红外与激光工程
2022, 51(5): 20210510
1 北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 光电跟踪与测量技术研究室，西安 710119
3 中国太原卫星发射中心 030027
基于制冷型320×240凝视焦平面阵列探测器，采用离轴折反射式结构设计了一种大口径长焦距红外连续变焦光学系统.系统分离轴无光焦度和透射式连续变焦两部分，通过光瞳匹配和冷屏匹配将两部分组合起来进行优化，解决了透射式连续变焦系统因材料限制不能实现大口径、共轴连续变焦系统短焦遮拦比大和离轴三反变焦系统像面移动的缺陷.系统工作波段为3.7～4.8 μm，焦距范围250～2 000 mm，变倍比为8×，F数为4，满足100%冷光阑效率.在空间频率16 lp/mm处系统的MTF值大于0.5，具有像质好，分辨率高等特点，满足设计要求.
光学设计 中波红外 连续变焦 成像光学系统 离轴 大口径 无遮拦 Optical design Middle infrared Continuous zoom Imaging system offaxis large aperture Unobstructed
西安电子科技大学 技术物理学院, 西安 710071
提出了一种新的复杂背景下低信噪比红外弱点目标检测算法。根据红外弱点目标在图像中的三维空间特征,从空间认知的角度出发,将三维的灰度分布特征转化为二维的等高线曲线特征, 建立红外图像的等高线图(IECM)描述,利用图论中的树结构(等高线树)形式化地表达等高线的空间关系,在此基础上,给出弱点目标检测的等高线树检测准则,同时给出了等高线划分等级的选择方法。理论分析与实验结果表明,该算法具有良好的检测性能,且结构简单,利于硬件实时实现。在信噪比为1.4的情况下,对红外图像序列的检测概率为96.3%。
弱点目标检测 等高线图 特征匹配 红外图像 weak dim target detection IECM feature matching infrared image
西安电子科技大学技术物理学院, 陕西 西安 710071
针对复杂背景下红外弱小目标检测难题,将背景杂波抑制归结为从原始红外弱小目标图像中重建目标数据的过程,据此提出了一种基于马尔可夫随机场模型(MRF)的自适应正则化滤波算法.该算法采用MRF,建立了红外弱小目标图像的先验概率模型,并根据图像的粗糙度设计了新的势函数.在此基础上,采用MRF对背景杂波抑制过程进行正则化处理,从而实现了对红外背景杂波的自适应各向异性抑制.理论分析与实验结果表明,该算法能够随图像局部纹理特征的变化自适应地调整滤波算子结构,从而可在复杂背景下自适应地抑制杂波、增强信号,有效地提高了图像的信噪比,且该算法结构简单,更易于硬件实时实现.
背景杂波抑制 红外弱小目标 马尔可夫随机场 正则化 自适应滤波 background clutter suppression infrared dim small target Markov random field(MRF) regularization adaptive filtering
1 西安电子科技大学 技术物理学院，西安 710071
2 中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 710119
针对交互式多模型粒子滤波算法运算量大的问题，提出了一种基于多速率跟踪思想的交互式多模型算法.该算法根据各模型假定的机动性，采用不同的数据更新速率，实现了模式空间和测量空间的混合滤波.同时，多模型综合选配了不同的滤波算法，其中,弱机动模型匹配卡尔曼滤波器，强机动模型匹配粒子滤波器.仿真结果表明，与传统的交互式多模型粒子滤波算法相比，本文算法在保证滤波精度的基础上，具有较低的计算复杂度，降低了约38.9%，能够有效地改善光电目标跟踪系统的可靠性和实时性.
机动目标跟踪 多速率跟踪 交互式多模型 粒子滤波 卡尔曼滤波 Maneuvering target tracking Multirate tracking Interactive multiple model Particle filter Kalman filter
西安电子科技大学 技术物理学院，西安 710071
在分析固定图案噪音频率分布的基础上，提出了一种利用平稳小波进行非均匀性校正的方法.选择合适的小波函数对红外图像序列进行分解，从而估计出非均匀性校正的增益和偏置系数，最终实现红外焦平面阵列的非均匀性校正.利用小波的多分辨性质，提高了低频部分的频率分辨率，有效的抑制了一般基于场景统计校正算法中易于出现的“人工鬼影”现象.用真实的红外图像序列进行了处理，实验证明了算法的优越性.
