低照度背景下弱小目标的成像实验研究

无人机等弱小目标具有飞行高度低、反射截面小、热信息弱等特点,尤其在低照度背景下,单一成像方式难以实现对弱小目标的探测和识别。实验对比了可见光成像、微光夜视成像、长波红外成像、激光主动照明成像等对弱小目标的成像效果,目的是研究适用于不同照度背景下弱小目标的探测识别方法。外场实验中,被测目标为小型四旋翼无人机,尺寸为290 mm×290 mm×196 mm,实验环境照度在10?2~10?4 lx之间,作用距离范围0.5~2 km。成像实验结果表明:普通可见光系统无法在环境照度低于10?2 lx时成像;环境照度为10?3 lx时,微光夜视和长波红外热系统的识别距离仅为0.5 km;近红外激光（中心波长808 nm）主动照明与微光夜视结合的主动成像方式可增加对弱小目标的识别距离,同等条件下主动照明成像作用距离是被动成像的3倍。     

微光助视下夜视仪效能分析及特征参量表征

为科学评价微光夜视仪的性能指标和作战效能,系统分析了微光夜视系统视距探测方程及微光助视效能,阐明了"微光增视可以提高观察距离多少倍"的说法不宜作为衡量助视效能的技术指标。定义并表征了微光助视效能的4个特征参量:Em、Ex、Ey、Eb。靶场实验结果表明:当夜天环境照度为0.6×10-3lx时,微光夜视仪难以获得清晰的景物图像,通过微光助视,施加特征参量Ex后,微光夜视仪处于理想的工作状态。     

激光助视/微光夜间驾驶仪设计及野外试验

阐述了CY-1C头盔式和电视式激光助视/微光夜间驾驶仪,克服传统微光夜视仪的缺点,利用激光助视弥补了因景物照度和对比度明显下降而影响观察效果的不足,将微光成像系统的探测阈值延伸到10-4 lx以下,并可在不同的恶劣天气条件下观察。对研制的样机在不同夜间环境下的性能进行了野外试验,通过对试验结果的分析和比较,验证了车辆驾驶夜视仪达到了各项预期指标,证实了系统参数设计的合理性。     

采样时间对光子计数图像的影响

夜暗环境下,为了弥补人眼在能量、光谱和分辨能力等方面的局限性,利用雪崩光电二极管作为探测元件构建了光子计数成像平台。借助该平台设置环境照度为10-4lx,采样时间分别取10 ms、2.6 ms和780μs,探测到了目标采样点的光子数,从而得到了三组反映目标特征的光子计数图像序列。根据对探测目标判断的程度,应用多帧累加处理方法,可以在保证成像平台具有较高帧频的条件下,选择合适的累加帧数以实现对目标不同等级的探测。     

利用帧积分法去除微光图像噪声研究

在微光成像中，迭加在图像上的时空域噪声，不仅限制了系统可工作的最低照度，而且使显示图像具有随机蠕动颗粒闪烁的外观。图像处理技术能够提高图像质量，增强微光成像系统作用距离。实验证明，帧积分法对光子噪声以及系统内部信息载流子产生与复合所引起的散粒噪声的抑制具有十分有效的作用。     

电子倍增CCD 模拟前端设计与信号优化

基于电子倍增CCD（EMCCD）在微光低照度条件下的实时应用,针对EMCCD 对驱动信号相位、频率、幅度的严格要求,以及输出信号的特点,在深入分析模拟前端各部分功能的基础上,提出一种改善EMCCD 驱动电路,优化驱动信号质量,降低模拟前端噪声水平的驱动策略,设计一款实时、低噪、 稳定、适用于微光环境的EMCCD相机。工程验证表明,在环境照度为110-3 lx,信号时钟为12.5MHz,帧频为25帧/s 的条件下,EMCCD 相机具有实时快速成像能力,输出的模拟视频信号低噪稳定,成像系统捕获的图像清晰信噪比高,基本满足EMCCD 成像系统在微光低照度环境下的实时应用需求。     

基于超二代像增强器的微光夜视仪设计

提出了一种设计手持式微光夜视仪的思路,选择了高质量的超二代像增强器,设计了性能优良的光学系统,进行了精细的像差校正,实现了Gen II＋像增强器、光学系统和人眼的光谱匹配.在10^-3 lx照度下,对人视距提高到350～400 m,对车辆视距达到700～900 m.     

