航空光学成像气动光学传输效应计算研究综述(特邀)

随着更高的需求和科技发展推动航空飞行器工作速度的提高,航空光学成像的机动、灵活等特点显现更加突出,但实现高质量、高分辨率成像的技术难度也极具挑战性。飞行器与高速气流之间的复杂作用产生气动光学效应,光波或光束经过复杂流场与光学窗口时受到强干扰,为此吸引了众多科学家开展多学科交叉融合的相关研究工作,取得了大量的研究成果,为试验测试和工程实践提供了有力支撑。文中从气动光学流场与光学窗口两方面的计算研究入手,详细综述了气动光学传输效应的研究进展,归纳总结了相应的计算方法,综合当前技术发展趋势给出航空光学成像气动光学传输效应计算研究的思考和建议。

仿生复眼成像系统设计与制作的研究进展

基于仿生复眼光学成像系统体积小、重量轻、视场大、灵敏度高等优点,对其研究现状和发展前景进行了综述。简要介绍了生物复眼的结构与分类;分别从平面型和曲面型仿生复眼成像系统的设计概述了仿生复眼的研究进展,给出了国内外典型复眼成像系统的结构、模型和成像功能;总结了仿生复眼成像系统应用于不同领域的特点和优势。最后,分析了目前仿生复眼的工艺现状,指出仿生复眼的功能主要受微器件制作工艺的限制,而超精密加工技术是一种革新的、综合的微细加工方法,具有制作更高精度透镜阵列,提高人工仿生复眼应用能力的潜力。

光学遥感图像海面船舶目标检测技术进展

海面船舶目标检测一直是遥感图像处理、模式识别与计算机视觉等领域的研究热点,船舶作为海上运输载体和重要军事目标,对其进行自动检测在军用与民用领域有着广阔的应用前景和重要现实意义。本文梳理了用于海面船舶目标检测的光学成像卫星的发展情况,分析了光学遥感成像船舶目标的物理特性和特征,归纳了国内外该领域海面船舶检测技术研究现状,围绕构建相关目标检测模型和架构的相关理论与关键技术进行了分析、比较和总结,探讨了当前光学遥感图像船舶目标检测方法面临的问题与挑战以及未来的发展趋势。

大角度倾斜成像航空相机对地目标定位

针对大角度倾斜成像航空相机拍摄距离远,激光测距设备作用距离有限的问题,提出了一种不依赖距离测量设备的直接对地目标定位算法。依据载机POS测量的载机位置、姿态信息以及航空相机中位置编码器测量的框架角位置信息,利用齐次坐标变换的方法求解目标在大地坐标系下的指向,再利用地球椭球模型和数字高程模型确定目标点的经纬度信息。采用蒙特卡洛法仿真分析载机位置姿态测量误差及相机框架角位置误差对视轴指向精度的影响,相比于仅采用地球椭球模型的目标定位算法,该算法有效降低了地形起伏对目标定位影响,在目标区域地形起伏标准差大于10m时,大角度倾斜成像的定位精度明显提高。采用飞行试验数据验证了该目标定位算法的有效性,在飞行高度18 000m拍摄框架横滚角小于63°时,目标定位圆概率误差小于70m,可满足工程实际需要。

航空摆扫相机转弯成像像移分析及补偿

为保证航空摆扫相机转弯成像过程中的成像质量,对其像移计算及补偿方法进行了研究。根据航空摆扫相机的成像原理,利用几何建模及速度矢量分解建立了转弯成像像移计算模型,给出了基于均值补偿的转弯前向像移补偿方法。转弯前向像移补偿分析表明:相机焦距为500 mm,曝光时间为0.01 s,速高比为0.02 rad/s,纵向视场角为10°,转弯角速度为0.5(°)/s时,最大前向像移补偿残差量为2.22μm;转弯角速度为1.5(°)/s时,最大前向像移补偿残差量为3.36μm。另外,转弯横向像移补偿分析表明:横向像移量随纵向视场角幅值的增加而增大,曝光时间为0.005 s,横向视场角为30(°),转弯角速度为1(°)/s时,横向像移量在纵向视场角为4.5°时达到3μm。转弯成像试飞实验结果表明:得到的图像像质优良,无几何形变,前向像移补偿良好,验证了本文提出的转弯成像像移补偿方法的正确性。

