多角度共CCD光谱仪探测系统设计

光谱测量是实现大气要素遥感的主要手段之一,而多角度是提高大气光学遥感产品质量和探测效率的重要途径。针对现有多角度探测系统的局限性,提出一种多角度共CCD光谱仪探测系统设计,即4条光谱共用同一个CCD并且显示到一幅图像中。系统分为硬件和软件两个部分,其中软件部分包括可视化操作界面与后台程序。通过对光谱仪、相机、太阳跟踪转台等硬件设备的实时控制,可以自动化完成多角度的光谱探测。实验结果表明,多角度共CCD光谱自动探测系统操作简便,探测精度高,扩展性和可维护性良好,对于提高大气综合探测水平有重要意义。

多波长拉曼激光对CCD损伤实验研究

本文开展了多波长纳秒脉冲拉曼激光对行间转移CCD相机的损伤实验。分别研究了496 nm、574 nm、630 nm单波长拉曼激光与混合输出的多波长拉曼激光对CCD的点损伤、线损伤和面损伤情况,测量了不同波长拉曼激光的损伤阈值区间,并根据损伤情况统计拟合,获得了不同波长拉曼激光能量与损伤概率的关系曲线。实验结果表明:混合波长拉曼激光对CCD的损伤阈值低于单波长拉曼激光的损伤阈值,不同波长拉曼激光对于CCD的损伤阈值也存在区别,其中630 nm拉曼激光的损伤阈值低于496 nm激光,574 nm激光的损伤阈值介于496 nm和630 nm拉曼激光之间。在此基础上,通过分析CCD不同损伤情况的显微图像,以及受损伤CCD的电子学特性,对拉曼激光损伤CCD的机理进行了探讨。

多通道拉曼光谱仪的主控系统设计

根据532 nm、633 nm、785 nm和1064 nm 4种波长激光照射到物质上的拉曼光谱采集需求,设计了四通道拉曼光谱仪的主控系统。该系统采用Hamamatsu公司的S11511-1106型面阵CCD和G14237-512WA型线阵铟镓砷图像传感器作为光电转换器;将STM32F407作为控制芯片,实现四通道图像传感器、四通道激光器和四通道电机的控制;利用FPGA实现图像传感器的驱动、A/D模数转换以及光谱数据采集;通过串口将数据传输到电脑端上位机显示。经实验测试,上位机端光谱信号显示准确,可以实现光谱的单次或连续采集;影响光谱成像的电压误差稳定在1.5%以内,纹波系数控制在2%以内。该系统实现了四通道光谱数据采集和传输,可以拓展到其他像元器件设计中,具有一定应用价值。

基于机器视觉的多旋翼无人机飞行偏航控制

为了降低多旋翼无人机飞行偏航控制的超调量,并提升其抗干扰性能,提出基于机器视觉的多旋翼无人机飞行偏航控制方法。首先在无人机下方安装CCD摄像机,用于采集参考目标图像;然后利用针孔模型的相对位置解算算法,计算多旋翼无人机相对位置;最后通过比对计算位置和预先设定位置;判断无人机是否出现偏航现象。如果存在偏航现象,使用无人机姿态估计算法确定偏航角,并通过抗饱和控制器生成偏航控制量,实现对无人机的偏航控制。实验证明,该方法能够有效采集参考目标图像,获取准确的相对位置信息,具有良好的抗干扰性能。

高速多通道CCD图像数据处理与传输系统设计

针对航天光学遥感成像系统输出通道多、输出速率高的特点,提出一种高速、多通道CCD图像数据并行处理与传输系统的设计方案。该方案以FPGA为数据处理和控制核心,采用基于FPGA区域并行处理的数据处理方法,运用FPGA内部块RAM构建高速多通道CCD图像的缓冲区,在存取控制上采取区域缓存和时分复用的策略完成对高速多通道CCD图像数据的实时处理;而对高速多通道CCD图像数据的传输采用基于Channel link高速差分串行传输技术,以高速差分串行的LVDS(Low Voltage Differential Signal)数据流替代传统的并行"TTL/COMS"信号进行传输,使系统高速传输能力大大加强,并且功耗低,抗干扰能力强。研究结果表明,该设计具有较好的稳定性、灵活性和通用性等,并已成功运用于某40通道高速CCD成像系统中,系统并行处理和传输的总数据率高达7.68Gbit/s。

光电系统多光轴平行性校准方法的研究

比较了目前常用的几种多光轴平行性测试方法。在大口径平行光管法的基础上,结合CCD技术提出了新的光轴平行性校准方法。该方法采用ZYGO干涉仪精确定焦,通过比较目标靶在CCD上共轭像的中心坐标和被测系统激光光斑中心坐标之间的差异,即可计算出红外或者可见光轴与激光轴的平行性误差。分析了该方法中大口径离轴抛物面镜焦面的确定与激光光斑中心定位等问题。讨论了该方法的测量不确定度,得到测量不确定度小于5″。

