多视场宽时域仿生极高速成像

现有极高速成像系统存在元件复杂、系统庞大以及视场受限的问题。基于螳螂虾小眼和复眼结构提出一种结构紧凑的极高速成像方法,可应用于多种视场和时间范围。仿生极高速成像仿生微绒毛阵列结构,以条纹结构光照明和空间角分复用为基础,实现图像的压缩和瞬态事件时序图像的重现。仿生螳螂虾小眼结构,可以实现视场极高速成像;而复眼系统结构上有小眼系统拼接组成,可以突破限制现大视场极高速成像。时间延迟结构与照明成像光路分离,可以实现飞秒至皮秒时间尺度的瞬态事件记录。因此,仿生多视场极高速成像理论上可以应用于各种视场的成像,仿真实验的摄影频率可以达到1.2×10^(13)帧/s,还原图像分辨率可以达到80.6 lp/mm。仿生极高速成像为大范围、群体性瞬态事件的探测提供了可能,例如光在散射介质中的传播、随机运动等,并且其结构紧凑,为极高速成像仪器的小型化、轻量化打下基础。

应用于数字高速成像的离轴光学系统设计

为提高数字高速多幅相机的像面照度,简化光学系统结构,提出一种离轴光学系统设计方法。该系统使用多组相同物镜,采用圆心一组,圆周均匀分布多组的方式平行阵列排布。分布于圆周上的物镜,其像面接收器相对物镜轴心平移离轴,以获得与圆心物镜相同的物面图像。分析了单物镜像面照度、畸变等与视场有关参数对光学系统各像面匹配的影响。在此基础上给出一个5通道离轴光学系统设计实例,系统空间分辨率优于30lp/mm,畸变小于0.1%,F数2.0。相比目前广泛采用的棱锥、棱镜分幅方式,该离轴光学系统像面照度增加5倍以上,系统结构简易。

基于超高速成像技术的脉搏波传导速度检测颈动脉弹性的一致性和重复性研究

目的评价不同超声医师应用基于超高速成像技术的脉搏波传导速度检测颈动脉弹性的一致性,以及同一医师多次检测同一受检者的重复性。方法随机选取13名健康志愿者作为受检者。两名超声医师应用此技术检测志愿者的颈动脉弹性,获得收缩期起始时和结束时的脉搏波传导速度,即BS和ES。每名志愿者每侧颈动脉各检测5次,按左右标记为LBS、LES、RBS和RES。应用Bland-Altman检测两名医师测量数据的一致性,组内相关系数ICC检测同一名医师测量同一志愿者数据的重复性。结果 Bland-Altman图显示LBS和RBS的点都落在95%一致性界限内,LES和RES各仅有1个点落在95%一致性界限外,参数显示LBS、LES、RBS、RES在95%一致性界限较窄,且在界限范围内最大差值的绝对值均较小,在临床上是可以接受的。每名超声医师检测同一名志愿者的LBS、LES、RBS、RES各5次,ICC均大于0.75。结论基于超高速成像技术的脉搏波传导速度检测颈动脉弹性有着较好的一致性和重复性,是一项反映颈动脉弹性的可信指标。

高光谱遥感高速成像电路电磁兼容设计

在高光谱遥感成像领域,成像载荷在高空间分辨率、高光谱分辨率及大幅宽等指标方面需求不断提升,为解决星载高光谱成像高速电子学愈演愈烈的电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)问题,提出了增强星载高光谱成像仪电磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)能力的针对性设计方法,并通过在某系列高分辨率高光谱成像仪载荷上的具体实施,验证了EMC针对性设计的有效性。为寻求高光谱成像仪EMI设计的理论方法及技术实现手段进行了有益探索,为其他遥感用星载高速成像载荷设计提供了有益借鉴。

