直接测距型无扫描激光主动成像验证系统

为提高成像效率,研究了基于雪崩光电二极管(APD)阵列和分束照明的直接测距型无扫描激光主动成像系统。系统采用脉冲激光器作为光源,通过测量激光脉冲飞行时间来获取目标距离信息;基于达曼光栅进行分束照明以提高能量利用率。另外,光学系统采用收发共孔径结构,保证了目标处激光脚点和APD阵列各像元的几何对准。与参考APD所采用固定阈值时刻鉴别法不同,系统采用固定阈值与恒比定时相结合的时刻鉴别法处理回波APD阵列的输出信号以适应外光路参数的变化。各通道采用专用计时芯片TDC-GP22测量启停脉冲之间的时间间隔,实现了45ps的计时分辨率。最后,将19m和31m处放置的两个角反射器作为合作目标进行了成像实验,并给出了所获取的距离图像。结果表明:两个目标的平均距离分别为19.28m和31.54m,测距误差分别为0.28m和0.54m,显示提出的设计方案切实可行。     

单目三点位置测量精度分析

通过理论推导,对影响三点单目视觉位置姿态测量系统的6个因素(标志器与相机的相对距离,标志器尺寸,相机量化误差,相机内参数标定误差,特征点的中心提取精度,姿态解算算法精度)以及这些因素对系统精度的影响程度进行了分析,然后通过数值仿真和成像试验验证了理论推导的正确性。实验结果表明,对测量精度影响最大的因素是测量距离,像平面方向的测量误差与靶标和相机的相对距离成正比,光轴方向的测量误差与相对距离的平方成正比;图像中提取的特征点的位置误差是测量系统误差的主要来源,位置误差包括特征点提取误差和由于镜头畸变等引起的特征点成像位置偏移;长焦距和小像元有助于减小相机的量化误差;焦距的标定误差和靶标尺寸主要影响光轴方向的距离测量精度,对其余两个方向的精度影响不大;测量系统的解算算法不是引入误差的主要因素。     

基于虚拟仪器的光电探测设备实验系统设计

为了实现光电探测各项实验功能,在某型光电探测设备实验系统中采用工业级光电传感器对目标进行成像探测和测距,采用双轴转台控制光轴的转动,通过工控机控制系统工作。实验系统软件采用LabVIEW2009设计,通过图像采集处理子程序对传感器图像进行采集和处理,可实时显示探测的图像并叠加上工作状态信息;通过转台控制子程序可灵活的控制光轴的指向;采用通信控制子程序可方便地控制传感器工作和进行数据传输。     

混合像元分解在氧气吸收被动测距中的应用

针对雨雪、雾霾等天气条件下氧气吸收被动测距受大气和气溶胶等复杂背景光谱影响严重的问题,采用混合像元分解技术对提高复杂背景条件下的测距精度进行了研究。分析了高光谱图像像元混合机理,以雨滴端元为例建立了复杂天气条件下目标与背景的混合像元模型;讨论了复杂天气条件下目标光谱的提取方法,提出了复杂天气氧气吸收被动测距的基本流程;最后,对不同距离处小雨、重度霾、中雪3种典型复杂天气条件下的卤钨灯目标进行了被动测距实验。实验结果表明,混合像元分解方法可快速提取目标光谱,与多次循环采集平均法、背景消除法相比测距精度有较大提升,不同的距离及天气条件下的测距精度分别提高到3.39%、5.81%和4.36%,可满足实际飞行目标辐射光谱的快速采集与测距精度要求。     

氧分子A吸收带的随机Malkmus被动测距

针对比尔-朗伯定律单色传输和其他透过率模型计算速度慢的问题,为了实现红外目标的高速被动测距,研究了被动测距系统中氧分子A带吸收特征及大气中氧分子吸收率的计算方法。分析了大气中氧分子A带的吸收光谱及分布特性,以当前大气参数和测量环境为基础,结合HITRAN数据库,将随机Malkums带模式引入到氧分子带平均吸收率计算中,建立了基于随机Malkums带模式的被动测距数学模型。搭建了测距实验平台,在12~128m内对7个不同点进行了距离测量。实验结果表明,在实际大气条件下,利用该被动测距模型测得被测目标距离与实际距离的平均误差达到1.8%。该模型正确、可行,满足红外目标被动测距的高速在线测试及隐蔽性、高精度、抗干扰能力强等要求。     

