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2021年  第43卷  第5期

系统与设计
微小型滚仰式红外导引头光机轴系一体化设计
马俊林, 邢妍, 高群, 杜杰, 刘英
2021, 43(5): 411-416.
摘要:
针对导弹口径微小化的需求,为解决微小型导引头无法全方位扫描的问题,提出一种微小型滚仰式红外导引头光机轴系一体化结构。该光机结构把经典滚仰式导引头两根独立俯仰轴与光机结构本体设计成一体,通过红外探测器固定连接的方式让整体结构更加紧凑并兼具焦距微调功能,在保证成像质量的同时大大减小了光机结构的体积。将建模后的光机结构进行有限元热力耦合分析,在导引头温度、位置和角度等8组极限工作情况下,得到结构件和镜片的热变形。分析结果表明,提出的光机结构满足微小型(80 mm)、抗冲击(10g)和高低温(-40℃~60℃)工作要求,可以预测实际使用时的工作情况,对设计具有重要的指导意义。
基于nA级电流信号的多通道高精度采集系统设计
闫静纯, 富帅, 苏浩航, 荣鹏, 申一伟
2021, 43(5): 417-421.
摘要:
在大气成份和含量探测的傅里叶变换光谱探测技术中,红外探测器输出的电流信号一般极其微弱。本文针对电流信号频率为kHz级、电流强度在nA级的多元型红外探测器,通过分析系统噪声来源,选取高精度、低噪声的精密集成运算放大器,合理选取电路参数,设计了一种多通道微弱电流信号高精度采集电路。通过对电路性能进行分析,结果表明,该系统可以精确采集到nA级的1 kHz微弱电流信号,系统的噪声低,满足设计要求。
薄膜衍射消热差红外光学系统设计
王烨菲, 程艳萍, 姚园, 李道京, 于潇
2021, 43(5): 422-428.
摘要:
设计了一种薄膜衍射消热差红外光学系统。此光学系统口径为200 mm,焦距为200 mm,相对孔径为1,全视场角为3°,工作波段为10.7~10.9 μm。该系统采用薄膜衍射镜作为主镜,厚度为微米量级,具有口径大、重量轻的优点,解决了现有红外光学系统重量和口径无法调和的矛盾。利用含有衍射面的折衍混合透镜进行校正主镜带来的强色散,有效解决薄膜衍射主镜成像视场小、谱段范围窄等问题。采用薄膜衍射主镜、折衍混合透镜,很好地利用了衍射面良好的消热差特性,再结合透镜材料的选择,对光学系统消热差起到了良好的作用,并且,衍射面的使用为系统设计优化过程中增加了自由度。薄膜衍射消热差红外光学系统重量轻、成像质量好、消热差性能优良,在红外遥感成像探测领域具有良好的应用前景。
图像处理与仿真
基于上下文感知和尺度自适应的实时目标跟踪
夏爱明, 伍雪冬
2021, 43(5): 429-436.
摘要:
针对传统核相关滤波视觉目标跟踪算法在快速运动、背景杂波、运动模糊等情况下跟踪精度低且不能处理尺度变化的问题,提出了一种基于上下文感知和尺度自适应的实时目标跟踪算法。该算法在核相关滤波算法框架的基础上,引入了上下文感知和尺度自适应方法,增加了背景信息且能够处理目标的尺度变化。首先,利用融合了fHOG(fusion histogram of oriented gradient)、CN(color names)和灰度的特征对目标区域进行采样,训练一个二维位移滤波器,然后,在目标区域建立尺度金字塔,利用fHOG对目标区域进行多尺度采样,训练一个一维尺度滤波器,最后,在模型更新阶段改进了更新策略。在标准数据集OTB-2015上对100组视频序列进行的试验结果表明,提出的算法比基准算法(kernel correlation filter, KCF)精度提高了13.9%,成功率提高了14.2%,且优于实验中对比的其他跟踪算法。在尺度变化、运动模糊、快速运动等条件下,提出的算法在准确跟踪的同时,能够保持较高的速度。
基于GLNet和HRNet的高分辨率遥感影像语义分割
赵紫旋, 吴谨, 朱磊
2021, 43(5): 437-442.
