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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

基于固态面阵激光雷达的人体行为识别研究

计算机视觉技术的发展,涌现出很多目标检测和行为识别研究的方法,使得人体行为识别研究的相关成果应用于智慧教育环境、虚拟现实和人机交互等方面成为常态。该文针对复杂多变的环境下基于固态面阵激光雷达的基础且在深度学习算法模型优化下的人体行为进行识别研究。具有2个显著特点,一方面,数据经处理后重构能反映目标几何外形的三维图形,获取目标表面反射特性、运动速度等丰富的特征信息,为目标探测、识别和跟踪等数据处理提供信息支持、降低算法难度;另一方面,固态面阵激光雷达的应用,使得其具有测量分辨率高、抗干扰能力强等特征。解决传统算法依赖人工提取特征,复杂耗时且泛化性差等不易操作的问题,使得人体行为识别更加信息化与智能化。

基于面阵式激光雷达的弹目交会参数解算仿真研究

论文通过分析面阵式激光雷达扫描成像机理,建立飞行目标运动数学模型,采用双切片法对目标模型进行可见点提取,实现面阵式激光雷达对飞行目标的模拟观测扫描。受限于面阵激光雷达分辨率,仅可采集到目标表面部分点云,文中利用凸包算法、灰度图和深度像融合算法对目标点云进行图像增强和滤波处理,以利用缺失点云重构飞行目标轮廓。仿真实验表明,图像增强处理能使导弹弹体和轨迹更加清晰可辨,解决目标飞行速度较快造成的运动模糊和拖尾现象,为后续弹目交会参数解算提供技术支持。

小面阵辅助下的天绘一号卫星三线阵影像平差定位方法

提出了一种小面阵辅助下的三线阵卫星影像区域网平差约束方法,该方法以天绘一号卫星三线阵影像严格成像模型为基础,将下视线阵影像的局部区域等效成面阵影像,根据等效面阵影像与小面阵影像上同名像点的坐标差异,增加区域网平差约束方程,实现小面阵影像辅助下的三线阵影像区域网平差处理,完成对等效框幅式平差方法的扩展。利用天绘一号卫星影像数据进行了实验和分析,结果表明,该方法能够以小面阵影像数据为辅助,实现三线阵影像的区域网平差处理和整体定位精度的提升。

高重复频率飞秒激光对面阵CCD的干扰和破坏

采用800 nm,100 fs的超短脉冲激光器对硅面阵CCD进行辐照实验,观测到饱和、串扰以及永久性损伤等多种可能造成成像器件失效的现象,特别是在激光能量较高时,发现CCD在成像时出现了黑白屏的现象。在飞秒激光器以1,10和1000 Hz工作的条件下,分别测量了硅面阵CCD的饱和阈值、串扰阈值和破坏阈值。对破坏后的CCD器件进行了显微分析。在1 kHz工作的条件下进行了视场外干扰实验,观察到串扰和全屏饱和的现象。

32×32面阵InGaAs Gm-APD激光主动成像实验

近十年来,由于盖革模式APD焦平面探测器在探测灵敏度、空间分辨率和距离分辨率等方面的优势,使得面阵APD激光主动成像技术成为国际上的研究热点。考虑到大气传输特性,InGaAs材料或者HgCdTe材料的面阵APD探测器成为研制首选。在国内自研InGaAs材料的32×32像元Gm-APD基础上,搭建了一套1570nm激光主动成像实验平台,在成像帧频1kHz、单脉冲能量2mJ条件下,获得了外场3.9km目标的轮廓像,在720m处能获得目标的清晰表面结构距离像。通过该外场实验,证实了国内自研的面阵Gm-APD探测器性能良好,能够演示外场激光主动成像功能。实验结果表明,1570nm面阵APD激光成像雷达成像性能良好,能够实现远距离目标遥感探测,为未来实际应用奠定了良好的研究基础。

基于面阵CCD图像的温度场测量研究

推导出具有实物面的高温辐射体温度和 CCD像素点亮度之间的关系。结合比色测温法 ,给出一种基于彩色 CCD图像的温度场测量方法。用一套经黑体炉标定过的测温系统 ,分别在黑体炉和普通煤炉上进行测温试验 ,取得较好结果。通过比较计算温度值和热电偶测量值 。

基于CPLD的空间面阵CCD相机驱动时序发生器的设计与硬件实现

在分析e2v公司的CCD47-20 Backthinned NIMO型CCD器件驱动时序关系的基础上,设计了可调帧频和曝光时间的空间面阵CCD相机驱动时序发生器及其硬件电路.选用可编程逻辑器件作为硬件设计载体,使用VHDL语言对驱动时序发生器进行了硬件描述.针对ALTERA公司的EPM9400LC84-15对设计进行了RTL级仿真及配置,完成了时序发生器的硬件电路.硬件实验结果表明,所研制的驱动时序发生器不仅可以满足空间CCD相机的驱动要求,而且还可以调节帧频和曝光时间.

1.319μm连续YAG激光束对可见光面阵CCD系统的干扰研究

利用1.319μm连续钇铝石榴石激光对可见光面阵CCD系统进行干扰实验,分析了该CCD系统发生干扰饱和的原因,计算了1.319μm激光辐照面阵可见光CCD的干扰饱和阈值,利用实验数据在定量上验证了计算结果。当像面上激光功率密度达到102W/cm2量级时,CCD出现饱和串音,达到103W/cm2量级时,出现全屏饱和。