提出一种基于DSP的红外图像防空导弹检测与跟踪算法, 算法分为导弹飞行锥形尾烟跟踪和发动机脱落导弹跟踪2个阶段。其中, 采用基于轮廓近似曲率表示算法跟踪带有尾烟的导弹, 采用基于区域生长的小目标跟踪算法跟踪发动机分离后的燃烧弹标。文章中提出的算法在基于C6416DSP平台中实现, 多次外场实验结果表明: 该算法能够实时稳定地实现防空导弹光电跟踪制导。

针对制冷型320×256凝视焦平面阵列探测器, 设计了一套4倍中波红外连续变焦光学系统, 用于轻型机载光电探测和跟踪吊舱设备。该系统由变焦物镜系统、二次成像系统和2个反射镜构成, 为了避免非球面的加工及检测误差影响, 本系统只使用球面。设计结果表明, 系统实现了37.5 mm～150 mm的连续变焦, 工作波长范围为3.7 μm～4.8 μm, F数为4, 满足100%冷光阑效率, 系统在探测器的Nyquist频率16 lp/mm处, 所有焦距位置和视场的MTF均大于0.55, 接近系统的衍射极限。该变焦系统总长280 mm, 质量仅为110 g, 具有体积小、质量轻、分辨率高、变焦轨迹简单等优点。

针对上反式光电侦查设备采用传统波门控制方法全视场搜索跟踪水面目标时, 由于背景辐射和波面反射造成较高虚警率的问题, 提出一种适合上反式光电侦查设备搜索波门布置策略的控制方法。该方法通过建立虚拟海平面经两轴上反式光电侦查设备空间模型反射、投影的数学模型, 实时计算虚拟海天线和视频图像边线的交点并发送给视频跟踪器, 沿虚拟海天线布置的窄带状搜索波门, 仅对搜索波门内的水面目标作出响应。海试试验证明, 该方法的目标搜索效率与带状波门所占图像面积的比例成反比, 虚警率降低80%。

根据光学补偿变焦距理论, 基于红外中波制冷型320×240焦平面探测器, 设计了31×光学补偿式红外步进变焦光学系统。该光学系统工作波长范围为3 μm～5 μm, 光学系统的F#和探测器相匹配, 恒定为4, 冷屏效率100%, 焦距范围430 mm~12.867 mm。采用3种光学材料和非球面对光学系统进行优化设计, 对7个视场严格校正了像差, 各个视场的MTF曲线均接近衍射极限, 获得了良好的像质。

为构造指纹荧光检测中所需的均匀照明紫外光源, 选择紫外LED阵列照明。采用光电探测器检测单颗LED的辐射角分布, 拟合单个LED角分布函数; 用8颗LED均匀置于半径为10 mm的圆环上, 在圆环上方5 mm处的中心轴上放置一个LED; 在给定的观察屏上照度不均匀误差下, 根据斯派罗法则, 确定观测屏与圆环阵列之间的距离, 从而实现LED圆环阵列的照度分布均匀化。也可以给定观测屏到圆环的距离, 确定轴上LED放置点到圆环的距离。实验结果表明, 观测屏到圆环距离为11.0 cm时, 在半径为10.0 mm的圆域内, 照度不均匀相对误差小于1.27%。

调制传递函数是评价红外光电成像系统整机成像质量的重要指标之一。通常MTF的测试方法有狭缝法和刀口法等。详述了倾斜目标靶(斜狭缝和斜刀口)测试MTF的测试原理, 并且对该两种方法进行了比对实验。提出一种改进刀口法, 将多行数据刃边对齐并排列成一行数据作为刀口扩散函数,能增加采样点数和采样率并提高测试分辨率, 进而得到刀口图像, 对每行数据先微分得到各行LSF(线扩散函数), 再对LSF多行数据构成的新图像按照斜缝法处理过程计算MTF。实验验证表明, 该方法数据能够有效地降低在MTF测试过程中的噪声影响, 与斜缝法MTF测试结果差值最大不超过7.5%。

