哈特曼-夏克波前传感器的高精度质心探测方法

为提高哈特曼-夏克波前传感器(HS-WFS)的光斑质心探测精度以实现光学系统的高精度波前检测,提出了一种有效的质心探测方法。该方法利用非线性滤波和窗口法对整幅光斑图像进行全局处理后,结合中值滤波、三次样条插值和自适应Otsu阈值法对单个光斑进行局部处理。分析了三次样条灰度插值点个数不同,探测精度和计算时间的变化规律。采用该方法探测了含有噪声的光斑图像,其质心探测误差仅为0.0442pixel,比传统的非线性滤波、Otsu阈值法和探测窗口法探测精度分别提高了91.86%、87.97%和31.79%。对已知波像差的光学系统进行了仿真检测,得到的波前检测精度峰谷(P-V)值为0.0098λ,精度均方根(RMS)值达到0.0027λ。结果表明该方法能够提高质心探测精度,可用于高精度光学系统的检测。     

远场激光光斑图像处理方法研究

常用的基于高斯光束特性的激光光斑图像处理算法,处理远场光斑图像会丢失部分能量较低的光斑数据,致使处理出的光斑能量密度低端精度不能达到0.01J/cm2的需求。为了得到更精确的远场激光光斑数据信息,提出了基于噪声特性的激光光斑图像自动阈值处理算法。该算法在分析系统噪声特性的基础上,依据3原则确定图像提取阈值进行光斑图像处理。通过试验验证了该算法既能够有效抑制系统噪声,又能够改善光斑图像的处理质量,恢复光斑图像丢失的数据信息,使光斑能量密度低端达到探测需求。结果表明,基于噪声特性的光斑图像处理算法能够有效提高远场激光光斑的处理精度,更适用于远场激光光斑图像的处理。     

模型式无波前探测自适应光学系统抗噪能力分析

对于N单元变形镜,模型式无波前探测自适应光学系统只需N+1次远场光斑测量,收敛速度快。使用88单元变形镜、CCD成像器件等建立自适应光学系统仿真平台,分别从理论分析和仿真实验出发探讨模型式无波前探测自适应光学系统在噪声情况下的波前校正性能。结果表明:噪声条件下,基于模型的无波前探测自适应光学系统收敛速度保持不变;相同湍流条件时,不同噪声水平下的校正效果接近。与噪声水平50 dB时的结果相比,按照给定湍流条件从弱到强,噪声水平为30 dB时校正后平均RMS相对误差分别为4.75%、4.04%和2.58%。上述结果验证了基于模型的无波前探测自适应光学系统具有较强的抗噪能力。     

集成光学高压脉冲电场传感系统中的噪声分析

给出了集成光学高压脉冲电场传感系统的工作原理,使用1.2μs/50μs高压脉冲信号作为信号源对传感系统进行测试。分析了探测到的信号中噪声的主要来源:包括传感器电极、天线及封装外壳等寄生元件产生的寄生振荡,以及含光源、光电探测器引入的电路噪声等。采用快速傅里叶变换(FFT)对信号源和探测到的信号进行频谱分析,得到信号源主要集中在0~160kHz范围内,噪声频率主要集中在大于160kHz范围内。使用基于FPGA的频域数字滤波法对探测到的信号进行去噪声处理,结果表明信号源与被探测信号的均方误差由在滤除噪声前的20.427 7降为滤除噪声后的1.867 8。     

集成光学高压脉冲电场传感系统中的噪声分析

给出了集成光学高压脉冲电场传感系统的工作原理, 使用1.2μs/50μs高压脉冲信号作为信号源对传感系统进行测试。分析了探测到的信号中噪声的主要来源: 包括传感器电极、天线及封装外壳等寄生元件产生的寄生振荡, 以及含光源、光电探测器引入的电路噪声等。采用快速傅里叶变换(FFT)对信号源和探测到的信号进行频谱分析, 得到信号源主要集中在0~160kHz范围内, 噪声频率主要集中在大于160kHz范围内。使用基于FPGA的频域数字滤波法对探测到的信号进行去噪声处理, 结果表明信号源与被探测信号的均方误差由在滤除噪声前的20.4277降为滤除噪声后的1.8678。     

基于DSP的自适应噪声消除系统

自适应噪声消除技术在信号处于噪声很强的环境中时,可以非常有效地将噪声去除掉。而DSP是一种高速、高性能的专业数字信号处理器,用DSP实现自适应噪声消除,其具有很好的实时性和处理精度。在此完成了基于DSP的自适应噪声消除系统,有效地消除了信号中的噪声。     

基于FPGA的红外光斑中心实时检测

红外光斑中心检测在红外自动验光仪、红外测距仪等光学测量和检测仪器中是一项关键技术,检测算法的精度、速度直接影响光学测量的精度及速度。目前的检测处理系统多是基于PC机的,存在着实时性、稳定性问题。在总结各种检测算法的基础上,基于重心法使用FPGA实现了低信噪比红外光斑中心的实时检测。在实验电路中,先使用视频解码芯片SAA7113将模拟CCD视频信号转化为CCIR656格式数字信号;再在FPGA内部使用流水线结构进行直方图计算,计算阈值,二值化图像,五次二值图像收缩,五次二值图像膨胀处理以去除噪声,然后计算重心坐标。实验电路对红外自动验光仪中产生的视网膜反射红外光斑PAL制式视频图像信号能在1／25s完成一幅图像的检测。而普通PC完成同一过程需要1S左右。文章介绍了基于FPGA实现方案。     

基于探测器噪声分析的红外图像增强算法

红外成像制导系统中,来自目标的辐射信号是极其微弱的,噪声特性直接影响探测器的探测能力,降低探测器的噪声是提高其探测能力的有效方法之一。首先,对探测器噪声的频谱进行了分析;然后,提出了基于探测器噪声分析的红外图像去噪算法——基于小波域自适应维纳滤波算法,主要讨论在预处理阶段如何去除白噪声和分形噪声。由于分形噪声的小波系数是平稳的,不相关的,可近似看作高斯白噪声,通过对图像进行小波变换,先将分形噪声转化为白噪声,进而采用自适应维纳滤波算法滤除噪声。用采集的大量红外图像作实验,结果表明,该算法能够有效地去除多元探测器成像中的噪声信号,显著地提高信噪比,为后续弱小目标的检测和识别提供了良好的基础。     

基于FPGA的夏克-哈特曼探测器实时波前处理机

夏克-哈特曼波前传感器是目前自适应光学系统中应用最为广泛的实时波前探测器。本文针对具有高分辨、高帧速、大规模子孔径数的夏克-哈特曼传感器,根据其波前处理计算量和实时性的要求,提出了一种基于现场可编程门阵列（FPGA,field-programmable gate array）的实时波前处理机结构及波前斜率计算方法。该方法利用核心处理模块重复利用的方式完成子孔径内光斑质心的计算,并通过USB3.0将处理后的质心数据实时传输给PC机。处理机以一片XILINX公司Kintex7-XC7K325T的FPGA作为处理芯片进行了设计,结果表明:该算法可对560帧/s的1020×1020图像（580 MB/s数据量）,56×56子孔径哈特曼传感器,进行低延时实时光斑质心计算,提高了系统的波前处理速度和整个自适应光学系统的控制速度。     

高重频光子计数激光雷达样机设计及测距试验

为了验证星载激光三维成像雷达技术,设计研制了一种基于高重频光子计数体制的分视场、无扫描的多通道激光雷达地面原理样机。系统采用两路高重频、微脉冲激光器输出,结合大光斑多元细分阵列光子探测方式实现多通道探测,并采取基于FPGA的时间相关符合计数信号处理技术,对单光子响应时刻进行时间间隔测量和时间相关统计,根据目标响应发生时机一致性和噪声响应的随机性提取目标距离信息。在外场试验中对水平距离大于10 km的楼宇目标进行了有效地测量,单通道的距离测量精度优于0.3 m,探测概率超过99%,并对比不同大气能见度下对测距的影响。该系统验证了星载激光雷达大光斑多元细分、光纤拼接焦面接收方案的可能性,并验证光子计数体制激光雷达测距精度及适应性。