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2018年  第39卷  第4期

光电系统与工程
一种新型光电侦察系统目标数据观测方法
刘建平, 赵俊成, 成莉, 卢飞
2018, 39(4): 447-452. doi: 10.5768/JAO201839.0401001
摘要:
针对在主要作战方向上工作的光电侦察系统,提出一种低成本的光电搜索设备获取目标数据的方法。采用光电探测器持续以固定角速度周转扫描的方法,多次连续捕获目标,不断迭代刷新目标方位和时间数据,完成对来袭目标相对侦察设备的角位置和水平距离的解算。推导出观测目标数据的数学模型,通过设计仿真软件,实验程序可在目标进入侦察设备观测边界范围后解算出其方位角,得出目标在不同时间的方位角、俯仰角和水平距离等信息,能够满足在侦察距离不小于20 km的状态下实现对速度不大于500 m/s、高度不超过5 km的目标进行跟踪,完成了对光电侦察设备的仿真验证,为后续火控计算提供了可靠数据。
一种机载光电设备减振系统设计及稳定精度试验研究
郑凤翥, 宁飞, 王培群, 霍丽烨, 赵志草
2018, 39(4): 453-459. doi: 10.5768/JAO201839.0401002
摘要:
以光电设备减振系统为研究对象,从光电设备轻型化、小型化设计角度出发,针对现有内置橡胶减振系统的诸多不足,采用金属减振器,设计出一款适用于机载光电设备的外置型金属减振系统。通过对该减振系统的振动和冲击试验,测得固有频率、最大传递率及冲击最大位移值。通过对比光电设备在两种减振系统下的稳定精度, 得出以下结论:外置金属减振系统和内置橡胶减振系统均能使光电设备的稳定精度满足不大于25μrad的使用要求,但外置金属减振系统能提高光电设备内部有效空间,同时,外置金属减振系统作为整体可更换单元,降低了减振系统的维修难度,提高了光电设备整体维修性,为其他光电传感器的集成和实现机载光电设备轻型化、小型化提供了可能。
基于2D微电子机械系统(MEMS)镜全向激光雷达光学系统设计
李启坤, 邱琪
2018, 39(4): 460-465. doi: 10.5768/JAO201839.0401003
摘要:
为了满足全向激光探测的需求,提出一种基于2DMEMS镜扫描的激光雷达结构。激光器通过1×6高速光开关分时地给6个扫描子系统提供光信号,6个扫描子系统探测视场叠加起来可实现360°激光探测。每个扫描子系统的扫描范围为60°×30°,其中包含一个扩展MEMS镜扫描角度的发射光学天线和一个大视场有增益的接收光学天线。发射光学天线将MEMS镜±10°的扫描角扩展到±30°,发散度小于0.2mrad;接收视场内的激光波经过接收天线在探测器上所成的半像高小于1mm,接收增益为3.65。通过计算修正后的激光雷达方程可得到发射功率20 W的激光束在工作距离100 m内的回波功率≥1 nW,结果表明该光学系统可适用于激光雷达系统。
超高倍变焦光学系统设计
张欣婷, 亢磊, 吴倩倩
2018, 39(4): 466-469. doi: 10.5768/JAO201839.0401004
摘要:
设计了一套焦距f′=8 mm~2 400 mm的超高倍变焦光学系统,对可见光波段成像。采用多组元全动型变焦结构,在实现高变倍比的前提下不增加系统尺寸;在普通衍射透镜的基础上,分析了谐衍射元件的成像特性及色散,减小长焦距所引入的色差和二级光谱;给出了新型非球面方程及特性,解决了普通非球面方程项数选取复杂的问题。在上述理论基础上,利用Zemax光学设计软件对系统进行仿真,引入4个谐衍射面和4个新型非球面。设计结果表明,在奈奎斯特频率50lp/mm时,调制传递函数曲线均在0.5以上,成像质量较好,可广泛应用于军事、航天等领域。
