光栅衍射型超广角激光告警系统光斑定位方法

成像光斑中心精确定位是光栅衍射型超广角激光告警系统具有高定向准确度和高波长分辨能力的基础.本文分析了光栅衍射型超广角激光告警系统成像光斑特点.针对随激光入射角增大,系统成像光斑畸变为强度近似高斯分布倾斜光斑的问题,提出一种改进型高斯拟合法计算光斑中心,通过仿真模拟和实验测试研究了新方法的定位性能.模拟结果表明,高斯噪音标准差为0.01情况下,光斑长轴与x轴夹角由0°逐渐增大为90°过程中,本文方法的定位误差平均值小于0.005像素,误差标准差小于0.02像素.实验测试表明,实验图像经帧相减和高斯平滑滤波预处理后,光斑长轴与坐标轴方向一致时,本文方法与高斯拟合法的定位结果非常接近,明显优于灰度重心法.光斑倾斜时,本文方法求得的激光入射方向角的误差均值和标准差明显小于灰度重心法和普通高斯拟法.     

激光跟踪仪靶标球镜面中心定位方法

当激光跟踪仪应用于多传感器三维视觉测量系统的全局标定时,由于标定现场环境复杂,靶标球镜面区域所成光斑随环境光强、视觉测量系统观察角度和激光投射角度的变化而改变,给靶标球镜面中心的准确定位提出了很大的挑战。设计了一种对光照变化不敏感、对激光点形状和光强分布无要求的靶标球镜面中心定位方法。该方法首先利用图像分割法准确定位靶标球所在区域,然后对该区域进行滤波,去除图像中的噪声并增强靶标球与背景的对比度,之后进行靶标球分割和强反光区域去除,通过图像形态学处理得到靶标球镜面区域,最后对该区域的像素坐标进行统计,得到镜面中心定位坐标。实验采用79幅复杂多变的镜面区域光斑图像进行实验验证,该方法正确定位率可达到91.2%,其中平均定位误差RMS低于0.74像素,基本满足全局标定对靶标球镜面中心定位精度的要求。     

高精度激光告警参数提取算法

激光告警系统通过提取来袭激光的相关参数进行告警定位，其角度定位精度直接与战场生存能力相关。为了有效提高激光告警系统的角度定位精度，基于光栅衍射型激光告警原理，提出一种高精度测量来袭激光参数的算法。对激光告警系统进行标定，用高斯拟合法精确提取出衍射光斑标定图片的0级光斑中心，将来袭激光角度与对应角度的光斑中心进行拟合，根据拟合结果确定任意角度的光斑衍射图像对应的来袭激光角度参数。实验结果表明，方位角测量误差优于0.29°，俯仰角测量误差优于0.38°。该算法有效提高了激光告警系统的测算精度。     

高功率激光驱动器光束自动准直目标定位算法

为满足高功率激光驱动器光束自动准直的高精度和实时性要求,提出了一种快速高精度的自动准直目标定位算法。首先利用变结构元广义数学形态学边缘检测算法在充分提取图像边缘细节信息的同时抑制图像噪声的影响,然后采用拉格朗日多项式插值算法对圆目标轮廓进行快速亚像素定位,最后利用最小二乘拟合以及几何形心拟合的方法实现图像中光斑目标中心的精确定位。该算法在神光Ⅱ升级装置的光路自动准直中得以验证,实验结果表明八路预放光路准直时间小于3 min,主放光路准直时间小于7 min,主放输出光束近场准直准确度优于0.2%,远场指向准确度优于0.2(RMS)。     

武器自动机运动规律测试系统光斑定位算法的研究

针对重心法、高斯拟合法等传统的光斑中心定位算法存在抗干扰能力差、定位精度低等问题,提出了一种以圆拟合算法为基础进行改进计算光斑中心的方法。采用56式冲锋枪进行实弹单发实验,对测试系统获得的数据分别用改进圆拟合、高斯拟合及重心法进行处理。将处理结果与OFV5000激光速度计测试结果相比较,改进圆拟合算法的相对误差仅为0.92%。结果表明:该算法提高了抗干扰能力,实现了光斑中心的快速、准确计算,并且获得了武器自动机运动规律。     

一种反激光窃听预警系统的窃听源定位研究

激光窃听技术通常不直接照射被窃听目标, 且由于玻璃散射的原因, 利用现有的拦截式激光预警技术无法获取其窃听源方位等信息, 针对该问题, 提出利用CCD相机结合滤光片的方案对窗户进行凝视成像的反激光窃听预警系统, 同时, 构建了窃听激光源、被照射玻璃上的散射激光光斑以及反激光窃听系统之间的空间几何模型, 结合边缘检测等图像特征提取算法以及最小二乘图像拟合算法对散射激光光斑轮廓进行拟合, 推导出窃听激光光源来袭方位的数学模型。实验结果表明:所搭建的激光窃听预警系统不但可以检测到照射到玻璃上的窃听光斑, 且可以有效地追溯到该激光束的方位角和俯仰角信息, 定位精度≤ 4°, 从而达到了对窃听源定位的目的, 有助于推动现有激光预警技术的进一步发展, 且在国防安全等领域发挥积极作用。     

一种快速高精度激光CCD自准直仪圆目标中心的定位方法

为满足高精度测量和瞄准跟踪系统中对激光CCD自准直仪的测量精度和实时性的要求,提出一种快速高精度激光CCD自准直仪圆目标中心的定位方法。首先利用变结构元广义形态学边缘检测算法,充分提取图像边缘细节信息的同时抑制图像噪声的影响,然后采用多项式插值算法对圆目标轮廓进行快速亚像素定位,最后利用最小二乘拟合方法实现了圆目标中心的精确定位。实验结果表明,该定位方法稳定性好,定位精度高且实时性强,应用该方法改进后激光CCD自准直仪的测量精度由2″提高到±0.25″,且单次测量时间小于0.23s,可满足激光CCD自准直仪在小角度测量和瞄准跟踪等领域的高精度实时测量需求。     

CCD摄像头圆目标中心定位方法

在大型设备自动对接系统中,需要CCD摄像头对一设备截面的圆目标进行图像获取,并找出图像的中心点坐标,用于两设备的中心对准。为了满足实时性测量和高精度定位要求,提出一种CCD摄像头圆目标中心定位方法。先对图像使用中值滤波方法进行图像增强,利用广义数字形态学中的多结构抗噪膨胀腐蚀型算子提取单像素宽图像边缘,用多项式插值法对图像边缘进行亚像素定位,用半径约束最小二乘圆拟合法对圆中心进行精确定位。实验测量结果表明,该方法测量时间短、精度高、稳定性好,亚像素定位精度优于1/20像素,中心点总标准偏差小于0.01,可满足设备自动对接系统要求。     

CCD摄像法测量激光远场光斑中图像校正和能量修正算法研究

介绍了CCD摄像法测量激光远场光斑的工作原理。依据CCD摄像机拍摄激光远场光斑的倾斜角度,在处理算法中利用透视投影原理,将采集光斑的畸变图像进行了校正;针对CCD摄像法摄取的漫反射激光光斑图像,构建了朗伯漫反射模型,利用朗伯修正算法将漫反射激光光斑的能量密度修正到直射激光光斑的能量密度,推导出了具体的修正计算公式。通过实际应用,验证了该算法在激光远场光斑测量中的有效性。     

基于多尺度分析的激光光条中心点坐标提取方法

在线结构光测量系统中,激光光条图像中心准确提取是影响整个测量系统精度的关键因素之一。针对高反光等复杂环境下光学测量中激光光条图像中心提取问题,提出了一种基于多尺度分析的激光光条图像中心高精度定位方法。该方法利用骨骼化图像处理方法确定激光光条图像中心的初值,根据每一个光条中心初值处的光条宽度确定该位置处对应的高斯核均方差σ的初值。对图像进行多尺度卷积,确定最优的σ值,并求得光条亚像素级中心点,最后完成光条链接。结果表明该算法抗噪声能力强,可实现光条宽度变化较大的激光光条图像中心的高精度提取。     

Non-iterative spot center location algorithm based on Gaussian for fish-eye imaging laser warning system

The directional accuracy of threaten laser is highly dependent on the laser spot center location accuracy for the laser warning system. On the basis of analyzing the spot features on wide field of view (FOV) fish-eye imaging laser warning system, a refinement of existing methodology based on fitting a 2D Gaussian distribution for estimating the center of the spot is developed. The proposed procedure is using a linear least squares based algorithm to determine the best-fitting parameters of the Gaussian. However, in contrast to the standard Gaussian Fitting procedure, this new scheme gives rise to equations that are rigorously linear in the transformed unknown parameters which can be solved easily by linear least squares estimators. To validate the accuracy of the proposed algorithms, experimental approaches with a type of laser warning detector and simulated threaten laser in laboratory are used to quantify its performance. The experimental results show that this method outperforms significantly the commonly used location technique. It is less susceptible to the non-100% fill ratio of CMOS and large unsymmetrical optical aberration of fish-eye lens. The positioning precision in paraxial region and 80° incident angle region are 1/60 pixels, 1/30 pixels respectively. The biggest error is less than 1/20 pixels. The proposed method is suitable for wide FOV laser warning system for high accuracy and low computational complexity.     

FPC补强片贴片质量视觉检测系统设计

基于挠性印制电路板补强片贴装质量的检测要求,从硬件与软件系统设计出发,开发适用于FPC补强片的贴片质量视觉检测系统。采用自主设计的弧形机架简化标定过程并减少硬件设备对图像采集的影响。在激光三角测量法的基础上,引入高斯拉普拉斯算子和极限式阈值分割用以分离散射光斑的光心和散射光区域,同时采用形态学运算进一步分离出光心区域。运用矩的不变性进行椭圆拟合并将其中心位置的改变转换为补强片厚度的变化,更易于观测。实验结果表明,改变结构元素的大小,光斑中心位置的波动为1.15像素,且最大误差仅达0.82像素,若闭运算结构元素设定为8,能进一步提高检测精度与检测效率。     

点光源哈特曼最优阈值估计方法研究

针对夏克-哈特曼波前传感器探测系统中噪声随时间及空间变化频率较快的特点,为了准确估计系统的最优阈值,根据高斯光斑与噪声的分布特性,提出一种以滑动窗口内像素均值及图像信号的局部梯度作为参数,构造关于噪声权重函数的方法,由此获得子孔径阈值的最优估计值,并详细分析了算法的基本原理和实现过程.以典型处理方法获取的阈值与理论最优阈值的误差作为评价标准,仿真和实验结果表明本文提出的阈值估计方法在不同信噪比、不同光斑大小的条件下,均能取得优于典型阈值处理方法获得的结果,且与理论最优阈值的误差小于10%.     

基于EKF的水下LD通信精对准控制算法

高速激光通信中接收机与光斑中心很难处于精对准状态,导致水下光通信链路难以稳定建立.首先采用蒙特卡洛仿真统计法分析激光光子在海水中传输的接收光强分布规律,再通过实验对接收端的光斑图像进行采样分析,利用曲线拟合得到接收器位置与接收光强的关系.仿真与实验结果表明:光束经过25 m的水下传输,接收光强分布仍近似为高斯分布.采用非线性估计算法(扩展卡尔曼滤波)与基本状态控制反馈理论,根据接收光强度估计接收器当前位置与最大光强处的距离,通过反馈算法实现接收端与光斑中心的主动跟踪对准.算法仿真结果显示,接收端对准误差在2 mm以下,稳定后接收效率超过98%.     

二维高斯分布光斑中心快速提取算法研究

在深入分析二维高斯分布公式的基础上,通过将光斑中心整像素坐标和亚像素坐标进行分离,推导出一种无需求解广义逆矩阵的高斯曲面解析算法,该方法综合利用窗口内的所有像素灰度信息,通过解析表达式直接计算高斯分布光斑的亚像素中心位置;并且对传统高斯曲面拟合法求解过程进行了优化,提出一种更加高效的定参高斯拟合法。与传统高斯曲面拟合法相比,提出的两种方法具有基本相同的稳定性和定位精度,但运行效率分别提高了278倍和78倍以上。     

Calculation algorithm of high-precision two-dimensional broadband laser warning parameters北大核心CSCD

High precision grating diffraction laser warning system is a photoelectric countermeasure equipment to judge and locate the incoming laser function. In order to improve the positioning accuracy, an improved algorithm for calculating and fitting the calculation parameters of the spot center was proposed. Firstly, the laser spot was preprocessed, and the center coordinates of the connected area were obtained by using the improved connected area marking algorithm and spot center extraction algorithm. Secondly, the azimuth angle and pitch angle were set, the images were collected and the spot center was calculated, and the pixel horizontal and vertical coordinates in x and y direction as well as fitting surfaces of laser parameters were fitted, so as to judge the azimuth angle, pitch angle and wavelength of the incoming laser. Finally, the improved connected area marking algorithm, spot center extraction algorithm and parameter fitting calculation results were compared with the traditional algorithm. The experimental results show that the pitch angle error between the fitting calculation results and the real data is less than 0.4°, and the azimuth angle error is less than 0.2°, which greatly improves the accuracy of laser direction recognition. Copyright ©2022 Journal of Applied Optics. All rights reserved.     

Investigation of positioning algorithm and method for increasing the linear measurement range for four-quadrant detector

The paper studied the relationship between the light spot position and the output voltage in the case of laser spot which is in the four-quadrant (4Q) detector whose shape is circle or elliptic, energy distribution uniform or Gaussian. The study is based on add–subtract algorithm, diagonal algorithm and difference over sum (Δ/∑) algorithm. By using methods of polynomial fitting it can get a simple polynomial expression to enhance measuring speed and the simulation error is given. A method of using Binary Optics Elements (BOE) to shape the laser beam in the 4Q detector to square light spot with uniform intensity distribution is proposed to expand linear measurement range. The simulation result is verified for a circular spot with Gaussian energy distribution.     

光栅投影三维测量系统标定技术研究

相机与投影仪的标定是影响光栅投影三维测量系统精度的因素之一，且标定所得参数的精度直接影响系统的测量精度。分析标志点边缘成像时的退化模型，提出了基于高斯曲线拟合与边缘局部区域效应相结合的亚像素边缘检测方法，获取高精度边缘，提高标志点检测精度；使用基于透视变换图像矫正的标志点快速排序匹配方法，进行相机快速高精度标定。分析投影仪标定时的相位误差，提出了一种基于径向基的线性插值方式，提高标志点圆心相位获取精度。实验验证，使用上述亚像素边缘检测方式，标志点的边缘残差为0.0871，对比基于高斯曲线的拟合方式，精度提高了41%，相机标定重投影误差均值为0.0524像素；使用上述相位插值方式，投影仪标定重投影误差均值为0.1203像素，对比使用双线性插值方式，标定精度提高23.9%。     

基于激光和CCD组合的小孔转轮重复定位精度测量方法

小孔转轮是某试验装置光路自动校准系统的关键器件,重复定位精度是其重要指标之一。为了有效测量运行于真空环境下的小孔转轮重复定位精度,提出了一种基于激光和CCD组合的测量方法,并以转轮滤波小孔光斑中心的位置重复性作为其重复定位精度的评价指标,搭建了一套完整的测量系统。利用CCD采集通过转轮滤波小孔的激光光斑,通过图像处理的方法对激光光斑图像进行滤波去噪、阈值分割、二值化、边缘检测等预处理,利用最小二乘法对激光光斑进行圆拟合,得到光斑中心坐标。在非真空环境下与激光干涉仪进行了对比实验,两者测量的角度偏差仅相差11″,表明了该测量方法具有较高的精度,可以满足测量要求。采用该测量方法对真空环境下的小孔转轮进行了约6 h正反往复各60次的重复性测量,结果表明,该测量方法能有效测量真空环境下小孔转轮的重复定位精度。