入特征温度与硫系玻璃相匹配的高性能热塑性聚合物聚酰亚胺（PEI）作为光纤包层,结合复丝工艺制备了像素数为900的As2S3/PEI光纤传像束,表征了光纤的损耗、光纤束的断丝率、分辨率和串扰率。As2S3/PEI光纤在2~6μm波段传输性能优异,背景损耗约为0.5 d B/m,在S-H杂质对应的4.0μm波长的峰值损耗为3.5 d B/m。单丝直径为80μm、像素数为900的光纤束的断丝率为1%,分辨率为7 line/mm,串扰率为1%,通过此传像束得到了清晰的电烙铁红外图像。而且,将PEI溶于二甲基乙酰胺（DMAC）后使光纤束表现出很好的柔性。采用这种类似＂酸溶玻璃＂的可溶于特定溶剂的热塑性聚合物,作为过渡介质,结合复丝工艺有望制备出柔性高分辨率硫系玻璃光纤传像束。

面阵光纤传像束与面阵CCD的像元耦合调制传递函数特性

高分辨率成像光纤传像束制备工艺的进步使得传统高性能光电成像仪器具备柔性,并且使仪器的体积和重量大幅减小。面阵光纤传像束和面阵CCD间的像元耦合离散采样效应,导致了传统成像质量评价模型的局限性。从光强度呈余弦分布的光信号在面阵光纤传像束和面阵CCD中的传递过程出发,建立了耦合离散采样系统的耦合调制传递函数(Coupled-MTF)模型,研究了Coupled-MTF的收敛特性及其随像元耦合误差的变化规律等。研究表明,若输入信号的空间频率与奈奎斯特频率的偏差为1%,当阵列中包含的像元总数超过1000时,Coupled-MTF振荡收敛为固定值。输入信号的空间频率与奈奎斯特频率的偏差越小,Coupled-MTF振荡收敛的速度越慢。Coupled-MTF的振荡幅值在弧失和子午方向不同,且与各自方向的像元耦合误差有关。Coupled-MTF随面阵光纤传像束与面阵CCD间的像元耦合误差周期振荡,理论上振荡周期为包层直径。在奈奎斯特频率及其分频附近的频域,Coupled-MTF在给定空间频率处不为固定值。上述特性有别于传统空不变成像系统的调制传递函数。