航空光电成像像移与像旋运动补偿控制技术综述

本文从控制的角度综述了大视场、高分辨率需求下,航空光电成像系统像移与像旋运动补偿控制技术的先进技术及研究进展。结合像移与像旋运动补偿控制发展趋势,将其分为单一执行器补偿控制和多执行器协同补偿控制两大类。对于单一执行器补偿控制,从控制照准架、控制光路折转、控制成像介质运动的三个角度进行了总结;对于多执行器协同控制,从指令协调、机械联动和多执行器信息交互三个角度,对协同补偿控制方案进行了梳理和分析;最后从五个研究方面对像移与像旋运动补偿控制的难点和未来发展趋势进行了展望。研究结果有助于航空光电成像领域学者快速全面的了解像移与像旋运动补偿控制的研究现状和发展趋势,为进一步提升航空光电成像装备的综合性能提供有益借鉴。

航空相机大面阵CCD多自由度拼接方法研究

随着科学技术的进步,航空相机向着高分辨率、大视场方向发展,现有单片CCD不能满足大视场的要求,高精度、多自由度的CCD拼接技术已成为当前发展的迫切需求。通过对比现有拼接技术的优劣,提出了一种新的大面阵CCD多自由度机械交错拼接技术,采用三点凸轮式多自由度拼接机构,取代传统修磨垫片方式,拼接时可在线实时调整。对拼接精度进行分析,结果表明,该方法的搭接误差<2μm,共面误差<4μm,满足航空相机大视场和高分辨率要求;对拼接结构进行模态仿真分析与模态测试实验,拼接机构一阶谐振频率大于390 Hz,满足使用要求。

图像场景区分与航空摄像机自动调光方法研究

针对航空摄像机在特殊场景(如背景较亮或较暗或存在较强干扰点时)下,传统的调光算法无法实现正确曝光现象,文章提出了基于场景区分的调光方法,即根据采集的图像确定其相应的场景,提取其目标区域控制摄像机的调光。通过场景区分的方法,使得目标区域更加清晰,如在一暗背景下,目标区域的灰度平均值由传统的调光方法拍摄的254.65调到124.39,信息熵提高了6.839;在一亮背景下,目标区域的灰度平均值由传统的调光方法拍摄的92.098调到106.99,信息熵提高了0.188。

机载折反式光学系统的无热化设计

为了消除在实际飞行过程中温度变化对机载折反式光学系统成像质量的影响,对该系统的光学元件、机械结构等部分进行热分析,实现机载折反式光学系统的无热化设计。首先,根据透镜的光焦度公式推导透镜的光焦度温度函数,列出透镜组的消热差方程。接着,在考虑支撑结构的影响时引入轴向放大率,以此表现折反式系统部分元件间隔变化对系统焦距影响大的特点。最后,结合前两者确定完整的消热差方程来指导无热化设计。仿真结果表明,工作在486～656nm波段,焦距为1 850mm的机载折反式可见光光学系统在0～40℃之间成像良好,调制传递函数下降不到0.1。

直接测距型无扫描激光主动成像验证系统

为提高成像效率,研究了基于雪崩光电二极管(APD)阵列和分束照明的直接测距型无扫描激光主动成像系统。系统采用脉冲激光器作为光源,通过测量激光脉冲飞行时间来获取目标距离信息;基于达曼光栅进行分束照明以提高能量利用率。另外,光学系统采用收发共孔径结构,保证了目标处激光脚点和APD阵列各像元的几何对准。与参考APD所采用固定阈值时刻鉴别法不同,系统采用固定阈值与恒比定时相结合的时刻鉴别法处理回波APD阵列的输出信号以适应外光路参数的变化。各通道采用专用计时芯片TDC-GP22测量启停脉冲之间的时间间隔,实现了45ps的计时分辨率。最后,将19m和31m处放置的两个角反射器作为合作目标进行了成像实验,并给出了所获取的距离图像。结果表明:两个目标的平均距离分别为19.28m和31.54m,测距误差分别为0.28m和0.54m,显示提出的设计方案切实可行。