计算机三维仿真镀锌钢板零间隙焊接高速成像系统

零间隙配置的镀锌薄板焊接与汽车工业有明显的利益关系。汽车工业应用这种激光焊接方法,可在普通的制造过程中生产出高耐久性的车身。现如今,良好的焊接效果只能通过昂贵的建设性过程,如夹紧装置来实现。由于在两个薄板的接触面上会排出汽化锌,实现零间隙配置焊接是一项很大的挑战。为找到影响锁眼和熔化槽的合适焊接参数,研发了应用于激光微创焊接的三维模拟和高速成像系统。

基于高速成像的爆炸温度场测试方法

为实现对爆炸温度场的动态测量,针对爆炸温度场变化快、范围广、温度高、难以测量的问题,提出一种基于高速成像技术的爆炸温度场测温方法。基于辐射原理推导出高速成像系统的温度测量模型,建立高速相机图像灰度值和被爆炸温度之间的对应关系,得到可通过控制高速成像系统曝光时间和透光率2个参数控制测温范围的算法;搭建高速成像爆炸温度场测量系统,用最小二乘法对系统进行标定,标定结果显示:该建模方法在2200~2900℃区间平均误差为0.74%,在1850~2350℃区间平均误差为1.95%,能够满足爆炸温度场的测量需求。运用搭建的系统与红外测温仪分别进行375 g、750 g及1500 g 3种药量的温压弹爆炸温度测量对比实验,实验结果表明:该系统与红外测温仪之间的温度测量值最大偏差为3.31%,实现了高响应速率及高分辨率测量。

千兆UDP/IP协议栈FPGA实现及其在高速成像系统中的应用

在FPGA中设计并实现了传输速率为1 000 Mbit/s的以太网UDP/IP协议栈,并将其应用在图像采集系统完成图像传输。UDP/IP协议栈分为MAC层和UDP层,MAC层完成基本以太网帧的收发,UDP层完成顶层用户数据封装。协议栈完全兼容IEEE 802.3ab千兆以太网标准,具有显式流量控制功能,解决了FPGA千兆以太网硬核媒体访问控制器移植弹性低,资源消耗大的难题。仿真与实验结果表明,协议栈资源占用率低,用户端数据率可达964 Mbit/s,在帧长度为1 472时丢包率为0%,对于1 000×1 000(pixel)面阵CMOS探测器帧频可达48 f/s,适用于嵌入式高速图像采集系统。

一种用于高速成像的905nm窄脉冲大功率半导体激光器阵列

为了克服高速成像系统在曝光时间很短的情况下,难以理想成像的问题,它基于波长为905nm的SPL LL90_3激光二极管,提出了一种用脉冲半导体激光器阵列光源作辅助照明的方法。理论上计算了一定距离理想成像所需的能量,基于多倾斜高斯光束叠加实现均匀化的原理,设计了一种结构简单,光强均匀性好,脉宽为200ns,峰值功率达到1 120 W的脉冲半导体激光器阵列。通过ZEMAX光学仿真在500mm处的光强分布并实验验证,同时研究设计了脉冲大功率半导体激光器阵列的驱动电路,选用MC1362高速相机,做了在2μs的曝光时间内借助脉冲大功率半导体激光器阵列光源可否理想成像的验证实验。实验显示成像效果良好,方案具有现实可行性,适合作为高速成像的照明系统。

星载大孔径静态干涉高光谱成像仪高速成像电路设计

根据遥感领域高光谱成像对大幅宽、高分辨率需求,研制了一套适合航天LASIS高光谱成像应用的高分辨率、宽视场、高光谱、高可靠性的新型高速光谱成像仪电子学系统,它采用多片四通道并行处理ADC芯片进行模数转换,以V5系列FPGA为核心处理器,用高速SerDes芯片传输图像数据,成像测试及相关环境试验及可靠性测试,验证了设计的有效性。该设计为我国进入航天遥感领域领先行列提供了技术支撑,也为深入开展高分辨遥感提供了有益的借鉴。