基于联合编码调制的调光控制方案实现
徐帅, 王旭东, 单甜甜, 吴楠
2018, 39(4): 470-475. doi: 10.5768/JAO201839.0401005
摘要:
针对可见光通信系统中闪烁抑制与调光控制功能的实现,提出了一种采用联合编码调制进行调光控制的方法。该方法利用脉冲宽度调制(PWM)匹配数据帧内与帧间的占空比,同时结合游程长度受限编码(RLL)实现闪烁抑制;通过分别采用多脉冲位置调制(MPPM)和重叠脉冲位置调制(OPPM)实现光强调节,以满足功率效率或频谱效率需求。理论分析表明,与典型的可变脉冲位置调制(VPPM)相比,占空比为0.9的MPPM的归一化功率可节省2.24dB,而占空比为0.5的OPPM的频谱利用率高出0.8bps/Hz,即OPPM具有较高的频谱效率。此外,基于FPGA平台开发实现提出2种调制方案,实验结果验证了联合调制调光方案可以在保证数据有效传输的条件下抑制光源闪烁并可进行高精度的调光控制。
波前编码显微物镜景深扩展的研究
张继艳, 曹星新
2018, 39(4): 476-482. doi: 10.5768/JAO201839.0401006
摘要:
为了解决传统显微物镜景深与分辨率的矛盾,采用波前编码的方法,设计研究了波前编码的10倍显微物镜,结合传统光学设计软件,采用基于MTF一致性的相位板参数的优化方法,实现了在像面附近一定范围内系统的点扩散函数一致性;此外,还设计了扩展三次相位编码板的10倍显微物镜,比较了采用两种不同相位板系统的焦深扩展的效果,结果显示三次相位板的焦深扩展效果较好,可以将传统10倍显微物镜的焦深扩展15倍。成像模拟仿真结果显示滤波后的编码像在±15倍焦深范围内成像清晰,从而扩大了系统的景深。
光电信息获取与处理
应用于一体化摄像机的自动聚焦搜索算法研究
曹永鹏, 辛春辉, 潘青松
2018, 39(4): 483-490. doi: 10.5768/JAO201839.0402001
摘要:
一体化摄像机的自动聚焦过程就是镜头按照自动聚焦搜索算法寻找图像清晰度评价函数最大值的过程,自动聚焦搜索算法对自动聚焦过程的实时性和准确率影响很大。为了解决现有算法在光源场景和无细节场景下聚焦失败的问题,提出了一种基于场景预测的聚焦搜索算法,该算法对成像场景进行智能分析、判断并分类,在不同的场景下采用不同的搜索策略,提高了自动聚焦搜索的稳定性和准确率。同时,针对现有算法在散焦区判断聚焦曲线峰值方向困难的问题,引入模糊度评价模型,该模型能够准确判断聚焦曲线峰值方向,分析实验数据发现,新的算法在散焦区的聚焦速度提升了24.3%。实验证明,新的算法在基于海思Hi3518A处理器搭建的一体化摄像机成像系统中具有很高的应用价值。
一种抗姿态与表情变化的三维人脸识别方法
蔡川丽, 张建平, 张彦博
2018, 39(4): 491-499. doi: 10.5768/JAO201839.0402002
摘要:
为了提高人脸在姿态和表情变化下的识别率,结合局部平面距离(DLP)对曲面局部凹凸性优良的判断能力,提出了一种采用人脸的等距不变表示形式来匹配的人脸识别方法。首先,对深度摄像头采集到的深度图像进行距离约束、位置约束、转换等操作,得到干净完整的三维人脸,利用三维人脸上每一点DLP值确定鼻尖点,利用聚类的思想确定鼻根点;其次,采用改进的快速推进算法计算人脸的测地距矩阵,设置阈值并切割出有效的人脸区域;最后,计算有效的人脸区域的高阶矩特征,作为人脸的特征向量进行匹配。实验结果表明,对于不同的数据库,本文算法的识别率接近97%;将本文算法与基于轮廓线特征的人脸识别算法以及基于Gabor特征的人脸识别算法进行比较,其识别率分别提高了14.1%和8.3%,同时有着较高的运算效率。
基于相关因子的无衍射光斑图像定中算法
肖兴维, 马国鹭, 曾国英
2018, 39(4): 500-504. doi: 10.5768/JAO201839.0402003
摘要:
为实现无衍射光斑作为直线基准在复杂噪声背景下精确定中, 提出了一种基于相关因子的无衍射光斑图像定中算法。该算法先根据光强重心理论计算光斑中心的大致位置, 再将光斑图像转换成极坐标系下的灰度图, 并生成角频率与光斑图像空间频率相同的离散周期正弦信号, 求解其相位角并对各径向上的相位信息作均方差评价, 计算出极坐标系下理想光斑中心与实际光斑中心的相关因子, 从而达到定中无衍射光斑中心的目的。在模拟噪声环境下, 对比该算法与其他常规算法, 其结果表明:该算法抗背景噪声干扰能力强、计算耗时短, 具有稳定的亚像素定中精度。
基于圆形视场分割的鱼眼相机星图识别方法
张喆, 翟京生, 张亮
2018, 39(4): 505-510. doi: 10.5768/JAO201839.0402004
摘要:
海上星光导航是航海中一种重要的自主导航技术, 星图识别是其关键步骤。针对船载鱼眼相机星光导航系统超大视场带来的单幅图像数据量大、识别冗余、识别效率低等问题, 提出了一种基于圆形视场分割的鱼眼相机星图识别方法。对于拍摄到的星图, 利用同心圆将视场分割成若干个面积相等的环形和圆形区域; 在构造导航星特征库的过程中, 以星角距为特征构造散列函数, 将导航特征库分段存储成若干个子库; 在识别过程中, 利用基于中心星的多三角形识别算法, 从视场中心圆形区域开始依次向视场边缘环形区域进行识别。海上观测实验结果表明:该方法能够平均以2.5 s的识别时间达到90%以上的识别成功率, 且具有良好的实时性。
全局参数自动估计的彩色图像偏振去雾方法
代晴晴, 范之国, 宋强, 陈玥
2018, 39(4): 511-517. doi: 10.5768/JAO201839.0402005
摘要:
雾天环境下由于大气粒子对光线的散射作用导致成像质量下降, 针对雾霾等天气下图像退化问题, 提出了一种全局参数自动估计的彩色图像偏振去雾方法。利用不同角度的3幅偏振图像, 自动估算无穷远处的大气光和大气光的偏振度, 根据大气散射模型得到去雾后的图像。从RGB 3个色彩通道分别计算相应的参数, 使得算法适用于彩色领域。首先使用暗通道方法估计无穷远处的大气光和传输图, 并通过导向滤波对传输图优化; 然后基于大气光和目标光的不相关性, 采用全局搜索的方法估计大气光的偏振度; 最后根据大气散射模型恢复出清晰目标图像, 并利用对数变换进行增强。本文方法在雾霾天气下能够得到清晰的去雾图像, 且在浓雾天气下, 去雾图像的信息熵提升了约21%, 平均梯度提升了约2倍多, 标准差提升了约12%。实验结果表明, 本文方法较好地解决了人工取景估计参数不佳的问题, 提高了复原目标图像的清晰度和对比度, 可以用于彩色图像的目标探测与识别。
全局参数自动估计的彩色图像偏振去雾方法
代晴晴, 范之国, 宋强, 陈玥
2018, 39(4): 551-555.