采用双电机联动控制变倍组与补偿组的变焦方案替代传统的曲线套筒, 实现了采用全透射式结构型式, 相对口径为1/4, 焦距变化范围为342.76 mm~13.15 mm连续变焦光学镜头的机械补偿式变焦。将变倍组设计成步进模式, 作匀速运动, 补偿组设计成位置跟踪模式, 按凸轮曲线作变速运动, 采用双电机全数字伺服控制凸轮(CAM)算法, 将光学设计计算的变倍镜和补偿镜位置对应关系转变为对应的脉冲数输入到CAM表中, 从而确定2个不同运动速度轴之间的位置对应关系。试验结果表明: 双电机控制的变倍组和补偿组位置分辨率达到0.18 μm, 光轴一致性水平方向达到1.9′, 垂直方向达到1.3′。

理论分析与实验研究了水幕系统施放泡沫-水两用干扰幕产生的泡沫幕/水幕施放厚度与光衰减效果的关系。实验对空中和模拟甲板表面施放不同气流量比例的4～32层离散液滴状水幕和泡沫幕, 测量其对平行光的衰减。实验结果表明: 对于不同泡沫-水两用幕施放位置和气流量比例, 随着施放厚度的增加, 光衰减效果均明显提高, 透射照度的衰减最高可达95.8%(空中)与98.4%(甲板表面); 透射照度衰减的速率随施放层数的增加而逐渐减小。

为了考察基底温度对氧化铝薄膜折射率以及沉积厚度的影响情况, 在不同基底温度环境下, 通过离子辅助电子束蒸发方式, 在玻璃基底上制备了同一Tooling因子条件下所监测到相同厚度的Al2O3薄膜, 利用分光光度计测量光谱透过率, 依据光学薄膜相关理论, 计算了基底温度在25℃～300℃范围内获得的膜层实际物理厚度为275.611 nm～348.447 nm, 以及膜层折射率的变化。通过对实验结果的数值计算和曲线模拟, 给出了基底温度对于薄膜的折射率和实际厚度的影响情况。

基于横截面上精确表述的光强和瑞利-索末菲衍射积分公式, 通过数值计算分析双曲余弦-高斯光束经微小孔衍射的轴上光强特性, 详细讨论了偏心参数α、微小孔的孔径a和束腰宽度与波长之比w0/λ对双曲余弦-高斯光束轴上光强的影响。结果表明: 双曲余弦-高斯光束的轴上光强分布依赖于偏心参数α、孔径a、w0/λ参数和传输距离。

针对目前三维物体计算全息算法数据量大、计算速度慢及共轭像影响再现效果问题, 提出一种全息体视图计算方法。根据人眼双目视差立体视觉原理, 由摄像机获取三维物体不同角度的二维序列视差图像, 通过计算全息算法得到多视角全息图, 合成三维物体全息体视图。在迭代傅里叶变换算法的基础上, 采用预设初始相位并增加反馈因子的方法, 提高相息图的计算效率。基于液晶空间光调制器构建光学系统, 对计算的全息体视图进行了光学再现。结果表明: 该方法有效地排除了共轭像的干扰, 相息图的迭代计算效率提高30%以上, 再现图像与目标图像的结构相似度大于0.85。

在基于帧差分的智能视频监控系统中, 图像亮度改变对目标物体的识别和跟踪可能造成严重影响。通过对比一些常用亮度校正方法, 选用比例变换法进行深入研究。为保证校正效果, 预先指定一个不受目标物体影响的区域, 根据其平均灰度确定变换因子。为满足实时性要求, 仅当连续2帧的亮度改变超过某一阈值时才进行校正。在Visual C++ 6.0下编程时又采取了一些措施提高程序运行速度, 例如将浮点运算转换为整数运算等。实验表明: 亮度校正前无法识别出的目标物体在亮度校正后可识别出来, 校正一帧图像耗时约1.2 ms, 当阈值取1或2时校正效果与校正速度综合最好。

为了实现图像融合系统远距离实时传输, 提出一种基于TI公司TMS320DM642和TMS320DM365处理器平台的高速网络传输图像融合系统的设计方案。设计基于TMS320DM642融合模块和基于TMS320DM365网络传输模块, 解决了图像融合模块和网络传输模块间的数据通信问题; 在融合模块中实现图像配准和图像实时融合,融合图像数据在网络传输模块中进行H.264算法压缩并根据RTP(real-time transport protocol, 实时传输协议)协议实现RTP封包处理, 传输码率约为460 kb/s; 利用线程间管道通信技术, 实现了一种新的基于RTP/RTSP(real time streaming protocol, 实时流传输协议)嵌入式流媒体服务器的搭建方法。实验结果表明: 系统总体图像延迟为300 ms左右。

