当期目录
2023年 第44卷 第2期
2023,
44(2):
239-245. doi: 10.5768/JAO202344.0201001
摘要:
某传感器侧挂结构形式的光电装置光轴一致性指标超差。通过对光电装置的光具座、传感器罩等相关零件的结构进行分析，对光具座、传感器罩的相互配合面和光具座的传感器安装面的平面度进行改进设计，提高精度，并适当增加其壁厚；着重对改进前后的光具座进行了模态分析。通过搭建试验装置对改进后的光电装置进行试验测试，对试验测试数据进行分析。试验结果表明，改进措施对提高光电装置光轴一致性有效。
某传感器侧挂结构形式的光电装置光轴一致性指标超差。通过对光电装置的光具座、传感器罩等相关零件的结构进行分析，对光具座、传感器罩的相互配合面和光具座的传感器安装面的平面度进行改进设计，提高精度，并适当增加其壁厚；着重对改进前后的光具座进行了模态分析。通过搭建试验装置对改进后的光电装置进行试验测试，对试验测试数据进行分析。试验结果表明，改进措施对提高光电装置光轴一致性有效。
2023,
44(2):
246-252. doi: 10.5768/JAO202344.0201002
摘要:
为了实现对远处目标的瞄准、识别与跟踪，光电跟踪系统往往需要其光学系统可连续变焦，并且具有大变倍比、宽波段、光轴一致性高等特性。详细阐述了连续变焦光学系统的基本构造形式、初始结构参数估算等，并在确定了相关技术参数的基础上，设计了一种变倍比为40×的宽波段连续变焦光学系统。设计的连续变焦光学系统全部使用球面镜，易于加工，成像质量较好，各视场MTF值在150 lp/mm处均大于0.2，并且凸轮曲线平滑，无拐点，杂散光控制较好，对系统影响很小。最后通过外景试验测试，该系统光轴一致性小于0.1 mrad，系统的各项性能指标都可满足设备的使用要求，为光电跟踪系统的工程化提供了参考价值。
为了实现对远处目标的瞄准、识别与跟踪，光电跟踪系统往往需要其光学系统可连续变焦，并且具有大变倍比、宽波段、光轴一致性高等特性。详细阐述了连续变焦光学系统的基本构造形式、初始结构参数估算等，并在确定了相关技术参数的基础上，设计了一种变倍比为40×的宽波段连续变焦光学系统。设计的连续变焦光学系统全部使用球面镜，易于加工，成像质量较好，各视场MTF值在150 lp/mm处均大于0.2，并且凸轮曲线平滑，无拐点，杂散光控制较好，对系统影响很小。最后通过外景试验测试，该系统光轴一致性小于0.1 mrad，系统的各项性能指标都可满足设备的使用要求，为光电跟踪系统的工程化提供了参考价值。
2023,
44(2):
253-261. doi: 10.5768/JAO202344.0201003
摘要:
设计了一种航天器中远距仅测角导航硬件在环测试的光学模拟器，可对仅测角导航视觉传感器的硬件、软件和算法的性能及可靠性进行验证。首先对该光学模拟器进行了系统描述，包括硬件组成和星图模拟软件设计。硬件选用的都是商用、现成的部组件，可大幅节约研发成本，缩短开发周期。其次，重点阐述屏幕亮度与恒星星等之间的关系，以及该光学模拟器的光学原理。最后对该光学模拟器的星图模拟进行实验测试，并介绍了一种基于Clohessy-Wiltshire (CW)方程的仅测角导航模型，用于硬件在环测试。验证了几何校正后的光学模拟器完全满足航天器中远距仅测角导航硬件在环测试要求，并得出相对于几何校正前，终端时刻的相对位置精度提高了25.5%，相对速度精度提高了31.3%。
设计了一种航天器中远距仅测角导航硬件在环测试的光学模拟器，可对仅测角导航视觉传感器的硬件、软件和算法的性能及可靠性进行验证。首先对该光学模拟器进行了系统描述，包括硬件组成和星图模拟软件设计。硬件选用的都是商用、现成的部组件，可大幅节约研发成本，缩短开发周期。其次，重点阐述屏幕亮度与恒星星等之间的关系，以及该光学模拟器的光学原理。最后对该光学模拟器的星图模拟进行实验测试，并介绍了一种基于Clohessy-Wiltshire (CW)方程的仅测角导航模型，用于硬件在环测试。验证了几何校正后的光学模拟器完全满足航天器中远距仅测角导航硬件在环测试要求，并得出相对于几何校正前，终端时刻的相对位置精度提高了25.5%，相对速度精度提高了31.3%。
2023,
44(2):
262-267. doi: 10.5768/JAO202344.0201004
摘要:
机器视觉检测技术具有非接触、高精度的优点，正在逐渐取代人工检测，成为工业生产检测的重要一环，作为前端的光学系统是机器视觉检测技术的核心部分。文中针对半径10 mm以内的光滑球体表面检测设计了一款双远心光学成像系统。系统由7片镜片和1片滤光片组成，采用了2个非球面校正像差，调制传递函数曲线在40 lp·mm−1处大于0.3，具有良好的成像性能。由于该系统光圈较小且待测物为类镜面反射材料，设计完成后进行了照明模拟，选择采用多个面光源对待测物进行照明。模拟结果表明，文中设计的双远心光学系统实现了对较大曲率表面成像，并给出了一种配套的照明方式。
机器视觉检测技术具有非接触、高精度的优点，正在逐渐取代人工检测，成为工业生产检测的重要一环，作为前端的光学系统是机器视觉检测技术的核心部分。文中针对半径10 mm以内的光滑球体表面检测设计了一款双远心光学成像系统。系统由7片镜片和1片滤光片组成，采用了2个非球面校正像差，调制传递函数曲线在40 lp·mm−1处大于0.3，具有良好的成像性能。由于该系统光圈较小且待测物为类镜面反射材料，设计完成后进行了照明模拟，选择采用多个面光源对待测物进行照明。模拟结果表明，文中设计的双远心光学系统实现了对较大曲率表面成像，并给出了一种配套的照明方式。
2023,
44(2):
268-274. doi: 10.5768/JAO202344.0201005
摘要:
水下光场分布对水下光电成像质量具有决定性的影响，通过水下光场分布可以得到水下图像的传输退化模型。在给定水体光学参数的前提下，建立光子水下传输概率模型，利用Monte Carlo法模拟光子在水下的运动，可以获得水下光子散射点体积密度分布，求解出水下光场；在水体体散射函数为球形对称的条件下，利用Monte Carlo法得到的水下光场分布与理论公式的计算结果具有很好的一致性，验证了该方法的有效性；最后给出了水下理想点光源形成的水下光场分布。基于此结论，可以将Monte Carlo法求解水下光场的应用范围推广至水体体散射函数为一般表达式的情形。
水下光场分布对水下光电成像质量具有决定性的影响，通过水下光场分布可以得到水下图像的传输退化模型。在给定水体光学参数的前提下，建立光子水下传输概率模型，利用Monte Carlo法模拟光子在水下的运动，可以获得水下光子散射点体积密度分布，求解出水下光场；在水体体散射函数为球形对称的条件下，利用Monte Carlo法得到的水下光场分布与理论公式的计算结果具有很好的一致性，验证了该方法的有效性；最后给出了水下理想点光源形成的水下光场分布。基于此结论，可以将Monte Carlo法求解水下光场的应用范围推广至水体体散射函数为一般表达式的情形。
2023,
44(2):
275-285. doi: 10.5768/JAO202344.0201006
摘要:
为了克服在数字全息术中激光源高相干度造成的散斑噪声降低成像质量问题，论文提出将石英退偏器与电控液晶散射片相结合用于数字全息术中。通过在物光路中加入一个石英退偏器，利用退偏器的退偏性能使物光光路中的线偏光变成随机偏振光，降低与参考光的相干程度，实现对散斑噪声的抑制；通过给液晶散射片外加电场可以引起液晶分子的运动和光轴取向改变，调整液晶驱动电压大小来改变入射光的不同散射效果，有效地降低了光源的相干性；分别将单独采用石英退偏器和电控液晶散射片的重建图像与组合装置的重建图像进行对比分析，通过实验验证了所提方法的有效性。实验结果表明：两种实验对象在组合装置下的重建像峰值信噪比分别达到16.91和18.30，结构相似度为0.47和0.43，等效视数较原始重建像提高了42%和30%，散斑指数为1.52和1.29。论文提出的方法可较好地去除散斑噪声，保留更多的图像细节部分。
为了克服在数字全息术中激光源高相干度造成的散斑噪声降低成像质量问题，论文提出将石英退偏器与电控液晶散射片相结合用于数字全息术中。通过在物光路中加入一个石英退偏器，利用退偏器的退偏性能使物光光路中的线偏光变成随机偏振光，降低与参考光的相干程度，实现对散斑噪声的抑制；通过给液晶散射片外加电场可以引起液晶分子的运动和光轴取向改变，调整液晶驱动电压大小来改变入射光的不同散射效果，有效地降低了光源的相干性；分别将单独采用石英退偏器和电控液晶散射片的重建图像与组合装置的重建图像进行对比分析，通过实验验证了所提方法的有效性。实验结果表明：两种实验对象在组合装置下的重建像峰值信噪比分别达到16.91和18.30，结构相似度为0.47和0.43，等效视数较原始重建像提高了42%和30%，散斑指数为1.52和1.29。论文提出的方法可较好地去除散斑噪声，保留更多的图像细节部分。
2023,
44(2):
286-294. doi: 10.5768/JAO202344.0201007
摘要:
舰船在军事领域有着极其重要的地位，其尾迹对海面的温度和高度都会造成相较明显的变化，且具有持续时间长、不易消除等特点，所以模拟舰船尾迹和海面红外辐射图像可以更为直观地识别舰船目标，具有强烈的军事需求。以MODTRAN软件模拟的不同背景环境下大气对8 μm～14 μm波段的透过率为数据基础，结合Cox-Munk坡度概率分布模型并考虑海浪遮挡因素建立了一种舰船尾迹红外辐射模型，模拟了不同背景环境、不同探测距离的红外尾迹图像。仿真结果表明：相同探测条件下，随着探测距离增大，舰船尾迹辐射亮度减小，但粗糙海面对红外辐射的遮挡作用显著减弱，海面舰船尾迹更易被识别；大气传输模型对红外成像结果影响较大，夏季背景辐射能量大且海面平均遮挡作用小，舰船尾迹红外成像更为清晰。
舰船在军事领域有着极其重要的地位，其尾迹对海面的温度和高度都会造成相较明显的变化，且具有持续时间长、不易消除等特点，所以模拟舰船尾迹和海面红外辐射图像可以更为直观地识别舰船目标，具有强烈的军事需求。以MODTRAN软件模拟的不同背景环境下大气对8 μm～14 μm波段的透过率为数据基础，结合Cox-Munk坡度概率分布模型并考虑海浪遮挡因素建立了一种舰船尾迹红外辐射模型，模拟了不同背景环境、不同探测距离的红外尾迹图像。仿真结果表明：相同探测条件下，随着探测距离增大，舰船尾迹辐射亮度减小，但粗糙海面对红外辐射的遮挡作用显著减弱，海面舰船尾迹更易被识别；大气传输模型对红外成像结果影响较大，夏季背景辐射能量大且海面平均遮挡作用小，舰船尾迹红外成像更为清晰。
2023,
44(2):
295-306. doi: 10.5768/JAO202344.0202001
摘要:
集成成像技术作为一种重要的裸眼三维显示技术，在完整记录三维场景信息的同时，庞大的数据量给传输和存储带来了压力。为了实现图像的有效压缩和重构，根据光子计数集成成像的特点，基于分布式压缩感知理论，提出用于图像压缩与重构的方案。该方案将图像分为参考图像和非参考图像两类，对其设置不同的测量率并分别进行重构。为保证非参考图像的重构质量，提出一种联合重构算法。该算法首先对非参考图像进行分块测量，依据与参考图像之间的相关性进行图像块分类，然后结合参考图像测量值信息构建新的测量矢量，利用新的测量矢量完成初次图像重构。为了进一步提升图像重构质量，对初次重构结果进行二次残差补偿重构，获得最终重构结果。最后通过设置不同的测量率进行了大量实验，实验结果表明，所提算法在测量率为0.25时，图像重构质量可以达到30 dB，测量率为0.4时，图像质量可以达到35 dB，算法性能具有一定的优越性。
