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2020年  第41卷  第6期

目录
2020-06期目录
2020, 42(6): 1-1.
摘要:
光电系统与工程
系留升空平台光电探测目标的坐标转换误差分析
刘飞, 刘宇, 茹志兵, 郭佳, 陈伟, 刘志东, 赵青林
2020, 41(6): 1137-1146. doi: 10.5768/JAO202041.0601001
摘要:
系留升空平台的目标定位技术在军民领域中具有广泛的应用,定位精度的高低已成为评价无人机、系留升空平台综合性能的一项重要指标。开展了无人升空平台光电探测系统的精度测试研究,对目标高精度定位误差进行分析,推导出光电探测系统误差转换模型,对误差转换坐标进行仿真验证。运用蒙特卡罗思想, 综合分析了升空载荷光电探测系统中各误差参数对定位精度的影响,提出了提高目标高精度定位精度的改进方法,为无人升空平台光电吊舱的目标定位精度、光电吊舱的高精密设计提供了理论基础。
50 mm~1 000 mm大变倍比变焦光学系统设计
刘圆, 叶德茂, 王建楹, 颜世恒, 张泽南
2020, 41(6): 1147-1152. doi: 10.5768/JAO202041.0601002
摘要:
为了满足机场跑道外来物光电探测系统对高像质、大变倍比、长焦距、小型化变焦镜头的需要,利用Zemax软件设计了一款50 mm~1 000 mm机械变焦镜头。该镜头采用机械补偿变焦结构,采用超低色散镜片来矫正变焦过程中引起的大色差问题,通过评价函数操作数对镜头的结构尺寸以及像质进行优化。通过优化设计,整个系统由28片球面透镜组成,系统总长小于400 mm,MTF在100 lp/mm条件下逼近衍射极限(MTF>0.2),RMS弥散斑半径在中心视场条件下小于5 μm,场曲小于0.1 mm,畸变小于1%,绘制了变倍组与补偿组的运动变化曲线,曲线平滑没有断点。分析结果表明:该系统满足机场跑道外来物探测的实际应用需求,对于大变倍比变焦光学系统设计具有一定的参考意义。
无人机对地目标自动检测与跟踪技术
牛畅, 尹奎英, 黄银和
2020, 41(6): 1153-1160. doi: 10.5768/JAO202041.0601003
摘要:
针对无人机图像帧序列具有平台高速运动,视角旋转强烈,需要实时处理等特点,提出一种基于双级旋转不变特征空间检测(粗匹配-精细匹配)与并行特征提取跟踪的无人机对地目标图像帧序列自动快速目标检测与跟踪算法。采用图像子块的平均灰度值、灰度值方差、灰度值梯度构建特征空间。通过构造图像特征空间的方法来快速筛选待匹配图像的可疑区域,删除大量的背景区域,检测算法使用全局初步匹配加局部精细匹配的方法来规避算法复杂度的缺陷。理论及实验分析表明:该算法实时性强,对图像的旋转畸变具有抵消作用,对异常情况可以恰当处理,且全局初步匹配流程具有可移植性,可以在其他图像匹配跟踪算法中充当预处理器。实验结果表明:该算法在无人机对地的情况下可以保证对地面目标的稳定跟踪,配套检测算法具有较好的实时性,满足无人机图像目标检测跟踪实时处理的需要。
某型列车司机室眩光仿真与实验测试
姬赜, 段伟仪, 刘金荣, 井硕, 林燕丹
2020, 41(6): 1161-1165. doi: 10.5768/JAO202041.0601004
摘要:
在驾驶舱光环境的工效学研究中眩光对人体的影响是一个重要的因素,对于现代列车而言,其操作任务需要驾驶员更多地关注车内各种仪表的运行,及时发现并处理行车中遇到的各种情况。因此,各种情况下的眩光有可能造成危害驾驶安全等问题,该文通过对某型列车的司机室进行光学仿真,用主成分分析法找出对司机室光环境影响较大的因素。结合物理测试以及TracePro软件仿真得到的结果,说明司机台照明灯对于司机室整体光环境影响最大,并且针对主要的影响因素提出了有利于降低司机室内眩光,增加司机室内视觉舒适性的建议。