鉴于传统的块匹配法在图像特征提取、匹配以及搜索等方面有诸多不足, 复杂的边缘提取处理与基于灰度的匹配准则都使得系统的处理速度与精度降低, 为了使识别处理更加快速精确, 提出了一种改进的块匹配识别算法。通过拉普拉斯算子对图像特征进行增强, 提高图像的特征信息; 实验表明, 针对320像素×240像素大小的图像, 改进算法的特征增强计算时间在Matlab中平均约为0.005 4 s。

利用压缩传感理论中的两步迭代收缩重建算法, 开展单幅同轴全息图重建实验研究, 实现单幅同轴全息图共轭重建像的消除并克服数字全息技术在轴向聚焦平面识别能力的不足。以数字图像和标准分辨率板为记录物体, 比较分析了基于两步迭代收缩算法和菲涅尔近似衍射重建算法的重建质量; 以两根裸光纤为实验样本, 分析了两步迭代收缩重建算法对记录物体轴向不同焦平面的识别能力。实验结果表明两步迭代收缩重建算法可得到清晰度高于68.73%的重建信息, 同时对直径为125 μm的两根光纤在9 mm的轴向间距条件下, 显示出了比全息菲涅尔近似算法更好的聚焦平面识别能力。这一轴向聚焦识别能力有助于数字全息技术应用于功能材料梯度参数或功能涂层光学器件涂层厚度检测。

针对大口径光学元件干涉测试过程中, 测试装置和干涉腔长较大, 气流扰动和环境振动对移相测试过程产生影响等问题, 采用一种基于二维傅里叶变换的单帧干涉图处理方法, 只需要对一幅空间载频干涉条纹图进行处理即可获得待测相位, 具有抗振测试的优点。对该方法的基本原理和算法过程进行分析, 并对近红外大口径移相平面干涉仪中600 mm口径的光学平晶进行了面形测试。实验结果表明: 采用该方法所得波面峰谷值(PV)为0.112λ, 波面均方根值(RMS)为0.014λ, 与移相算法所得波面数据相比, 波面峰谷值偏差不到(1/500)λ; 波面均方根值(RMS) 偏差几乎为零。

鉴于SAR(synthetic aperture radar)与可见光图像的成像机理存在很大差别, 使得其同名特征的提取和配准十分困难, 但在某些情况下, 这两类图像的边缘存在一定的相关性。提出一种基于边缘与SURF(speed-up robust feature)算子的图像配准方法。通过适当预处理增强图像间的共性, 采用综合性能比较好的Canny算子提取两幅图像共有的边缘特征, 在边缘图像的基础上提取SURF特征; 通过比值提纯法进行特征点粗匹配, RANSAC(random sample consensus)算法剔除误匹配点, 计算仿射变换模型从而实现SAR与可见光图像的自动配准。实验结果表明: 该算法的正确匹配率为100%, 均方根误差为0.852个像素, 配准精度达到亚像素水平。

模仿昆虫复眼的视觉机理, 设计一种仿生球面9复眼视觉系统, 并提出一种全景图拼接算法。首先采用抗旋转、抗尺度变化的SIFT图像匹配算法进行特征点的提取与匹配; 然后利用稳健的RANSAC算法求出图像间变换矩阵 的初始值, 并使用LM非线性迭代算法精炼 ; 最后通过改进的加权平滑算法完成多视角图像序列的无缝拼接, 得到整个场景的全景图。实验结果表明: 全景图的整个拼接过程中复眼视觉系统可以自动地实现对多视角图像序列的无缝拼接, 并在多个方向都增大了视场, 弥补了传统宽屏幕全景图的不足。

针对复杂自然环境下运动目标检测中噪声多、目标检测不完整等问题, 提出一种改进的基于模糊集理论的解决方法。使用金字塔多分辨率模型进行背景差分获取初步的前景掩膜, 将当前帧的颜色、时间、空间、位置4种特征用模糊集表示, 形成模糊向量集合簇, 用模糊数学理论结合这4个向量的特征, 得到每个像素点对前景的隶属度, 从而检测运动目标。该方法不仅能有效地检测较完整运动目标, 也可以克服自然环境下微小运动背景的影响。实验结果显示: 该方法前景的识别率为0.717 4, 错误率为0.011 8, 能适应自然环境下动态背景的影响。