集成成像技术作为一种重要的裸眼三维显示技术，在完整记录三维场景信息的同时，庞大的数据量给传输和存储带来了压力。为了实现图像的有效压缩和重构，根据光子计数集成成像的特点，基于分布式压缩感知理论，提出用于图像压缩与重构的方案。该方案将图像分为参考图像和非参考图像两类，对其设置不同的测量率并分别进行重构。为保证非参考图像的重构质量，提出一种联合重构算法。该算法首先对非参考图像进行分块测量，依据与参考图像之间的相关性进行图像块分类，然后结合参考图像测量值信息构建新的测量矢量，利用新的测量矢量完成初次图像重构。为了进一步提升图像重构质量，对初次重构结果进行二次残差补偿重构，获得最终重构结果。最后通过设置不同的测量率进行了大量实验，实验结果表明，所提算法在测量率为0.25时，图像重构质量可以达到30 dB，测量率为0.4时，图像质量可以达到35 dB，算法性能具有一定的优越性。
2023,
44(2):
307-313. doi: 10.5768/JAO202344.0202002
摘要:
飞鸟撞击飞机与无人机黑飞是威胁航班起降安全的两大隐患，上述的飞鸟和无人机都属于“低慢小”飞行物。为保卫机场净空区的安全，需要研制具有反低慢小功能的预警系统。对此，设计并实现了一套低慢小飞行物实时检测系统，基于FPGA（field programmable gate array）驱动相机阵列实时采集大视场天空视频，将适于硬件操作的奇偶分流算法与帧间差分算法相结合进行运动目标检测，系统帧率达到17 帧/s@1 024×768 pixel，平均检测准确率为99.69%。采用千兆以太网、光纤和交换机将前端跑道视频传输至后端塔台指挥中心，支持3 km远距离传输。相比于传统基于软件串行处理的方式，该系统具有高实时性、低功耗与小体积的优势，适合部署在实际应用场景中。
飞鸟撞击飞机与无人机黑飞是威胁航班起降安全的两大隐患，上述的飞鸟和无人机都属于“低慢小”飞行物。为保卫机场净空区的安全，需要研制具有反低慢小功能的预警系统。对此，设计并实现了一套低慢小飞行物实时检测系统，基于FPGA（field programmable gate array）驱动相机阵列实时采集大视场天空视频，将适于硬件操作的奇偶分流算法与帧间差分算法相结合进行运动目标检测，系统帧率达到17 帧/s@1 024×768 pixel，平均检测准确率为99.69%。采用千兆以太网、光纤和交换机将前端跑道视频传输至后端塔台指挥中心，支持3 km远距离传输。相比于传统基于软件串行处理的方式，该系统具有高实时性、低功耗与小体积的优势，适合部署在实际应用场景中。
2023,
44(2):
314-322. doi: 10.5768/JAO202344.0202003
摘要:
针对半片光伏组件电致发光（electroluminescence，EL）缺陷自动识别过程中训练用样本不足导致模型过拟合的问题,采用深度卷积生成对抗网络（deep convolutional generative adversarial networks，DCGANs）生成可控制属性的半片光伏组件EL图像，再采用多尺度结构相似性（multi-scale structural similarity，MS-SSIM）指标对生成的EL图像与拍摄的EL图像之间的相似程度进行了评估。评估结果得到，使用DCGANs生成的所有类型半片光伏组件的EL图像与拍摄的EL图像的MS-SSIM指标都大于0.55，大部分的MS-SSIM值在0.7附近。在分类模型的训练过程中，测试集准确率随着训练集中生成图像数量的增加而升高，当生成图像数量达到6000张时，测试集准确率达到97.92%。实验结果表明，采用DCGANs能够生成高质量且可控制属性的半片光伏组件EL图像，较好地解决因缺少训练样本而导致的模型过拟合问题。
针对半片光伏组件电致发光（electroluminescence，EL）缺陷自动识别过程中训练用样本不足导致模型过拟合的问题,采用深度卷积生成对抗网络（deep convolutional generative adversarial networks，DCGANs）生成可控制属性的半片光伏组件EL图像，再采用多尺度结构相似性（multi-scale structural similarity，MS-SSIM）指标对生成的EL图像与拍摄的EL图像之间的相似程度进行了评估。评估结果得到，使用DCGANs生成的所有类型半片光伏组件的EL图像与拍摄的EL图像的MS-SSIM指标都大于0.55，大部分的MS-SSIM值在0.7附近。在分类模型的训练过程中，测试集准确率随着训练集中生成图像数量的增加而升高，当生成图像数量达到6000张时，测试集准确率达到97.92%。实验结果表明，采用DCGANs能够生成高质量且可控制属性的半片光伏组件EL图像，较好地解决因缺少训练样本而导致的模型过拟合问题。
2023,
44(2):
323-329. doi: 10.5768/JAO202344.0202004
摘要:
在太阳能热水器及太阳能电池等太阳能发电领域，下雨、下雪、阴天等气候因素将严重影响发电效果，而太阳能随动系统工作也必须消耗能量，所以迅速判断当前的天气状况，并设计自适应的开关随动系统极其重要。当天气状况为阴雨或者雪天时，系统应当关闭从而减少能耗。鉴于传统的天气识别方法效率低、准确度差、计算量大的问题，在公开的天气图像基础上创建了一个具有多种类别的天气分类集，并提供了一种基于卷积神经网络与特征融合的天气图像识别技术。通过采用传统方式获取图像的颜色、纹理、形状3种特征作为整个模型的底层特征，在原本的VGG16(visual geometry group-16)模型基础上进行了改进，从而提取图像的深层特征，最后将底层特征与深层特征融合起来在Softmax上进行输出，总识别率达到94%。
