月基望远镜探测能力的地面标定

采用模拟试验在地面测试了月基望远镜(LOT)的星等探测信噪比及弥散斑能量集中度,用以验证望远镜的探测能力.与传统的通过分析CCD各项参数对噪声的影响来获得信噪比的方法不同,本文提出的方法客观、直接地通过图像信息来计算星点目标信噪比,其目标信噪比测试不确定度可优于8％.在测试弥散斑能量集中度时,通过质心算法求其弥散斑能量中心,进而提出了一种星点弥散斑高斯拟合方法来拟合弥散斑能量分布曲线.这种高斯拟合方法可使弥散斑能量集中度的测试精度提高10％.最后,通过试验测试了LOT相机星等探测信噪比及弥散斑能量集中度,验证了LOT相机+15 Mv的探测能力.     

光学系统弥散斑参数的测试

采用CCD显微成像系统对光学系统弥散斑参数进行定量测量,并设计了弥散斑参数的评价算法。首先,给出了弥散斑参数的定义,分析了弥散斑所形成的能量等高线构成的闭合的连通区域,对占总能量80%的区域计算其弥散斑直径。然后,对该区域的边界点进行椭圆拟合,得到弥散斑圆度。提出的方法通过对光学系统在像平面所成的星点像的能量分布的分析,在弥散斑圆度测试中引入了椭圆拟合,减少了CCD噪声和测试环境中的杂光等随机因素对测试结果的影响,提高了测试结果的置信度。实验结果显示:弥散斑直径测试重复性为0.18μm,弥散斑圆度测试重复性为1.65%。提出的方法实现了弥散斑参数的定量测试,满足航天项目中光学系统成像质量控制要求。     

亚像素精度的行星中心定位算法

为实现深空探测中对行星目标的光学自主导航,提出了亚像素精度的行星中心定位方法.首先,建立了导航相机和目标行星的坐标变换关系,结合光学成像理论分析了行星成像的边缘特性;提出使用行星图像有且仅有的一段半圆形边缘,通过圆拟合法实现行星的中心定位.然后,根据行星图像的边缘分布特征,改进了Canny算法以快速提取行星的真实边缘,并利用最大距离法提取半圆形边缘.最后,分析了传统高斯函数亚像素边缘检测算法的理论依据,基于成像理论提出了改进型高斯函数亚像素边缘检测算法,并通过圆拟合求得行星的亚像素中心.仿真和月亮实拍实验显示,改进型定位算法的精度达到了0.02和0.68 pixel,比传统插值算法约高0.03和0.21 pixel,在可靠性、定位精度、抗噪声等方面均满足深空探测的需要.     

星点质心亚像元定位的高精度误差补偿法

在CCD星敏感器设计过程中,星点坐标的提取精度不仅影响星图识别的正确性,也直接影响星敏感器的最终姿态输出精度。本文通过分析传统质心法亚像元提取算法误差模型,证明该模型存在系统误差和随机误差。针对系统误差,提出了用最小二乘拟合法来估计质心位置和系统误差大小的对应关系,利用这个关系对系统误差进行补偿;针对随机误差,提出用边缘阈值法和星图整体相消法来消除。本文还分析了CCD成像数学模型,星光成像的能量分布近似服从二维高斯分布,星点高斯分布弥散半径不同,用于误差补偿的曲线方程也不一样,根据不同的高斯弥散半径,设计了误差补偿模板,用于补偿质心法的系统误差。实验表明,采用误差补偿模板,可以将质心法精度从1/20pixel提高到1/200pix-el,满足了星敏感器高精度星点质心提取的要求。     

水下透视投影图像非线性畸变校正方法

针对水下成像多界面折射引起的图像非线性畸变,提出一种水下透视投影图像校正方法,将相机透过多界面拍摄的水下图像转化为空气中相机拍摄目标的透视投影图像。首先,在多层平面折射模型下,以四维光场参数化的形式对水下相机成像过程建模,通过光场的方向信息计算出水中像点与校正像点间坐标的映射关系。然后,利用两者映射关系将水下相机获取的图像转化为空气中透视投影图像。经仿真优化,物距在2～4 m的透视投影图像平均误差在1 pixel以内。实验结果也验证了该方法的可靠性与准确性,当物距在2 m时,校正后的透视投影图像平均误差为0.56 pixel,行匹配平均误差为0.4 pixel。     

利用卷帘快门面阵CMOS自相关成像的空间相机振动参数检测

为了获取空间相机在轨摄像期间的振动幅频特性,提出了一种基于卷帘快门面阵CMOS自相关成像的空间相机振动参数检测方法。基于卷帘式快门CMOS成像原理,对同一景物连续拍摄,得到一组具有相关性的图像序列,通过灰度投影算法对所成图像进行比对求取相对偏移量,拟合偏移量数据,进而根据拟合结果计算出空间相机的振动参数。验证实验显示,二维振动的周期检测相对误差不超过2%,振幅检测绝对误差不超过1pixel。实验结果表明,该方法能够利用低帧频图像序列检测高频振动,大幅度降低了检测算法的数据传输及处理压力,为检测算法的星上嵌入式实现提供了可能,在推扫相机和凝视相机上均有较好的应用。     

基于高斯分布的星像点精确模拟及质心计算

为提高星敏感器仿真系统的精度,提出了基于高斯规律的模拟星像点的灰度扩散方法和高斯质心提取算法.按照二维高斯分布规律置灰度值来模拟星像点像素,对称中心是映射坐标而不是取整的中心像素坐标,以便准确模拟实际星像点散焦及像差导致的灰度扩散.高斯质心提取亚像素定位过程包括像素粗定位和偏差精定位两个步骤,基于高斯规律建立了一个分段函数实现偏差精定位.在星像点噪声为N(0, 1.22)的仿真条件下,整个偏差区间[-0.5,0.5)pixel内高斯质心定位标准差为0.007 pixel,远小于灰度重心法的0.041 pixel和加权灰度重心法的0.026 pixel,而3种方法对模拟星图的处理结果一致.仿真实验表明:模拟星像点高斯灰度扩散法是合理准确的,而高斯质心提取算法简单精确,精度高于传统灰度重心法.     

基于动态散斑的光声成像技术探析

动态散斑光声成像技术可实现通过不透光介质对目标进行成像,已成为生物检测、隐藏目标探测领域的热点。基于动态散斑的光声成像系统中,由声压传感面上接收的声强分布等效待测目标的形貌分布,进行成像重建,但之前的这种等效是一种定性分析,理论上并不准确。本文分析了动态散斑光声成像的基本原理,明确了声压传感面上声强与动态散斑分布图之间的关系;分析了目标与声压传感面间距对成像的影响;提出了通过比较CCD相机各像素点散斑光强动态变化范围的方法 ,解调目标物体的形貌分布重建目标像;仿真上,对不同目标用散斑光强极值法获取目标的形貌分布,重建成像分辨率达到光成像分辨率,实现了光声成像。     

空间相机焦平面CCD交错拼接重叠像元数计算

针对大视场空间相机焦平面采用的多片CCD交错拼接,提出了一种适用于多种姿态模式的重叠像元数解析计算方法,以保证空间相机成像视场中不出现漏缝。分析了CCD交错拼接的成像特性和产生漏缝的原因;基于空间坐标系变换和中心投影共线方程建立了重叠像元数计算模型,对像点、相机摄像中心、地面景物点建立动态数学关系,通过追踪像点在像面上的运动轨迹计算了拼接缝像元重叠情况。结合实际工程样例,计算和分析了空间相机机动角度、星下点纬度、视场位置等因素对重叠像元数的影响,并将各工况下计算的最多漏像元数作为最终拼接量。结果表明:重叠像元数理论误差小于1pixel;对比侧摆,俯仰成像时所需拼接像元数更多;该计算模型可扩展应用于其他类型空间相机在任何姿态模式下的重叠像元数计算。     

基于能量累加的空间目标星像质心定位

研究了CCD观测图像的亚像素级高精度质心定位方法以提高目标星像的天文定位精度.分析了影响定位精度的主要因素,如图像噪声、离散化采样误差及定位窗口选择等,结合CCD弥散斑的成像特性,提出了一种基于能量累加的空间目标星像质心定位方法.该方法使用插值方式降低离散采样点和实际感光区域光线照度的不一致性;利用弥散斑能量累加自适应...     

多尺度光斑中心的快速检测

分析了光斑图像成像特点和理想光斑灰度分布模型,针对含有多个不同尺度光斑的图像,提出了一种可以在复杂环境下一次性快速检测出多个光斑中心的方法。该方法基于高斯模糊后光斑中心不变的性质,先对含有大量光斑的图像进行快速多级高斯模糊,构建其高斯尺度空间;然后,使用加速的非极大值抑制方法在尺度空间内寻找多个尺度的局部极值,初步确定各光斑中心的像素级坐标;最后,联合这些坐标的邻域像素,拟合局部曲面,得到光斑中心的亚像素级精确位置。利用仿真实验和实物实验验证了提出方法的有效性。结果表明:该算法对640pixel×480pixel图像,处理时间仅需50ms,每千个光斑的平均检测时间为23ms,在复杂环境下正确率可达89%。此外,该方法对弱光斑较敏感,适合快速处理含有大量不同尺度光斑的图像,并能够有效减少光斑的错检和漏检。由于检测速度快,自适应性强,在实际应用中取得了良好的检测效果。     

用碘酸钾粉末倍频分析法测定激光光斑

为了测量不可见的激光光斑大小,文中在激光粉末倍频测试分析的实验方法的基础上,选取适合当前条件的CCD摄像法进行了实验。获取激光光斑的一维光强分布,并运用激光光斑的高斯拟合算法(最小二乘法)处理数据,同时也考虑了粉末对光斑的散射作用,并为此拟合出了经验公式。获得的结论是,运用粉末倍频法精确计算激光光斑的直径是可行的,该方法误差约为3.6%。     

相关函数拟合极值法在二维位相板衍射光斑定位中的影响因素

为了提高相关函数拟合极值法在二维位相板衍射光斑亚像素定位中的计算效率,针对相关函数拟合极值法中的模板大小、拟合窗口大小及相关函数三种影响因素进行了详细分析,分析过程以仿真图像检验法为理论基础。分析结果表明,三种影响因素均对计算效率产生较大影响,整像素搜索时模板和拟合窗口大小的选取对定位精度影响最大。同理,对二维位相板衍射光斑亚像素定位实验中的搜索模板和拟合窗口大小进行了优化设计：最佳模板大小为51×51pixel,拟合窗口的最佳大小为3×3pixel,与选用恰好包含整个衍射光斑时的模板（131×131 pixel）相比较,整个定位过程的计算时间缩短了40%,在不损失定位精度的同时有效提高了计算效率。     

应用压缩传感理论的单像素相机成像系统

采用稀疏二进制矩阵作为测量矩阵完成了单像素相机对不同场景的拍摄。基于压缩传感理论设计的单像素相机,利用数字微镜阵列和单个探测元件实现高分辨率图像的拍摄,将图像采集和压缩合二为一,减少了数据,降低了系统规模、复杂度和成本。对测量矩阵进行了分析,给出了二进制测量矩阵精确重构条件。搭建了硬件实验平台,采用稀疏二进制测量矩阵,对笔划复杂度不同的"中"字、"国"字和复杂实物这3种不同的场景进行了拍摄实验,利用梯度投影重构算法重构出目标图像,图像分辨率为数字微镜阵列大小。实验结果显示,对于3种不同场景,在测量次数为目标图像像素总数的20%～30%时,能精确重构出目标图像,表明单像素相机能实现高分辨率图像的拍摄。     

基于多峰拟合的直线电机动子位置精密测量方法

为满足直线电机动子位置的高精度测量要求,提出一种基于多峰拟合相位相关算法的直线电机动子位置精密测量方法。通过直线电机动子上的高速相机采集相邻栅栏图像;采用相位相关算法得到相邻栅栏图像的相位相关函数;根据相位相关频谱的峰值分布特性,采用多峰拟合获得相邻栅栏图像的亚像素位移值;根据测量系统标定系数,进而获得直线电机动子位置的精确位置。实验结果表明,该亚像素测量方法用于直线电机动子位置检测能达到精密定位,测量精度为1/100 pixel,且具有较强的鲁棒性和较高的实时性。     

振动轮式微机械陀螺动态特性光学测试方法研究

振动轮式微机械陀螺尺寸小、振动频率高,为了精确评价其动态特性,建立了基于高速摄像技术、显微技术与数字图像相关技术的光学测试系统。配有光学显微镜的高速摄像设备(32000fps)记录并保存被测物瞬时序列图像,根据被测物的角振动特性设计相应的图像相关计算方法以获得振子各时刻的运动位移,并通过位移时间曲线分析振子的固有频率、阻尼系数及品质因子等动态特性参数。实验结果显示,图像相关精度达0.01像素,频率测量误差小于0.01%。高精度地测量了振动轮式微机械陀螺的动态特性,为微结构动态特性的研究提供了一个有效方法。     

数码单反相机焦平面光电转换函数的测量及分析

为了在光学实验中合理应用数字成像设备，需要获取并处理其物理输入量与数字输出量之间的关系。基于ISO 14524:2009标准，对数码单反相机Canon EOS 500D的焦平面光电转换函数进行了实验测量及数据分析。通过比较不同尺寸像素区域及不同图片格式对测量结果的影响，发现焦平面光电转换函数的测量偏差随像素区域尺寸的减小而增大，而RAW和JPEG两种文件格式的数字输出值与焦平面曝光量的关系分别为线性和非线性。当单反相机用作光分布记录测量的仪器时，采用直接反应传感器接收的辐照度信息的RAW格式作为输出数据，可以获得较大的动态范围，理论上可以避免相机非线性变换等后续处理带来的影响，经过必要的校正可以更精确地表示场景信息。