山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东青岛266590
快速反射镜（Fast Steering Mirror，FSM）是高精密光学系统中的关键仪器，基于音圈电机（Voice Coil Actuator，VCA）驱动的柔性支撑FSM存在复杂耦合特性，导致系统模型复杂并严重影响系统的控制性能，对于该问题，本文提出了一种基于系统辨识与模型降阶的双轴积分增广滑模控制方法。首先，采用基于脉冲响应的Hankel矩阵系统辨识方法建立VCA-FSM的精确耦合模型；随后，基于平衡实现与平衡截断，在保证模型精度的前提下对所建立的高阶模型进行降阶；其次，基于降阶模型，采用现代控制理论方法设计积分增广滑模控制器，通过设计状态观测器构造滑模切换函数与控制律，并在控制设计中改进符号函数以消除滑模抖振；最后，基于VCA-FSM伺服控制系统实验平台，开展频域与时域性能测试实验。实验结果表明：本文所提控制方法相较于单轴滑模、PID控制方法，系统的闭环跟踪带宽分别提高了约50.3%，251.3%，扰动抑制带宽分别提高了约39.9%，451.9%，阶跃响应调节时间分别缩短了约29.7%，97.7%，螺旋线跟踪精度分别提高了约48.5%，97.8%，且实现了对存在强耦合特性VCA-FSM的解耦控制。本文所提控制方法充分提高了VCA-FSM的控制性能。
快速反射镜 音圈电机 系统辨识 模型降阶 滑模控制 Fast Steering Mirror（FSM） Voice Coil Actuator（VCA） system identification model reduction sliding mode control 光学 精密工程
2023, 31(24): 3580
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所航空成像与测量重点实验室， 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学， 北京 100049
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所航空成像与测量创新实验室， 吉林 长春130033
航空相机在采用旋转扫描反射镜成像过程中存在像面旋转，会导致图像模糊，成像质量下降，必须采用像旋补偿机构进行补偿。目前，通过人眼观察图像模糊程度和电机同步控制精度评价像旋补偿精度，都不能客观准确评价系统成像质量。为建立航空相机成像质量与像旋补偿系统其他指标之间的直接关系，提出基于极坐标系的动态调制传递函数(MTF)，并提出基于倾斜刃边法与模糊路径法相结合的方法测量航空相机旋转像移动态MTF。设计扇形靶标旋转动态成像实验，利用旋转动态MTF和倾斜刃边法得到图像动态MTF计算值，并基于图像模糊路径测量转台转动时图像动态MTF测量值。实验结果表明，转台以20～300（°）/s匀速转动时，空间频率在旋转动态MTF到达第一个零点频率前，动态MTF计算值和测量值曲线近似重合，验证了旋转动态MTF的正确性；空间频率在小于0.7零点频率范围内，两动态MTF曲线相对误差最大值和均值分别小于6%,2%，进而证明了测量方法的准确性。
成像系统 航空相机 调制传递函数 像面旋转 旋转像移
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中科院航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
应用图像法对长焦距高分辨率航空相机实时检调焦过程中，由于外界环境因素的影响使得系统产生像移，调焦精度降低。当前对于由相对运动引起的像移和调焦精度两者的之间关系没有通用性的理论和确切的研究。从理论上分析了高分辨率航空图像线性像移和抖动像移的模型，给出了像移模型对评价函数的影响，得到像移与调焦曲线极大值呈负相关的关系。图像的像移量越大，调焦函数曲线的最大值下降越显著。利用二次函数拟合的方法获得离散评价函数点的拟合曲线，曲线最高点即对应调焦的最优对焦位置。搭建了动基座检调焦实验平台，实验结果表明当平台引起的图像像移量由1 pixel 增加至5 pixel 时，评价函数曲线的最大值由95.95%下降到87.64%。应用拟合曲线的方法得到的最佳对焦位置在系统半焦深范围之内，满足高分辨率航空相机调焦精度的要求，同时证明了像移理论分析的正确性。
成像系统 航空相机 像移 检调焦精度 曲线拟合
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所中国科学院航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
