红外成像传感器建模仿真方法综述

对调制传递函数法、点扩散函数法、基于图像像素的处理方法和光线追迹法等四种常用的红外成像传感器建模仿真方法的适用范围和优缺点进行了分析和比较,并根据红外成像传感器的特点,得出了将调制传递函数法、光线追迹法和基于图像像素的处理方法相结合的仿真思路。     

非线性介质中的强激光系统自聚焦现象的仿真分析

以强激光系统和自聚焦理论的研究为出发点,主要采用光束传输法和光线追迹法分析了非线性介质下的强激光光束传输过程。并且,基于适合于非线性介质下光线追迹的亚当斯法和基于梯度信息的光强分布的恢复算法,仿真模拟出光强与透镜厚度、介质折射率、透镜曲率半径以及入射光束半径的关系;同时结合光学设计软件,不仅得出了折射率与光强的乘积与焦点位置的变化关系,还通过点列图中的数据直观地反映出系统结果的成像质量,最后对光线追迹法和光束传输法两种光学方法进行了对比分析。仿真分析结果可以判断出系统的哪些部分容易受到自聚焦的影响,进而可以通过改进某些参数的大小,减少并消除其不利影响,找到适合于强激光系统的最优方法。     

多角度偏振成像仪杂散光仿真分析

杂散光仿真分析是保证多角度偏振成像仪获取高精度偏振辐射数据的关键手段之一。根据仪器光学系统的自身特点,分析了杂散光的主要来源。针对采用点源透过率法难以适用于大视场光学系统杂散光分析的问题,介绍了基于黑斑法原理进行杂散光仿真分析的方法。借助杂散光分析软件LightTools,建立仪器的三维几何模型及光学属性,采用选定视场点反向光线追迹的方法仿真分析得到光机系统的视场外和视场内杂散光系数。分析结果表明,杂散光主要来源于成像视场范围内,且中心视场受到的杂散光影响最大,杂散光系数为3.27%,达到了设计指标要求。此外,采用近轴光线和实际光线正向追迹,模拟得到局部杂光和全局杂光的能量分布,为后期的图像杂散光校正研究提供了理论依据与指导。     

基于线列红外探测器的图像增强算法研究

针对线列红外探测器扫描成像特点,提出了一种基于平台直方图统计的红外图像增强算法。仿真结果表明,该算法能够校正扫描型热像仪由盲、闪元引起的黑白道,提高图像的对比度,修正全局灰度等级,锐化图像中的边缘细节,对扫描成像系统的红外图像具有较好的增强效果。     

多段阵列式钕玻璃放大器几何构形的研究

基于闪光灯和钕玻璃的实验数据，用光线追迹和蒙特卡罗法建立了多段阵列式钕玻璃放大器（ＭＳＡ）的泵浦模型。模拟结果表明光传输效率和储能密度分布随ＭＳＡ的几何尺寸和构形而变     

弹载大视场红外线扫图像几何畸变仿真研究

高速机动、大视场、线扫等均会引起弹载大视场线列扫描红外图像的几何畸变,从而影响巡飞弹的整体战术效能。利用探测器像面参数、坐标变换、地表模型、物像共线方程和墨卡托地图投影模型分别建立了相机的像方坐标方程、位姿变换方程、物像转换方程和物方地图投影方程,进而构成了从像面坐标系到地图坐标系的完整严格成像模型,利用Matlab对该模型进行静态仿真,确定航高、摆扫角度、地表模型等模型参数造成的几何畸变特性的强度,为弹载几何畸变校正算法的工程优化提供了依据。     

折反式望远系统全视场全口径偏振特性研究

针对单根光线追迹方法在部分偏振光条件下无法对系统进行全面评价的问题,基于斯托克斯表示法提出了全视场、全口径光线追迹方法,通过对原有折射与反射穆勒矩阵表达式的优化,建立入射光偏振度、光线角度等参量与出射光偏振度的解析关系;理论分析结果表明,入射角与折射角的差值控制在5.7以内,可以有效减少系统对光线偏振度的影响;依据空间目标成像需求设计了集成微偏振片阵列的偏振成像系统,成像分辨率500 km处为0.5 m;采用动态数据交换机制对光学系统进行全视场、全口径光线追迹,得到系统斯托克斯矢量及偏振度的全视场分布,实现对系统任意视场偏振度的标定,提升偏振探测精度。亦可通过任意视场与中心视场偏振度匹配入射光偏振度,反演目标。     

