基于光场成像的燃烧颗粒粒径与速度测量方法

为实现固体推进剂中金属燃料动态燃烧的精细化表征,提出一种基于光场成像的固体推进剂中燃烧颗粒粒径与速度三维动态同步测量方法。构建固体推进剂燃烧光场成像测量系统,获得金属颗粒动态燃烧过程的光场图像,通过重聚焦算法得到燃烧颗粒场的重聚焦图像;进一步开展光场相机标定实验,获取深度与最佳重聚焦参数的关系曲线;利用图像分割算法对重聚焦图像中的颗粒进行识别和定位,获取燃烧颗粒的粒径大小,并结合三维粒子跟踪技术对颗粒的轨迹和速度进行重构;开展推进剂药条燃烧实验验证研究。结果表明：光场成像技术能够获得不同深度的颗粒信息,跟踪颗粒的动态燃烧过程,并实现对燃烧金属颗粒粒径与三维速度的同步测量。     

聚焦光场成像三维粒子场重建方法

层析重建是层析粒子图像测速(Tomo-PIV)技术实现三维粒子位置和强度信息(三维粒子场)重构的核心步骤。相比于多相机的Tomo-PIV技术,单聚焦光场相机通过一次成像能够同时采集示踪粒子的散射光的方向和位置信息。因此,提出一种单聚焦光场相机的层析重建技术用于重构流场中的三维粒子场信息。为了验证本文方法的可行性及准确性,利用几何光学建立了示踪粒子的光场成像模型,利用光线追迹技术计算了粒子在聚焦光场相机中的成像,对比了被测流场中位于不同深度位置的粒子在聚焦光场相机中的成像差异;建立了基于单聚焦光场相机的层析重建数学模型,利用乘法代数重构技术(MART)对模拟所得的光场图像进行反演计算,实现了三维粒子场的重构,并利用归一化互相关系数来表征粒子的重建质量。结果表明,单个粒子在Z轴方向上的位置精度为±0.35 mm,初步证明了基于聚焦光场成像理论的三维粒子场重建方法的可行性。     

基于中波红外热成像的温度场测量技术研究

随着红外探测技术的不断发展,基于中波红外热成像的测温技术得到了越来越广泛的应用。在研究中波红外成像系统测温原理的基础上,探讨了黑体辐射定标技术,以及环境辐射和定标数据处理方法对测温准确度的影响,提出了一系列的处理方法,实现了一套基于红外成像的温度场测量方案,并有效补偿了环境辐射对测量结果的影响,同时降低了定标数据拟合引起的误差,使测温准确度得到了很好保证。     

火焰辐射光场成像光线采样特性

为了研究全光相机对火焰等半透明介质的光场采样并优化全光相机的参数,基于近轴光学,建立了全光相机的逆向光线追迹模型。在此基础上,针对弥散介质沿采集方向的半透明特性,提出了像素采样锥形角以及物方采样角度等评价光线角度采样的性能指标,据此分析了全光相机像素和微透镜的位置对光场采样特性的影响,以及全光相机光学参数变化对光线方向采样性能的影响。结果表明:采集火焰辐射光场时,较小的微透镜直径有利于提高光场采样的单方向性,并减小主镜头入瞳直径,而较小的主镜头焦距有利于增大物方采样角度。     

基于波动光学的显微光场成像点扩散函数

光场Micro-PIV通过Lucy-Richardson（L-R）算法对光场图片进行反卷积重建,从而获得示踪粒子的三维坐标信息,准确的点扩散函数（PSF）是L-R算法完成重建的前提,而现有PSF模型不适用于光场Micro-PIV系统。为此,建立了基于波动光学的显微光场成像PSF模型,进行了数值仿真,获得了模拟PSF图像,并通过结构相似性算法计算了模拟PSF图像与实际PSF图像的相似度,进一步利用L-R算法结合PSF对单个粒子和不同浓度下示踪粒子的流场进行了三维重建。结果表明:模拟PSF图像与实际PSF图像相似度大于0.94,表明PSF模型具有较高的准确性;单个粒子的三维坐标误差在一个像素以内,并可准确地获得不同浓度下示踪粒子的三维坐标信息,进一步验证了模型的准确性,为光场Micro-PIV实现瞬时三维速度场测量奠定了基础。      

电阻抗成像技术的原理及其发展

介绍了一种新的图像重建技术--电阻抗成像(EIT)技术.它根据物体内部不同物质的导电参数(如电阻率、电容率)的不同,通过对物体表面电流、电压的施加及测量来获知物体内部导电参数的分布,进而重建出反映物体内部结构的图像.作为一个数学物理反问题,EIT技术具有其本身的特点和难点,因而目前还处于探索性研究阶段.本文在EIT数学物理模型基础上对整个EIT技术作了较为全面的介绍,包括理论原理、技术上的难点、系统分析、以及目前国际国内的研究现况和研究方向.通过对ACT3的介绍,对EIT系统的具体实现也做了简要分析.     