融合深度学习与外极线约束的三维人体位姿测量方法
宋丽梅, 吕昆昆, 杨燕罡
2020, 41(6): 1166-1173. doi: 10.5768/JAO202041.0601005
摘要:
为了实现汽车座椅上三维人体姿态的高精度实时测量,基于现有二维人体关节点和三维人体关节点测量方法,提出了一种融合深度学习与外极线约束的三维人体姿态测量方法。该方法将二维人体关节点深度网络提取方法和双目测量系统相结合,采用双通道多阶段迭代网络分别提取左右相机图像中人体二维关节点,结合关节点位置的Brief特征和外极线约束,利用双目相机标定结果将匹配二维关节点信息转换到三维空间中,最终得到三维人体姿态。实验结果表明,文中提出方法在自采测试集中的检测精度可达到98%。通过得到三维关节点计算所得关键位姿角度的偏差小于10°。该文所提出的方法能够满足实际汽车座椅设计的数据采集要求。
立体视觉测量系统标定误差补偿
崔恩坤, 滕艳青, 刘佳伟
2020, 41(6): 1174-1180. doi: 10.5768/JAO202041.0601006
摘要:
双目视觉测量系统利用三角测量法原理进行三维测量,其结构特性决定了测量误差随测量距离的增加而增大。针对测量误差的分布规律,该文提出基于局部视场的双目视觉测量系统优化方法。利用外在结构建立测量坐标系,减小标定和测量过程信息非一致性引入的系统误差;利用相机参数之间的耦合作用补偿系统固有参数标定误差并建立查找表,建立关于标定参数的虚拟映射。模拟实验最大误差小于0.03 mm,系统实验误差小于0.3%,实验表明优化后系统主要测量误差来源于探测器离散化引入的随机误差,双目视觉测量系统达到理论测量精度。
光电信息获取与处理
基于锥形透镜的光线入射角度测量系统设计与研究
王彦, 王克逸, 赵帅, 沈远, 蔡柏林, 张磊
2020, 41(6): 1181-1189. doi: 10.5768/JAO202041.0602001
摘要:
为测量光线入射角度,设计了一种基于锥形透镜的新型光线入射角度测量系统。利用光阑、锥形透镜和图像接收装置,获取待测光线通过光阑射入锥形透镜后经过多次的折射和反射,在图像接收装置上得到的复杂光斑图像,通过图像处理得到光斑图像特征信息,进而求解光线入射角度。采用锥形透镜的测量方案,角度测量范围可达80°,精度最高可达 (1×10−4)″。该方案结构简单、体积小且不需要进行繁琐的安装调试。与现有的单光点测量等方法相比,该方案中锥形透镜具有角度放大作用,可大幅度提高测量精度且具有大视场;图像传感器像素分辨率对测量结果影响较小,系统光通量大,容易获得较高的信噪比。
高效消除表面缺陷检测盲区的机器视觉在线检测系统
王雪琨, 于文文, 洪存存, 曹建军, 钱维莹, 高淑梅
2020, 41(6): 1190-1196. doi: 10.5768/JAO202041.0602002
摘要:
针对皮革表面类缺陷用机器视觉在线检测时,某些缺陷成像质量对照明方向呈现各向异性甚至无法显现而形成检测盲区的问题,研究设计了一套可消除该类检测盲区的在线检测系统。基于缺陷处的散射和信息采集机理得出缺陷特征光强随照明方向的变化规律,并以压印和油墨类缺陷为例进行实验研究,发现2类缺陷特征光强分布均与照明方向相关,缺陷的检测盲区与有效区呈正交态。据此,采用自主设计的侧入式均匀照射离轴面光源,设计出线阵和面阵正交复合的在线检测系统,采用垂直目标面采集信息、45°角暗场正交照明,线阵相机和线光源组成主检测系统,面阵相机和离轴面光源辅检测系统,对随机出现的各向异性缺陷进行上百个样本检测,实验证明,缺陷检测盲区被有效消除,缺陷识别率提升了近22%,检测效率也得到大幅度提高。