为减少环形子孔径拼接干涉检测中机械误差对检测结果造成的影响, 分析环形子孔径拼接过程中机械误差作用分量的表现形式, 提出了分离机械误差的全局优化的环形子孔径拼接方法。分析根据波像差理论建立的机械误差分离数学模型, 然后将其应用于避免误差传递和累积的全局优化的拼接方法中, 并提出利用光线追迹的方法在拼接之前除去理想非球面波前与参考球面波前的差别。应用分离机械误差的拼接方法对口径为75　mm、顶点曲率半径为100 mm的抛物面面形进行检测, 得到的面形峰谷值误差为0.05λ, 均方根值误差为0.003λ, 验证了该拼接方法可有效分离环形子孔径拼接中的机械误差。

针对传统去卷积算法时间需求的弊端, 提出一种新的使用颜色编码辅助的绝对相位并行计算方法。该算法采用对光栅数目需求最少的傅里叶变换轮廓术(FTP)做为卷积相位求取的方法; 颜色编码光栅被用来标识轮廓的序数。直接使用FTP计算出的卷积相位以及从彩色光栅中获得的轮廓序数, 即可方便求出当前像素的绝对相位值; 同时只用一副图像标识轮廓序数也比其他轮廓序数标识方法简单。本方法由于使用绝对相位计算方法, 局部相位误差不会扩展。实验结果也证明了此算法对于多个分离物体以及复杂物体的有效性。

针对激光微能量测量的问题, 提出一种激光微能量计标定新方法与装置。研究内容包括使用稳功率连续激光作为光源, 通过基于斩波的脉冲发生器组件产生微能量的脉冲激光,分别使用脉冲宽度测量组件与功率测量组件进行采集、软件分析, 计算微能量值及通过比对给出待标定能量计的修正系数,计算机自动控制。结果表明, 该方法获得的脉冲激光波形稳定, 脉冲宽度测量不确定度为0.08%, 激光功率测量不确定度为0.25%, 实现了对0.1 pJ～1 mJ的激光能量进行准确复现和传递。

在合金弹头缺陷尺寸检测中, 针对传统分割算法无法在复杂背景下将缺陷完整分割的问题, 采用了自适应阈值分割算法。该算法在分割时, 图像的每个像素对应的阈值不同, 可避免缺陷和背景错误划分, 而且可以在保证缺陷完整分割的情况下避免噪声带来的干扰。给出了缺陷分割过程, 完成了缺陷尺寸计算, 并对尺寸计算的准确度进行了分析。实验结果表明, 在缺陷与背景灰度差较小的情况下, 该算法仍可较为完整地将缺陷分割出来, 测量结果的标准差为0.122 8, 不确定度为0.368 4。

针对傅里叶变换轮廓术在实际测量中容易受到光学成像系统和计算方法的影响而使得测量结果不精确的现象, 提出基于最小二乘法的条纹图像预处理技术, 并讨论了滤波器的设计、相位展开的方法及系统标定模型对测量结果的影响。实验表明, 改进后的方法其测量误差在2%以内。

为了使大景深光学镜头在工业视觉检测中的测量结果更准确, 必须对中间图像进行复原, 点扩散函数是图像复原的关键。根据轴锥镜最大无衍射距离公式设计了无衍射成像系统, 以标量衍射理论为基础, 在频域范围内利用稳定相法推导出系统的点扩散函数公式。利用准单色光理论, 分析非相干光照明下的点扩散函数与锥镜夹角和离焦量的关系。仿真和实验结果表明: 轴锥镜夹角越大, 点扩散函数中心光强越强, 衍射条纹越密; 离焦像差对点扩散函数的影响与之相反。