一种适用于特征稀少零件的图像精确拼接方法

针对特征稀少零件的图像精确拼接难题,提出了一种基于相位相关法和闭环运动控制的图像精确拼接方法,以充分发挥软硬件的综合优势。该方法以具有足够特征信息的零件为对象,获取成像系统分别沿X轴和Y轴运动时的零件等距序列图像并预处理,再利用相位相关法求解图像配准参数。在闭环运动控制系统的良好重复定位精度支持下,将上述图像配准参数视为系统配准参数,以进行特征稀少零件的图像拼接。典型零件的图像拼接实验表明,该拼接方法用于特征稀少零件的图像拼接具有无像素级拼接错位和拼接速度快等优点。     

光度数据反演临近空间低速点目标形状尺寸信息

为了获取临近空间低速点目标的形状尺寸信息,进行了高空气球光学观测实验,研究了如何从光度数据中反演低速点目标形状尺寸信息。利用孔径测光技术处理地基探测装备所拍摄的实验图像数据获取目标光度数据。在反演过程中,采用球谐函数法和细分控制点法两种形状描述方法来参数化描述目标形状,利用球谐函数法的正则化函数、三角面元正则化函数和基于目标物理特性的正则化函数约束目标的形状变化,在对目标光度数据以及由两种形状描述方法产生的模型数据进行傅里叶变换的基础上,结合光学系统点扩散函数来反演空间目标形状尺寸信息。结果表明:两种形状描述方法反演的目标形状主要特征相似,表明这种形状特征是从光度数据提取到的。球谐函数法和细分控制点法反演出的目标等效直径相对误差分别为11.3%和22.6%,长度相对误差分别为11.6%和21.8%。由此表明:球谐函数法反演的临近空间低速目标形状误差较小,更能准确地反演出临近空间低速目标形状。     

基于点扩散函数的小目标辐射测量

提出了一种基于点扩散函数(PSF)精确测量尺寸很小或者距离很远的一类小目标的红外辐射特性的方法。该方法在已知目标几何形状的前提下,采用倾斜刃边法测得光学系统的点扩散函数;对目标成像和探测器焦平面阵列采样过程进行建模,得到目标在探测器上成像的模拟图像;通过对红外系统捕获的模拟图像与真实图像进行匹配获得最优化估计的目标亮度、尺寸以及中心位置。最后,通过实验对该方法进行了验证。结果显示:圆形目标温度为70℃,理想几何成像直径大于4个像元时,测得的辐射亮度最大误差为2.35%;目标尺寸(面积)最大误差为1.89%。该方法可用于获取目标和背景辐射特性,测试红外成像系统性能,完成图像复原和小目标定位等。     

基于STM32的短距离激光测距仪设计

为了解决传统人工测距存在测量精度低、误差大,且耗时费力等问题,设计了一种基于STM32的短距离激光测距仪。介绍了该激光测距仪的系统组成和原理,给出了软硬件实现的方法,并进行实验测试。实验结果表明,该激光测距仪可以快速实现对目标距离的准确测量,测距范围为0.03m～80m,测量精度为±2mm,且具有面积测量、体积测量、连续测量距离和数据存储等功能,能够满足人们日常生活的测距需求。     

基于二阶多项式模型的焊缝缺陷几何量定征技术

为了解决超声TOFD成像难以精确测量缺陷位置及其尺寸的问题,提出了一种基于二阶多项式模型的焊缝缺陷几何量精确定征技术。在分析焊缝缺陷超声TOFD成像特性的基础上建立超声TOFD检测图像的参数化模型,并采用模型与实测数据之间的代数距离作为优化目标函数,将非线性的参数估计转换为线性的矩阵求解问题,在精确获取焊缝缺陷的尺寸及其位置等几何量信息的同时还能够大幅度地提高缺陷几何信息参数的估计效率。仿真与实验结果显示误差均在5%以内,表明了该定征方法的可行性和有效性。     

