吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130021
星载CO2成像光谱仪具有图谱合一、高空间分辨率、高时间分辨、非接触和长期监测的优点，已成为监测全球温室气体变化的重要手段之一。为解决大视场因入射狭缝较大，信噪比低，成像质量不佳的问题，文中对Offner成像光谱仪的光学系统初始结构设计提出了一种新方案。该方案基于在30 mm狭缝处发出的子午光线、弧矢光线在中心波长处相切，提高入射光线在整个光谱范围内的利用率。利用光学设计软件，设计在1594~1619 nm波段范围内，F数为2.5，光谱系统分辨率为0.1 nm的成像光谱仪。设计结果表明，点列图均方根（RMS）半径小于5 μm，系统在33 lp/mm处的传递函数优于0.7。此外，该系统采用像元合并（即扩展像元）的方法，进一步提高光谱信号的探测强度，该设计方案能够满足应用于星载CO2成像光谱仪大视场、高光谱分辨率和高信噪比的遥感探测需求。
成像光谱仪 光学设计 短波红外 凸面光栅 像元合并 imaging spectrometer optical design short infrared convex grating pixel binning 红外与激光工程
2022, 51(7): 20220431
吉林大学仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130000
针对光谱重构领域中光谱数据量较大与重构精度较低的问题, 提出了一种光谱可调谐的光谱重构方法。 在此之前国内外相关研究均是在数百条膜系的基础上进行, 并且计算过程比较复杂, 该方法利用10条膜系针对不同的单色光源进行实验并进行光谱重构。 光谱重构数学模型可以用线性方程组AX=B表示, 在实验过程中会受到多种误差源的干扰, 如膜系加工与设计间的误差、 探测器量子效率拟合误差、 杂散光干扰误差以及灰度值选取的误差等。 这些误差源造成了线性方程组变为病态方程, 造成了目标光谱信息解算的不准确。 在解算目标光谱信息的过程中, 首先在400~900 nm波长范围内利用凸优化算法解出含有误差的目标光谱信息的初始值, 并进行初次拟合, 得出含有误差的光谱曲线。 然后利用已知的光谱曲线信息判断目标光谱的有效波长范围, 对目标光谱范围进行伸缩, 在此范围内进行二次局部解算, 得出局部波长内的光谱信息, 然后对局部光谱信息进行局部拟合, 结合初次拟合结果, 得出新的目标光谱拟合曲线, 进一步提高了光谱重构精度, 以此类推, 得出精度较高的目标光谱曲线。 针对重构精度的评价指标不仅采用了国内外广泛使用的ARE, MSE与RQE, 还首次提出了一种新的评价光谱重构精度的指标, 即计算目标有效波长范围内每隔10 nm的MSE值, 若每10 nm的MSE值小于0.1, 则认为光谱重构精度达到了10 nm, 该方法不仅有效避免了在求解出现严重偏离真实值的情况, 还在凸优化解算过程中提供了约束条件, 有利于提高重构精度。 实验结果表明该方法在保证MSE, ARE与RQE高精度的条件下, 每隔10 nm的MSE最小值达到了0.002 3。 基于光谱可调谐光谱重构方法不仅达到了对目标光谱达到高精度重构的效果, 而且实现了数据降维。 此方法为光谱重构领域的工作方向提供了新的思路, 在工程上具有较大的应用价值。
光谱重构 调谐光谱 凸优化 数据降维 Spectral reconstruction Tuning spectrum Convex optimization Data dimensionality reduction 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1378
1 吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130012
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春130033
本文在无刷直流力矩电机的性能测试基础上，优化设计了基于C8051F120和CPLD单片机的驱动控制电路，通过采用PWM_ON的转矩脉动最小控制模式，实现了无刷直流电机的转速闭环和位置闭环控制。实验结果表明：所设计的无刷直流电机控制系统具有响应快速、定点精度高等特点。当电机以1°/s低速转动时，速度波动小于7%，大角度调转位置闭合定点精度小于1个码值，实现了无刷电机的宽调速范围和高精度控制，验证了设计的无刷直流电机驱动和算法的有效性。
无刷直流电机 闭合控制 精度 brushless DC motor closed-loop control accuracy
吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春130012
针对基于视觉传感器的微小卫星大视距交会对接中, 合作目标难以被相机清晰识别的问题, 本文设计了一种一体化新型合作靶标, 在100 m~100 mm测量范围内, 实现由远及近高精度双星相对位姿解算。首先, 建立合作目标模型, 确定合作目标类型; 其次, 采用PnP(Perspective-n-Point)算法设计合作目标特征点的个数与尺寸; 然后, 根据相机视场、焦距与合作靶标的约束关系, 确定合作目标模型尺寸; 最后, 通过理论与实验相结合的手段进行验证。仿真实验结果表明, 在双星相对距离为100 m时, 姿态误差小于4.01°, 位置误差小于7.57 mm。在相对距离为100 mm时, 姿态误差小于0.06°, 位置误差小于0.02 mm。
交会对接 合作目标 单目视觉 目标识别 rendezvous and docking cooperative target monocular vision target recognition
吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林长春130021
为解决弱光环境下月球着陆粗避障环节成像不清晰的问题，提出了“区域”像元合并和去除相机本底值两种图像预处理方法，来提高探测器的成像灵敏度和图像信噪比与对比度。在分析传统像元合并实现原理的基础上，提出了一种针对n_taps成像数据格式的“区域”像元合并方法。根据月球着陆粗避障环节中大尺度障碍识别的特点，通过去除相机本底值来提高图像的对比度。最后，利用宽、窄视场两款相机分别对像元合并、去除相机本底值以及两者结合的方法进行了重复性实验。实验结果表明，在弱光环境下，结合像元合并与去除相机本底值的方法可有效提高图像的信噪比与对比度，2_Binning模式下宽视场相机的信噪比可提高5.901 4 dB、对比度可提高0.254 7，窄视场相机的信噪比可提高5.764 4 dB、对比度可提高0.265 4；4_Binning模式下宽视场相机的信噪比可提高11.689 9 dB、对比度可提高0.210 2，窄视场相机的信噪比可提高11.401 5 dB、对比度可提高0.284 0。
