1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院 “精密光机电一体化技术”教育部重点实验室，北京 100191
2 北京航空航天大学 人工智能研究院，北京 100191
3 北京航空航天大学 “空天光学-微波一体化精准智能感知”工业和信息化部重点实验室，北京 100191
针对基于中红外声光可调谐滤波器（Acousto-Optic Tunable Filter, AOTF）的光谱成像系统观测运动目标过程存在光谱数据漂移问题，提出了一种基于声光互作用的在线光谱校准方法。根据目标光谱成像位置与驱动频率，构建了逆向光线追迹模型，从而实现了光谱数据的在线校准，满足运动目标探测的实时性要求。该方法能为后续目标检测、识别与跟踪提供稳定且精确的光谱数据立方体。在实验验证方面，利用设计研制的平行光入射的中红外AOTF光谱探测系统，以黑体与中红外滤波片组合作为目标光源，对光谱校准模型开展实验验证。最终实验结果表明，针对位于不同视场处的模拟运动目标，校正后的光谱漂移相对误差均优于4.45%，有利于提升对运动目标光谱探测的应用能力。
声光可调谐滤波器 光谱校准 光线追迹 动目标 光谱探测 acousto-optic tunable filter spectral calibration ray tracing moving targets spectrum detection 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230291
光子学报
2023, 52(12): 1210002
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
2 北京航空航天大学青岛研究院，山东 青岛 266101
现代工业零部件的加工已经实现了无需二维标注图纸，由计算机辅助设计3D模型直接输入数控系统加工。加工工艺的进步给工件测量和质量评价方法带来了新挑战，通过获取零部件的高精度稠密三维点云的“靠模”质量评价方法得到了重视，特别是对于结构复杂的零部件。然而，高精度复杂结构的零部件三维测量遇到两个难题：1）金属零部件加工后表面光洁度很高，主动投射的条纹光束会引起金属表面的强烈反光致盲或者复杂结构引起的投射光多次反光混叠；2）复合材料的半透明会引起投射光的次表面散射。这些因素都会导致测量失效。现有结构光主动视觉三维重构技术无法解决上述难题。针对复杂型面免喷涂三维重构问题，建立基于单像素成像方法的复杂光照分离模型，实现直接光与复杂光照分离。为了解决单像素成像方法效率低、速度慢、难以满足工业现场测量需求的问题，提出一种基于局部区域延拓的并行单像素成像方法。实验结果表明，并行单像素成像方法能够很好地实现工业测量现场多次反光与次表面散射光干扰条件下的三维重构。
成像系统 单像素成像 多次反光 次表面散射 三维测量 激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811018
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
2 中国航空工业集团有限公司北京长城计量测试技术研究所，北京 100095
三维成像技术可快速获得被测表面的海量点云数据，如何从点云数据中识别出准确的边缘轮廓线数据是三维边缘轮廓线检测的首要工作。分析边缘轮廓线数据的位置特征，说明在边缘轮廓线的垂直截面线上识别边缘轮廓线数据点的重要意义；由于实际垂直截面线数据在边缘轮廓线数据点处存在倒角圆弧的情况，需通过倒角圆弧中间点求解出边缘轮廓线数据的位置；根据倒角圆弧数据的不同分布特征，提出3种倒角圆弧中间点的识别方法，即拟合抛物线求解顶点法、法向累积夹角半交角判别法、法向夹角引导的弧长均值插值法。在多条边缘轮廓线上验证了3种倒角圆弧中间点识别方法的有效性和精度。
工业检测 扫描仪 边缘轮廓线数据 点云数据 激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811026
1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191
2 北京航空航天大学 “精密光机电一体化技术”教育部重点实验室，北京 100191
针对AOTF成像光谱仪的光谱图像退化程度难以定量化评价的问题，提出了包含后楔角影响的AOTF器件调制传递函数（MTF）定量计算方法。该方法通过建立AOTF的光谱-空间维响应模型获取AOTF器件的线扩散函数(LSF)，然后通过线扩散函数傅里叶变换得到理论MTF。在验证实验中，截止频率内的MTF理论值与实测值相对偏差小于15%，可以为AOTF的像质评估提供理论依据。进而，通过该定量计算方法讨论不同AOTF后楔角对光谱图像像质的影响。通过仿真分析得出，AOTF的后楔角难以同时满足横向色差校正与图像退化抑制，需要根据实际应用对于空间分辨率以及横向色差的要求进行取舍。所以，针对AOTF不同后楔角进行光谱图像像质的定量分析对于评估AOTF光谱图像像质具有重要意义，为AOTF器件设计提供了理论依据。
声光可调谐滤波器 后楔角 光谱成像 acousto-optic tunable filter rear cut angle spectral imaging 红外与激光工程
2022, 51(7): 20210590
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院精密光机电一体化技术教育部重点实验室，北京 100191
2 上海宇航系统研究所，上海 201108
3 北京航空航天大学青岛研究院，山东 青岛 266100
采用管道机器人定期检测输送管线的状态对于确保管道安全可靠运行意义重大。受限于机器人的结构尺寸和功耗，常用精度较低的微小型三维测量传感器为机器人提供环境及导航信息。针对低精度三维传感器得到的点云数据质量不佳、难以可靠分辨障碍物的问题，提出了一种基于时间序列及邻域分析的点云处理方法。利用障碍物点云与噪声点云在时间序列分布和空间分布方面的特性有效去除噪声，并通过拟合管道内壁实现管道内障碍物检测。测试结果表明，所提方法的检测精度提升了约30个百分点，检测时间小于1 s，满足管道机器人的应用需求。