成像系统 红外焦平面阵列 红外非均匀性校正 平稳小波变换 Imaging system Infrared focal plane array Nonuniformity correction Stationary wavelet transform
西安电子科技大学 技术物理学院，西安 710071
高速高机动目标的被动定位跟踪在理论上和实践上均有较高的技术难度，传统的定位算法难以同时满足定位精度和实时性的要求。本文以交互式多模型算法(IMM)为框架，根据多速率跟踪(MRT)的思想，实现了模式空间与测量空间的多速率混合滤波，并给出了多速率常高通(CH)和常高高通(CH2)模型的统一表示形式。同时，引入自适应“当前”统计模型对高度机动的运动模型进行刻画，在此基础上，根据各模型假定的机动性，多模型综合选配了粒子滤波算法和卡尔曼滤波算法，从而建立了高速高机动目标的多速率交互式多模型跟踪算法。实验结果表明，与传统的跟踪算法相比，本文算法定位精度高，误差小于4%斜距；运算复杂度低，具有高于25 Hz 的速率更新目标状态的能力。
机动目标跟踪 多速率模型 交互式多模型 当前统计模型 maneuvering target tracking multi-rate model interactive multi-model current statistical model
西安电子科技大学技术物理学院, 陕西 西安 710071
针对火炮身管内表面观测的特殊需求, 考虑到传统的图像拼接方法效率低或精度低的缺陷, 提出了一种硬件和软件相结合的基于旋转扫描序列内表图像的全景拼接方案和图像拼接算法。该方案用步进电机驱动45°平面反射扫描镜和CCD相机同步旋转来实现对等距内表面序列图像的快速获取, 利用获取的序列图像根据步进电机的步进角度完成内表面全景图像的粗级拼接, 即在拼接中首先对步进旋转角度θ和图像素距离P进行标定, 然后根据标定结果选取待配准的子图像区域, 在子图像区域中采用基于相位相关的图像配准方法对图像进行像素级配准, 从而完成对序列图像的精级拼接。为了实现图像的平滑过渡避免出现拼接痕迹, 最后提出了基于人眼视觉特性的高斯函数权值加权图像融合过渡的方法。试验和仿真结果表明：该方案能够实现内表图像的快速高精度全景拼接, 拼接的精度达到像素级, 拼接时间小于500 ms, 能够满足内腔表面观测的实时性需求, 非常适合工程实际应用。
图像处理 全景拼接 旋转扫描 序列图像 相位相关 标定
西安电子科技大学技术物理学院，陕西 西安 710071
在激光基准下基于CCD成像身管轴线直线度测量系统中，对激光光斑图像的高精度检测和定位是影响系统测量精度的一个重要因素。为了提高激光光斑图像的检测和定位精度，提出了一种Sobel－Guass拟合算子的激光光斑亚像素边缘检测方法，同时结合最小二乘迭代圆拟合法设计了光斑中心的高精度定位。即：首先用Sobel算子细化边缘，进而在梯度方向上进行高斯函数拟合插值，进一步提高图像边缘位置的检测精度，最后经最小二乘圆迭代拟合后得到激光光斑的亚像素级几何参数，从而使测量系统的精度提高一个数量级。实验结果表明：像素细分后对像素点的定位精度可以达到0．1个像素，亚像素边缘对标志中心的定位精度优于0．03像素。
图像处理 成像测量 边缘检测 亚像素 曲面拟合 image processing measurement based on image edge detection sub-pixel curved surface fitting
西安电子科技大学 技术物理学院,陕西 西安 710071
提出了一种基于序列图像特征点配准和基于最小二乘估计的摄像机绕轴旋转运动精确估计算法。该算法利用序列图像帧间的强相关性,通过分析相邻两帧图像的运动,由Harris算子进行特征点检测。基于这些特征点用模板匹配方法对帧间图像进行配准,然后根据多个特征点的运动矢量用最小二乘估计获得摄像机的运动参数,并用获得的运动参数实现对摄像机绕轴旋转运动的精确补偿。实验结果表明,该方法在帧间旋转角度<10°时,摄像机绕轴旋转运动角度估计误差<5%,但是当旋转角度>14°时,相对估计误差>20%。从系统实际应用(帧间旋转<5°)来看,该方法克服了成像测量中摄像机旋转对图像处理和测量精度的影响,弥补了因像机旋转引起的测量误差大的缺陷,提高了测量精度,可满足使用要求。
图像测量 角点检测 图像配准 运动估计 最小二乘法 image measurement corner detection image matching moving estimation least-square method