光电探测器上多组圆环条纹的现象与机理

在开展激光对光电成像系统的干扰实验时,观察到光电探测器上多组圆环条纹并存的现象,并采用对光学系统拆解、测量、建模重构和光线追迹的方法揭示了每一组圆环条纹的产生机理。首先,对实验所用的光学系统进行拆解,测量各个镜片的曲率半径、厚度、通光孔径等几何结构参数,并采用TRACEPRO光线追迹软件建立了该光学系统的理论模型。基于该光学系统模型,追迹大量光线经光学系统传输后在光电探测器上的能量分布,分析每一种能量组分的来源,发现多组圆环条纹的出现是由于不同激光能量组分的干涉效应而产生的,并揭示了产生每组圆环条纹的对应能量组分。文中的研究结果可为激光对光电成像系统的干扰效果评估提供技术支撑。     

基于CUDA并行计算的空中目标红外辐射成像计算

建立了一种包含蒙皮和尾焰的空中目标红外辐射成像GPU并行计算方法。采用SLG模型计算尾焰辐射气体的红外特性,采用LOS方法求解尾焰红外辐射传输方程,根据本体与三维尾焰的成像几何关系,采用正向光线追迹方法计算蒙皮辐射成像,采用反向光线追迹方法计算尾焰辐射成像,建立了目标投影算法,并在蒙皮投影计算模块和尾焰辐射计算模块采用CUDA并行提高计算速度,实现了探测器入瞳处目标红外光谱图像的快速计算。结果表明:投影成像算法可准确生成设定条件下的目标图像,目标红外图像辐射分布与温度分布一致,尾焰辐射强度计算结果与实验结果符合较好,CUDA并行算法可有效提高程序的计算效率,当计算量较大时,蒙皮投影模块的计算加速可达百倍以上。     

推扫式红外相机数据处理系统原理与设计

推扫式红外相机采用线列探测器成像.根据线列探测器自身的特点,为了获得高质量的红外图像,从红外相机硬件系统获得的数据需要经过累加平均、转置校正、错位校正、背景减除、非均匀性校正等处理.介绍了推扫式红外相机各个数据处理步骤的基本原理,设计并优化了数据处理的流程,并基于VC6.0实现了完整的数据处理系统.系统能实时处理、显示图像(或数据曲线),并实时存储,在实验中获取了良好的红外图像.     

基于整网估计的星间链路天线相位中心偏差在轨特性研究

星间链路(ISL)是我国北斗三号克服区域布站、实现高精度服务的关键,其天线相位中心偏差(PCO)在设备出厂时会依据质量、设计姿态进行地面标定,但在卫星发射、入轨及在轨阶段,燃料消耗、天线展开姿态等均会引起卫星质量与姿态的变化,这将导致在轨的PCO与地面标定值不一致 ,该变化量会作为误差引入到测量值,进而影响卫星轨道确定精度。因此,该文研究了在轨卫星的星间链路天线相位中心偏差标定方法,联合星间、星地观测,建立了基于整网估计的星间链路天线相位中心偏差在轨估计方法,并利用两周的实测数据进行对北斗三号所有中轨卫星(MEO)进行验证,同时结合卫星生产商、轨道面进行在轨特性的详细分析,最后验证了其对轨道确定精度的影响。结果表明,该文方法可有效估计在轨卫星星间链路天线相位中心偏差,并发现,卫星在轨后大部分卫星的星间链路天线相位中心偏差基本与地面一致,但C36, C37, C41, C42卫星在Z方向与地面标定值存在15 cm左右的偏差,C25, C26, C43, C44在Y轴上存在符号相反的现象,且数值上有10 cm左右的偏差,C25, C26卫星在Z方向上存在近30 cm的偏差,正确标定在轨卫星星间链路天线相位中心偏差后,相比地面标定产品,轨道精度可提升15%。     

