基于波前编码的大焦深弹载双色红外探测系统

波前编码技术通过在光学系统光瞳位置加入特殊的相位掩模板,对目标信号光波进行编码调制,并在图像处理端对该编码信号进行解码而恢复原图像,由于被编码调制后的波前对离焦等像差的不敏感度扩大了十数倍,能显著扩大光学系统焦深。因此,波前编码技术能在编码与解码之间解决恶劣力热条件或多色制导体制对弹载红外探测系统带来的离焦和对准误差。文中基于波前编码扩大焦深基本原理,对一长长双色红外光学系统进行了10倍焦深扩大的波前编码像差钝化设计。集成样机后,进行了波前编码成像实验。以小孔点靶编码像作为PSF解码10倍离焦位置处的十字靶和四条靶图像,十字靶和四条靶解码图像清晰可辨,证明波前编码技术对于系统像差或离焦像差的抑制是有效的。最后,对波前编码成像效果进行了分析:解码图像的水波纹是由于空间采样PSF不足导致的,可提取不同视场位置PSF,使用空间变化解码算法实现条纹消除;由于解码图像会在放大信号的同时放大噪声,因此,解码算法需要进一步研究噪声抑制算法,以期满足弹载高能量、高信噪比应用的要求。     

波前编码技术在红外空空导弹上的应用研究

波前编码技术可以扩大光学系统的焦深,提高光学系统的无热化性能;也可以简化系统,减少光学零件数量。而空空导弹由于其体积较小,工作温度变化较大,其光学系统也面临着无热化设计和结构紧凑化设计等问题,因此研究波前编码技术在红外空空导弹上应用的可行性具有实际的意义。结合波前编码理论设计了一个适合于红外空空导弹,有效焦距f′为100 mm,F数为2,视场为±1.5°,工作波段为3~5μm的制冷型红外光学系统,通过Code V分析了光学系统在-45~60℃温度范围内的性能变化。     

不同光瞳对波前编码成像系统的影响

波前编码成像技术是一种光学编码和数字解码相结合进行景深延拓非常有效的技术.为了深入研究波前编码成像系统的成像性能,在介绍了波前编码成像原理的基础上,通过对比分析方形光瞳和圆形光瞳在编码前后分别对应不同离焦情况下的点扩散函数PSF和相应光学系统的模拟成像,得出:在传统光学系统中,圆形光瞳的离焦抑制能力优于方形光瞳;而在波前编码光学系统中,方形光瞳的离焦抑制能力明显优于圆形光瞳.这一结果对光学系统设计工作者具有非常重要的参考价值.     

基于波前编码的红外无热化光学系统相位掩模板热效应特性分析

分析了基于波前编码技术的无热化光学系统中相位掩模板的自身热效应,得到了不同温度下光瞳处相位板相位函数的变化.分析了由相位板热效应引起的波前编码系统成像特性的变化.通过数值及图像仿真证明了相位板热效应对波前编码无热化光学系统性能产生的影响.结果表明,相位板热效应对系统MTF(调制传递函数)的离焦不变特性和编码图像的可复原性产生严重的影响.     

基于波前编码的扩展景深短波红外成像系统

短波红外波段具备全天时、全天候成像的优良潜力，借助焦平面探测阵列在现代社会发挥着日益重要的作用。为了解决短波红外成像系统的离焦问题以提升平台适用性，将波前编码技术引入短波红外波段。针对无法配置调焦机构的轻小型短波红外成像系统，在光瞳位置放置三次方型相位板扩展景深。将相位板参数转换为径向坐标系数，利用调制传递函数一致性和图像可恢复性优化该系数。利用640 pixel×512 pixel的短波红外图像仿真波前编码成像性能，通过Lucy-Richardson经典算法还原中间模糊图像。光学设计和图像仿真结果表明，波前编码系统至少在±20倍景深范围内能够有效降低系统对离焦的敏感性，复原图像峰值信噪比最高可达38.5038 dB。     

波前编码应用于红外光学系统无热化的研究

波前编码技术是通过在光学系统的光阑位置放置位相板,对波前进行调制,使得光学系统对离焦类像差不敏感,从而增大了焦深,通过对中间模糊图像的数字滤波处理,可以获得清晰图像.焦深延拓的特点使该技术在红外光学系统无热化方面具有很好的应用前景.设计了一个有效焦距厂为100mm,F数为1.2,工作波段为7.5～13.5μ,m,工作距...     

基于波前编码的红外光学系统消热差设计研究

消热差是红外光学系统设计的重要环节之一,本文介绍使用波前编码技术进行红外光学系统消热差设计的原理及方法,分析波前编码的基本原理,给出波前编码光学系统调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)的表达式.在此基础上,以三片式长波红外光学系统为例,利用ZEMAX光学设计软件分析其在常温(+20℃)、-40℃和+60℃下的成像质量.分析结果表明,该系统在常温下的成像质量接近衍射极限,但是当温度在-40～+60℃之间变化时,MTF值迅速下降且出现零点,说明系统的成像质量急剧恶化,不再满足使用要求.加入波前编码相位版进行消热差设计后,MTF值对温度不再敏感,在不同温度下可以得到较为清晰的目标图像,表明波前编码技术可以实现红外光学系统的消热差设计.     

应用波前编码技术的离轴三反系统的设计及其分析

波前编码技术是一种新兴的"光学一数字"一体化成像技术,可以在保持光学系统相对孔径不变的情况下扩展其焦深,并控制与离焦有关的像差.这一特性使得该技术在空间相机上的应用有着广阔的前景.讨论了波前编码技术在空间用离轴三反光学系统上的应用,通过建立以次镜为波前编码元件的过渡模型给出了光学设计的结果,并以调制传递函数(MTF)为评价尺度对传统系统和应用波前编码技术的新系统的成像特性进行了对比;同时讨论了焦深扩展因子对系统焦深扩展程度以及成像质量的影响.分析结果证明了波前编码技术在空间光学系统上的巨大应用价值.     

红外成像光学系统无热化设计

红外成像光学系统受温度变化的影响非常明显,所以必须进行无热化设计.分析了温度变化对红外成像光学系统的影响,根据无热化设计技术设计一个能满足-40℃～80℃宽温度范围的红外成像系统.通过比较机械补偿法和光学补偿法两种无热化补偿技术,可以看出光学补偿法具有明显的优点.     

二次成像光学被动无热化设计

介绍光学被动无热化设计的原理,对二次成像系统进行热离焦分析,提出一种使物镜组和中继镜组无热化,从而实现二次成像系统无热化设计的方法。研究由三种材料4片透镜构成的镜组无热化的图解法并给出详细设计步骤。采用Ge、ZnS和CdTe三种常用的红外材料,设计一个长波二次成像光学系统。设计结果表明该系统在-60～70℃的温度范围内,具有良好的消热差、消色差性能。     

光电成像中不同形状编码孔径的解码比较

在X光成像中，编码孔径成像是一种两步成像过程，第一步是编码过程，利用编码孔径收集目标的图像；第二步是解码过程，对编码图像进行滤波和重建，以便获得高分辨率的可视目标像。而编码孔径主要有两种，一种是根据各孔径的形状分类；另一种是根据各子孔径在孔径平面的空间分布分类。解码过程中用的方法是维纳(Wiener)滤波。维纳滤波算法能够以很低的计算代价获得较好的复原效果。在简述孔径编码成像技术的原理和发展的基础上，提出在光电成像中利用编码孔径成像及图像恢复处理方法。对不同形状孔径进行编码解码处理，通过比较选择出最佳的孔径形状。并通过实验表明，利用该编码孔径成像可以在保证高分辨率的情况下，具有较高的集光效率和信噪比，成像效果很好。     

光纤阵列编码成像激光雷达系统

提出了一种基于光纤阵列的编码成像激光雷达,该系统采用光纤阵列代替传统成像激光雷达中的多像元光电探测器阵列。该设计通过编码、合波形探测、解码使用少探测器实现高分辨率成像,避免了高像素光电探测器阵列的研制难题。同时,对系统解码信号进行了进一步的去噪算法,仿真结果表明在低信噪比条件下小波去噪算法可以获得比较好的成像效果。     

面向高性能的红外折射式镜头装调技术

针对红外光学材料折射率不均匀导致系统波前产生异常像差,从而引起镜头像质严重下降的问题,提出了一种光学件位置迭代调整和面形修配相结合的系统波前补偿方法,实现面向高性能的红外折射式镜头装调。在光学件精密定心的基础上,设计了在线装调检测装置,依据镜头实测波前并结合计算机辅助装调技术,通过迭代调整光学件位置矫正系统波前初阶像差。对系统残留的中高阶像差,根据各视场测得的系统波前综合分析计算,采用修配光瞳处光学件面形,引入反残留波像差的方式补偿。实验上,通过对某红外折射式镜头装调,将镜头三个视场系统波前RMS (λ=3.39μm)分别由精密定心后的0.162λ、0.118λ、0.166λ降低至0.064λ、0.040λ、0.067λ,平均MTF (@25 lp/mm)由0.31提升至0.67。结果表明,这种装调技术对红外折射式镜头系统波前补偿效果明显,可大幅提升镜头成像性能,具有重要的工程应用价值。     