基于数字图像相关技术的隐框玻璃幕墙抗风压性能评估
周易非, 原媛, 刘文白, 孔戈, 高建卫
2020, 41(6): 1197-1206. doi: 10.5768/JAO202041.0602003
摘要:
为表征隐框玻璃幕墙面板在复杂边界条件与风荷载作用下产生的不对称挠曲变形并进行安全性评估,采用数字图像相关技术对幕墙样品进行非接触式全场测量。通过重建面板的空间挠曲形貌,建立基于面法线距离、表面高斯曲率、面内大主应变与应变能密度分布的玻璃幕墙抗风压性能综合评估方法。计算结果表明:初始形貌与结构耦合作用下面板挠曲后的最大面法线距离为6.02 mm,小于现行标准实验计算结果,幕墙的实际抗风压性能更优秀;面板四角区域呈双曲抛物面变形,同样存在安全隐患,在左上角出现全场最大面内大主应变257 με。因此该方法避免了传统仪器受限于指定测点数据的缺陷,能够反映玻璃面板变形的全场时空动态变化,为表征隐框玻璃幕墙的抗风压性能提供便捷且有效的技术手段。
基于多尺度空洞卷积的对抗去雾网络
丛晓峰, 章军, 胡强
2020, 41(6): 1207-1213. doi: 10.5768/JAO202041.0602004
摘要:
雾天拍摄的图像存在颜色失真、图像细节模糊的问题,对成像设备采集到的图像质量造成了负面印象。针对雾天搜集图像存在的降质问题,提出了一种基于多尺度空洞卷积的对抗去雾网络。去雾网络的生成器由不同空洞率的卷积模块组成,结合多尺度的策略增加感受野并增强去雾效果;判别器采用多个卷积模块构成,用于区分生成的去雾图像与真实无雾图像;通过计算去雾图像和真实无雾图像之间的感知距离,优化图像的纹理结构并减少噪声信号。实验结果显示,提出算法在公开数据集上获得的峰值信噪比值为22.410 dB,结构相似性值为0.844,色差值为10.545。定量和定性评估表明,采用空洞卷积和感知损失技术设计的去雾网络能够有效地恢复图像的颜色信息和纹理结构。
融合RANSAC光流跟踪法和特征点匹配法的视觉里程计
张峻琦, 胡立坤
2020, 41(6): 1214-1221. doi: 10.5768/JAO202041.0602005
摘要:
为了解决光流跟踪法定位精度不足、误差累积和特征点匹配法耗时久的问题,设计了一种将随机抽样一致性(random sample consensus,RANSAC)光流跟踪法和改进的特征点匹配法结合的视觉里程计。利用RANSAC光流跟踪法对关键帧之间的小规模运动进行估计,RANSAC算法对光流跟踪的误匹配点进行剔除,大大降低了光流跟踪法存在的误匹配;而关键帧之间的运动估计则利用改进的特征点匹配法,以修正光流跟踪法的估计误差;最后利用卡尔曼滤波将RANSAC光流跟踪法和改进的特征点匹配法进行融合。实验结果表明:该文的算法能够克服光流跟踪法精度不足、误差累积的问题,将平均相对误差由15.5%提升到了2.6%;同时也能在一定程度上提高特征点匹配法的速度,将特征点匹配法的平均耗费时间由37.28 ms提升到了21.07 ms。
光学计量与测试
硬度压痕表面积的共聚焦测量方法
张凯林, 石伟, 程银宝, 王中宇
2020, 41(6): 1222-1229. doi: 10.5768/JAO202041.0603001
摘要:
提出了一种对角线长度小于20 μm的硬度压痕表面积共聚焦测量方法。激光扫描共聚焦显微镜以0.1 μm的间隔逐层对试样的压痕进行扫描测量,对全部数据集合的包络拟合获得压痕的三维数据。旋转平面法与法向量特征相结合精确提取压痕,通过三角网格构造算法得到压痕的表面积,进而计算出试样的硬度值。共聚焦测量方法与传统成像光学显微镜测量方法相比分辨率提升了30%,合成标准不确定度平均减小1 HV。实验结果表明:共聚焦测量方法实现了压痕表面积的高精度、高稳定性测量。