LASIS影像波段配准

针对大孔径静态干涉成像光谱仪(Large Aperture Static Interference Imaging Spectrometer,LASIS)各波段共视场扫描成像的特点,提出了基于在轨几何内检校的虚拟重成像方法进行波段高精度配准.此方法充分考虑姿轨的变化和镜头畸变等导致高光谱波段影像失配的几何因素,在内方位元素检校的基础上,对高光谱影像进行虚拟重成像,实现了对误差源的建模以及波段间相对误差的消除.利用遥感十四号LASIS在不同区域数据进行内检校和虚拟重成像实验,结果表明,进行LASIS数据的处理能够得到优于0.16像素的波段配准精度.     

光场相机建模与畸变校正改进方法

光场相机作为一种新型的成像系统,可以直接从一次曝光的图像中得到三维信息。为了能够更充分有效地利用光场数据包含的角度和位置信息,完成更加精准的场景深度计算,从而提升光场相机的三维重建的精度,需要实现精确的几何建模,并精确标定其模型参数。该方法从薄透镜模型和小孔成像模型出发,将主透镜建模为薄透镜模型,将微透镜建模为小孔成像模型,结合光场相机双平面模型,将每个提取到的特征点与其在三维空间中的射线建立联系,详细解释了内参矩阵中每个参数的物理意义,以及标定过程中初值确定的过程,并在镜头径向畸变模型的基础上进一步应用了相机镜头的切向畸变模型以及基于射线重投影误差的非线性优化方法,改进了光场相机的标定方法。实验显示,该方法的RMS射线重投影误差为0.332 mm,与经典的Dansereau标定方法相比,进行非线性优化后得到的射线重投影误差精度提升了8%。该方法详细分析的场景点与特定像素索引的推导过程对光场相机的标定具有重要的研究意义,为光场相机光学模型的建立与初始化标定奠定了基础。     

60°二维指向镜的面阵相机几何模型标定方法

三轴稳定静止轨道面阵相机需要对一定视场内的目标进行搜索和跟踪,常采用二维指向镜与面阵探测器结合的"凝视"成像的技术方案。但是具有二维指向镜的面阵相机像面存在畸变和像旋等问题,影响目标跟踪定位精度。对60°二维指向镜的面阵相机进行了畸变校正和像旋校正,提出基于内外方位元素结合的几何模型实验室标定方法。通过对指向镜法线、南北轴、东西轴的共计13个误差项进行解算优化,平均误差为0.74像元,满足实际使用需求。     

基于高密度子网格光线追迹的三维发射层析重建算法

三维(three- dimensional,3D) 发射层析技术(emission computerized tomography,ECT) 是一种简单、高效且准确的燃 烧场3D成像与检测技术,其中权重矩阵的计算 精度决定了层析重建的精度和质量。本文研究了一种基于高密度子网格光线追迹的权重矩阵 计算方法, 将被测区域划分为密度更高的子网格,并根据相机成像模型实现光线追迹,以确定离散网格 对投影像素 的权重因子。数值模拟和燃烧火焰重建实验表明该算法具有较高的精度和计算效率。该研究 对于3D发射层析技术的实用化具有重要的理论意义。     

基于元数据文件的ZY-3轨道和姿态参数的精确获取

高精度卫星轨道和姿态参数的获取对卫星数据产品的推广应用具有重要意义。对“资源三号”卫星元数据文件（.AUX）的数据格式、参数意义以及量纲进行了深入的研究和分析,拟合得到任意时刻卫星的轨道和姿态参数。对拟合精度的分析表明,“资源三号”卫星轨道运行平稳,利用二次多项式拟合卫星轨道,精度可达到米级,与星上GPS设计的5米测量精度保持了很好的一致性。成像期间,其姿态变化相当稳定。该值可以作为外方位元素的初始值应用于卫星的在轨几何检校与影像的精确定位。     