多路CCD成像不均匀性校正算法

在多路CCD成像中,每路图像之间存在不均匀性,造成这种不均匀性的因素十分复杂,常规算法常无法将所有因素都考虑,影响了校正效果。根据图像的非均匀性特征,论文提出了一种基于场景的,采用两点校正理论,利用每路图像之间的线性关系来进行校正的方法,与传统两点校正算法和多点校正算法校正结果进行对比,给出了对比实验的校正结果。这种算法不需要标准辐射图像就可对多路CCD图像进行实时校正。为多CCD成像系统校正提供了一种有效的方法。

基于单心球面系统的九块面阵CCD数字拼接

在研制大视场、高精度光电测量设备过程中,采用多块CCD拼接技术是重要手段之一。本文介绍了一种利用单心球面系统进行CCD拼接的方法,提出建立相机数学模型和安装在球面上CCD的数字拼接算法。并且利用该方法实现了九块面阵CCD23°×17°视场的拼接。

基于液晶靶标的多CCD线结构光测量系统全局标定

为了对多CCD线结构光测量系统进行精确快速的全局标定,研究了一种基于液晶平面靶标的多CCD全局标定方法。首先,将液晶靶标放入光平面,在靶标上显示一系列特征点,然后进行各个CCD同步采集。通过时间序列对应特征点的图像坐标与靶标坐标,建立起像平面与靶标平面间的非线性模型,对形位关系已知的标准块进行测量,利用标准块的形位关系对像平面与靶标平面间的非线性模型进行优化,得到像平面与光平面间的映射关系,从而完成多CCD的全局标定。利用优化后的标定结果进行测量,结果表明,在自由曲面类物体的测量中,3个摄像机的数据拼接精度高,对标准块上特征点距离测量的RMS误差为0.217mm,角度测量的绝对误差为±0.2°。该方法快速简便,适合现场操作,已在多CCD线结构光测量系统中得到了实际应用。

一种多光路光轴平行性检测系统

介绍一种用于检测多光路光电设备光轴平行性的测试系统,该系统采用准直平行光管提供无穷远目标,并融合了CCD图像采集处理和计算机技术,通过计算目标靶十字中心和激光光斑中心之间在CCD上的像素跨距,计算出红外、可见光以及激光三轴相互间的平行性误差,系统的计算误差小于5″。

多CCD视觉检测技术的研究

设计了多CCD视觉检测技术中的照明系统,实现了平行光照明技术在多CCD视觉检测中的应用,并搭建实验平台完成实验,结果表明:该多CCD视觉检测技术能够比单CCD视觉检测技术获得更多的图像信息,降低了后继处理的复杂程度,提高检测系统的测量精度与抗干扰能力及测量效率。

基于多传感器融合算法的CCD测温系统设计

针对传统单CCD(Charge-coupled Device)传感器系统在测量高温辐射体温度时,精度低、测量范围窄以及实时性不足的问题,设计了基于截尾加权融合算法的多传感器CCD图像测温系统。选用了6个中性滤光片以扩大CCD测温范围,利用其组成的15组比色测温传感器,对实验熔池表面进行测温计算。用截尾均值概念构造加权因子,融合得到测量数据的精确估计值。实验结果表明:在测量900℃以上高温时,系统算法处理速度快,误差率保持在±2%以内。该方法有效地改善了多传感器CCD测温系统的实时性能,提高了测量精度。

一种多面阵航测相机实验室标定及系统几何校正方法

介绍了一种基于实验室标定结果的多面阵复合航测相机几何畸变校正方法。利用由二维精密转台、平行光管和大面阵相机构成的实验室标定装置,沿方位向和俯仰向均匀测定复合焦平面上成像星点位置,然后根据复合大面阵航测相机畸变模型,由最小二乘回归算出内方位元素和畸变值,最后对复合面阵影像进行几何校正,生成无畸变等效大面阵影像,解决了复合大面阵航测相机室内精确标校问题。实验证明该方法精度高,能够满足测绘应用要求。

基于CCD的双光束多波长紫外可见吸收检测器

由于传统的多波长紫外可见吸收检测器无法克服光源波动造成的噪声和漂移,故设计开发了一种基于CCD的双光束多波长紫外可见吸收检测器。光源发出的光聚焦后被分束镜分成信号光和参考光,信号光射入到样品检测池中。从样品检测池中出射的信号光经过斩光器聚焦在狭缝上,被凹面光栅分光成像于CCD的一部分光敏面上。参考光在CCD的另一部分光敏面上分光成像。在光路系统和外围电路的辅助配合下,可以用一片CCD实现信号光谱,参考光谱和暗电流的精确测量。由于采用参考光光谱和CCD暗电流对信号光谱进行实时补偿,可以使基线短期噪声降低为1×10-5AU,漂移降低为1×10-4AU/h。