真空环境火炸药辐射强度测试方法
韩占锁, 曹锋, 汪建刚, 罗蓓蓓, 秦艳, 刘芳
2020, 41(6): 1230-1235. doi: 10.5768/JAO202041.0603002
摘要:
在大气环境中,针对爆炸物辐射强度的测试方法较为成熟。随着高空或外大气层爆炸物研制技术的飞速发展,对该类爆炸物瞬态红外辐射强度的测试要求越来越迫切。由于外太空环境是一种低温、近真空的环境,且无法进行实地测量,所以作者创造性地提出了在实验室中模拟真空环境,从而对火炸药红外辐射强度进行测试,并进一步建立了专用的真空环境和测试方法,对4组特定组分的火炸药,利用专用测试装置进行了测量并分析了测量结果。针对存在的问题,阐述了未来的改进方向。
大口径积分球光源绝对辐射定标技术研究
袁林光, 占春连, 卢飞, 范纪红, 李燕, 吴李鹏, 尤越
2020, 41(6): 1236-1240. doi: 10.5768/JAO202041.0603003
摘要:
为了实现大口径积分球光源高精度绝对辐射定标,研究了基于钨带灯比对的光谱辐射亮度定标方法,通过同心圆扫描分析了空间光谱辐射均匀性定标方法,研制了绝对辐射定标装置,校准了出光口径为Ф300 mm积分球光源的光谱辐射亮度、亮度、色温值,实验验证光谱辐射亮度绝对定标的不确定度优于4%。
基于三代微光ICCD成像装置的目标对比度影响因素测试分析
陈旭浪, 党小刚, 郭欣达, 王磊, 张姝丽, 拜晓锋, 韩坤, 袁渊, 李军国, 成伟
2020, 41(6): 1241-1246. doi: 10.5768/JAO202041.0603004
摘要:
微光夜视整机可以在夜间光照条件较差的情况下,对目标实施有效观察,而夜间观察目标对比度是整机作用距离影响因素中的重要指标。为满足微光夜视整机夜间观察理论分析及试验对目标对比度数据的迫切需求,基于三代微光像增强器具有与星光条件下自然光辐射光谱良好匹配的使用特性,搭建了基于三代微光ICCD的成像装置。并从微光成像系统的能量传递链及光电子成像系统的视觉特征方程分别推导环境光照度和目标-背景反射率比与对比度关系。在暗室和夜天光条件下开展了对比度试验,试验结果证明,当照度处于三代微光像增强器照度-亮度的线性相关照度区间[Es, Em]时,对比度与照度无关;对同一目标及背景采集图像,目标-背景反射率越接近1,对比度越小。
基于色差分析的不同光源下颜色稳定性研究
李辉峰, 吕新广
2020, 41(6): 1247-1254. doi: 10.5768/JAO202041.0603005
摘要:
产品颜色是衡量产品质量的重要指标,由于产品流通环境中光源的变化无法避免,产品颜色必然受到光源变化的影响,因此研究不同光源下颜色的稳定性具有现实意义。以D65光源为标准光源,以A光源、F2光源为试验光源,选择大量色块作为样品,用不同光源下样品色差大小来衡量不同光源下样品颜色稳定性。通过对不同兴奋纯度的样品的分析,发现样品色差与其兴奋纯度是正相关的;通过对不同主波长/补色波长的样品进行分析,发现样品色差与其主波长/补色波长密切相关。样品主波长在479 nm时,色差较大,ΔEab*(D65/A)、ΔEab*(D65/F2)分别为14.50、13.81;样品主波长在561 nm时,色差较小,ΔEab*(D65/A)、ΔEab*(D65/F2)分别为5.17、2.78。将主波长/补色波长与色相对应后,发现紫、黄、黄绿等色相的样品在不同光源下色差较小,而红、青、浅蓝等色相的样品在不同光源下色差较大。结果表明,不同光源下颜色稳定性与其兴奋纯度以及主波长/补色波长有关。在实际生产与应用中,可以通过以下2种方式提高不同光源下产品颜色的稳定性:一是选择兴奋纯度较低的颜色;二是选择特定色相如紫、黄、黄绿等色相的颜色。