图像处理 管道检测 三维点云 障碍物检测 时间序列 邻域分析 激光与光电子学进展
2022, 59(22): 2210007
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院精密光机电一体化技术教育部重点实验室，北京 100191
2 北京航空航天大学人工智能研究院，北京 100191
针对海面太阳耀光背景下传感器受到强干扰而无法有效探测的问题，本文提出了太阳耀光场景下的自适应偏振探测方法。根据太阳耀光辐射分量的偏振特性，本团队设计了单/双偏振片观测模式，搭建了中红外偏振探测系统。先根据计算得到的不同场景下的耀光辐射，切换相应的工作模式进行耀光抑制，以增强目标在图像中的对比度；然后结合图像处理滤波算法，对不同太阳耀光背景下的船体目标进行有效探测。两种工作模式被用于太阳耀光抑制实验：针对远距离、近布儒斯特角观测实验场景，选择单偏振片观测模式即可有效凸显目标，然后结合形态学滤波算法就可实现目标探测；针对近距离、近水平角观测实验场景，选择双偏振片观测模式，可在有效抑制太阳耀光水平分量的同时对残留的垂直分量进行抑制，然后结合管道滤波算法即可实现目标探测。野外实验结果表明，本文提出的两种偏振探测模式均可有效削弱不同场景下的海面太阳耀光辐射，有利于提升偏振系统对不同场景的适应能力。
探测器 偏振成像 太阳耀光 中红外偏振探测 目标探测 中国激光
2022, 49(19): 1910004
1 北京空间机电研究所，北京 100094
2 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094
3 西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710007
4 南京理工大学 计算机科学与工程学院，江苏 南京 210094
5 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100094
常规衍射光谱成像系统采用单通道方案，主要针对简单图形目标或光谱特征已知的气体目标进行模拟仿真和光谱成像实验。而当目标为自然场景等复杂景物时，成像系统的光谱解算效果和精度难以保证。针对复杂景物成像，设计了一套双通道可见近红外衍射计算成像光谱仪系统，在常规单通道衍射成像光谱仪系统的基础上，增加一路全色相机成像，可以为衍射成像通道提供复杂景物的全色信息和先验知识。将两个通道的数据进行联合处理，提升最终的光谱数据反演效果和反演精度。介绍了系统组成和基本原理，分析了系统性能，利用仿真程序模拟了系统成像过程。在实验室搭建了可见近红外衍射计算成像光谱原理验证装置。对实验得到的450~800 nm的可见近红外混叠光谱数据进行光谱复原。利用海洋光学光谱仪测试色板的光谱曲线作为标准谱线，与复原得到的光谱数据进行对比，反演的光谱数据平均精度优于90%。通过衍射计算成像原理分析、模拟仿真和原理实验，验证了双通道衍射计算成像系统原理的正确性，能够反演得到精度优于90%的复杂景物光谱数据，提升了衍射成像光谱系统应用潜力和应用价值。
光谱 衍射 计算成像 图像复原 spectral diffractive computational imaging image restoration 红外与激光工程
2022, 51(5): 20220077
1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191
2 北京航空航天大学 北航青岛研究院，山东 青岛 266101
3 中国人民解放军96901部队，北京 300140
针对机载成像高光谱遥感仪器获得的大批量高光谱数据很难实现高效快速的矿物信息提取和识别的问题，提出了一种基于改进样本驱动的高光谱矿物识别模型压缩方法，对神经网络中的冗余神经元进行剪枝，从而获取高效的矿物识别模型。首先，以验证数据集中的正确识别样本为数据驱动，计算各神经元经激活函数后的输出零值频率，并将其作为该神经元重要性判据，探讨各神经元对神经网络正确识别样本的贡献；其次，通过设置重要性阈值对冗余神经元进行剪枝，并对剪枝网络进行再训练，在保留原网络正确识别特性的基础上，提升压缩模型识别精度；最终通过多次迭代剪枝获得高效的压缩矿物识别模型。利用基于改进样本驱动的模型压缩方法对基于多层感知机的矿物识别模型进行压缩改进，并以美国内华达州Cuprite矿区的机载可见光/红外成像光谱仪的高光谱数据作为测试数据，获得了压缩比3.33、矿物识别精度94.35%的高效矿物识别模型。
神经网络 网络剪枝 高光谱 矿物识别 neural network network pruning hyperspectral mineral identification 红外与激光工程
2022, 51(3): 20210252
1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院 精密光机电一体化技术教育部重点实验室，北京 100191
2 中国测绘科学研究院，北京 100830
最新一代可见近红外（VNIR）和短波红外（SWIR）双通道星载高光谱成像仪，多采用视场分离器将VNIR和SWIR通道分离为多个子视场，同一时刻各子视场对地成像区域不同，在采用运动补偿技术提高图像信噪比时，各子视场对同一地物的观测角不同，导致图像间失配关系复杂，无法获取同一地物的VNIR-SWIR连续光谱。通过建立运动补偿下的严格成像几何模型，定量分析了双通道图像的畸变和失配规律，进而提出了各子视场分别几何定位再相位相关法配准的方案，并利用东天山区域运动补偿下星载双通道高光谱仿真数据进行验证。结果表明，传统的基于图像的配准方案精度为3.9像元，仍无法得到同一地物像元的VNIR-SWIR光谱曲线，文中方案配准精度提高到0.3像元，VNIR和SWIR重叠波段的反射率光谱重合度误差由41.5%降低到1.2%。
高光谱成像仪 运动补偿 失配分析 图像配准 重采样 hyperspectral imager motion compensation mismatch analysis image registration resampling 红外与激光工程
2021, 50(3): 20211022
