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
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
广东海洋大学电子与信息工程学院, 广东 湛江 524088
光纤表面等离子体共振(SPR)传感是光纤传感领域的研究热点之一。详细论述了光纤SPR传感器的各种结构和优点; 分析了金属膜层的膜材料和膜层厚度、镀膜光纤长度、双层金属膜的组合和厚度比例等参数对光纤SPR传感器性能的影响; 概述了光纤SPR传感器的研究进展及应用, 包括多模光纤SPR传感器、单模光纤SPR传感器、光纤布拉格光栅SPR传感器、倾斜光纤光栅SPR传感器、长周期光纤光栅SPR传感器、多通道光纤SPR传感器、光子晶体光纤SPR传感器和纳米金属颗粒光纤SPR传感器; 给出了光纤SPR传感器的研究重点与发展方向。
光纤光学 光纤传感 表面等离子体共振 光纤光栅 激光与光电子学进展
2017, 54(9): 090008
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 航天东方红卫星有限公司, 北京 100094
针对大视场空间相机的像移补偿, 建立了基于坐标变换和姿态动力学的离轴三反大视场空间相机通用像移速度场模型。建模过程中考虑了离轴三反光学系统的离轴角对像移模型的影响, 推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例, 分析了3种典型成像姿态下焦面像移速度和偏流角的分布特点, 研究了卫星姿态稳定度对相机成像质量的影响。分析表明, 卫星三轴姿态稳定度的降低会导致相机焦面动态传递函数(MTF)下降, 其中俯仰姿态稳定度对焦面动态MTF的影响最大; 并且随着积分级数增加, 下降会愈发明显。相机侧摆姿态成像时, 对卫星姿态稳定度的要求更高。以传递函数下降5%为限, 积分级数为96级的大视场空间相机, 要求卫星姿态稳定度控制在0.001(°)/s以内。实验结果验证了文中对卫星姿态稳定度的分析, 证明了像移速度场模型的准确性, 为大视场空间相机像移补偿提供了可靠依据。
空间相机 离轴三反光学系统 像移补偿 像移速度场 卫星姿态稳定度 调制传递函数 space camera off-axis three mirror anastigmat system image motion compensation image motion velocity field satellite attitude stability Modulation Transfer Function(MTF)
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
大视场空间相机在轨成像期间, 由于地球自转、卫星姿态机动和颤振等因素导致焦面像速场呈非线性各向异性分布。为此提出了一种新的基于刚体运动学的像移速度场建模方法, 考虑离轴角参数, 推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例, 分析了侧摆成像时同速与异速像移速度匹配模式对相机成像质量的影响。分析结果表明: 以传函下降5%为约束, 侧摆15°成像时, 当积分级数大于10级时应采用异速匹配模式, 积分级数为32级时, 异速匹配相比于同速匹配使焦面动态MTF从0.340 8提高到0.970 2。当积分级数确定为16级时, 侧摆角在12.3°以内时可采用同速匹配模式。在轨成像结果证明了像移速度场模型的准确性, 可为大视场空间相机像移补偿提供可靠依据。
空间相机 离轴三反 像移补偿 像移速度场 侧摆成像 space camera off-axis three-mirror image motion compensation image motion velocity field scroll imaging 红外与激光工程
2016, 45(5): 0513001
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
为了定量研究面阵电荷耦合器件(CCD)错位成像技术图像质量的提高以及CCD像元填充因子对图像质量的影响，建立了仿真不同像元填充因子的面阵CCD错位成像的数学模型。以Matlab为平台，不考虑噪声的干扰，对ISO12233标准分辨率测试卡子图像进行了仿真，结果表明，CCD像元填充因子为100%时，与普通成像模式相比，对角错位、四点错位成像模式图像的灰度平均梯度分别提高了2.9970、3.4136，拉普拉斯能量分别提高了0.5676、0.7478，且CCD像元填充因子为其他值时，相较于普通成像模式，对角错位、四点错位成像模式图像的GMG和EOL均得到提高；采用四点错位成像模式时，与填充因子为100%的面阵CCD相比，填充因子为69%、44%、25%的面阵CCD四点错位模式图像的灰度平均梯度分别提高了1.433 0、3.337 3、5.153 2，拉普拉斯能量分别提高了0.638 0、1.704 4、3.196 8，且采用其他成像模式时，填充因子为100%、69%、44%、25%的图像的GMG和EOL均不断提高。研究表明，面阵CCD错位成像技术能够提高图像质量，且四点错位成像模式图像质量优于对角错位成像模式；在满足信噪比指标要求的前提下，对于面阵CCD同一成像模式，像元填充因子越小，图像质量越高。
面阵电荷耦合器件错位成像 仿真模型 填充因子 灰度平均梯度 拉普拉斯能量 subpixel imaging of area CCD simulation model fill factor gray mean gradient energy of Laplacian
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100039
提出了一种基于有效提取点扩散函数(PSF)的图像实时复原方法来提高空间相机成像性能。从典型的图像复原原理出发，分析了实时复原的关键问题。将PSF与典型的线性复原滤波方法相结合计算出实时复原的反卷积算子，通过空间域卷积计算的方式进行实时复原，并以现场可编程门阵列(FPGA)为核心器件设计了具备图像实时复原计算性能的硬件系统。利用上述设计在硬件平台上对空间相机的遥感图像数据进行了实验验证，并与经典图像复原方法的效果进行了对比。结果显示，采用该平台对单片CCD像元数为12 000的空间相机图像进行复原后，灰度平均梯度由3.788 7提升到8.229 6，拉普拉斯和由15.456 7提升到43.907 5，达到了经典图像复原的性能。在模板尺寸为19 pixel×19 pixel时，实时复原处理延时为1.9 ms，复原后的相机调制传递函数在Nyqyist频率处从0.1提高到0.23，有效地提高了空间相机系统的成像性能。
空间相机 图像实时复原 反卷积算子 现场可编程门阵列 space camera real-time image restoration deconvolution operator Field Programmable Gate Array(FPGA)
1 大连理工大学物理与光电工程学院， 辽宁 大连 116024
2 广东海洋大学理学院， 广东 湛江 524088
3 福建福晶科技股份有限公司， 福建 福州 350003
利用小功率40 kHz的CO2脉冲激光对25 μm厚的超薄熔石英玻璃与熔石英毛细管端面进行热熔焊接，研究和分析了占空比(脉冲激光功率)、离焦激光预热、离焦激光退火对熔石英玻璃热熔焊接的影响。结果表明，实现超薄熔石英玻璃与毛细管端面无气化穿孔、密封、牢固焊接的占空比为37%；占空比为20%的+2 mm离焦脉冲激光预热对超薄熔石英玻璃无裂纹/裂缝的焊接起到了关键作用；适当占空比的-2 mm离焦脉冲激光退火能够释放超薄熔石英玻璃在热熔焊接过程中产生的残余热应力，提高熔石英器件的性能，经激光焊接的光纤法布里珀罗传感器的压力和温度曲线的线性度分别为0.9995和0.9991，而且重复性好。
激光技术 CO2激光 热熔焊接 熔石英玻璃 中国激光
2012, 39(10): 1003004
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
视频面阵CCD相机已经得到了广泛的应用, 为了解决不同的应用对高频率、高分辨率不同的要求等问题, 同时扩大其应用范围, 提出了一种适用于视频面阵CCD相机的多工作模式成像技术。首先, 分析了视频面阵CCD的功能和特点, 确定CCD的工作模式; 其次, 根据这些工作模式确定多模式成像的视频面阵CCD相机的组成; 然后, 详细阐述了时序驱动电路中工作模式的切换方法; 最后, 在各种工作模式下对视频面阵CCD相机分别进行了外场成像试验。实验结果表明: 视频面阵CCD相机在各种工作模式下的成像效果很好, 并且每种工作模式之间的切换时间为2ms, 提高了视频面阵CCD相机多工作模式成像方法的有效性和实时性。
成像系统 面阵CCD 时序驱动 工作模式 imaging systems area CCD sequential driving working pattern