摘要:
雾天环境下由于大气粒子对光线的散射作用导致成像质量下降,针对雾霾等天气下图像退化问题,提出了一种全局参数自动估计的彩色图像偏振去雾方法。利用不同角度的3幅偏振图像,自动估算无穷远处的大气光和大气光的偏振度,根据大气散射模型得到去雾后的图像。从RGB 3个色彩通道分别计算相应的参数,使得算法适用于彩色领域。首先使用暗通道方法估计无穷远处的大气光和传输图,并通过导向滤波对传输图优化;然后基于大气光和目标光的不相关性,采用全局搜索的方法估计大气光的偏振度;最后根据大气散射模型恢复出清晰目标图像,并利用对数变换进行增强。本文方法在雾霾天气下能够得到清晰的去雾图像,且在浓雾天气下,去雾图像的信息熵提升了约21%,平均梯度提升了约2倍多,标准差提升了约12%。实验结果表明,本文方法较好地解决了人工取景估计参数不佳的问题,提高了复原目标图像的清晰度和对比度,可以用于彩色图像的目标探测与识别。
光学计量与测试
红外目标等立体角标定和测量方法研究
王学新, 杨鸿儒, 俞兵, 闫晓宇, 郝淑杰, 谢毅, 李四维, 汪建纲
2018, 39(4): 518-521. doi: 10.5768/JAO201839.0403001
摘要:
为解决红外目标隐身效果评估过程中辐射计视场响应不均匀对测量结果的影响, 提出一种等立体角标定和测量的方法。采用同光路原理消除光学系统轴外像差造成的视场响应非均匀对测量结果的影响, 实现红外隐身目标辐射强度等参数的标定和测量。以标准黑体为测量对象, 采用本文提出的测量方法对其在(3~5)μm的积分辐射强度进行实验验证, 结果表明其测量值与标准值相对误差小于2%, 测量相对不确定度优于3.7%(k=2)。
基于正弦和三角波条纹投影的三维测量方法
邱磊, 钱斌, 伏燕军, 钟可君
2018, 39(4): 522-527. doi: 10.5768/JAO201839.0403002
摘要:
在现有的针对复杂物体表面形貌的三维测量方法中, 为了完成绝对相位的测量, 通常需要处理至少6幅条纹图像, 限制了测量速度。提出了采用2幅正弦条纹和2幅三角波条纹图来获得物体三维形貌的方法。利用两步相移正弦条纹和两步相移三角条纹得到截断相位, 再利用两步相移三角波条纹得到条纹级次, 减少了投影条纹幅数, 提高测量速度。在得到条纹级次时, 计算三角波条纹强度调制和强度对比度, 与计算相位相比, 可以减少数据处理的时间, 进一步提高测量速度, 同时能减小物体表面反射率的影响, 提高了测量精度。测量最大高度为39 mm的阶梯状标准块, 得到的最大绝对误差和最大的RMS误差分别为0.045 mm和0.041 mm。验证了该方法的有效性和实用性, 在高速实时的复杂形貌三维测量中有广泛的应用前景。
基于双目立体视觉的高压绝缘子在线检测系统
贺文俊, 王加科, 付跃刚, 莫时骏
2018, 39(4): 528-535. doi: 10.5768/JAO201839.0403003
摘要:
针对国家电网系统在防污闪工作中, 无法在线测量电气设备爬电距离的现状, 基于双目立体视觉研制了一种高压绝缘子爬电距离的带电检测系统。提出了利用圆锥面离轴反射镜产生线结构光的方法。利用窄带滤光片增强了线结构光在图像中的对比度, 并结合最大类间方差法和灰度重心法对图像进行自适应阈值分割, 实现了特征点的自动提取, 解决了强太阳光和复杂背景对特征点提取的干扰问题。通过系统标定后, 对高压绝缘子样品的爬电距离进行了精度测试, 实验结果表明最大相对误差为1.45%, 平均相对误差为0.69%, 已成功应用于110 kV变电站中各种绝缘子爬电距离的在线带电测量。
敦煌辐射校正场反射辐射偏振特性研究
丁满超, 翟文超, 张权, 韦玮, 李新, 郑小兵
2018, 39(4): 536-544. doi: 10.5768/JAO201839.0403004