基于QCL-TDLAS的NH3浓度测量仿真研究
禹迎春, 王晗, 王志敏, 张梦营, 马磊磊, 邹芳, 亢俊健
2020, 41(6): 1255-1261. doi: 10.5768/JAO202041.0603006
摘要:
可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)作为一种新型气体浓度测量技术被广泛应用于NH3浓度测量领域。利用Matlab可视化建模仿真软件Simulink分别实现了以中远红外量子级联激光器(quantum cascade laser,QCL)和近红外分布反馈式激光器(distributed feedback laser,DFB)做为光源的NH3浓度TDLAS直接吸收测量仿真,并且分别在常温常压和烟气脱硝出口环境参数下理论分析了NH3浓度测量灵敏度、检测限和分辨率。仿真结果表明:与传统近红外DFB光源相比,QCL-TDLAS系统理论灵敏度高约50倍,检测限与分辨率可达ppb量级,痕量NH3浓度测量能力得到大幅度提升。仿真过程和结果为QCL-TDLAS技术在NH3浓度测量方面的研究提供了理论依据。
红外技术
高量值红外辐射照度校准技术研究
汪建刚, 韩占锁, 秦艳, 曹锋, 郭羽
2020, 41(6): 1262-1267. doi: 10.5768/JAO202041.0606001
摘要:
主要研究了1 000 W/m2以上红外辐照度测量仪的校准问题。针对红外辐照度测试仪实际使用情况,讨论了配备和未配备光学系统的测量仪校准方法,对于每种类型的辐照度测量仪给出了不同校准架构的校准算法。提出了利用高亮度大口径辐射源进行高量值辐照度的校准原理,组建了一套实验室专用的高量值红外辐照度校准装置,利用3 000 ℃腔式黑体和800 ℃大尺寸面源黑体进行了实际校准,给出了校准结果。最后讨论了现有高量值红外辐射照度校准方法的改进方向。
多维特征点空间的红外弱小目标检测方法
王芳, 王海晏, 寇添, 聂光戍
2020, 41(6): 1268-1276. doi: 10.5768/JAO202041.0606002
摘要:
将人工智能算法引入目标检测,空间红外弱小目标的检测也可归为模糊检测的二分类问题。依据空中红外弱小目标的探测模型,建立了信号电压比光谱模型,仿真分析表明电压比变化趋势与目标的速度、姿态和两机态势有关,可用以检测目标。采用动态特征构建理论,构建了红外弱小目标的双色比特征空间,基于该特征空间,优化最小二乘分类算法,用于从光谱信号层级检测目标。该方法不仅缩小了样本数据量,而且防止了高斯核函数参数选择引起的“过拟合”现象,既保证了分类精度,又使分类速率提高近1倍,为人工智能算法用于红外弱小目标检测提供了参考依据。
激光技术
基于激光移频回馈技术远距离振动测量研究
徐众, 张西良
2020, 41(6): 1277-1283. doi: 10.5768/JAO202041.0607001
摘要:
远距离微弱振动信号探测在机械制造、国防军事等领域具有重要意义。针对远距离非合作目标振动测量不足的问题,基于固体微片激光器移频回馈技术,构建远距离振动测量系统,进一步分析系统灵敏度指标,包括工作距离、入射角度以及非配合物体等参数。实验得到:系统对100 m外目标微弱振动信号高质量采集,以硬纸盒作为测量目标时,频率测量误差小于0.1%,在±60°入射角下信噪比仍接近20 dB。此外支持对奶粉袋、泡沫等多种非合作目标振动测量。系统可灵活用于机械振动测量和远程监视等领域,具有较大工程应用推广价值。