由于H.264/AVC采用的码率控制模型忽略了视频特性对初始帧量化参数(Initial Quantization Parameter, QP0)选择的影响, 本文提出了一种新的基于视频特性的QP0估计算法来提高H.264/AVC的码率控制精度。首先, 分析影响QP0的视频特性, 包括每像素比特数(bpp)、视频序列的复杂度和图像组(GOP)长度; 然后, 通过大量的测试仿真建立了QP0与bpp和视频序列复杂度之间的函数关系; 最后, 结合GOP长度对QP0的影响, 修正了QP0模型。实验结果表明: 相比JM12.2中的算法, 提出的算法使四分之一通用中间格式(QCIF)和通用中间格式序列重建帧的平均峰值信噪比(PSNR)分别提高了0.185 dB和0.144 dB; 码率控制误差的控制幅度分别提高了37.3%和11.2%; 序列中每帧图像间的质量波动均降低了约50%。该方法在提高重建帧质量的同时, 大幅度降低了码率控制误差, 有效地抑制了序列间每帧图像的质量波动, 获得了更优质、平稳的编码视频流, 并能很好地适应不同特性的视频序列。
码率控制 初始帧量化参数 视频特性 图像组(GOP)长度 H.264/AVC H.264/AVC rate control Initial Quantization Parameter(QP0) video frequency characteristics length of Group of Picture(GOP)
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中科院航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
由于航空相机拍照时存在像移，会导致成像质量下降，因此在航空相机中必须有像移补偿机构。目前一般采用主观判据，即通过人眼判别是否存在像移以及像移量的大小，来评价像移补偿系统的性能是否达到设计要求。主观判据受人的主观性影响较大，而且只能定性评价。为了建立航空相机成像质量与像移补偿系统其他指标之间的直接关系，提出使用倾斜刃边法测量航空相机像移的调制传递函数(MTF)。设计了相应的实验，实验中通过转台的转动模拟航空相机的扫描像移，分别通过倾斜刃边法测量像移的MTF和通过理论模型计算像移的MTF。实验结果表明，在空间频率为0.10 cycle/pixel时，转台以3、5、8°/s转动时，两种方法得到的MTF之间的误差百分比分别为0.77%、1.15%、4.91%，进而证明了该方法的有效性。
成像系统 航空相机 像移 调制传递函数 倾斜刃边法 光学学报
2014, 34(12): 1212001
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中科院航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
航空相机拍照时，由于受到振动影响成像分辨率会降低。采用动态调制传递函数研究正弦振动对成像的影响，通过基于空间域的计算方法对高频和低频振动的调制传递函数(MTF)进行了分析，指出了曝光时间不等于振动周期整数倍的一般情况时，高频振动对成像质量的影响也具有随机性，但没有低频振动的随机性明显。采用快速反射镜作为振动源进行成像实验，对获得的振动图像使用小波变换提取图像的高频信息。实验中将曝光时间设定为20 ms，振动频率为50 Hz时，高频信息波动范围仅为0.0582×104，可以认为基本没有波动。当振动频率为15 Hz时，波动范围为0.6233×104，随机性很明显，而振动频率为65 Hz时，波动范围为0.1245×104，随机性不明显。通过高频信息与MTF的对应关系，实验证明了理论分析的正确性。在理论分析和实验的基础上，总结了正弦振动对成像影响的普遍性结论。该结论可用于分析成像系统光机结构设计，也可应用于图像去模糊，具有一定的意义。
成像系统 航空相机 正弦振动 调制传递函数 快速反射镜
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所航空光学成像与测量重点实验室， 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学， 北京 100049
宽视场高分辨成像在航空侦察、地形测绘和安全监控等领域有广泛的应用。主要从光学设计角度归纳总结了实现宽视场高分辨成像的技术难点，阐述了透镜系统的比例法则。将比例法则推广到计算成像领域，证明计算成像的方法可以在更小的相机尺寸时获得更高的分辨率。在此基础上，重点阐述了一种可行的宽视场高分辨成像的实现途径：同心多尺度光学系统的设计方法。介绍了当前研制成功的基于同心多尺度理论的宽幅相机，并对它们的性能进行了分析比较，讨论了同心多尺度相机面临的技术挑战。
成像系统 计算成像 宽视场高分辨 同心多尺度 像差 空间带宽积 激光与光电子学进展
2013, 50(3): 030006