无合作目标测距的回波接收系统设计与分析

对于调频连续波无合作目标测距来说,回波接收系统是其光学系统中重要的组成部分,其接收特性也影响着系统的测距精度。为对其进行设计与分析,利用光学设计软件对以卡塞格林望远镜与多模光纤为主体的接收系统进行了建模,通过像差与光接收效率的分析与优化确定系统选用的卡塞格林望远镜的参数。建立待测物后向散射的高斯散射模型,并搭建完整的接收光路进行实验,定量分析了不同情况下系统的接收功率,并研究了接收效率、聚焦位置等与待测物的距离和表面散射之间的规律。研究结果表明,对于相同的加工方式的样块,系统接收功率与粗糙度、待测物距离成负相关规律,系统聚焦距离与粗糙度、待测物距离呈正相关规律。     

基于荧光成像的准分子激光系统多路光束自动准直

研究了基于准直光束成像的准分子激光主振荡功率放大(MOPA)系统的多路光束自动准直,实现了激光在放大器中的多程放大及高的靶面指向精度。采用352nm He-Cd激光作为准直光源,提出了多光束感光屏同步接收与可见光CCD荧光成像相结合的复合图像采集技术,解决了自动准直系统多路激光的近场、远场图像获取问题。利用图像区域分割处理方法编制了准直信息处理软件,实现了对多光束的自动准直闭环反馈控制。最后,结合准分子激光MOPA系统中的预放大器光学设计进行了自动准直验证实验。结果表明:准直成像光强可调谐倍数为300,成像系统在放大器窗口处固有误差占放大器口径比例小于设计值1.08%,3路激光的自动准直时间为40s,完全满足放大器的几何填充和能量提取要求。     

高精度压力膜片光学测量系统设计

介绍了利用高精度激光位移传感器为主要探测元件,结合高精度伺服机构、精密X-Y平台、伺服控制卡和信号采集卡开发的汽车传感器压力开关膜片测试系统.系统主要实现压力位移测试和膜片表面形状精确测试两项功能.应用高速采样板卡和双缓存数据读取机制,实现了压力位移数据实时采集;高精度伺服机构和自动定位扫描算法相结合,提高了扫描平面分辨率.系统通过高性能测试元器件和合理的软件设计,实现了膜片压力位移曲线和表面形状的精确测量,为压力开关的设计和分析提供科学的检测手段.     

基于集成成像技术的零件孔径位置检测

针对利用霍夫圆检测方法很难定位大尺寸零件上所有孔径位置的问题,本文提出了一种将集成成像技术与霍夫圆检测算法相结合的非接触式测量方法.首先,根据经典成像理论提出了一套集成成像信息获取算法.其次,利用二维平移台和CCD相机搭建了相机阵列实验装置.系统工作时,相机采集的元素图像阵列,可以通过霍夫圆检测和坐标获取算法来实现零件孔径位置的定位.基于上述理论进行了验证实验,结果显示,零件孔径位置的检测误差在0.3mm以内.该方法为集成成像技术应用于高精密位置检测提供了有效的理论支持.     

全波形激光测距幅相误差改正方法

针对全波形激光测距中存在的幅相误差问题,提出一种基于神经网络的幅相误差改正方法。利用非合作目标探测信息,通过提取回波波形的形状信息、能量信息、梯度信息、对称性信息及距离信息特征参数,根据皮尔逊相关系数对特征参数进行分级,建立多回波特征信息与幅相误差改正的神经网络模型以校正全波形激光测量中各通道幅相误差的影响。实验使用5%、20%、60%、80%标准反射板及激光采集模块在室内对7种距离进行数据分组采集和处理,并与传统测量方法进行对比。结果表明,该方法可以有效减小全波形激光测量中幅相误差的影响,测量精度提高了51.2%以上。     

光电成像系统目标捕获率与目标毁伤关联研究

基于面阵相机CCD的光电探测系统对弹丸的捕获率在实际应用中常受到复杂背景的极大影响,而弹丸的捕获率与飞行目标毁伤有密切关系。为了研究弹丸对飞行目标的毁伤效能,基于目标成像探测原理,研究了光电探测系统探测区空间目标光学特性,利用面元网格化分析法,研究与建立了目标空间光谱特性模型,给出了空间目标成像总的光谱辐射亮度计算函数; 依据目标探测距离、目标尺寸、环境照度以及成像面阵CCD自身特性,建立光电成像系统目标跟踪捕获率的计算模型,基于弹丸目标捕获率模型,给出飞行目标毁伤概率模型。经过计算与分析,结果验证了所建立的弹丸捕获率模型和飞行目标毁伤概率计算模型的合理性。     