通过将多块不同尺寸的碳化硅平面试片以及一块口径为520　mm碳化硅凹非球面反射镜作为镜面改性工艺技术的实验平台, 对大口径碳化硅反射镜面PVD改性工艺技术进行探索、分析和研究。重点研究了前期PVD改性前镜面特性与PVD改性层的最佳匹配关系, 主要是PVD改性层与镜面粗糙度和残留面形误差的要求和最佳结合点。采用的抛光方式为磨盘相对镜体做行星运动, 采用相同的离子束辅助沉积法进行凹椭球面碳化硅反射镜的镜面改性。实验结果表明: 通过选用合适的方案对改性后的PVD改性层镜面的面形误差进行修抛, 可同时提高其镜面光洁度和粗糙度, 最终测试结果为0.756　nm(Sq), 与改性前比较, 粗糙度得到一定程度的提高。

为解决红外伪装对传统热成像系统的干扰问题, 达到在战场上识别红外伪装目标的目的, 提出一种基于选通偏振成像的红外伪装识别方法。红外偏振图像的获取通过扫描机构对4个固定放置的偏振片选通实现。实验结果表明, 该方法可以4帧/s的频率实现对场景红外偏振度图像的获取。得到的红外偏振度图像与原始红外辐射强度图像相比, 灰度均值提高了14%、灰度标准差提高了42%、平均梯度提高了98%。

为得到质量均衡的大功率激光束, 分别以条形和面阵半导体激光器为模型, 基于平行玻璃板对光束的偏移作用, 对准直后激光束进行分割和重排, 并在Zemax软件中进行了仿真。条形半导体激光器初始发散角为40°和10°, 整形前已准直光束快慢轴方向的光参数积分别为0.455 2 mm·mrad和20.484 mm·mrad, 光束质量相差较大, 整形后快慢轴方向光参数积分别为2.731 2 mm·mrad和3.414 0 mm·mrad, 实现了快慢轴方向光束质量均衡。利用平行玻璃板消除面阵半导体激光器中存在的“发光死区”, 整形后快慢轴方向光参数积分别为7.002 mm·mrad和10.242 mm·mrad, 整形系统耦合效率为90.13%。

报道了基于888 nm半导体抽运Nd∶YVO4晶体连续被动锁模的皮秒振荡器。通过热激发抽运方式改善激光器的热性能, 提高锁模振荡器输出的平均功率与单脉冲能量。利用半导体可饱和吸收体(SESAM)实现激光器锁模运转的启动与维持。在抽运功率为60 W时, 获得最大输出功率为15 W, 重复频率为53 MHz的皮秒脉冲输出, 光-光转换效率为24%。在输出功率为15 W时脉冲宽度为45 ps。

采用侧面泵浦Nd∶GdVO4晶体的方式, 利用I类相位匹配LBO(LiB3O5)晶体进行腔内倍频。腔型采用平凹直腔, 利用软件模拟优化谐振腔腔镜曲率半径、腔长以及晶体放置位置等参数, 在最大注入电功率750 W时获得9.7 W的671 nm光输出, 重复频率10 kHz, 发散角7.9 mrad, 电-光转换效率约为1.3%。

为了获得高效率多波段激光输出, 通过高重复频率驱动声光调Q技术和LD侧面泵浦技术, 获得高功率高重频窄脉宽1.06 μm激光输出。利用起偏器件获得垂直和水平两束1.06 μm线偏振光, 一束垂直线偏振光泵浦非线性晶体周期极化钽酸锂(PPLT), 实现1.46 μm与3.9 μm激光输出后与另一束1.06 μm水平线偏振光合束, 实现三波段共轴激光输出。在电源输入电流35 A、调Q驱动频率10 kHz的条件下, 获得140 W的1.06 μm激光。分束后泵浦PPLT获得最高功率为6.3 W的3.9 μm和8.6 W的1.46 μm激光, 差频转化效率为21.3%。试验结果表明: 通过高重频声光调Q技术和LD侧面泵浦技术, 可以实现高重频窄脉宽1.06 μm光输出, 泵浦PPLT可获3.9 μm和1.46 μm激光输出。

提出利用光纤中非线性效应——受激喇曼散射(stimulated Raman scattering, SRS)实现波长转换的原理方案和相应的理论分析模型, 并进行实验验证, 将经过放大后的信号光和连续探测光同时注入光纤, 在光纤中进行SRS放大, 实现信号之间的转换。结果表明: 利用SRS可实现波长转换, 可实现跨几个THz的波长之间的转换。得到最大转换效率和消光比分别为-17.3 dB和15.7 dB。通过改变探测光的波长, 可实现相隔几个THz光信号的全光波长转换和可调谐波长转换。