弱光探测 像元合并 相机本底值 多项式拟合 weak light detection pixel binning camera background value polynomial fitting 光学 精密工程
2021, 29(11): 2539
1 吉林大学仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130061
2 中国科学院空天信息创新研究院中国科学院定量遥感信息技术重点实验室, 北京 100094
高光谱图像具有数百个连续、 狭窄的光谱带, 光谱范围跨越可见光到红外光, 可提供地物的精细光谱属性, 对于地物材质和属性的识别分类具有重要应用价值。 针对感兴趣目标选择有限的光谱波段进行传输和处理, 对于提升高光谱数据处理时效性、 以及设计面向特定应用的实用化光谱仪都具有重要意义。 而如何结合目标特征选择最优波段成为在提升处理效率的同时保证目标识别或分类精度的必然要求。 因此如何从数以百计维度的高光谱图像中选择出具有较好分类识别能力的波段子集是急需解决的问题。 提出基于改进粒子群优化算法的高光谱波段选择方法, 该方法区别于传统的粒子群优化算法, 引入 “概率突跳特性”, 并设定新解的淘汰机制, 将“停滞”的新解进行淘汰, 提高了算法的全局寻优性能。 然后基于目标光谱特征采用了最优波段选择的优化目标函数, 通过改进的粒子群优化算法求解目标函数, 并将选定的波段子集反馈到支持向量机(SVM)中执行分类应用。 采用两个标准的高光谱数据集(Indian Pines, Salinas)对选择出的波段子集进行分类测试, 结果表明该方法相较于现有方法具有较高的分类精度, 在几种方法中, 传统的粒子群算法筛选出的波段效果最差; 该算法筛选出的波段的分类精度最好, 两个数据集的分类精度分别可以达到98.141 4%和99.084 8%。
高光谱图像 波段选择 粒子群算法 支持向量机 Hyperspectral image Band selection Particle swarm optimization algorithm Support vector machine 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3194
吉林大学 仪器科学与电气工程学院 地球信息探测仪器教育部重点实验室，吉林 长春 130061
量子点光谱技术的“光谱重建”过程中需要使用基函数构建回归模型。传统的重建方法对光谱高频信息的捕捉不足，反演精度低。针对传统方法的不足，提出一种特殊的基函数结构，使得基函数方便拟合待测光谱的低频宏观轮廓信息和高频微观细节信息。同时，还将研究这种基函数参数的调节规律，使基函数的参数可以做到自适应调节，为每个光谱“量身定制”个性化的基函数，最大限度的包含待测函数的频率信息。经测试，对于窄带和宽带光谱，该方法反演误差分别是传统方法误差的约50%~70%和约90%，且具有一定的抗噪声能力，为量子点光谱技术真正走向实用化打下基础。
反演算法 量子点光谱技术 高斯基底 光谱重建 inversion algorithm quantum dot spectroscopy Gaussian basis spectral reconstruction 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200384
1 吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130012
2 上海航天控制技术研究所, 上海 200030
针对单波段导航敏感器通常只能获取目标某一方面的信息, 所获信息量少、识别率低的问题, 提出一种共用孔径、多波段光学导航敏感器的设计。从光焦度分配理论出发, 给出了以主次反射镜为共用部分, 工作在不同视场的共口径光学系统的初始结构设计。可见光、红外和激光三个通道共用一个Ritchey-Chretien系统, 实现大口径的设计要求。为了实现可见光成像、红外成像与激光雷达探测功能, 在次镜表面镀制选择性透过光学薄膜, 将激光雷达的接收部分与成像系统分开。通过棱镜将Ritchey-Chretien系统的反射光路分为两路, 一路成像于可见光探测器, 一路成像于非制冷型长波红外探测器。设计结果表明, 可见光系统在90 lp/mm的MTF大于0.4, 红外系统在14.7 lp/mm的MTF大于0.4, 成像系统的传递函数接近衍射极限; 激光接收系统在距离探测器质心30 μm处的能量接收高达90％, 在-20~40 ℃成像质量良好。
光学设计 导航敏感器 可见光 红外 激光 optical design navigation sensor visible light infrared laser 光学 精密工程
2019, 27(12): 2534
1 吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130061
2 上海航天控制技术研究所, 上海 200030
3 钱学森空间技术实验室, 北京 100094
为了解决图像处理领域缺少一个描述目标信号显著程度的物理量的问题, 引用了光谱学中信背比的概念, 类比于信噪比的计算方法, 求出目标信号平均灰度值与背景平均灰度值之比, 直观地表示出目标信号与背景的对比度。同时, 为了解决视频中低速暗弱目标难以分辨与检测的问题, 提出了一种视频低速暗弱目标增强方法, 首先对视频首尾的连续多帧图像进行叠加差分运算, 得到平滑的差分图像, 然后进行灰度变换迭代, 获得高信背比的图像。实验结果表明, 信背比可以有效地描述了目标信号的显著程度, 采用提出的视频低速暗弱目标增强方法后, 目标信号的信噪比由1.84增加至9.18, 信背比由0.33增加至19.44, 提高了接近60倍, 暗弱目标的显著程度大幅度提高, 达到了视频低速暗弱目标增强的要求。
图像处理 信背比 目标增强 低速暗弱目标 image processing signal-to-background ratio target enhancement low-speed dim targets