摘要:
在GLNet(Global-Local Network)中,全局分支采用ResNet(Residual Network)作为主干网络,其侧边输出的特征图分辨率较低,而且表征能力不足,局部分支融合全局分支中未充分学习的特征图,造成分割准确率欠佳。针对上述问题,提出了一种基于GLNet和HRNet(High-Resolution Network)的改进网络用于高分辨率遥感影像语义分割。首先,利用HRNet取代全局分支中原有的ResNet主干,获取表征能力更强,分辨率更高的特征图。然后,采用多级损失函数对网络进行优化,使输出结果与人工标记更为相似。最后,独立训练局部分支,以消除全局分支中特征图所带来的混淆。在高分辨率遥感影像数据集上,对所提出的改进网络进行训练和测试,实验结果表明,改进网络在全局分支和局部分支上的平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)分别为0.0630和0.0479,在分割准确率和平均绝对误差方面均优于GLNet。
基于FFWA的自适应Canny飞机蒙皮红外图像边缘检测
王坤, 刘沛伦, 王力
2021, 43(5): 443-454.
摘要:
针对传统自适应Canny算法阈值选取精度低、速度慢的不足,提出基于快速烟花算法(Fast Fireworks Algorithm,FFWA)的自适应Canny边缘检测算法,该算法采用最大类间方差法结合快速烟花算法对检测和连接边缘的高低阈值进行自动设定。快速烟花算法对传统烟花算法的爆炸半径,爆炸火花产生方式与选择策略进行改进。实验结果表明,快速烟花算法比传统烟花算法的计算时间节省了36%,在稳定性方面也有了可观的提升,基于快速烟花算法的自适应Canny边缘检测算法在精度保持不变的情况下,计算速度比改进前加快了49%,使飞机蒙皮损伤热像图的边缘检测效果更加理想。
可见光与红外图像组K-SVD融合方法
王志社, 姜晓林, 武圆圆, 王君尧
2021, 43(5): 455-463.
摘要:
传统稀疏表示融合方法,以图像块进行字典训练和稀疏分解,由于没有考虑图像块之间的内在联系,易造成字典原子表征图像特征能力不足、稀疏系数不准确,导致图像融合效果不好。为此,本文提出可见光与红外图像组K-SVD(K-means singular value decomposition)融合方法,利用图像的非局部相似性,将相似图像块构造成图像结构组矩阵,通过组K-SVD进行字典训练和稀疏分解,可以有效提高字典原子的表征能力及稀疏系数的准确性。实验结果表明,该方法在主观和客观评价上都优于传统稀疏融合方法。
基于FPGA的红外镜头自动聚焦技术研究与实现
孙少伟, 杨粤涛, 杨炳伟, 万安军, 钟海林
2021, 43(5): 464-472.
摘要:
自动聚焦技术在红外热像仪监控领域有着非常重要的作用。目前业内红外自动聚焦技术存在聚焦成功率低、架构复杂、聚焦速度慢等状况,为此提出了一种基于FPGA的红外镜头自动聚焦技术,采用单FPGA实现了红外图像处理显示和自动聚焦的功能。鉴于红外图像普遍存在竖条纹噪声和随机噪声等特点,本文在实现聚焦过程中对红外清晰度评价算法和爬山算法做了改进和优化。实验结果表明本文提出的算法和实现方式能够很好地实现红外镜头的自动聚焦,同时具备集成度高、聚焦速度快、成功率高等特点,有比较广泛的应用前景。
材料与器件
基于透射光谱的类金刚石膜光学参数反演
王贵全, 张锦荣, 邵毅, 郑万祥, 唐莹娟, 胡中, 姜兴平, 李彦生, 李伟, 王乔方, 字正华
2021, 43(5): 473-477.
摘要:
本文采用透射光谱法测量Ge基底类金刚石薄膜(Diamond-like carbon,DLC)的光谱曲线。应用测量的光谱曲线,基于模拟退火算法,构建目标优化函数,通过光谱反演法得到薄膜的厚度、折射率、消光系数。该方法得到的Ge基底类金刚石膜的光学参数与椭偏仪测试结果比对,折射率误差小于1%,厚度误差小于2%。并且将薄膜的光学参数带入透过率理论计算模型,得到的Ge基底类金刚石薄膜透射光谱曲线和实际测试曲线的误差小于2%。该方法只需测量透射光谱曲线,通过计算就能得到薄膜光学参数,对光学薄膜设计和加工具有重要指导意义。
InSb面阵探测器波段内脉冲激光干扰响应特性研究
刘俊明, 李丽娟, 王朝林, 段萌
2021, 43(5): 478-482.