高速成像中的阵列式高速脉冲光源设计

为了解决高速成像中自然照明不足、低幅率相机拍摄图像模糊等问题,设计了一种高亮度阵列式脉冲光源,该脉冲光源具有窄脉宽、高频率、照度均匀等优点,系统以大功率、高亮度白光LED为光源,以单片机为核心控制器,完成了脉冲光源驱动、精确时序控制、报警和显示等电路模块的设计。试验结果表明,该脉冲光源最大光通量可达36000 lm,脉冲宽度为1μs,可有效解决高速目标成像模糊的问题。

高速成像系统中光圈电机的PI参数智能优化算法研究与应用

高速成像系统在断路器线圈故障诊断中的良好效果得到人们的关注,但在检测过程中发现成像系统中光圈电机控制存在精度难以满足现场测试的问题,且PI参数调整繁琐。针对上述问题,本文提出电机控制系统PI参数自动寻优,得到系统PI参数的最优解,从而实现光圈电机的准确、自动控制。本文在传统基因遗传算法基础上,在选择算子、交叉算子以及变异算子的设计上,较传统的SGA做了改进。改进后算法以Schaffer函数求极值问题作为优化测试对象,在平均最佳适应度、平均适应度计算次数以及平均进化代数等指标上均得到改善。并提出IITAE2作为适应度评价方法,对PI参数进行优化。基于IITAE2算法,分别从仿真与实验的角度进行验证,结果表明IITAE2指标遗传算法优化效果更好,可获得性能更优良的PI参数。

含毫米波高速成像系统的数据接收设计研究

随着毫米波成像技术越来越成熟,用于物体的成像探测工作也被运用到各类安检系统中,由于毫米波具有全天候的工作特点,可以避免检测的间断性,但由于系统比较复杂,对于高速成像系统往往会采用FPGA器件,进行大数据量的传输和处理。文中介绍了黑体辐射理论,针对高速成像的数据接收,采用了Altera系列的FPGA器件,通过AD采样处理的毫米波信号数据接收处理的试验,得出了高效率地完成数据接收的结果。系统搭建完成后,通过仿真与测试,可以克服传统的数据接收单元的灵活性低,功耗大的特点,通过设计数据接收的16个通道,数据采集单元在进入扫描模式时对每个通道均采样210个点,可以进行高速的数据接收。对于毫米波成像系统接收单元的设计体现了积极的研究意义,为该领域的发展提供了思路。

高速成像拖尾畸变校正方法研究

针对高速运动物体成像拖尾问题,基于现有的常规图像处理方法,提出一种高速成像拖尾畸变校正方法。该方法利用背景减除、质心提取、图像投映、校正迭代等步骤达到高速运动成像拖尾畸变校正的目的。实验表明,利用该校正方法对高速运动物体的拖尾图像进行畸变校正,能够得到清晰且尺寸准确的目标物体影像。

高速多光谱TDI CCD成像电路系统

为实现多光谱TDI CCD的高速高信噪比成像,利用可空间应用的多光谱TDI CCD传感器研制出了高性能成像电路系统。该系统以现场可编程门阵列(FPGA)为核心逻辑单元,带有RS422外围通信控制接口,并采用CAMERALINK接口输出图像数据。系统具有动态推扫成像的能力,可同时输出全色和彩色两种模式的图像数据。利用灰度条纹的靶标对传感器的3个多光谱(R、G、B)感光区标定白平衡,利用彩色条纹的靶标对系统进行成像测试,在驱动频率为15 MHz的情况下,系统单片CCD输出的图像数据率达到1.2 Gbps。试验结果表明,获取全色图像的信噪比达到了53.56 dB,各多光谱图像的信噪比较高的也在40 dB以上,满足空间对地高分辨多光谱遥感成像的技术指标要求,对高速空间多光谱遥感相机的研制具有借鉴意义。