使用多个线阵CCD-计算机系统实时监控多界面位置

本文提出一套多界面位置实时监控系统。该系统采用八个线阵ＣＣＤ像感器分别接收每个界面的光学图像。按照控制程序的设定，适时点亮界面的照明光源，同时驱动ＣＣＤ开始工作，并在采集完界面位置信息后，关掉照明光源及ＣＣＤ，以延长系统的寿命，实现长期连续工作。为了同时分别监控多个界面，设计了专用微机接口电路，通过硬件电路实现各界面数据的同时锁存，然后将每个ＣＣＤ的光电信号采入计算机，解决了目视读数无法保证多处数据在时间上一致性的困扰。运用该系统监控多处油水界面，每处均可在１００ｍＬ体积的检测管内测量到０．１ｍＬ的界面变化。

多光谱大面阵彩色CCD数字航测相机设计

针对大比例尺数字航空测量系统的特点,利用系统高度集成技术,研制了一套大像幅,高分辨率、多光谱的数字航空测量系统.该系统的核心是四台面阵CCD相机,其中一台是9k×9k的大面阵CCD相机,获取全色图像;另三台是2k×2k面阵CCD相机分别获取红(Red,R),绿(Green,G),蓝(Blue,B)三个可见光的图像,通过数据融合实现彩色图像的获取.详细阐述了高分辨、多光谱相机的关键技术及其实现方法.该系统在Y-5遥感飞机上进行了搭载飞行实验,对获取的图像进行处理和分析,获得满意的图像,满足了大比例尺数字航空测量要求.

多光谱多点标定的CCD二维温度场重建方法的研究

以多光谱技术作为基础,针对CCD二维温度场测量的特点,提出了彩色CCD二维温度场多光谱真温在线多点标定系统。通过对多光谱辐射测温理论和CCD的测量模型的分析,推导出气体燃烧时的真温与CCD亮度之间的近似关系。使用多光谱多点测温技术计算出多点的发射率和真温并使用这些真温值完成CCD面阵上与之对应点的真温标定。将该真温标定系统应用于CO2激光焊接火焰的二维温度场测量过程中,不但得到了波长与光谱发射率之间的变化规律同时也得到了CO2激光焊接火焰的二维真温分布图。研究提出的多光谱标定技术具有实时性、灵活性的特点,是一种可行的CCD在线真温多点标定与测量的方法。

空间光学遥感器的多光谱TDI CCD信号检测与生成

为了实现对TDICCD空间光学遥感系统的合理设计及应用,提出了高速并行实时检测CCD控制信号的方法和视频图像连续输出的仿真设计方案。利用CCD行读出及转移的200μs周期,对48路控制CCD驱动信号和31路直流偏置信号进行并行实时逻辑分析及检测。同时,把预制的CCD模拟图像,从磁盘阵列经PCI-X及LVDS总线高速传输到由现场可编程门阵列(FPGA)、D/A、放大和滤波电路组成的视频图像生成系统,实现了连续、实时输出各种模拟测试图像。实验结果表明,提出的信号检测和生成方法可同时输出3路6MHz频率的彩色图像和8路12MHz频率的全色图像像素信号波形,像素信号基准电压为8V,振荡幅值为0～1.7V;有效采样时间和信号稳定度均满足成像电路的仿真测试要求。

TDI-CCD高分辨率空间相机多功能调焦控制系统

为了提高TDI-CCD高分辨率空间相机离焦补偿的可靠性,保证相机的图像质量,提出一种多功能调焦控制系统。首先,详细分析离焦补偿的需求,提出位置闭环、温度闭环、图像闭环和位置开环四种调焦方法;然后,介绍系统的构成及工作原理;最后,对四种调焦方法进行设计和实验验证。实验结果表明:位置闭环调焦控制误差不大于1.3μm,温度闭环调焦控制误差不大于1.4μm,图像闭环调焦控制误差不大于2.3μm,位置开环调焦控制误差不大于3.4μm,四种调焦方法的控制误差满足系统设计要求,有效地提高了TDI-CCD高分辨率空间相机离焦补偿的可靠性。

多光谱CCD相机配准的图像校正

通过分析线阵CCD的成像过程,对多光谱CCD相机成像的彩色图像合成方式进行了研究,提出了一种处理方法。通过将各谱段CCD的每个像元信号分别扩展成一个二维像素数组后再进行彩色合成,尝试了利用后期处理的方式校正多光谱相机的配准偏差,改善了相机彩色合成图像的质量。结果表明,这种对CCD信号进行处理的合成方式为空间遥感相机的研制提供了一种技术手段,既能减小配准偏差的影响,同时又能够在不改变相机性能的情况下改善相机输出彩色图像的质量。