脉冲激光测距回波信号时间选通处理技术
张浩朋, 陈青山, 刘洋, 吕勇
2020, 41(6): 1284-1288. doi: 10.5768/JAO202041.0607002
摘要:
为了降低高重频脉冲激光测距回波信号的误识别率,提高测距性能,对高重频脉冲激光测距回波信号调理技术进行深入研究。采用FPGA作为主控芯片,产生激光调制脉冲,并根据被测距离3.33 μs~33.33 μs时间选通方波信号,驱动开关芯片产生与量程关联的时间波门,有效滤除脉冲回波中的干扰脉冲,该方法改进了常规脉冲激光测距信号处理系统的自动增益控制环节。测试实验结果表明:在脉冲回波信号60 dB的动态范围内,可有效滤除回波信号中引入的干扰脉冲,极大地降低了干扰脉冲误识别造成粗大误差的可能性。该方法可推广应用于脉冲激光测距信号处理系统,使系统测距精度提高12.6%。
光纤传感与光通信
强电磁干扰环境下光纤束传像系统的设计研究
徐冬金, 黄怿, 邓传鲁, 胡程勇, 张小贝, 王廷云
2020, 41(6): 1289-1297. doi: 10.5768/JAO202041.0608001
摘要:
为解决电磁辐射干扰环境中图像稳定传输的问题,设计并开发了具有抗强电磁干扰能力的光纤束传像系统。利用ZEMAX光学设计软件,对传像系统中前置物镜和后置目镜分别进行了设计,并根据物镜和目镜的初始像差分布情况,利用优化函数,结合各种操作数,对系统的像差进一步优化。优化结果表明,物镜各视场的光学调制传递函数(MTF)值在空间频率为38 lp/mm处大于0.85,目镜各视场的MTF值在空间频率为120 lp/mm处大于0.3,具有较高的成像质量。针对选用的物镜、目镜、光纤束及CCD的结构特点,设计并制备出系统连接的耦合器件,并搭建了一套传像系统,进行图像传输实验。对系统的成像质量以及影响因素进行分析,采用Gamma算法提高像面亮度,获得了高质量的传输图像。
分布式光纤声波振动传感系统研发及应用
董小卫, 谢斌, 潘勇, 王宁博, 舒博钊, 刘帅
2020, 41(6): 1298-1304. doi: 10.5768/JAO202041.0608002
摘要:
针对油气田勘探开发需获取微声波信号完整波形的问题,开展了基于双脉冲外差调制与反正切外差解调方案的分布式光纤声波传感(DAS)技术研究与配套系统研发。通过特征参数室内振动模拟实验,新型DAS系统的响应频率范围20 Hz~25 kHz、最大动态范围60 dB、信噪比49 dB,满足微声波信号幅度、频率、相位等信息的探测需求。同时,该系统在新疆油田稠油热采井下蒸汽腔探测方面成功开展了现场应用,实测有效声压强度−195 dB,验证了系统的可靠性,具有良好的应用前景。
基于数据挖掘的光纤通信网络异常数据检测研究
马莉莉, 刘江平
2020, 41(6): 1305-1310. doi: 10.5768/JAO202041.0608003
摘要:
为了提高光纤通信网络中异常数据的识别能力,提出了基于熵目标函数最优化的异常数据检测算法。首先,对数据样本进行属性分类,依据异常数据特征密度指标完成邻域区间半径的选取;其次,通过对高阶统计量的大数据聚类度循环迭代,完成特征提取参数的优化;最后,由样本属性概率计算熵目标函数的最优值,并利用最优值完成异常数据检测。实验对1 000组通信数据进行测试,结果显示,该算法的检测精度均值约为95.7%,其数据融合率、检测耗时与平均误检率均优于2种传统方法。该算法具有精度高、收敛快、误检率低的优势,具有一定的应用价值。
2020 年总目录
2020, (6): 1-6.
摘要: