高分辨相机传函测试误差分析

文中通过对高分辨相机静态传函测试中误差产生的机理进行分析,提出了相应的测试策略,有效抑制条纹靶标周期偏差、环境振动及图像噪声对MTF的影响。TDI CCD相机的MTF测试值受到条纹靶标周期偏差、环境振动和图像噪声的影响,通过分析上述因素对MTF测量值的影响机理,建立了条纹靶标周期偏差、环境振动和图像噪声对传函的影响模型,并分别提出了针对条纹靶标周期偏差引入的MTF测量值修正方法,以及针对噪声影响提出了MTF计算模板的最优化选取算法,通过最优化模板计算得到的MTF测量值可以有效抑制图像噪声的影响,同时抑制环境振动以及条纹靶标周期偏差引起的摩尔条纹对MTF测量值的影响。根据对某空间相机实测图像的分析结果,横向模板尺度应不大于摩尔条纹横向周期的4%,纵向模板的尺度应不大于摩尔条纹纵向周期的2%,分析表明模板越大,MTF受噪声影响越小,但受环境振动和条纹靶标周期偏差影响越大,实际工程中应结合相机本身的噪声水平,在最优区间选取MTF计算模板,使得测量值更准确。     

基于双相机标靶的直线顶管掘进机导向方法

针对直线顶管掘进机在掘进导向中所面临的响应速度慢、成本高的问题,提出了一种基于双相机靶标的实时位姿测量方法.利用对向安装的两个工业相机及两块感光成像屏组成测量标靶,并辅以一道已知空间方位信息的指示激光.所提方法利用光斑图像分析处理、标定网格检索以及欧拉角解算技术,可完成掘进机相对计划线在工程坐标系下水平/垂直偏差的测量...     

扫描镜动态性能的自准直检测技术研究

为检验扫描镜的动态性能,提出了一种动态自准直检测方法,该方法巧妙地将被检扫描镜和动态靶标上目标模拟反射镜纳入动态光电自准直仪准直光束的传播路径中,并构成闭合的光学自准直测量回路。设计了扫描镜动态性能的自准直检测装置,并利用自准直方法对动态靶标的自身精度进行标定。实验结果表明,动态靶标在360°的范围内的动态精度为±15μrad,可检测最大速度为80°/s,最大加速度为50°/s2。将该检测方法和装置应用于某型号空间激光照明成像跟踪系统中扫描镜的方位轴、俯仰轴独立性能的检验,获得了相应的静态轴系晃动、阶跃响应和连续跟踪等性能数据,为扫描镜的性能改进提供了参考和帮助。     

手眼相机位姿测量精度理论分析及验证

从理论和实验上对手眼相机位姿测量精度进行了研究。首先,根据靶标设计形式和P3P 算法介绍位姿测量原理。接着,从理论上分析了位置测量精度和姿态测量精度,即靶标沿X 轴平移位置测量精度和靶标绕X 轴、Y 轴、Z 轴旋转测量精度。然后,对通常的检测方法进行分析,提出了以产生相对位姿实现六维自由度变化的检测方法,提出用中误差对测量精度进行评价,并具体介绍了检测方法。最后,对手眼相机测量精度进行了实际检测,将实验数据与理论数据进行了对比分析。实验结果表明:距离测量精度最大为25.60 mm,旋转测量精度最大为1.4毅,均满足测量精度的要求。     

大视场TDI CCD相机静态传递函数实时检测与记录系统

为了解决大视场TDI CCD相机静态传递函数(下面简称传函)检测过程中传函图像受环境影响较大、检测准确度不高等问题,设计了一种静态传函实时检测与记录系统。首先,根据大视场TDICCD相机静态传函图像特征,建立一个实时检测与记录的硬件和软件平台,实时接收相机输出的图像数据。其次,分析清晰靶标图像和模糊靶标图像的特征,设置区分两者的静态传函阈值,从实时接收的靶标图像中选取清晰靶标图像作为检测样本。然后,对靶标图像样本中的所有TDI CCD像元处的静态传函进行计算并做均值处理,将靶标图像样本的图像数据和静态传函值进行记录以便于后期分析处理。最后,对大视场TDI CCD相机5个通道进行静态传函的实时检测,记录20帧靶标图像样本的平均静态传函值,分析每个通道静态传函的标准偏差。实验结果表明:系统在选取0.01作为静态传函阈值的情况下,大视场TDI CCD相机每个通道静态传函值的标准偏差均小于1%,有效去除了模糊靶标图像引起的检测误差,提高了静态传函检测的精度和效率。     

彩色摄像机颜色分辨力测量

为实现对彩色摄像机颜色分辨力测试,设计了通过双离散颜色源、反射式准直光学系统和四杆靶靶标模块组成的测试装置。双离散颜色源分别产生经过标定的前景和背景颜色光束,经过准直光学系统,最终合成四杆靶测试靶标图像。该系统在测量过程分别获取各频率下从靶标图像中提取的目标靶标并对其进行色差计算,通过图像算法对测试靶标进行判断和识别,获得彩色摄像机的最小可分辨色差(minimum resolvable E difference,MRED)和最小可探测色差(minimum detectable E difference,MDED),实现对彩色摄像机颜色分辨力的客观检测。     

考虑液压扰动的水下机械手空间转角六点测量方法

提出了一种“空间转角六点测 量方法”,在机械手被测关节上固定六个靶标点,通过立体视觉方法计算出转动起始与结束 两个位置的靶标 三维中心坐标,先进行液压扰动的位姿矫正,再计算该关节的实际转角,并在此基础上开发 了一套完整的 基于多目立体视觉的测量系统。通过模拟测量实验,证明了在测量水下机械手的关节转角时 ,本文提出的“六 点测量方法”可有效消除扰动的影响,其中在计算空间角时所采用的投影法优于单位四元数 算法,其在空间 点测量误差范围为(－2,2)mm的情况下角度测量误差为0. 037。最后通过对某型号水下液压机械手关节转 角范围的现场测试验证了所提出的测量方法的可行性及其精度。     

激光监测系统测量精度的检测方法

激光监测系统用于测量靶标上激光光斑重心位置,为了检测其测量精度,分析了该系统的测量原理,提出了采用激光标准模拟靶的检测方法。根据激光标准模拟靶漫反射率的测量方法及结果,应用数理统计方法和误差理论,建立了激光标准模拟靶的测量误差模型,估算了激光标准模拟靶的检测量精度,现激光标准模拟靶已成功用于激光监测系统的验收。试验结果表明,激光标准模拟靶检测精度高,是一种经济实用、操作性好的新方法。     

基于EPNP算法的单目视觉测量系统研究

利用计算机视觉进行姿态测量的方法已广泛应用于现代控制、导航、跟踪等多个领域中。研究并设计了一种基于P4P矩形分布的平面靶标和EPNP算法结合的单目视觉姿态测量方法。首先,利用单相机获取平面靶标图像,经图像处理后得到四个特征点的像素坐标,并使用EPNP算法进行姿态解算;其次,对姿态角测量误差进行了仿真分析,为提高姿态测量精度提供了理论指导和依据;最后,提出一种与高精度二维转台结合的坐标系配准方法,利用该方法对三个方向姿态角精度进行验证。实验结果表明:当绕x和y轴的转动角度在[-6,6]时,姿态测量误差小于0.1,可以满足测量应用需求。     

大型星载网状天线型面检测技术与工程实践

将工业数字摄影测量技术应用于某17m口径网状天线的型面精度检测中:采用回光材料制作人工标志,利用编码标志来完成摄站的自动定向和同名点匹配,经光束法平差解算点的坐标,用CAD面型转换法来计算型面偏差。通过工程实践成功验证了数字摄影测量方法具有测量精度高、测量速度快和动态性能好等优点,特别适合大型网状天线的型面检测。     

振动条件下成像系统与载体联接参数优化设计

载体振动是制约飞行器上光机系统成像像质的主要因素之一,目前针对这一问题的研究集中在优化系统内部支撑固定结构和设计外部附加减振装置等方面,而对于载体与成像系统之间联接参数方面的改进较少。联接参数不仅在静力载荷作用下影响结构的受力状态,还决定了机械子系统的模态和振动条件下系统的响应位移量。首先通过分析静力和振动条件下光学元件变形量受联接位置参数、角度参数的影响,建立了联接参数同系统动态像质的影响关系,进而提出了以成像系统光学传递函数(MTF)为优化目标的振动条件下联接参数优化方法,最后通过某成像系统实例说明:在不改变系统内部光机结构、不增加外部减振装置的前提下,系统优化后的各视场动态MTF同设计值相比综合下降率不到7%,即在给定随机振动条件下系统可获得无模糊的图像。     

FY-2卫星热红外波段MTF在轨评价及其在改进图像质量中的应用

提出了基于理想斜坡模型及目标延拓空间卷积变换的采样成像系统热红外波段MTF在轨评价方法.仿真结果表明,该方法对性能良好的成像系统而言,系统特征MTF值的绝对评价误差约0.05.同时,利用2006～2008年间的观测数据,定量评价了FY-2C卫星热红外通道的系统MTF特性,与卫星发射前地面测试结果基本一致.采用在轨评价得到的系统点源扩展函数(PSF),对FY-2C卫星热红外通道图像进行了复原处理,得到了清晰度更高的图像产品,并给出了对典型台风监测结果的改进.传统在轨MTF评价方法中采用的理想阶跃模型,可视为理想斜坡模型中参数Nslope为0时的特例.因此,该方法同样适用于可见光、近红外波段的在轨MTF评价.     

激光关联成像在烟幕条件下的实验研究

烟幕是一种复杂且特殊的散射介质,穿透烟幕成像是一项具有广阔应用前景的课题。为探究计算关联成像技术在烟幕环境下的抗散射性,设计烟幕箱结合计算关联成像的实验系统,在静态与动态散射的环境下进行了实验,得出了计算关联成像在探测路径存在静态与缓慢变化的动态烟幕情况下可实现成像的结论;针对快速动态烟幕条件下的成像降质问题,提出了逐点补偿方法。由于在动态散射的情况下光强涨落掺入了额外的衰减因素,利用获得的以特定频率投影特定帧的强度值可追踪衰减系数的变化,将原始光强值除以衰减系数得到校正后的光强值。该方法在低投影频率的条件下具有优势,通过对比得到了该方法的适用条件。     

利用鬼线及傅里叶分析测量光纤狭缝光谱仪MTF

光学调制传递函数是评价光学系统成像性能的重要指标。以光纤传像束和CCD(CMOS)为代表的离散采样成像器件已经成为高效数字成像系统的重要组成部分。离散采样成像器件对输入光波面是一种线性但不是完全的空间不变过程。MTF的基本原理是系统对空间正弦信号的频率响应。将此类光学系统作为黑箱问题分析,测试系统的频率响应最优方法是选择单频正弦光强图像靶标输入。据此变缺陷为优点,研究利用光栅鬼线结合光学空间二维傅里叶分析,实现连续整数倍频的正弦光强空间波面的提取,得到连续整数倍频的正弦光强图像靶标,并测量了线列光纤狭缝光谱仪系统的MTF,通过测量值拟合获得系统的MTF曲线。     

面向卫星动中成像模式的地面实验系统

动中成像模式可实现卫星在大角度快速机动过程中成像,满足遥感观测多样化、定制化、精细化需求。分析了动中成像地面实验系统的基本原理,并在实验室搭建了一套面向动中成像模式的地面实验验证系统。该系统采用高精度、高稳定的动态气浮靶标和基于外触发信号的相机积分时间调整方法。研究了成像质量和光强的关系以及成像质量和相机探测器积分级数、卫星机动角速度的关系,开展了自定义运动曲线的动中成像实验。结果表明,在相机探测器线性区内,不同机动角速度与探测器积分级数获取的图像动态调制传递函数(MTF)值的范围为0.0918~0.1054,满足工程应用(0.1附近)的要求,且MTF值与机动角速度、探测器级数无关。动中成像实验中系统运行稳定,动态MTF值在0.1015±0.0098之间。     

红外瞄具温度应力可靠性检测系统研究

为了检测红外瞄具在高低温恶劣环境下对不同波长的红外目标成像可靠性,利用黑体和平行光管组成的光学系统模拟无穷远红外目标,红外瞄具置于高低温环境下,CCD采集红外瞄具对红外目标所成的像,从而判定高低温下红外瞄具成像质量。所设计的平行光管视场大,各波长对应焦平面处在20 lp/mm空间频率下的MTF均高于0.2。同时为了实现快速准确地在检测系统中提供稳定的-55~70℃的高低温实验条件,采用一种基于自适应模糊PID温度控制技术。采用自适应因子将模糊推理器和PID控制器相结合,通过在线自调整控制参数,进一步提高了PID控制器的性能和系统的控制精度。实验表明该方法提高了常规PID控制的动态响应过程并保持无静态误差,其控制精度可达0.05℃。     

无扫描宽范围多波长成像测温技术

多波长测温是一种先进的辐射测温技术,其原理是假定发射率光谱模型,利用测得的多波长辐射与波长发射率函数关系,求得目标的真温和发射率。多波长成像测温技术通过探测目标的多波长辐射图像信息,反演计算得到目标的温场分布。针对基于彩色CCD的多波长成像测温不能适应非线性光谱发射率模型、测温动态范围较窄等不足,提出了一种基于光阑处非等比例滤色分光的四波长无扫描成像测温方法,有效压缩了波段成像带宽,形成了四个窄波段的成像探测,适用于非线性光谱发射率模型目标宽动态范围温场测量。根据提出的测温方法研制了四波长成像测温仪。测温仪主要由窗口、中性衰减片、四色滤光片、光学物镜镜头、可见/近红外集成传感器、测量控制单元及软件等部分组成。测温仪软件由目标四个波长的单色成像图像,得到目标的真温温场分布。在激光加热条件下对800~2500 ℃目标高温温场进行了试验测试,测量结果与热电偶数据比对表明误差小于1%,具有较高的准确度和较好的动态范围适应性。     

CCD相机调制传递函数的测试分析

调制传递函数(MTF)是评价CCD相机成像系统质量的重要参数,它能真实地反映相机拍摄时的空间频率与图像对比度的关系。CCD相机的MTF测试中最关键的是靶标的选择,它决定了整个系统的测量精度和操作过程的复杂程度。理想的靶标函数是正弦函数,但制作光出射度随正弦波规律变化的分辨率板是非常困难的,因此利用明暗相间、相互平行的黑白条纹分辨率板来代替正弦波分辨率板,提出了测量MTF的方法。重点对CCD相机在奈奎斯特频率处的MTF测试结果进行了分析与评价。     

基于DMD的高动态范围成像光学系统设计

为了解决光电成像设备对空间实际场景观测时提出的高动态范围要求,设计了一种新型的像元级光强调制的高动态范围成像系统。系统由成像物镜、折叠反射镜、二次成像转置物镜组成,采用TI公司的数字微镜阵列（DMD）作为光强调制器件,通过光瞳匹配原则使两个系统完美衔接,并利用二次成像系统实现DMD单元与图像传感器的像素一一对应,设计结果显示:在像面的Nyquist频率处,全视场的MTF0.55,弥散圆的直径小于CMOS图像传感器的像素尺寸,并且畸变等像差也校正良好。该方法不仅可以提高图像传感器的可探测动态范围,还能够实时地探测到强弱目标,满足空间目标视景成像的要求。     

采用热像系统MTF(调制传递函数)建立虚拟热像仪的研究

热像仪作为一种成像系统,其功能是将接收到的二维空间分布的景物红外辐射转换成可视图像再现景物的红外图像.利用光学傅立叶分析的方法可以把热成像系统看作线性滤波器,并建立热成像系统的静态性能模型.利用热成像系统静态性能参数MTF(调制传递函数)的实验室测试数据作为幅频特性,用设计数字滤波器的频率样本法构造仿真热像仪MTF的二维图像滤波器,以此为基础可以建立用计算机仿真热像仪空间分辨特性的模拟环境.