摘要:
介绍了激光定向干扰红外探测系统的干扰机理及波段内激光定向干扰的主要干扰方式。以InSb红外探测成像系统为研究对象,开展了典型条件下的波段内脉冲激光定向干扰试验,分析了InSb面阵探测器对波段内脉冲激光干扰的响应特性,获取了探测器在脉冲激光干扰下的损伤模式和损伤阈值,为后续深入研究激光定向干扰效能奠定基础。
微光技术
微光像增强器塑料外壳受力分析
唐钦, 杨壮, 宋海涛, 叶洪伟, 张新月
2021, 43(5): 483-489.
摘要:
为摸清微光像增强器塑料外壳受力规律,掌握质量变化特点,运用形变理论,建立硅橡胶形变数学模型,拟合塑料外壳受力曲线,据此确定微光像增强器塑料外壳出现开裂的必然性和寿命周期特点。结果表明:数学模型与试验数据高度吻合,能够表征塑料外壳受力情况及寿命变化规律。
制作微通道板的玻璃纤维拉丝炉温度场研究
丛晓庆, 孙建宁, 张珈玮, 刘文伟, 张正君, 徐伟, 钱琳, 李婧雯, 孙赛林, 阮凯, 林正
2021, 43(5): 490-495.
摘要:
制作微通道板的玻璃纤维需要经过拉丝炉拉制而成,拉丝炉的温度场分布直接影响丝径的均匀性,而目前缺乏制作微通道板的玻璃纤维拉丝炉的理论研究,依靠经验所设计的拉丝炉性能差异较大,为此本文根据拉丝炉的实际结构,构建对应的三维模型,利用热传递理论对模型进行分析,重点研究炉芯中心位置、加热温度均匀性和保温层均匀性对拉丝炉内部温度场的影响,根据理论分析结果对微通道板拉丝炉的改进给出了3个方面的建议。
无损检测
基于卷积神经网络的超声红外热图像分类
林丽, 刘新, 朱俊臻, 冯辅周
2021, 43(5): 496-501.
摘要:
在超声红外热像技术应用中,从红外热图像来判断被测对象是否含有裂纹,通常需要先基于人工经验,从红外热图像中提取特征再采用某种模式识别方法进行分类,裂纹的识别与定位过程繁琐且识别率较低。为此,提出一种基于卷积神经网络技术的超声红外热图像裂纹检测与识别方法,其特点是可以直接从超声红外图像中学习特征进而实现是否含有裂纹红外热图像的分类。通过实验得到的含裂纹和不含裂纹金属平板试件的红外热图像,建立卷积神经网络模型对图像中是否含有裂纹进行分类,研究结果表明,参数优化后的卷积神经网络模型对超声红外热图像的有无裂纹分类准确率达到98.7%。
基于OTSU和区域生长的电厂管道缺陷检测与分割
彭道刚, 尹磊, 戚尔江, 胡捷, 杨晓伟
2021, 43(5): 502-509.
摘要:
针对电厂高温管道红外图像背景复杂、干扰较多的特点,结合电厂巡检机器人系统对图像处理算法的需求,提出了基于改进二维最大类间方差法(OTSU)和区域生长法的电厂高温管道缺陷定位与分割方法。将红外图像灰度化后,通过改进二维OTSU进行预分割,提取出管道区域;基于管道区域灰度直方图,结合邻域灰度均值,实现多种子点的自动检测与定位;采用基于生长区域灰度均值和标准差的自适应阈值以及基于Prewitt算子的梯度幅值改进的生长准则完成缺陷区域的分割。实验证明,所提算法不仅能实现电厂高温管道多缺陷自动检测与定位,而且能精确地提取出缺陷区域,准确性高且具有良好的实时性。
综述与评论
锗单晶材料的发展现状
董汝昆, 吴绍华, 王柯, 尹国良, 史娜娜, 姚杨, 郭晨宇
2021, 43(5): 510-515.
摘要:
锗因其资源稀缺、优异的光学和物理性能,广泛应用于光纤系统、红外光学系统、电子和太阳能应用、探测器等高科技领域,是战略性产业所需的重要功能材料和结构材料。简单介绍了目前国内锗单晶生长的两种主要方法:直拉法(Czochralski,CZ)和垂直梯度凝固法(vertical gradient freeze,VGF)。对国内和国外知名锗材料生产企业的锗单晶生长方法、直径、电阻率等相关技术参数,进行了统计和比较。针对不同的单晶材料性能,分析了红外光学用锗单晶、太阳能电池用锗单晶和高纯锗单晶的应用领域和发展现状。