电阻抗成像技术的原理及其发展

介绍了一种新的图像重建技术———电阻抗成像（ＥＩＴ）技术．它根据物体内部不同物质的导电参数（如电阻率、电容率）的不同,通过对物体表面电流、电压的施加及测量来获知物体内部导电参数的分布,进而重建出反映物体内部结构的图像．作为一个数学物理反问题,ＥＩＴ技术具有其本身的特点和难点,因而目前还处于探索性研究阶段．本文在ＥＩＴ数学物理模型基础上对整个ＥＩＴ技术作了较为全面的介绍,包括理论原理、技术上的难点、系统分析、以及目前国际国内的研究现况和研究方向．通过对ＡＣＴ３的介绍,对ＥＩＴ系统的具体实现也做了简要分析．     

基于时域信息的粒径分布及光学常数重建

准确地测量颗粒系粒径分布与光学常数对于准确地预测相关介质内的辐射传输过程具有重要意义。采用一种改进的烟花算法同时反演了颗粒系粒径分布与光学常数。通过测量不同波长的激光辐照下,一维颗粒系的不同角度的时域透射信号,并结合改进的烟花算法对其光学常数以及粒径分布进行反演。通过对3种常见的粒径分布函数进行测试发现,使用本文提出的改进的烟花算法结合相应的物性测量方法可以准确得到颗粒系粒径分布与光学常数。     

目标的微波散射成像方法

提出了一种适用于隐匿武器探测、打击走私以及公共场合安检的微波成像探测方法.该方法要求雷达在一个二维平面上扫描,即合成一个平面孔径,通过对雷达接收回波数据的合成孔径处理可以提高雷达的成像分辨率以及对目标的探测能力.雷达可以工作在准单站模式下且只需以单色波照射目标,利用接收到的目标的散射回波的相位和幅度信息重构出目标的二维像.提出了一种适用于近场条件下二维图像的重构算法,并对算法做了详细推导,利用该算法对模拟和实测数据进行了处理.结果表明该算法具有良好的空间分辨率和辐射分辨率,以及在不进行三维成像的条件下可以实现距离向目标的探测.      

基于散射光强度的碳黑团聚体分形结构和粒径分布同时反演

利用散射光信号实现碳黑团聚体分形结构和粒径分布参数的同时反演,在火焰辐射换热模拟和污染物测定方面有着重要应用价值。反演的正问题基于瑞利-德拜-甘斯多分散分形团聚体（RDG-PFA）散射理论,研究了2种信号方案,包括多角度散射及多角度散射-准直透射率。反演前,对比2种信号方案的残余适应度值分布发现,散射与透射信号同时使用有效减弱了反问题的病态性。反演过程基于协方差矩阵自适应的演化策略（CMA-ES）算法,该算法具有很强的局部搜索能力,为快速且稳定地反演各个目标参数提供了保障。反演结果表明了CMA-ES算法较大搜索空间内的可行性和普适性,同时也证明了采用多角度散射-准直透射率的组合信号有效提高了目标参数的反演精度。      

基于近场散射的颗粒粒径分布测量

针对传统的前向小角散射粒径测量系统中心光过强、杂散光干扰、散射角过小等缺点,本文采用一种新型的近场散射(NFS)方法测量前向小角散射光,研究并搭建了基于近场散射的颗粒粒径测量系统,将最大散射角提高到40.5°;在无需空白测量的情况下采用差分方法对透射光和散射光干涉成的散斑图像进行处理,有效去除中心光和杂散光的影响;对差分散斑图像进行快速傅里叶变换(FFT)频谱处理得到散射光强分布,利用Chahine算法对颗粒粒径进行了反演。最后,利用已知粒径(39.2μm和67.3μm)的标准颗粒对测量系统的准确性进行了单峰分布的验证,测量误差在5%之内;对于粒径为39.2μm和67.3μm的混合颗粒进行了双峰分布验证,在43.3μm和74.1μm处出现峰值,测量误差在10%左右。     

综合孔径辐射计偏微分方程近场图像反演算法

针对综合孔径辐射计傅里叶变换成像算法在近场条件下失效的问题,提出了一种基于局部自适应偏微分方程的精确数值图像反演算法.该反演算法根据待反演亮温图像的局部特征,在图像背景区域进行各向同性扩散来抑制噪声,在图像目标区域进行自适应扩散来保持图像边缘细节.近场仿真结果表明,该算法有效地降低了可视度测量噪声对亮温图像反演的影响.用一套8 mm波段二维综合孔径辐射计BHU-2D-U进行了成像实验,实验结果证明了该近场图像反演算法的有效性.      

基于球场重建的球员运动数据分析

足球比赛中球员运动数据分析对增加观众的观看体验和辅助教练进行球员评估有着重要意义。球员运动数据分析的难点在于如何定位球员在球场上的坐标,即如何确定足球视频中单帧画面出现的缺损球场与标准二维球场之间的映射关系。针对如何在足球比赛中克服相机的高速移动和视角剧烈变化,设计并提出了利用球场重建与球员跟踪来进行球员运动数据分析的方法。球场重建方面,将足球视频中的球场分组为左中右3部分,每组通过球场分割、球场直线检测、球场直线分组、球场中圈点集合识别和球场关键点匹配来实现缺损球场到标准球场的映射;球员跟踪采用核相关滤波(KCF)跟踪算法,得到了球员运动数据统计的可视化结果。结合球场重建和球员跟踪算法定位球员的标准坐标,统计球员的一系列运动数据并进行可视化分析。提出的球员运动数据分析方法能够准确而快速地统计出球员的运动数据,包括球员坐标、运动轨迹、奔跑速度、活动范围和球员间距。球场重建方面采用图像交并进行评估,交并比达到87%,相比于传统的基于字典查询的方法(交并比为83.3%)准确度提升了3.7%。实验结果表明：所提出的球场重建方法能够更准确地表示球场映射关系,为球员运动数据分析统计提供更好的支持...     

基于C型臂的Tomosynthesis快速重建方法

传统的层析X射线摄影合成(Tomosynthesis)算法不适合对C型臂X射线投影进行切片重建.提出了一种改进的Tomosynthesis算法CTS (C-arm based Tomosynthesis),依据C型臂成像原理,将不同角度的X射线投影按其映射关系在三维空间内旋转-叠加来重建切片.该算法可以对等中心C型臂连续采集的一组有限角度X射线投影进行切片重建.通过计算机模拟空心球和空心圆柱模型的C型臂X射线投影,用该算法对其二维投影进行切片重建,并利用重建结果分析了CTS算法的重建精度以及抗噪声干扰能力.最后给出了将CTS算法推广到可以对非等中心C型臂进行切片重建的步骤. CTS为基于C型臂的术中三维成像提供了一种参考方法.      

基于双谱重构的图像降噪

提出了一种基于双谱重构的图像去噪方法.该方法的基本理论依据是:高阶统计量对高斯噪声的不敏感性.它首先计算图像的高阶谱,而得到的高阶谱中理论上将不再包含高斯噪声,然后再通过高阶谱重构图像的幅值和相位信息,最后还原至空间域而得到去噪后的图像.它是高阶谱域的变换与重构方法.仿真结果和分析表明,该双谱重构法较好地解决了去除噪声与保留细节之间的矛盾,无论从直观视觉和从定量分析结果,该双谱重构法都优于中值滤波法和高阶累积量方法.     

基于差分进化算法的导航星座在轨重构构型设计

针对有卫星失效下的导航星座,提出了对在轨卫星进行相位机动的方法来对星座的空间构型进行重构,以实现修复和改善星座性能的目的。首先,利用共面高轨和共面低轨变相的方式来对在轨卫星的相位进行调整,建立共面轨道相位机动的数学模型;其次,提出了除重构时间和重构能量外的其他重构指标,包括重构能量均衡度和重构构型恢复性,并建立了各重构指标的数学模型;然后,建立了重构构型的优化模型,并对优化问题中个体的评价手段与编码方式进行设计;最后,以北斗中MEO卫星失效为例,利用差分进化算法对优化模型进行求解,得到以不同重构指标为目标函数下的Pareto前沿。从结果中可以看出该重构方法对星座性能的提升最大可以达到41.2%,同时Pareto前沿中对应的所有重构策略中,重构能量、重构构型的均衡度、重构构型的健壮性的数量级均维持在-1、-3和0的水平。