基于FPGA的低照度图像采集与处理系统研究

针对低照度图像亮度低、噪声高和边缘模糊等问题,基于Xilinx公司的Artix-7系列FPGA芯片,通过驱动微光性能良好的XQE-1310图像传感器,对探测器采集的视频信号进行滤波和边缘检测,完成了低照度图像的采集和处理等一系列操作,最后将处理过的视频信号通过CameraLink视频格式实时显示,设计了一套微光夜视系统。实验结果表明,该系统的最低工作照度可达10－2 lx量级,滤波算法在保持图像边缘信息的同时有效滤除了图像中的椒盐噪声,自适应边缘检测算法可以根据照度水平实时调整阈值,凸显了低照度环境下物体的轮廓信息。系统充分利用了FPGA（Field Programmable Gate Array）速度快、效率高的优势,最后的成像结果清晰稳定,便于人眼观察。     

基于EMCCD和CMOS的天基微光成像

电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)利用电荷雪崩机制可以实现低于1e-的读出噪声,适用于微光成像。随着背照式CMOS成像探测器技术的发展,具有高量子效率和低于1.5e-读出噪声的CMOS成像探测器已中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制成功。针对天基微光成像的需求,分别构建了基于EMCCD CCD201的天基微光相机和基于CMOS的天基微光相机,并建立了系统的噪声模型。对基于EMCCD的天基微光相机和基于CMOS的天基微光相机的微光探测性能和工作机理进行了对比分析。分析结果表明:当采用凝视成像模式,积分时间为2 s,相机入瞳辐亮度为10-9 Wcm-2sr-1m-1时,基于EMCCD的天基微光相机在焦面温度为20℃的条件下的信噪比为23.78,相同条件下基于CMOS的天基微光相机的信噪比为27.42。当采用制冷系统将焦面温度降低至-20℃时,基于EMCCD的天基微光相机的信噪比提高到27.533,而基于CMOS的天基微光相机的信噪比提高到27.79。     

采用卷帘数字域TDI技术的CMOS成像系统设计

利用FPGA实现面阵CMOS传感器数字域TDI功能,可避免模拟域TDI的复杂电路设计、完善CMOS传感器成像方式、并可改进TDI CCD缺陷,具有重大的研究和应用价值。首先分析了同步快门方式和卷帘快门方式实现TDI的差异,然后根据TDI工作原理,提出了更利于微光成像和推扫成像的卷帘数字域TDI算法,并利用设计的CMOS成像系统进行了成像实验。实验结果表明:卷帘数字域TDI算法正确,不仅可以实现等效于积分时间增加或入射照度增强M倍功能的M级积分,而且可明显改善成像质量,将信噪比为18.37 dB的未积分图像通过10级积分提高至32.65 dB。所提出的卷帘数字域TDI技术使得CMOS相机具备了时间延迟积分功能,改善了成像质量,并改进了TDICCD难以调焦和级数不可连续调整的缺陷。     

超二代像增强器分辨力随输入照度变化研究

为研究超二代像增强器在不同输入照度下的分辨力变化规律,在不同照度下分别对不同极限分辨力、信噪比以及等效背景照度像增强器的分辨力进行了测试.通过测试数据的分析,得出了极限分辨力、信噪比及等效背景照度在不同照度下对分辨力影响的规律.该规律表明,在5×10-2 lx～5×10-3 lx照度区间,不同性能参数像增强器的分辨力均...     

低照度宽幅航空相机系统设计

为了满足低照度环境下航空影像信息快速获取的需求,对一种低照度宽幅成像系统进行了研究。基于相机摆扫成像的工作模式,明确了采用大相对孔径低畸变的光学系统,配合真空制冷的低噪声高灵敏度CMOS探测器成像,并通过高速振镜进行扫描像移补偿的技术路线。详细阐述了相机机械构型的设计思路,总结了一套可工程应用的低照度成像能力计算方法。研究了振镜补偿像移的基本原理,并对相机主体框架进行了仿真分析计算。依据该设计和研究结果,完成了低照度宽幅航空相机的加工装配。该相机具有0.1 m （航高1 km）地面像元分辨率, 成像照度适应范围为10~100000 lx,并且在速高比≤0.04时,可实现3倍航高的大收容宽度。系统的成像质量优良,实测镜头在77 lp/mm时,中心视场传递函数大于0.45。实验室和外场飞行试验所获取的图像清晰,对比度和分辨率高,可以满足使用需求。同时,该相机实际包络尺寸为190 mm×140 mm×140 mm,质量仅为2800 g,具有轻小型的特点。     

极短脉冲光照下PSD位置测量公式的改进

介绍了Lucovsky方程及稳态情况下PSD的位置测量公式.以两面型PSD为例,给出了在极短脉冲光照下,基于PSD稳态公式的测量效果位置网格图.针对存在的误差较大问题,提出了一种积分测量方法,并给出了极短脉冲光照下,基于积分检测法的位置网格图.从图中可以看到,采用积分方法进行PSD位置测量具有很高的精度.     

基于参考条纹宽度判决的光学相机通信方法

在光学相机通信中,经典的多项式拟合算法易丢失条纹细节信息,基于分段自适应的阈值算法可将灰度值数据进行有效解码,却耗时较长,步长选择对解码性能影响较大。针对以上问题,该文提出一种能够保证邻近像素行的影响且较为平稳的指数加权滤波算法,并与参考条纹结合,实现快速解调解码。在解码过程中,首先对每条明暗条纹信息进行估计像素个数,以此判断帧同步头和帧尾位置;再利用帧同步头和帧尾确定有效数据范围以及估计每bit数据所对应像素个数;之后判断有效数据的占空比并转换为逻辑值;最后输出逻辑值代表的信息。实验结果表明：该文算法具有较低的算法复杂度,且在光照为300 lx的室内环境中,在误比特率低于前向纠错阈值的条件下,使用方形LED作为发射端时,信道距离可达30 cm,传输速率1.67 kbps,可满足正常传输需求。     

低照度LED光下人眼瞳孔的非视觉生物效应

基于瞳孔收缩分析研究低照度LED光对人的非视觉效应。选择10名受测者、6种彩光LED和5种低照度,进行瞳孔受光反射实验;实验全程用红外视频记录仪拍摄,由基于OpenCV开发的程序完成瞳孔大小的计算。结果显示:在同一照度水平下,蓝光波段光源非视觉效应最为显著,瞳孔稳定收缩率和恢复收缩率随着光源波长向短波方向偏移而增大;在同一光源下,瞳孔稳定收缩率与恢复收缩率随照度加强而增大,并且在10~70 lx间两瞳孔收缩率存在线性相关,相关系数均大于0.95;两瞳孔收缩率分别与生物节律因子存在线性相关,表明用瞳孔收缩率能较好表征非视觉生物效应的大小。     

侧入式无导光板LED平板灯设计

针对侧入式LED平板灯出光效率低、导光板(LGP)制造成本高、设计流程繁琐等缺点设计了一种无导光板的LED平板灯。利用复合抛物面反光杯(CPC)将LED阵列发出的光束汇聚并投射在出光面板上,并通过掠射和叠加的方法实现了出光面板的照度均匀性。进一步采用Taguchi实验方法进行设计,并借助Tracepro软件仿真分析,将影响该灯具最大照度和照度均匀度的因子进行研究与分析,同时运用ANOVA理论分析出因子对品质的影响程度,进而优化灯具的各项结构参数,设计出一款均匀度95.87%、最大照度39 870 lx无导光板LED平板灯。结果表明:该平板灯的效果达到甚至超过目前市面上的LED平板灯,并且其无导光板的设计可以在很大程度上降低LED平板灯的生产成本;此外,将Taguchi方法引入平板灯的设计简化了设计流程。     

Characteristics of experimental CdSe vidicons

A high sensitivity vidicon using a CdSe photoconductive target was successfully developed. A new CdSe target with junction-type structure was employed to realize the improved characteristics as given below. The sensitivity is about 20 times higher than that of conventional vidicons, which makes it possible to operate the tube with low levels of faceplate illumination of 0.1-1 lx. A typical sensitivity is 200 nA/0.5 lx with scanning areas of 9.5 × 12.7 mm². The gamma of the light transfer characteristic is 0.9. The tube provides a wide spectral response over the whole range of visible wavelengths. The dark current is less than 1 nA. The lag is 10 percent for a 200-nA signal current. High resolution is achieved. Afterimage and burn-in are hardly observed under normal operational conditions. The life of the tube extends to more than 1000 hours. With these characteristics, the CdSe vidicon can produce suitable pictures with good quality both for industrial use and for broadcasting use. The detailed structure of the target is also discussed.     

一种用于高速三维跟踪的小型可开窗复眼系统

为了实现对近景目标的高速三维跟踪,设计了一种小型仿生复眼系统,并将其与可开窗相机相结合。介绍了系统的结构与设计原则,提出了一种适用于多孔径系统的跟踪与探测策略。利用卡尔曼滤波器对图像传感器进行多路并行开窗,从而克服视场与空间分辨率对跟踪速度的制约,在较低代价的前提下实现了高速三维跟踪。采用蔡氏两步法对7子眼复眼镜头进行了统一标定,并建立了归一化多目探测模型,在实时跟踪的基础上实现了三维信息获取。为了验证系统的高速三维跟踪效果,在3 000f/s的帧频下,对一个以10r/s的角速度做匀速圆周运动的目标进行了实时跟踪,并重构出目标在距相机150mm处的三维运动轨迹。实验结果表明,系统能够有效实现对高速运动目标的实时跟踪与三维粗定位。分析了影响系统三维探测精度的因素以及提高精度的方法,为用于全景高速三维探测的复眼跟踪系统的研制奠定了基础。     

特种车内可见光通信系统光源布局优化

针对特种车内空间狭小、光源布局受限这一问题,对光照度及接收光功率进行了理论分析,对光源阵列位置下光照度及光功率的直射和一次反射的分布模型进行了分析与仿真。在光照度需求的约束条件下,根据光功率分布均匀原则提出了特种车辆内部由5个阵列光源形成中心补偿形布局的优化方案。仿真结果表明,在2 m2 m1.5 m的狭小空间内,运用该光源布局方案可得到平均接收光功率值为-0.5 dBm时的光照度范围为333.74~466.44 lx,均匀光照率为79.5%,可同时满足车内照度与数据通信需求。