FPGA实现高速实时多端口图像处理系统的研究

为了满足多个设备实时处理传输高速图像数据的需求,介绍了利用Virtex-6FPGA设计实现高速实时多端口图像处理系统的原理和方法。通过Chipscope工具采样输入输出数据,验证了系统的可行性和可靠性,并分析计算出系统速率和其他主要时间参数。实现了相机采集、PCIe输入输出以及DVI输出等功能,实验结果显示高速实时多端口图像处理系统具有集成度高、传输带宽高、功耗低等优点。在实时图像处理领域具有很高的实用价值。

基于激光测距的机载光电成像系统目标定位

针对小型机载光电平台无法准确获取视轴指向问题,设计了一种基于激光测距的目标定位算法。利用机载光电侦察平台锁定跟踪目标的特性,对同一目标多次测量,采用激光测距装置获取目标与载机间的距离信息。根据WGS-84定义的地球椭球模型建立系统的测量方程。考虑到测量方程的非线性,利用扩展卡尔曼滤波对目标位置进行估计。该定位方法精度只受到GPS接收机定位精度和激光测距机测量精度的影响,目标定位误差与机载光电侦察设备视轴指向测量无关。采用蒙特卡洛法仿真分析载机位置测量误差及激光测距系统位置误差对目标定位的影响,结果显示该算法定位精度较高。采用飞行试验数据验证了该目标定位算法的有效性,在飞行高度8 000m时,目标定位精度优于8m。相比于传统定位算法,该方法可将定位精度明显提高。同时此定位方法易于部署,可操作性强,具有较大的应用价值。

基于重复-自抗扰控制的航空光电稳定平台控制系统设计

分析了航空光电稳定平台模型并利用电流环使平台模型简化为K/s。阐述了影响平台稳定性的扰动以及抑制扰动的方法。介绍了平方滞后超前控制原理及其优缺点。根据重复控制器以及自抗扰控制器的优点,将它们组合搭建控制系统,并在振动平台上进行速度稳定和目标跟踪试验。结果表明:与传统的控制器相比,用本文控制方法得出的扰动隔离度至少提高了6.28dB;所设计的系统在符合工程需求的范围内,具有很强的实用性和鲁棒性,对实际工程控制器设计具有一定的参考价值。

基于标定的CCD图像畸变校正方法研究

为得到拍摄获取的2D图像信息与其对应3D空间物体信息之间准确的对应关系,减小因CCD相机镜头畸变对图像的影响,该文建立了正确的数学校正模型,采用基于MATLAB的Camera Calibration Tool-box工具箱对相机进行标定,得到由相机内部参数和外部参数组成的投影矩阵,从而完成对畸变图像进行校正处理。在标定与求解过程中,对每一步骤中的操作进行详细说明与分析,不断优化数据结果,同时调用空间立体图像模型,使实验数据表现更直观。利用得到的实验数据对由同一相机拍摄的图像进行校正验证,实验结果表明畸变图像得到了很好的还原。整体来说该方法简单、快速、直观并准确,实用性很强。

航空相机像旋补偿双向控制中的内环补偿器设计

为解决航空相机摆扫成像过程中存在的像旋问题,采用四通道双向控制系统对像旋进行补偿。在系统中,基于鲁棒内环补偿器结构进行了内环补偿器设计。首先利用H∞混合灵敏度优化方法求解鲁棒内环补偿器中的鲁棒控制器,再结合参考模型确定系统的滤波器,进而得到系统化设计的内环补偿器。保证系统鲁棒稳定性的同时尽可能提高干扰抑制性能,进而在两者间折衷提高双向控制像旋补偿精度。实验结果显示,本方法能够有效抑制等效干扰的影响,提高消旋补偿的精度。动态扫描下位置补偿误差的最大值和均方根分别为(1.81×10^(-3))°、(5.224 74×10^(-4))°,与传统设计相比,补偿误差分别减小了41.99%、41.73%,提高了四通道双向控制系统的像旋补偿精度。

框幅式航测相机中像移量对直接地理定位精度影响的研究

在航空摄影测量中,载机前向飞行和姿态旋转引起的像移模糊会为同名像点的量测引入误差,使共线方程偏离共线的条件,进而导致直接地理定位的精度下降。为定量分析像移对物点直接定位的影响,从摄影测量的共线方程出发,在充分考虑前向飞行和姿态旋转的条件下,建立了框幅式相机中CCD靶面各点像移量的数学模型。根据该模型计算出像移轨迹中的质心坐标和其对应的曝光时标,并以质心确定同名像点坐标,以中心曝光时间作为曝光时标以获得对应的外方位元素。仿真结果表明,在理想条件下,以上述方法进行双像前方交会的物方定位误差最大为0.12 mm,有效降低了像移对直接地理定位的影响。文中为分析框幅式航测相机中像移量对位置精度的影响和曝光时标的确定提供了理论依据。

机载光电侦察平台EMC环境频谱研究

为了解决机载光电平台电磁辐射超标、干扰其他电子设备的问题,寻找光电平台的辐射发射和传导发射源,分析辐射发射和传导发射超标的产生机理,为光电平台进行电磁兼容设计提供理论指导。分析了周期性脉冲信号以及与实际电子线路中时钟信号、数字信号最接近的周期梯形脉冲信号的频谱结构,周期脉冲信号和周期梯形脉冲信号含有大量的高频频谱分量,信号变化越快,即脉冲的上升/下降时间越快,信号的高频分量越多。根据周期脉冲信号的这一特点,分析了光电侦察平台各组成部分的信号频谱特点,找到了光电平台的主要辐射发射和传导发射源。用频谱分析仪测试光电侦察平台各组成部分的电磁辐射情况,与理论分析情况一致,根据辐射源的频谱发射特点,针对不同的发射源采取了切实有效的改进措施,使光电侦察平台满足GJB151A-97中规定的海军飞机舱外设备电磁辐射发射要求。

消光比与探测器噪声对基于纳米线栅偏振成像系统偏振精度的影响

消光比和探测器噪声是决定纳米线栅偏振成像偏振精度的两个重要参数。为解决两参数在系统优化时的取值问题,本文建立了两参数与偏振噪声的数学模型,采用像元组接收光电子数作为衡量探测器噪声与系统偏振噪声的桥梁量化了两者关系。仿真分析比较了两参数在入射光偏振态变化时对偏振噪声的作用。然后搭建消光比和曝光时间可调的偏振成像系统精度实验平台,验证该数学模型和仿真结果。仿真与实验共同表明,系统消光比大于20后,通过提高像元组接收的光电子数以抑制探测器噪声要比继续提升消光比对提高系统偏振精度的贡献大。

前置超光谱成像变焦系统的设计

设计了一种前置超光谱成像变焦系统,其工作谱段在400～1 000nm,F数为3.5～5.6,在焦距28mm和80mm处的全视场分别为7.88°和2.76°.前置超光谱成像变焦系统与传统变焦系统主要有两点不同:第一、由于该超光谱系统应用声光可调滤光器元件分光,更加关心分光后各个谱段下系统的整体传函情况,所以需要进行逐一离散评价;第二、由于实际应用中前置系统与后续成像模块综合应用达到总体变焦的目的,两个系统的传函在系统整体传函中均具有一定的贡献量,所以对前置超光谱成像变焦系统的评价需要综合考虑系统对后续成像模块传函要求的合理化及整体传函受人眼视觉阈约束的影响,从而对前置超光谱变焦系统的像质评价指标进行了具体分析.根据物像交换原则对系统的初始结构进行了计算,并应用ZEMAX软件对系统进行了优化设计,设计结果表明,系统在各个焦距位置及超光谱各谱段下,像质均满足了设计指标要求.

某航空光电稳定平台方位框架设计和分析

直升机载光电稳定平台载荷近红外相机在垂直成像过程中会产生像旋,为了消除像旋,同时满足载机对光电稳定平台的体积尺寸要求,提出悬臂式方位框架的结构方案,建立了方位框架结构的三维模型。利用有限元方法建立仿真模型,分别进行静力学分析和模态分析,研究方位框架悬臂结构的合理性。在24.5kg负载情况下,设计的方位框架最大变形量为0.025 4mm,满足指向精度误差分配要求;框架结构一阶频率为42.99Hz,满足系统伺服带宽要求。