在太阳能热水器及太阳能电池等太阳能发电领域，下雨、下雪、阴天等气候因素将严重影响发电效果，而太阳能随动系统工作也必须消耗能量，所以迅速判断当前的天气状况，并设计自适应的开关随动系统极其重要。当天气状况为阴雨或者雪天时，系统应当关闭从而减少能耗。鉴于传统的天气识别方法效率低、准确度差、计算量大的问题，在公开的天气图像基础上创建了一个具有多种类别的天气分类集，并提供了一种基于卷积神经网络与特征融合的天气图像识别技术。通过采用传统方式获取图像的颜色、纹理、形状3种特征作为整个模型的底层特征，在原本的VGG16(visual geometry group-16)模型基础上进行了改进，从而提取图像的深层特征，最后将底层特征与深层特征融合起来在Softmax上进行输出，总识别率达到94%。
2023,
44(2):
330-336. doi: 10.5768/JAO202344.0202005
摘要:
针对点云配准过程中点云数据量大、配准时间长、配准精度低的问题，提出了一种基于内部形态描述子（intrinsic shape signatures, ISS）和三维形状上下文描述子（3D shape context, 3DSC）的点云配准算法。该方法首先使用体素网格滤波器对点云进行下采样，接着利用ISS算法提取特征点，并通过3DSC进行描述，然后通过改进的随机采样一致性（randon sample consensus, RANSAC）算法进行粗匹配，最后用改进的迭代最近点算法（iterative closest point, ICP)对点云进行精匹配。试验结果表明，与基于ISS+3DSC的三维正态分布变换(normal distribution transformation, NDT)算法和基于采样一致性初始配准（sample consensus initial aligment, SAC-IA）的ICP算法相比，本文算法的配准精度及效率更高，且对于数据量大的点云也有较好的匹配效果。
针对点云配准过程中点云数据量大、配准时间长、配准精度低的问题，提出了一种基于内部形态描述子（intrinsic shape signatures, ISS）和三维形状上下文描述子（3D shape context, 3DSC）的点云配准算法。该方法首先使用体素网格滤波器对点云进行下采样，接着利用ISS算法提取特征点，并通过3DSC进行描述，然后通过改进的随机采样一致性（randon sample consensus, RANSAC）算法进行粗匹配，最后用改进的迭代最近点算法（iterative closest point, ICP)对点云进行精匹配。试验结果表明，与基于ISS+3DSC的三维正态分布变换(normal distribution transformation, NDT)算法和基于采样一致性初始配准（sample consensus initial aligment, SAC-IA）的ICP算法相比，本文算法的配准精度及效率更高，且对于数据量大的点云也有较好的匹配效果。
2023,
44(2):
337-344. doi: 10.5768/JAO202344.0202006
摘要:
针对现有的基于卷积神经网络的图像去模糊算法存在图像纹理细节恢复不清晰的问题，提出了一种基于多局部残差连接注意网络的图像去模糊算法。首先，采用一个卷积层进行浅层特征提取；其次，设计了一种新的基于残差连接和并行注意机制的多局部残差连接注意模块，用于消除图像模糊并提取上下文信息；再次，采用一个基于扩张卷积的成对连接模块进行细节恢复；最后，利用一个卷积层重建清晰图像。实验结果表明：在GoPro数据集上的PSNR (peak signal to noise ratio)和SSIM (structure similarity)分别为31.83 dB、0.9275，在定性和定量两方面都表明所提方法能够有效地恢复模糊图像的纹理细节，网络性能优于对比方法。
针对现有的基于卷积神经网络的图像去模糊算法存在图像纹理细节恢复不清晰的问题，提出了一种基于多局部残差连接注意网络的图像去模糊算法。首先，采用一个卷积层进行浅层特征提取；其次，设计了一种新的基于残差连接和并行注意机制的多局部残差连接注意模块，用于消除图像模糊并提取上下文信息；再次，采用一个基于扩张卷积的成对连接模块进行细节恢复；最后，利用一个卷积层重建清晰图像。实验结果表明：在GoPro数据集上的PSNR (peak signal to noise ratio)和SSIM (structure similarity)分别为31.83 dB、0.9275，在定性和定量两方面都表明所提方法能够有效地恢复模糊图像的纹理细节，网络性能优于对比方法。
2023,
44(2):
345-353. doi: 10.5768/JAO202344.0202007
摘要:
齿面物体像灰度法是激光移相干涉测量中提取齿轮干涉图像前景区域的重要方法之一，针对该方法因人工设定阈值且忽略不同图像边缘特征从而导致的测量效率及精度受限问题，提出了一种基于自适应阈值的齿轮干涉图像前景区域提取方法。首先分析齿轮齿面形貌特征与各边缘顶点差异，对图像进行区域划分；然后根据边缘灰度变化规律通过邻域窗口筛选合格像素点并获取掩模结果，实现前景区域提取；最后根据5类图像评价指标分别对4组算法分割结果与传统方法分割结果进行数据对比。结果表明：算法在实现图像自动处理的基础上与参考结果匹配精确度提升约3.5%～4.5%，PRI(probabilistic rand index)提升约3%～4%，VOI(variation of information)提高约15%～25%，GCE(global consistency error)降低约2.5%～3.5%，最终相位信息准确度提升9 μm～15 μm。结果符合精度要求，该方法可广泛应用于齿轮干涉图像前景提取中。