空间高分辨率光学系统几何畸变标定技术

遥感相机光学系统畸变系数作为影响相机在轨成像质量的关键因素,其检测精度一直以来都是遥感相机研制过程中的核心环节。传统的测角法主要依靠高精度二维转台,实现了光学系统视场角与像高之间的精准对应,该方法对测试设备和测试环境要求苛刻。随着相机焦距、口径和体积的增大,对于转台设备的尺寸与测量精度也日渐提升,单纯依靠提升测试设备性能无法满足后续各类高性能遥感相机的研制需求,尤其对于垂直装调类超大口径空间高分辨率光学系统,该方法不可行。在传统精密测角法的基础上,提出一种基于干涉原理的空间高分辨率光学系统几何畸变标定技术,相比于传统的精密测角法,该方法在同等测试精度的基础上,具备更广泛的适用性,其不再受限于测试设备的尺寸与精度限制,可同时满足各种类型遥感相机的畸变测试需求。文中详细介绍了该畸变测试方的基本原理、测试方法与误差链路,并对该畸变测试方法进行了应用验证,将结果与传统畸变测试方法进行对照,表明该方法的测试精度满足遥感相机的研制要求且适用范围更广,对航天长焦距大口径遥感相机研制及畸变测试有参考借鉴意义。     

考虑圆形特征边缘模糊和偏心误差修正的高精度相机标定方法

针对立体视觉系统采用圆形特征点标定时存在的空间圆形投影边缘模糊和偏心现象问题,利用改进Zernike矩和偏心误差修正进行圆心的高精度定位,以此提高相机参数的标定精度。首先考虑了由于立体视觉成像系统的标定场景光照强度不均匀引起的圆形特征投影图像边缘模糊的问题,引入高斯误差函数对边缘过渡段的灰度分布进行描述,建立了高斯边缘模型,并基于该模型计算投影图像的Zernike矩,然后利用改进Zernike矩实现高精度的圆形特征投影边缘像素坐标定位。此外,分析了影响圆形特征中心投影点和拟合圆心间偏差大小的因素,基于该分析对迭代拟合圆心进行偏差补偿使之逼近真实的圆心投影,最后通过所提算法对99圆形标志点进行圆心坐标提取并用于相机参数的标定。仿真实验表明,文中算法对投影图像边缘定位的精度以及圆心拟合的精度均高于传统的算法;实测实验中,基于圆心高精度坐标得到的相机标定参数对标准杆进行三维重建,长度测量精度比传统算法提高了30%。     

静轨光学卫星与自动识别系统的目标点迹关联与误差校正

静轨光学卫星对舰船目标监视时,由于探测距离较远存在较大的目标定位误差,影响后续目标跟踪的准确性。由于任务区域主要是海面,可能无法找到地面控制点(GCP)进行坐标校正。为了提高无控下静轨光学卫星对舰船目标的定位精度,同时实现多源数据的融合,该文提出一种基于船舶自动识别系统(AIS)数据的静轨光学卫星舰船目标点迹关联与误差校正方法。利用有理多项式系数(RPC)模型实现物方坐标到像方坐标的转换,通过迭代最近点(ICP)与全局最近邻(GNN)算法进行点迹关联,由关联点对实现误差校正。利用高分4号卫星图像与AIS数据进行了实验,实验结果表明该算法具有很高的关联正确率,同时极大提高了定位精度,基本可以满足实用性要求。     

Numerical study on aero-optical imaging deviations of vehicles at different altitudes

When the vehicle is flying in the atmosphere at high speed, the optical head and the atmosphere will have severe friction, thus forming a complex flow field, which makes the target image shift in the optical imaging system. The influence of altitude on aero-optical imaging deviation is studied in this paper. The geometric modeling and mesh generation of a typical blunt nosed high-speed vehicle were carried out, and the three-dimensional (3D) flow field density was obtained by a large amount of computational fluid dynamic calculation. In order to complete the optical calculation, the backward ray tracing method and the backward ray tracing stop criterion were used. The results show that as the height increases, the imaging deviation decreases gradually, and the imaging deviation slope increases and tends to be flat and close to zero.