一种基于Spike Camera的彩色脉冲相机仿真

受到生物视觉机制的启发,一种新型的仿视网膜中央凹的视觉传感器Spike Camera被研制出来。相比传统基于帧的相机和其他事件相机,Spike Camera更适合处理超高速场景的视觉任务。目前物理设备推广受到限制,此类视觉类传感器的发展和应用也受到影响。在本文中,我们实现了一种基于Spike Camera的仿真建模方法,将连续的视频帧转化成脉冲数据,再根据脉冲数据重构成图像帧。通过仿真程序,探索了在Spike Camera传感器上的彩色信息脉冲编码的方式。实验结果表明,相比其他彩色编码方式,使用单通道的RGB彩色脉冲编码能在损失很少的图像信息的情况下,极大地压缩脉冲数据,减少传输带宽。本文的研究结果对设计彩色脉冲相机具有重要参考意义。

同步触发和级联滤波的分幅相机皮秒高压脉冲研究

脉冲展宽分幅相机是脉冲展宽技术与微通道板(microchannel plate,MCP)分幅相机的结合体,其时间分辨率与皮秒高压脉冲呈非线性波动关系.采用同步触发模式和级联结构LC高通滤波器产生皮秒高压脉冲,将其与影响时间分辨率的阴极电压和漂移距离结合,应用于脉冲展宽分幅相机的时间分辨率研究中.结果表明,同步触发式多级Marx电路能产生半高宽优于1 ns的高压脉冲,随着级联LC高通滤波器从1阶增至7阶,产生皮秒高压脉冲的半高宽从558 ps降至409 ps,幅值从-3.6 kV降至-1.4 kV,上升沿斜率的非线性波动为5.03~10.25 V/ps;将其加载于MCP通道内的光电子倍增模型,获得的MCP分幅相机时间分辨率由206 ps提高至149 ps;而将其应用于脉冲展宽分幅相机,随着阴极电压和漂移距离增加,时间分辨率的非线性波动为3.8~39.4 ps.通过数据统计和对比发现,当同步触发Marx电路与3阶LC高通滤波电路相结合时,脉冲展宽分幅相机的时间分辨率能达到最优.

静电聚焦提升脉冲展宽分幅相机空间均匀性

为提升脉冲展宽分幅相机的空间分辨均匀性,利用静电聚焦等位面均匀和像面漂移小的特性,采用静电透镜设计成像系统,构建脉冲展宽分幅相机电场分布和成像特性的关系,利用空间调制传递函数评估空间分辨率,并通过将空间分辨率的数值波动转换为梯度变化百分比的形式,对区域内的空间分辨率不均匀度进行定量描述.研究结果表明,等径双静电透镜成像系统能够增大探测区域,并降低空间分辨率不均匀度,满足脉冲展宽分幅相机向大面积探测的发展需求.在漂移区长度为400 mm,透镜孔径、轴向宽度和间距分别为200 mm、60 mm和210 mm的情况下,为避免电极电压过高引起的等位面均匀性变差和电子能量弥散增加,当第1和第2透镜电极分别加载-4.5 kV和10.0 kV电压时,脉冲展宽分幅相机的有效探测区域半径可达21 mm,离轴空间分辨率的波动范围为321.4~340.3μm,探测区域内的空间分辨率不均匀度为(1.11×10^(-4))%,均优于3磁透镜成像系统40.08~482.29μm的波动范围和0.027%的不均匀度.研究结论可为静电聚焦成像系统在脉冲展宽分幅相机中的应用提供理论基础,有助于量化并提升空间分辨率的均匀性.

面向自动驾驶场景的脉冲视觉研究

自动驾驶是计算机视觉重要的研究方向,具有广阔的应用前景。纯视觉感知方案在自动驾驶场景中具有重要的研究价值。不同于传统相机,脉冲视觉传感器能更加灵敏地感受光子,具备比传统视频快千倍以上的成像速度,具有高时间分辨率、高动态范围、低数据冗余和低功耗等优势。本文面向自动驾驶场景,总结了脉冲相机的成像原理、感知能力与优势;围绕自动驾驶相关视觉任务,详细介绍了脉冲视觉影像重建原理与方法,讨论了基于传感器融合的影像增强技术路线;归纳总结了基于脉冲相机的运动光流估计、目标识别检测分割与跟踪,以及三维场景深度估计算法进展及技术路线;梳理了脉冲相机数据及感知系统的发展现状,分析了脉冲视觉的研究挑战;研究提出了潜在解决方案及未来研究方向。脉冲相机及其算法和系统在自动驾驶领域具有巨大潜力,是未来计算机视觉的主要研究方向之一。

基于脉冲序列光场相机的脉冲间隔时间误差校正方法

针对脉冲序列光场相机中存在的脉冲间隔时间误差问题,提出了一种校正的方法。造成脉冲间隔波动的原因包括时间误差和场景变化,基于此将脉冲间隔序列划分为子序列,各子序列中只存在由时间误差造成的波动。利用每个子序列中波动的比例对脉冲间隔时间误差进行校正。在静态场景实验中,光强为400 lux、1700 lux和3500 lux的均匀光图像信噪比分别从14.6225、12.2986和10.5854提高到14.6881、15.7925和15.9416。在动态场景实验中,转速为10 r/min、100 r/min和1000 r/min的转盘图像标准差分别从36.0759、35.1094和34.8353降低到33.8838、32.9750和32.8458。在静态和动态场景中图像缺失的灰度值都得到了补充。实验结果表明,该方法能有效校正脉冲间隔时间误差,提高图像质量。

基于瑞利判据的分幅相机空间调制传递函数

根据脉冲展宽分幅相机原理和瑞利判据思想,通过建立研究模型、模拟磁场分布、追踪电子轨迹和成像分布直方图统计及其高斯拟合,采用瑞利判据计算脉冲展宽分幅相机轴上空间分辨力和成像调制度。研究结果显示,基于瑞利判据通过相邻物点成像分布计算脉冲展宽分幅相机空间调制传递函数是可行的,当阴极轴上相邻物点分别发射10000个电子时,两物点完全分辨的成像调制度为98.5732%,空间分辨力为194.5237μm;恰能分辨的调制度为19.16%,空间分辨力为73.22μm;不能分辨的成像调制度为0.14%,空间分辨力为4.57μm。研究结论为二维超快诊断设备空间调制传递函数的计算提供了一种直观的解决方法。

磁场对脉冲展宽分幅相机空间电荷效应的影响

基于磁聚焦成像的脉冲展宽分幅相机是具有超快时间分辨的诊断设备,空间电荷效应是制约其时空性能向更高量级提升的主要因素。为研究脉冲展宽分幅相机中的空间电荷效应,基于电子脉冲电势分布和电场力方程建立研究模型,将电子脉冲动态特性融入模型分析。研究结果显示,由成像磁场引起的电子脉冲动态半径对空间电荷效应时空弥散影响显著,当轴上磁场强度为4.585×10^(-3)T时,随着离轴位置增加至15 mm,磁场强度提高到4.763×10^(-3)T;由于离轴电子脉冲散焦使动态半径较大,因此在降低电子密度的同时,使空间电荷效应的时间弥散由2.94 ps减小至483 fs,空间弥散由668μm减小至22μm;当轴上磁场强度由4.585×10^(-3)T降低至3.359×10^(-3)T时,与最优空间分辨性能相似,空间电荷效应时空弥散在磁场3.4×10^(-3)~3.5×10^(-3)T区域内达到最小,此时离轴15 mm内的时间弥散范围为256~392 fs,空间弥散范围为3.1~15.4μm。研究结论为分析磁场对脉冲展宽分幅相机空间电荷效应的影响提供一定的理论参考。

脉冲展宽分幅相机的最优空间分辨能力分析

短磁聚焦脉冲展宽分幅相机是一种具有长漂移区的二维超快诊断设备。通常采用轴上和离轴的点空间分辨率对其近轴空间分辨能力和工作面积进行评估,但由于像场弯曲会引起高斯像面的空间分辨不均匀,因此难以评价相机的整体空间分辨能力,所以研究一种能量化空间分辨能力的方法具有重要意义。为探讨新方法,采用COMSOL软件建立模型,基于场曲特性重建三维成像曲面,采用标准差分析成像曲面与高斯像面之间的偏离程度,通过融合点空间分辨率和整体调制度构建高斯像面空间分辨率,并运用相对误差量化高斯像面空间分辨均匀性。研究结果显示,在组合磁透镜的孔距为200 mm、漏磁缝隙为10 mm、轴向宽度为100 mm、漂移区长度为400 mm、成像半径为21 mm、阴极为-3.75 kV的情况下,随着成像磁场变化,成像曲面与高斯像面之间的偏离程度,以及高斯像面空间分辨率均呈开口向上的抛物线形状,并在成像磁场为41.97 Gs(1 Gs=10^(-4)T)时,两像面偏离程度标准差达到最小,为2.82 mm,高斯像面空间分辨率提升至最优,为292.80μm,表征空间均匀性的调制度差值降低至最小,为330%。本文研究为评估短磁聚焦脉冲展宽分幅相机的最优空间分辨性能提供了一种可量化的参考方法。

基于滤波技术和GAN的脉冲展宽分幅相机空间分辨性能提升

为改善硬件提升的局限,将滤波技术和生成对抗网络(GAN)应用于脉冲展宽分幅相机空间分辨性能提升,并采用图像梯度和成像调制度量化提升效果。研究结果显示,高斯-拉普拉斯算子、同态滤波和GAN均能不同程度提升脉冲展宽分幅相机的空间分辨性能,而将同态滤波的图像增强和GAN的去模糊相结合,能更显著地提升分辨效果,并将图像整体平均梯度由初始的1.456提高到3.399;近轴5 lp/mm区域的局部平均梯度由7.638提高至23.901,平均调制度由7.84%提高至24.32%;远轴5 lp/mm区域的局部平均梯度由3.869提高至11.349,平均调制度由6.07%提高至19.60%。研究结论不仅为脉冲展宽分幅相机空间分辨性能的提升提供了参考方法,而且为滤波和去模糊技术融入超快诊断领域提供了新思路。

脉冲展宽分幅相机的磁聚焦时间弥散和畸变

模拟相机磁场分布和光电子运动轨迹,建立传输时间和距离的二维分布模型,分析磁聚焦时间弥散和畸变的成因及其降低方法。研究结果表明,时间弥散和畸变与物点(即阴极位置)沿轴磁场强度密切相关,并随物点离轴距离的增大而变大,通过适当提升轴对称磁场均匀性可降低磁聚焦时间弥散和畸变。当漏磁缝隙由4 mm扩宽至40 mm时,轴上与离轴30 mm物点的沿轴磁场强度峰值比由0.82提高到0.89,时间弥散由127 fs和435 fs分别减小至120.6 fs和378.4 fs,离轴30 mm物点的时间畸变率由4.61%下降至4.01%。

脉冲叠加技术提升脉冲展宽分幅相机时间均匀性

脉冲展宽分幅相机是时间分辨率优于10 ps的二维超快诊断设备,但展宽脉冲沿阴极传输会引起阴极不同位置的电压分布出现差异,这会导致相机时间不均匀现象的产生,从而限制了大探测面相机的实现。采用雪崩三极管、雪崩二极管和高通滤波器设计了一种快斜率皮秒选通脉冲,基于电脉冲叠加原理,探讨了选通脉冲下降沿对时间不均匀性的提升效果。研究结果显示:当阴极电压为-2 kV、电子束初始时间宽度为5 ps和展宽斜率为11.9 V/ps时,随着展宽脉冲沿阴极起点传输到终点,阴极上的电子束展宽倍率由11.74增至39.04,基于相对误差原理,两者相差232.5%;当将选通脉冲下降沿和展宽脉冲同时加载至阴极时,电子束展宽倍率由11.28变化至14.23,两者相差下降至40.21%,此时脉冲展宽分幅相机的时间分辨均匀性得到了有效提升。

脉冲展宽系统中的飞秒光电子传输成像特性

设计了短磁聚焦脉冲展宽分幅相机模型,以脉冲展宽原理和光电子运动方程为基础,研究了飞秒光电子在脉冲展宽系统中的加速、传输和成像特性,分析了时空弥散,探讨了降低时空弥散影响的方法。结果表明:当脉冲展宽系统长500mm、展宽斜率为10V·ps^-1、加速电场为2kV·mm^-1时,传输时间弥散引起的总物理时间分辨率为1.62ps,占相机时间分辨率的70%;空间弥散为62.87μm,相机成像对比度降低了13.58%。提高加速电场能有效降低时空弥散对相机物理时间分辨率和成像对比度的影响。

Mechanisms of self-similar pulses generation in a normal dispersion-decreasing fiber

Based on the principle of virtual equivalent gain,the evolution of self-similar pulses in a normal dispersion-decreasing fiber is investigated.The occurrence of wave breaking during the process under highly nonlinear conditions and the effect of its revealed four-wave mixing on the process are also analyzed.The results indicate that the pulse spectrum broadeningin the initial stage is dominated by self-phase modulation while by four-wave mixing in the later stage.The more intense nonlinearity is,the faster the pulse evolution converges to the self-similarity synchronously in both the time domain and the spectrum domain.