齿面物体像灰度法是激光移相干涉测量中提取齿轮干涉图像前景区域的重要方法之一，针对该方法因人工设定阈值且忽略不同图像边缘特征从而导致的测量效率及精度受限问题，提出了一种基于自适应阈值的齿轮干涉图像前景区域提取方法。首先分析齿轮齿面形貌特征与各边缘顶点差异，对图像进行区域划分；然后根据边缘灰度变化规律通过邻域窗口筛选合格像素点并获取掩模结果，实现前景区域提取；最后根据5类图像评价指标分别对4组算法分割结果与传统方法分割结果进行数据对比。结果表明：算法在实现图像自动处理的基础上与参考结果匹配精确度提升约3.5%～4.5%，PRI(probabilistic rand index)提升约3%～4%，VOI(variation of information)提高约15%～25%，GCE(global consistency error)降低约2.5%～3.5%，最终相位信息准确度提升9 μm～15 μm。结果符合精度要求，该方法可广泛应用于齿轮干涉图像前景提取中。
2023,
44(2):
354-364. doi: 10.5768/JAO202344.0202008
摘要:
针对机载全景视频流影响，提出了一种基于嵌入式的全景实时拼接方法。提取图像中的SURF(speeded up robust features)特征点，生成特征描述子。通过计算2个特征点之间的欧式距离来确定匹配度，经过仿射变换后，利用泊松变换实现图像间的融合平滑处理。将上述流程在目标设备上进行并发执行，根据每个流程自身的特点进行定制化优化，实现全景实时拼接。试验测试表明，本方法实现了拼接接缝处基本无缝的效果，拼接速度达到30 Hz，能够满足实时显示的要求。
针对机载全景视频流影响，提出了一种基于嵌入式的全景实时拼接方法。提取图像中的SURF(speeded up robust features)特征点，生成特征描述子。通过计算2个特征点之间的欧式距离来确定匹配度，经过仿射变换后，利用泊松变换实现图像间的融合平滑处理。将上述流程在目标设备上进行并发执行，根据每个流程自身的特点进行定制化优化，实现全景实时拼接。试验测试表明，本方法实现了拼接接缝处基本无缝的效果，拼接速度达到30 Hz，能够满足实时显示的要求。
2023,
44(2):
365-370. doi: 10.5768/JAO202344.0203001
摘要:
为验证光轴指向误差对光学姿态测量精度的影响程度，并为后续实况类设备实现姿态测量提供理论依据，以中轴线法为依据，对算法步骤进行拆分，并对光轴指向误差的影响进行溯源，得出指向误差影响姿态处理结果可从两个方面进行分析。同时对模型内交会算法的直接影响和模型外动态基准的间接影响进行推导分析，将仿真计算和实测数据进行结合验证，获取了在典型中长远光学姿态测量中指向误差200″对姿态角误差不超过0.1°的结论，为现有姿态测量可靠性分析以及后续靶场设备能力拓展奠定了理论基础。
为验证光轴指向误差对光学姿态测量精度的影响程度，并为后续实况类设备实现姿态测量提供理论依据，以中轴线法为依据，对算法步骤进行拆分，并对光轴指向误差的影响进行溯源，得出指向误差影响姿态处理结果可从两个方面进行分析。同时对模型内交会算法的直接影响和模型外动态基准的间接影响进行推导分析，将仿真计算和实测数据进行结合验证，获取了在典型中长远光学姿态测量中指向误差200″对姿态角误差不超过0.1°的结论，为现有姿态测量可靠性分析以及后续靶场设备能力拓展奠定了理论基础。
2023,
44(2):
371-379. doi: 10.5768/JAO202344.0203002
摘要:
为提升线结构光传感器的标定效率与精度，设计了一种集成自背光可调节位姿的平面棋盘格-同心圆互补线结构光标定系统。该系统基于同心圆圆心的真实投影位置与投影椭圆圆心位置的几何关系，建立非线性优化偏心误差补偿模型，精确得到透射投影下圆心偏心误差补偿位置。该方法与传统标定方法对比降低重投影误差84.7%，有效解决了圆形标志物偏心误差补偿的高精度标定难题。通过将相机坐标系下过光心、光条中心线的平面与靶标平面结合，多次获取空间交线的坐标信息增加特征点，并使用最小二乘法拟合光平面方程，解决了因特征点少从而平面拟合标定精度较低的问题。在复杂环境下重复实验测得大尺寸砂轮外径误差均值为0.005 1 mm，结果表明该标定系统具有一定的准确性和简便实用性。
为提升线结构光传感器的标定效率与精度，设计了一种集成自背光可调节位姿的平面棋盘格-同心圆互补线结构光标定系统。该系统基于同心圆圆心的真实投影位置与投影椭圆圆心位置的几何关系，建立非线性优化偏心误差补偿模型，精确得到透射投影下圆心偏心误差补偿位置。该方法与传统标定方法对比降低重投影误差84.7%，有效解决了圆形标志物偏心误差补偿的高精度标定难题。通过将相机坐标系下过光心、光条中心线的平面与靶标平面结合，多次获取空间交线的坐标信息增加特征点，并使用最小二乘法拟合光平面方程，解决了因特征点少从而平面拟合标定精度较低的问题。在复杂环境下重复实验测得大尺寸砂轮外径误差均值为0.005 1 mm，结果表明该标定系统具有一定的准确性和简便实用性。
2023,
44(2):
380-385. doi: 10.5768/JAO202344.0203003
摘要:
为测量高能激光传输系统中大口径高反射率光学元件的反射率，设计了一种大口径光学元件二维扫描的精密测量系统。介绍了该系统的结构及其工作原理，分析了影响系统测量精度的因素，从理论上分析了扫描系统的系统误差对测量精度的影响，结果表明在垂直于光束传播方向上，水平偏差在0.29 mm时，测量误差在10−6量级；腔长的变化量较小时，可通过对衰荡腔腔镜的调节,实现对旋转轴偏差的补偿及对系统的精细调节。通过拟合处理光强与时间的数据得到对应的一次指数函数拟合曲线，并通过计算得到衰荡时间和反射率，经过对比分析可知，该误差分析方法能比较有效地测量腔镜的反射率,并能减小实验数据本身带来的误差。