光学遥感卫星信息获取能力指数的评估

提出了一种客观评估遥感卫星获取信息能力的指数模型。分析了影响遥感卫星信息获取能力的主要因素,包括运行轨道、成像分辨率、成像幅面、姿态机动能力等。以目标综合辨识量作为衡量标准,建立了涵盖成像分辨率、目标重访、姿态机动能力等要素的信息获取能力指数评价模型。介绍了模型的实现流程和具体步骤。该模型集成目标获取数量和目标获取精度两个维度信息,可实现遥感卫星信息获取能力的综合评估。以世界观测(Worldview)卫星系列、昴星团(Pleiades)和高景一号(Superview-1)等国内外光学遥感卫星为例进行了验证分析。结果表明,该指数模型能够对性能各异遥感卫星的信息获取能力做出准确评估,如WorldView-3的分辨率不到WorldView-1的分辨率的两倍,但信息获取能力却是其是3倍多;Superview-1分辨率比Pleiades高,但实际信息获取能力还不到后者的一半。得到的结果验证了提出模型的有效性,表明提出的模型可为综合评价光学遥感卫星遥感能力提供量化参考,为光学遥感手段的发展提供评估模型支持。     

In-field performance of an optical digitizer for the reverse engineering of free-form surfaces

The use of OPL-3D, a robust, flexible and easy-to-use optical digitizer, in conjunction with reverse engineering procedures is presented. The optical digitizer is used as a stand-alone (i.e., not in tandem with popular CMM’s) system, whose output point clouds can be manipulated, by means of both specifically-designed software and high-performance commercial software, to produce mesh surfaces and NURBS of the acquired shape. The digitizer-process combination yields accurate digital replicas of the target object, the accuracy of the whole combination being on the order of 1/1500 of the measurement range. The speed of acquisition, combined with the above high accuracy, the ease of use and the fact that recalibration is seldom required makes the digitizer ideal for reverse engineering in an enormous number of applications ranging from automotive to biomedical.     

偏振探测系统的图像配准

分振幅式偏振探测成像系统的各分光路图像之间存在位置误差,率先完成各分光路图像之间的图像配准是进行偏振探测的前提条件。针对探测过程中,目标特征不明显、图像特征难以提取、各分光路图像间灰度变化较大的问题,提出适用于分振幅式偏振探测成像系统各分光路图像的相似性度量函数,并在此基础上,完成各分光路图像间的配准工作。首先,根据图像间的位置误差会造成偏振信息图像中出现信息异常区域的原理,研究了相似性度量函数的提取算法;接着,根据探测系统的各分光路的成像特点,确定图像间的几何变换参数;以遗传算法作为参数优化搜索算法,搜索得到最优的几何变换参数,完成整个图像配准算法的设计;最后,分别利用构造图像和实际采集图像,对配准算法进行了验证,并以图像间互信息值(MI)衡量图像配准的精度。实验结果表明:配准后的构造图像的MI为2.692 5,高于特征配准方法的实现精度;实际采集图像配准后的MI达1.849 3,同样高于特征配准方法的实现精度。基本满足偏振探测系统的图像配准需求。     

基于星载光电成像跟踪测距的空间目标定轨

以获得空间未知目标的轨迹运动信息为目的,研究了一种基于星载光电成像跟踪测距方式的空间目标定轨技术。该技术从测量学角度出发,利用星载光学测量系统获得目标的相对运动信息,利用角度传感测量系统获得卫星的姿态角变化和跟踪架的角随动信息,最后通过坐标变换解算出目标在地球惯性坐标系中的绝对运动信息。文中依次从物理模型、坐标体系、基本原理等方面对该项技术进行了描述和推导,获得了目标在地球坐标系下的状态方程和观测方程。最后,在对天基监视卫星轨道模型、星载光电跟踪控制模型、目标特性及光学成像测距模型进行分析后,建立了具体的数学模型,并对计算结果进行了分析讨论。得到的结果显示理想模型的目标轨迹测量精度优于0.5km。