高速小目标成像技术

分析了特定目标的特点,提出了一种解决远处高速小目标高分辨率成像的方法。这里采用引导相机和成像相机相结合搭载在高精度二维转台的方案,解决目标搜索和粗略跟踪的问题。方案在成像相机中引入积分时间控制与利用高精度二维平动台实现像移补偿的精跟踪机制。另外,在后期采用运动模糊恢复处理来改善图像质量,解决运动补偿不完全可能引起的像模糊问题。文中给出了具体设计的参数要求和电子学解决方案,为具体实施提供基础。

水下气泡高速成像探测系统实验研究

设计了一种水下气泡高速成像探测系统实验方案,模拟深水中暗光的情况,采用主动成像方式,以532nm绿光激光器作为光源,高速相机在距离气泡3m远处进行拍摄,成像速率约为500fps。在气泡后放置合作目标和没有合作目标的两种情况下进行实验,得到了气泡图像,对两种图像进行图像处理后发现,在有合作目标的情况下能得到更清晰、对比度更高的气泡运动图像。

多谱段时间延迟积分电荷耦合器件高速成像系统设计

针对多谱段时间延迟积分电荷耦合器件（TDI—CCD）输出通道多的结构特点和工作频率高的应用要求，提出了一种多谱段TDI—CCD高速成像系统。采用单片可编程逻辑器件作为成像系统的控制核心，实现了视频处理器组的配置与控制以及12路数字视频信号的整合；采用高速集成视频处理器完成模拟输入电荷耦合器件（CCD）信号的视频处理和需精细调整相位的视频处理相关控制信号及水平转移信号的产生；采用高速集成驱动器实现高速低占空比信号的驱动。实验结果表明该系统满足设计要求，在像素时钟为20MHz时工作稳定正常，信噪比大于45dB，动态范围不低于58dB，可同时高速获取分辨率较高的全色图像和光谱信息丰富的多光谱图像。

一种高重复频率激发电路下的高速超声内窥成像系统

光学相干层析?血管内超声联合(Optical coherence tomography intravascular ultrasound,OCT?IVUS)成像技术能同时弥补光学相干涉成像的低成像深度与超声成像的低分辨率,能够较为全面地进行血管内的易损斑块识别,但受血管内超声(Intravascular ultrasound,IVUS)技术超声激发重复频率限制,OCT?IVUS成像难以在高帧率成像的同时获得高成像线数,从而影响显示分辨率。为提升IVUS成像速度,同时不降低图像显示的分辨率,尝试应用高重频超声激发技术的方法解决这一难题。本文设计了一种50 kHz的高重频超声激发电路,并在此设计基础上研制了一种50 f/s的高速超声内窥成像系统;进而对系统性能进行测试。激发电路高压脉冲测试以及信噪比(Signal noise ratio,SNR)测试结果表明:激发电路可用于25 MHz超声换能器的激发,具有较高的SNR;应用此激发电路所研制的超声内窥成像系统能够在不降低显示分辨率的前提下提高成像速度,该系统技术能有效检出易损斑块,促进OCT?IVUS的临床应用,对心血管疾病的早期发现、诊断和预防具有一定价值。

星载遥感高光谱成像仪电子学抗辐照设计

高光谱成像载荷在高空间分辨率、光谱分辨率及大幅宽等方面指标需求不断提升,使得星载遥感的抗辐照设计问题愈发明显,文章提出了针对任务需求从器件级、电路级以及载荷分系统级分层设计兼顾成本的设计方法,以增强高光谱成像仪抗辐照能力。该方法依据分系统各层级、各功能模块抗辐照能力水平高低,从器件选用把控、电路应用加固到整个载荷的整体屏蔽优化的具体实际应用,对应用情况进行分析计算及优化迭代、等效测试试验验证,实现了抗辐照能力和研发成本合理平衡。通过在多个遥感系列卫星高分辨率高光谱成像仪上的成功应用,结果表明:该高光谱成像仪的抗辐照设计方法具有科学性和稳健性,有效提升了卫星载荷的可靠性和研制效率。