为测量高能激光传输系统中大口径高反射率光学元件的反射率，设计了一种大口径光学元件二维扫描的精密测量系统。介绍了该系统的结构及其工作原理，分析了影响系统测量精度的因素，从理论上分析了扫描系统的系统误差对测量精度的影响，结果表明在垂直于光束传播方向上，水平偏差在0.29 mm时，测量误差在10−6量级；腔长的变化量较小时，可通过对衰荡腔腔镜的调节,实现对旋转轴偏差的补偿及对系统的精细调节。通过拟合处理光强与时间的数据得到对应的一次指数函数拟合曲线，并通过计算得到衰荡时间和反射率，经过对比分析可知，该误差分析方法能比较有效地测量腔镜的反射率,并能减小实验数据本身带来的误差。
2023,
44(2):
386-391. doi: 10.5768/JAO202344.0203004
摘要:
为了减小不同光谱辐射计间瞄准区域差异带来的光谱辐射亮度不一致性，讨论了视场角及定位对于测量准确性的影响。通过建立太阳光白板和卤钨灯白板系统光路下的光谱辐射亮度测量模型，分析了不同几何光路视场区域平均辐射亮度与中心辐射亮度的差异。数值模拟表明，太阳光白板光路修正因子仅与视场角大小有关；卤钨灯白板光路修正因子随测量距离增大而减小，距离600 mm时8°和14°视场角的修正因子分别变为0.993 5和0.980 2。最后，实验验证了卤钨灯白板系统下角度误差和位移误差对光谱辐射亮度的影响。结果表明，修正因子对水平方向的角度误差和位移误差呈现非对称性，两侧差异高达2%。因此，依据视场角和几何定位可以对测量结果进行数据修正，有助于提升光谱辐射亮度测量不确定度水平。
为了减小不同光谱辐射计间瞄准区域差异带来的光谱辐射亮度不一致性，讨论了视场角及定位对于测量准确性的影响。通过建立太阳光白板和卤钨灯白板系统光路下的光谱辐射亮度测量模型，分析了不同几何光路视场区域平均辐射亮度与中心辐射亮度的差异。数值模拟表明，太阳光白板光路修正因子仅与视场角大小有关；卤钨灯白板光路修正因子随测量距离增大而减小，距离600 mm时8°和14°视场角的修正因子分别变为0.993 5和0.980 2。最后，实验验证了卤钨灯白板系统下角度误差和位移误差对光谱辐射亮度的影响。结果表明，修正因子对水平方向的角度误差和位移误差呈现非对称性，两侧差异高达2%。因此，依据视场角和几何定位可以对测量结果进行数据修正，有助于提升光谱辐射亮度测量不确定度水平。
2023,
44(2):
392-397. doi: 10.5768/JAO202344.0203005
摘要:
作为红外标准光源，要求30 ℃～420 ℃黑体能快速升温到设定温度点，并保持温度稳定。针对其升降温功率差别大、滞后大等特点，用开关控制冲击响应自整定方法，得到黑体温升超调量、最大升降温速率等参数，采用复合智能温控策略，实现了30 ℃～420 ℃黑体温升前期快，接近设置温度时改以渐进方式达到并稳定在设定温度点。实验结果表明，实现了30 ℃～420 ℃黑体无超调地到达设定温度点，且稳定性为±0.03 ℃/min，该指标达到了国际同类产品水平。
作为红外标准光源，要求30 ℃～420 ℃黑体能快速升温到设定温度点，并保持温度稳定。针对其升降温功率差别大、滞后大等特点，用开关控制冲击响应自整定方法，得到黑体温升超调量、最大升降温速率等参数，采用复合智能温控策略，实现了30 ℃～420 ℃黑体温升前期快，接近设置温度时改以渐进方式达到并稳定在设定温度点。实验结果表明，实现了30 ℃～420 ℃黑体无超调地到达设定温度点，且稳定性为±0.03 ℃/min，该指标达到了国际同类产品水平。
2023,
44(2):
398-405. doi: 10.5768/JAO202344.0203006
摘要:
散斑相关是许多基于散斑的光学测量和成像技术的基础，决定了光学系统的分辨率。当前散斑尺寸（颗粒度或分辨率）的理论描述不够精确，也缺乏实验验证。探究了散斑图样自相关尺寸的影响因素，与相同数值孔径物镜聚焦进行比对，揭示薄散射介质的“散射透镜”性质。通过散斑自相关和透镜聚焦尺寸的多组测量，结果表明，截趾函数会影响其分辨率，需要根据具体光路对阿贝判据做修正。对基于散斑的测量和成像技术具有一定的参考价值。
散斑相关是许多基于散斑的光学测量和成像技术的基础，决定了光学系统的分辨率。当前散斑尺寸（颗粒度或分辨率）的理论描述不够精确，也缺乏实验验证。探究了散斑图样自相关尺寸的影响因素，与相同数值孔径物镜聚焦进行比对，揭示薄散射介质的“散射透镜”性质。通过散斑自相关和透镜聚焦尺寸的多组测量，结果表明，截趾函数会影响其分辨率，需要根据具体光路对阿贝判据做修正。对基于散斑的测量和成像技术具有一定的参考价值。
2023,
44(2):
406-411. doi: 10.5768/JAO202344.0203007
摘要:
针对狙击作战中对狙击手的探测、定位及告警的需求，开展了枪口焰烟光学特性测试研究。根据枪口焰烟文献资料与光学测量设备的性能参数，设计了枪口焰烟光学特性外场测试详细方案。对某5.8 mm与7.62 mm口径弹道步枪的枪口焰烟光学特性进行了外场测试。测试结果表明，枪口焰烟辐射主要集中在2 μm～5 μm，持续时间约为6 ms，辐射能量最大值出现在2 ms附近，5.8 mm弹道步枪枪口焰烟在中波和长波的辐射强度均高于7.62 mm。枪口焰烟光学特性的测试结果为枪口焰烟的探测及武器发射药的改进提供了重要依据。
针对狙击作战中对狙击手的探测、定位及告警的需求，开展了枪口焰烟光学特性测试研究。根据枪口焰烟文献资料与光学测量设备的性能参数，设计了枪口焰烟光学特性外场测试详细方案。对某5.8 mm与7.62 mm口径弹道步枪的枪口焰烟光学特性进行了外场测试。测试结果表明，枪口焰烟辐射主要集中在2 μm～5 μm，持续时间约为6 ms，辐射能量最大值出现在2 ms附近，5.8 mm弹道步枪枪口焰烟在中波和长波的辐射强度均高于7.62 mm。枪口焰烟光学特性的测试结果为枪口焰烟的探测及武器发射药的改进提供了重要依据。