利用光学系统优化抑制气动光学激波效应

在大气中超音速飞行的物体的光学头罩与大气之间发生剧烈的相互作用,对光的传输造成影响,这种影响叫做气动光学效应。激波效应是物体与大气相互作用之后最先形成的气动光学效应,激波会使光学系统产生离焦,光学传递函数产生畸变,进而图像质量下降。本文利用采取对称波前编码技术搭建的全焦距信息光学成像系统对目标进行成像仿真,将光学系统传递函数进行优化,一定程度上实现了抑制激波效应对图像带来的影响,并对其进行了简要分析与讨论。     

太赫兹光场成像的实验与处理研究

太赫兹波的频率介于红外线与微波之间,其独特优势使得太赫兹三维成像已成为国内外的研究热点。为了将光场成像技术拓展到太赫兹波段,介绍了太赫兹光场成像的实验与处理方法。采用太赫兹相机阵列采集到了一系列特定视角的太赫兹光场数据。针对由成像系统的器件限制导致图像存在较强噪点等问题,通过离散余弦变换（Discrete Cosine Transform, DCT）滤波达到了较好的去噪效果并有效保留了图像的细节信息。利用峰值信噪比（Peak Signal-to-NoiseRatio, PSNR）和结构相似性（Structural SIMilarity, SSIM）图像质量评价指标对比了多种滤波去噪方法,证明了DCT滤波方法对于太赫兹图像预处理的可行性。通过选取不同深度值得到了不同景深处的图像重构结果,初步实现了太赫兹光场成像的数字重聚焦。     

单像素成像中的光信息编码与解码

单像素成像旨在通过单个感光元件记录目标场景信息。由于其高灵敏度、宽谱段响应等良好的特性,单像素成像是近年来的研究热点。通过对高维光信号的编码采集与解码重构,单像素成像能够满足丰富的成像需求。介绍了单像素成像的研究背景,简述了其成像原理及重构算法,从光信息编码与解码角度系统回顾了单像素成像的研究现状和前沿技术。此外,还讨论了单像素成像技术中存在的问题,以及未来可能的研究方向与应用。     

基于可见光及近红外的仿生视觉成像技术

为了解决传统单通道仿生视觉成像系统应用场景受限的问题,提出一种基于可见光及近红外的仿生视觉成像技术.首先,对多光谱光学成像系统进行研究,设计了以棱镜为分光元件的同口径双通道成像系统,对目标物体进行初步成像.然后,利用基于Roberts算子的图像清晰度评价函数并结合自适应变步长搜索策略对目标物体进行清晰成像.最后,搭建了以液体变焦透镜为调焦执行机构的实验装置,验证仿生视觉成像系统及自动调焦算法的实际性能,实验结果表明:光学系统的成像质量可满足实际需求,同时,自动调焦算法完成一次调焦过程的时间仅为1050 ms.     

Very low bit-rate wavelet video coding

An image sequence coding scheme for very low bit-rate coding is presented. The scheme is based on spatial redundancy reduction via the new edge-sensitive subband coding method and temporal redundancy reduction via windowed overlapped block-matching motion compensation. In this scheme, only significant regions of difference images are coded. Thus, the computational cost can be kept low. Significant regions are considered to be regions where motion is present (temporal activity) and/or regions where the image is very detailed (spatial activity). The significant regions are determined by an adaptive strategy based on both the motion vectors and an edge map of the current image. The scheme has the main advantage that there are no blocking effects in the decoded images at all due to the properties of both the temporal and the spatial coding used. The overall visual performance of the coding scheme is very good     

流场测速中基于深度卷积神经网络的光学畸变校正技术

基于光学成像的流场测量技术,如粒子图像测速技术（PIV）,易受到因流体中折射率的不均匀性或晃动的介质边界引起的光学畸变而带来的影响。这些畸变会使得示踪粒子在图像上的位置分布产生误差且严重影响图像清晰度,从而增大流场速度测量的误差。为了提高光学流场速度测量的测量精度,自适应光学系统可以应用于其中去校正光学畸变。基于图像流场测量中的光学像差具有频率高,动态范围大,空间分辨率高等特点,对于这一应用场景,基于波前校正器件的自适应光学系统受到了器件本身性能的影响。基于深度学习的自适应光学技术在流场测量中的应用,建立了一种基于深度神经网络的无波前校正器件自适应光学校正技术,以深度神经网络代替传统的波前校正器件,用于粒子图像测速技术中的光学畸变校正。为了生成神经网络所需要的训练和测试数据集,搭建了可以实现波前测量的粒子图像测速实验平台,分析并建立了光学畸变在粒子图像上的图像退化模型。最后,以校正后PIV图像的校正效果和流场速度测量结果作为评价标准,对所建立神经网络的畸变校正性能进行了分析。