摘要:
卫星遥感器辐射校正场的地表反射辐射测量(例如地表反射率、地表辐亮度等)对卫星遥感器的在轨定标至关重要。由于地物光谱仪自身具有一定的偏振敏感性, 场地反射辐射的偏振特性将会引入偏振测量误差。采用基于偏振成像仪和塔吊的非定点测量方式以及基于偏振光谱仪和BRDF测量架的定点测量方式, 测量了敦煌场490 nm和670 nm波段场地反射辐射的多角度偏振分布和局地偏振均匀性。试验结果表明, 敦煌辐射校正场的反射辐射具有一定的偏振特性。偏振特性和波段有关, 490 nm波段偏振度明显大于670 nm波段。490 nm和670 nm波段的多角度偏振分布关于太阳主平面对称。在太阳主平面内, 前向散射区偏振度大于后向散射区, 并随天顶角变大而变大。两种测量方式获得了一致的偏振特性分布规律。获得了直径100 m区域的场地反射辐射局部均匀性, 均匀性在6%左右。研究场地反射辐射的偏振特性对于场地辐射探测方案的改进以及辐射测量精度的提高具有重要意义。
便携式非分光红外SF6气体检测方法研究
沈婉, 常建华, 赵勇毅, 赵正杰, 裴昱
2018, 39(4): 545-550. doi: 10.5768/JAO201839.0403005
摘要:
为了满足电力系统中对SF6气体精确测量的需求, 基于非分光红外差分检测原理, 设计了一种便携式的SF6气体传感器。系统采用单光束双波长结构, 对直射式和梯形反射式气室进行光学仿真, 最终确定了气室类型, 提高了系统的紧凑性和灵敏度。在电路方面设计了一种小信号放大滤波电路, 有效地将有用信号从噪声中提取出来; 传感器采用高精度高性能模数转换器将模拟电信号转换为数字信号送入单片机处理, 大大提高了检测精度。实验结果表明, 该传感器能够准确检测体积分数为0~2×10-3范围内的SF6气体, 满量程精度可达4.2%。
光学器件与制造
表面贴装封装发光二极管的结构设计
詹前靖, 刘小勤, 侯再红, 袁怿谦, 吴毅
2018, 39(4): 556-562. doi: 10.5768/JAO201839.0405001
摘要:
为了提高表面贴片封装(SMD)发光二极管(LED)封装结构的封装效率,根据LED的光学结构和性质,建立了简化的SMD LED封装结构模型,并实现了LED封装结构的连续自动生成、仿真和优化。仿真结果表明:在色温相同的条件下,光通量和辐射通量呈线性关系,侧壁的改变会造成白光光通量先增加后减少的趋势。通过对3款不同侧壁张角的LED进行测试,测试结果与仿真结果光通量趋势相同,并得到了对于这种封装方式的最佳侧壁张角为60°的结论,验证了仿真的正确性。
地平式离轴扩束光学系统装调技术
赵奇, 胡明勇, 李明杰, 封志伟, 范二荣
2018, 39(4): 563-568. doi: 10.5768/JAO201839.0405002
摘要:
为实现地平式离轴扩束光学系统的高精度装调,利用4D干涉仪加装平面镜头配合标准平面镜实现自准直检测,并针对实际使用过程中镜筒需要绕俯仰轴旋转的问题,提出一种动态检测方法。根据实际装调结果,建立空间直角坐标系,利用旋转过程中光斑最大偏离量计算二轴正交误差。装调结果表明,采用自准直检测及动态检测方法,主镜面形精度为0.028 8λ@632.8 nm,系统波像差RMS为0.131λ@632.8 nm,二轴正交误差为2.06″。
2 μm波段宽带可调谐全光纤激光器
王天枢, 王诚博, 马万卓, 王富任, 吕江泊, 陆劲松, 梅朝阳, 黄嘉伟
2018, 39(4): 569-573. doi: 10.5768/JAO201839.0405003
摘要:
设计并实验研究了一种采用Fabry-Perot (F-P)光纤滤波器的2 μm波段宽带可调谐全光纤环形激光器,经过放大的1 550 nm半导体激光泵浦单模铥-钬共掺光纤(THDF)获得2 μm波段宽带增益。实验结果表明,该结构在2 μm波段获得了195 nm调谐范围的激光输出,线宽0.05 nm,边模抑制比66.98 dB。整个结构采用铥-钬共掺光纤放大结构,可使输出功率达到瓦级。
红外技术
短波红外成像系统对激光光斑探测能力分析
陆红强, 张璟玥, 张宝泉
2018, 39(4): 574-578. doi: 10.5768/JAO201839.0406001
摘要:
通过短波红外探测器灵敏度、目标和环境探测输出信噪比、对比度等分析,计算给出不同大气能见度、环境照度条件下,短波红外热像对外界景物和激光光斑的探测距离,并对理论分析进行试验验证。结果表明,在大气能见度1 km~3 km、环境照度1 lx~1 000 lx、阈值信噪比2.25~10、阈值对比度0.01~0.02的条件下,短波红外热像对激光光斑探测距离为0 km~3.5 km。
一种用于MOCVD石墨盘的红外测温装置
杨超普, 方文卿, 阳帆, 刘苾雨, 李春, 张美丽, 韩茜, 刘彦峰
2018, 39(4): 579-584. doi: 10.5768/JAO201839.0406002
摘要:
根据MOCVD (metal organic chemical vapor deposition)在线红外测温的发展需要,结合Thomas Swan CCS MOCVD反应室的结构特征,考虑加热比调节空烧过程的特定条件,设计了一种能够在线监测MOCVD石墨盘上表面温度及径向19个点温度分布的简易940 nm红外测温装置。通过安装于光学视窗上方的红外探头,探测高温石墨盘及外延片的红外辐射强度,根据Planck黑体辐射公式及光谱发射率修正进行测温。红外测温装置主要由可读数轨道、红外探头、连接板以及精密平移台4部分组成。将该装置应用于MOCVD Si(111)衬底上制备InGaN/GaN多量子阱(MQW)结构外延片加热程序的空烧过程,结果表明:最低能够测量的温度为430℃,700℃~850℃测量误差在2.3℃内,900℃~1 100℃测量误差在1℃内,700℃~1 100℃范围内,重复性均在0.6℃内,无需反射率修正、探孔有效面积校准;能稳定工作。
光纤传感与光通信
基于多波长布里渊光纤激光器的温度传感特性
贾青松, 王天枢, 王振, 陈博文, 薄报学, 姜会林
2018, 39(4): 585-589. doi: 10.5768/JAO201839.0408001
摘要:
为了在高腐蚀、高辐射和强电磁干扰等复杂环境下实现对温度的精确测量,设计并实验了一种基于传感多波长布里渊光纤激光器(MBFL)和参考MBFL的高灵敏度全光纤温度传感器。理论和实验上分析了布里渊散射光的频移与温度变化之间的关系,根据输出斯托克斯激光信号对拍频所得微波信号的频移变化,测量温度的变化。通过带宽为0.1 nm的可调谐光滤波器选择第10阶斯托克斯激光信号对输出,并对其进行拍频探测,实现对传感MBFL周围温度变化的精确测量。通过拍频探测第10阶斯托克斯激光信号对,得出其灵敏度为10.829 MHz/℃。当选用第10阶斯托克斯激光信号对进行温度测量时,温度变化40℃的测量误差约为0.138℃。
基于累加平均的分布式光纤拉曼测温系统
陈瑞麟, 万生鹏, 贾鹏, 唐晨飞
2018, 39(4): 590-594. doi: 10.5768/JAO201839.0408002
摘要:
分布式光纤拉曼温度传感(DTS)系统是一套基于光纤中的拉曼散射效应来实现分布式温度监控的系统,利用光纤中拉曼散射光的强度与光纤的温度状态有关的原理对温度进行实时监测。设计了一套9 km的光纤拉曼测温系统,利用数据采集卡对斯托克斯和反斯托克斯光进行采集,在电脑端对温度进行累加平均处理,将微弱的信号从系统的噪声中提取出来,提高其信噪比。在累加平均16 000次的情况下测温精度达到了±2℃。