2023,
44(2):
412-419. doi: 10.5768/JAO202344.0203008
摘要:
现有方法常将相机从下至上拍摄标记物图像，当桨叶扭转幅度较大时，相机主光轴与标记物平面法向量存在明显夹角，导致拍摄图像存在透视畸变现象，从而引发较大测量误差。为解决上述问题，提出一种基于透视变换的直升机桨根扭转角测量方法。首先，将靶标垂直固定在桨叶下方，相机正对桨毂拍摄图像。其次，计算桨叶在低速拉平状态下待测方位与正方位靶标图像中的四个顶点坐标，并求解待测方位的透视变换矩阵，然后利用透视变换矩阵对桨叶高速运动状态下待测方位拍摄的畸变图像进行校正。最后，求得基准图像与校正后图像中的圆心坐标，进而计算出待测方位扭转角。实验结果表明，各方位测量误差均小于0.2°。该方法不但测量精度高，而且具有多方位动态测量的优点，在直升机旋翼桨叶运动参数测量领域具有良好的应用前景。
现有方法常将相机从下至上拍摄标记物图像，当桨叶扭转幅度较大时，相机主光轴与标记物平面法向量存在明显夹角，导致拍摄图像存在透视畸变现象，从而引发较大测量误差。为解决上述问题，提出一种基于透视变换的直升机桨根扭转角测量方法。首先，将靶标垂直固定在桨叶下方，相机正对桨毂拍摄图像。其次，计算桨叶在低速拉平状态下待测方位与正方位靶标图像中的四个顶点坐标，并求解待测方位的透视变换矩阵，然后利用透视变换矩阵对桨叶高速运动状态下待测方位拍摄的畸变图像进行校正。最后，求得基准图像与校正后图像中的圆心坐标，进而计算出待测方位扭转角。实验结果表明，各方位测量误差均小于0.2°。该方法不但测量精度高，而且具有多方位动态测量的优点，在直升机旋翼桨叶运动参数测量领域具有良好的应用前景。
2023,
44(2):
420-426. doi: 10.5768/JAO202344.0203009
摘要:
我国天然林区分布范围广，地形复杂，依靠传统的护林员巡检方式进行林木病虫害防治，效率较低，难于及时发现早期的林木病虫害，可能因此错过防治的最佳时机。针对该问题，设计了一种基于多光谱图像检测林木病虫害的深度学习网络，研发了一套检测软件，通过无人机挂飞实验，利用搭建的深度学习网络，完成林区染病区检测，对检测结果进行了分析。
我国天然林区分布范围广，地形复杂，依靠传统的护林员巡检方式进行林木病虫害防治，效率较低，难于及时发现早期的林木病虫害，可能因此错过防治的最佳时机。针对该问题，设计了一种基于多光谱图像检测林木病虫害的深度学习网络，研发了一套检测软件，通过无人机挂飞实验，利用搭建的深度学习网络，完成林区染病区检测，对检测结果进行了分析。
2023,
44(2):
427-436. doi: 10.5768/JAO202344.0207001
摘要:
为了突破常规激光投影仪由于单一波长的局限性造成应用场景的限制，同时实现对不同零件、不同材料、不同装配工艺的分图层投影，设计并搭建了多色分图层激光扫描自聚焦投影系统。系统采用2种波长的激光作为光源，根据二向色镜的位置不同，提出了多色共光轴和分光路2种激光扫描自聚焦投影方案，并推导了相应的光学系统数学模型。通过系统的自聚焦功能调节镜组间距，均可以实现在不同距离的投影面上聚焦出不同颜色的最小光斑。利用ZEMAX光学设计软件对2种投影光学系统进行仿真，并从系统可靠性和投影效果上对2种系统进行比较分析。实验结果表明：在3 m处的投影面上，共光轴系统各种波长的光斑直径均在0.8 mm以内，且光斑大小均匀，可以实现多色分图层的扫描自聚焦投影功能。
为了突破常规激光投影仪由于单一波长的局限性造成应用场景的限制，同时实现对不同零件、不同材料、不同装配工艺的分图层投影，设计并搭建了多色分图层激光扫描自聚焦投影系统。系统采用2种波长的激光作为光源，根据二向色镜的位置不同，提出了多色共光轴和分光路2种激光扫描自聚焦投影方案，并推导了相应的光学系统数学模型。通过系统的自聚焦功能调节镜组间距，均可以实现在不同距离的投影面上聚焦出不同颜色的最小光斑。利用ZEMAX光学设计软件对2种投影光学系统进行仿真，并从系统可靠性和投影效果上对2种系统进行比较分析。实验结果表明：在3 m处的投影面上，共光轴系统各种波长的光斑直径均在0.8 mm以内，且光斑大小均匀，可以实现多色分图层的扫描自聚焦投影功能。
2023,
44(2):
437-443. doi: 10.5768/JAO202344.0207002
摘要:
微片固体激光器具有体积小、寿命长等优点，是精密测量仪器的重要光源。构建了平-平、半外腔的Nd:YAG和Nd:YVO4微片激光器，通过控制压电陶瓷伸缩改变激光器的谐振腔长，同时使用F-P扫描干涉仪和波长计观察纵模和波长。研究了这2种微片固体激光器的腔调谐特性，包括腔长与光功率的关系，激光纵模扫过出光带宽过程的光功率和单、双纵模变化的规律。实验结果表明：腔调谐过程中单、双纵模交替出现，腔长和泵浦电流共同影响激光器的输出模式和光功率。
微片固体激光器具有体积小、寿命长等优点，是精密测量仪器的重要光源。构建了平-平、半外腔的Nd:YAG和Nd:YVO4微片激光器，通过控制压电陶瓷伸缩改变激光器的谐振腔长，同时使用F-P扫描干涉仪和波长计观察纵模和波长。研究了这2种微片固体激光器的腔调谐特性，包括腔长与光功率的关系，激光纵模扫过出光带宽过程的光功率和单、双纵模变化的规律。实验结果表明：腔调谐过程中单、双纵模交替出现，腔长和泵浦电流共同影响激光器的输出模式和光功率。
2023,
44(2):
444-449. doi: 10.5768/JAO202344.0207003
摘要:
针对全反射棱镜式激光陀螺标度因数随温度周期性变化的现象，根据矩阵光学方法研究了稳频状态下温度变化对环形激光面积的影响，获得了全反射棱镜式激光陀螺标度因数与稳频电压的关系，并得出光束偏移是引起标度因数随温度周期性变化的原因。根据标度因数与稳频电压的关系，建立了全反射棱镜式激光陀螺标度因数补偿模型，通过实验对比了补偿前后标度因数的非线性度。结果表明，根据该补偿模型对全反射棱镜式激光陀螺标度因数进行补偿，标度因数非线性度提高了一个数量级以上，对提高全反射棱镜式激光陀螺的性能具有一定的参考价值。
针对全反射棱镜式激光陀螺标度因数随温度周期性变化的现象，根据矩阵光学方法研究了稳频状态下温度变化对环形激光面积的影响，获得了全反射棱镜式激光陀螺标度因数与稳频电压的关系，并得出光束偏移是引起标度因数随温度周期性变化的原因。根据标度因数与稳频电压的关系，建立了全反射棱镜式激光陀螺标度因数补偿模型，通过实验对比了补偿前后标度因数的非线性度。结果表明，根据该补偿模型对全反射棱镜式激光陀螺标度因数进行补偿，标度因数非线性度提高了一个数量级以上，对提高全反射棱镜式激光陀螺的性能具有一定的参考价值。
2023,
44(2):
450-455. doi: 10.5768/JAO202344.0207004
摘要:
在大功率激光系统的评价与分析中，激光器的光束品质是系统光束品质的决定性因素，也是激光器验收、鉴定的重要指标，其中束散角是判别激光光束质量的重要参数。本系统测试激光波长的范围比较宽，一般在0.532 μm~10.6 μm之间，没有合适的探测器能够覆盖整个波段，所以采用了一种新的方法来解决宽波段束散角的测量问题。选用CCD成像和扫描狭缝相结合的方法来实现宽波段激光光束束散角的测量，可见光和近红外波段（0.532 μm~1.2 μm）激光光束采用CCD法测量激光束散角，中红外波段（1.2 μm~10.6 μm）激光光束采用扫描狭缝法测量激光束散角。两种方法的结合可以较为精确地测量出不同波段的激光束散角。
在大功率激光系统的评价与分析中，激光器的光束品质是系统光束品质的决定性因素，也是激光器验收、鉴定的重要指标，其中束散角是判别激光光束质量的重要参数。本系统测试激光波长的范围比较宽，一般在0.532 μm~10.6 μm之间，没有合适的探测器能够覆盖整个波段，所以采用了一种新的方法来解决宽波段束散角的测量问题。选用CCD成像和扫描狭缝相结合的方法来实现宽波段激光光束束散角的测量，可见光和近红外波段（0.532 μm~1.2 μm）激光光束采用CCD法测量激光束散角，中红外波段（1.2 μm~10.6 μm）激光光束采用扫描狭缝法测量激光束散角。两种方法的结合可以较为精确地测量出不同波段的激光束散角。
2023,
44(2):
456-461. doi: 10.5768/JAO202344.0208001
摘要:
不同类型脉冲之间的演化是被动锁模光纤激光器丰富动力学的体现。报道了一种可实现多种脉冲切换的混合锁模光纤激光器，当泵浦功率为400 mW时实现了孤子分子、谐波锁模、孤子簇之间的相互切换。增加泵浦功率至600 mW时获得了类噪声脉冲输出，对应的输出功率和单脉冲能量分别为15.2 mW和0.86 nJ。通过调节偏振控制器实现了类噪声脉冲中心波长从1 895 nm到1 930 nm可调谐。所搭建的激光器具有锁模脉冲可切换，波长可调谐，能自启动等优点。
不同类型脉冲之间的演化是被动锁模光纤激光器丰富动力学的体现。报道了一种可实现多种脉冲切换的混合锁模光纤激光器，当泵浦功率为400 mW时实现了孤子分子、谐波锁模、孤子簇之间的相互切换。增加泵浦功率至600 mW时获得了类噪声脉冲输出，对应的输出功率和单脉冲能量分别为15.2 mW和0.86 nJ。通过调节偏振控制器实现了类噪声脉冲中心波长从1 895 nm到1 930 nm可调谐。所搭建的激光器具有锁模脉冲可切换，波长可调谐，能自启动等优点。
2023,
44(2):
462-468. doi: 10.5768/JAO202344.0208002
摘要:
光纤折射率传感器广泛应用于各种复杂环境的监测。设计了一种基于少模光纤（few-mode fiber，FMF）–无芯光纤（coreless fiber，CLF）–FMF结构的高灵敏度折射率传感器。该传感器由2小段FMF之间熔接1段减薄的CLF组成马赫-增德尔干涉仪（Mach–Zehnder interference，MZI），测量外界折射率，利用光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）进行温度补偿。MZI干涉光谱中的谐振波谷同时受折射率和温度影响，FBG只受温度的影响。利用MZI和FBG的折射率和温度灵敏度系数构建灵敏度矩阵，实现折射率和温度的同步测量。实验结果表明，MZI折射率灵敏度为345.66 nm/RIU，温度灵敏度为0.0134 nm/℃；FBG的温度灵敏度为0.0104 nm/℃。
光纤折射率传感器广泛应用于各种复杂环境的监测。设计了一种基于少模光纤（few-mode fiber，FMF）–无芯光纤（coreless fiber，CLF）–FMF结构的高灵敏度折射率传感器。该传感器由2小段FMF之间熔接1段减薄的CLF组成马赫-增德尔干涉仪（Mach–Zehnder interference，MZI），测量外界折射率，利用光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）进行温度补偿。MZI干涉光谱中的谐振波谷同时受折射率和温度影响，FBG只受温度的影响。利用MZI和FBG的折射率和温度灵敏度系数构建灵敏度矩阵，实现折射率和温度的同步测量。实验结果表明，MZI折射率灵敏度为345.66 nm/RIU，温度灵敏度为0.0134 nm/℃；FBG的温度灵敏度为0.0104 nm/℃。
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