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2021年  第43卷  第11期

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综述与评论
紫外增强图像传感器的研究进展
罗磊, 唐利斌, 左文彬
2021, 43(11): 1023-1033.
摘要 HTML阅读量 (208) PDF免费下载(165)
摘要:
近年来图像传感器在紫外成像的应用越来越广泛，尤其是以CCD（charge coupled device）和CMOS（complementary metal oxide semiconductor）为主的紫外图像传感器受到了研究人员的广泛关注。半导体技术的进步和纳米材料的发展进一步推动了紫外图像传感器的研究。本文综述了国内外紫外增强图像传感器的研究进展，介绍了几种增强器件紫外响应的材料，另外还简要概述了紫外图像传感器在生化分析、大气监测、天文探测等方面的应用，并讨论了CCD/CMOS图像传感器在紫外探测方面所面临的挑战。
二类超晶格红外焦平面探测器的研究进展
李俊斌, 李东升, 吴圣娟, 周旭昌, 李艳辉, 杨春章, 杨雯, 蒋志, 常超, 任洋
2021, 43(11): 1034-1043.
摘要 HTML阅读量 (56) PDF免费下载(225)
摘要:
近几年，二类超晶格红外探测器在材料生长、器件结构设计、器件制备上经历了快速的发展，使得二类超晶格成为除碲镉汞外最受关注的红外探测器材料。本文简要介绍了二类超晶格的优势，总结了国际上二类超晶格红外探测器研究进展，回顾了二类超晶格红外探测器的技术发展历程，并分析了国内二类超晶格材料与器件中存在的技术问题。
系统与设计
红外探测器集成图像信号处理芯片设计
汪健, 张磊, 曾鑫, 戴放, 徐春叶
2021, 43(11): 1044-1048.
摘要 HTML阅读量 (145) PDF免费下载(98)
摘要:
在红外信号处理中，红外探测器原始输出图像存在非均匀性严重、噪声大、对比度低等问题，无法满足武器装备对图像质量的要求。为解决红外图像信号数据量大、算法复杂、系统实时性强等系列问题，研制红外探测器集成图像信号处理电路，以减小体积、降低功耗、提升性能。
星载大视场多光谱成像光学系统设计
李文轩, 胡源, 张凯, 秦铭泽, 袁夕尧
2021, 43(11): 1049-1054.
摘要 HTML阅读量 (34) PDF免费下载(54)
摘要:
大视场、多通道、小型化已成为星载测绘光学系统的迫切需求。根据上述需求，提出了先用视场分光再用窄带分色片分光的设计方案、并构建了自动消遮挡和轻小型化优化函数。设计了一款主、次、三镜均为球面的离轴三反四通道光学系统，其焦距360 mm、相对孔径为1/6、视场角13°×5°、工作波段0.4~1.1 m、地面像元分辨率5 m、全视场畸变小于5%。加工、装调后的整机系统实测MTF（Modulation Transfer Function）曲线在奈奎斯特频率100 lp/mm处均大于0.25，同时系统所占空间面积仅为245 mm×423 mm、整机重量仅13.82 kg，从而实现了系统大视场、无遮挡、多通道、体积包络的小型化。
光电侦察吊舱对海广域搜索方法
方喜波
2021, 43(11): 1055-1060.
摘要 HTML阅读量 (43) PDF免费下载(61)
摘要:
光电侦察吊舱对海搜索方式与搜索范围是直升机对海搜索效率与搜索力配置研究的基础。基于直升机及其光电侦察吊舱的性能特点，提出了直升机对海搜索的两种基本搜索方式和覆盖面积；建立了直升机搜索面积计算模型，为直升机系统采用不同的搜索方式进行搜索时计算其搜索效率和搜索力的配置提供了决策依据。为了易于搜索区域发现感兴趣的目标，同时介绍了针对扫描搜索区域图像拼接的处理方法。
一种红外成像系统的畸变测试方法
王棪, 郭哲民, 刘国平
2021, 43(11): 1061-1066.
摘要 HTML阅读量 (46) PDF免费下载(61)
摘要:
红外成像系统图像畸变控制的良好与否对其能否在应用平台上发挥应有作用极为关键，因此在实验室内对红外成像系统的图像畸变进行测试、分析是极其必要的，本文提出了一种结合质心亚像素识别和精密测角的局部畸变测试方法，读取点靶在各个局部视场的质心变化并进一步计算即可得到畸变。采用该方法可以较好地解决点列质心法测试大视场系统操作性不高以及局部畸变法定位不够精确的问题，采用本方法对某型号红外成像系统进行了局部畸变测试，取得了与理论较为相符的测试结果，其相对畸变测试误差不超过0.02%，可以很好地满足红外成像系统的畸变测试需求，并对成像系统性能进行评估，有效反馈图像畸变对红外成像系统探测能力的影响。
基于MODTRAN的红外系统作用距离变步长评估算法
赵一鉴, 王茜蒨, 宗永红, 彭中, 胡必强
2021, 43(11): 1067-1072.
摘要 HTML阅读量 (54) PDF免费下载(45)
摘要:
在红外成像探测系统的作用距离评估中，要用到大气平均透过率参数，而它又是作用距离的函数，因而一般要用程序循环迭代的方法来计算作用距离。本文介绍了一种针对点目标探测的变步长作用距离评估方法，调用MODTRAN软件计算大气平均透过率和天空背景辐亮度，利用评估模型计算设定距离下的像元个数、信噪比和调制对比度，判断是否满足目标探测所需的最低性能指标，从而确定最大作用距离。在设定值与真实作用距离值相差较大时，采用较大的步长；在设定值与作用距离值相差较小时，采用较小的步长。相比固定步长法，可以在保持计算精度的同时，大大加快计算速度。
基于光机集成分析的火情监察红外变焦镜头主动消热差设计
尹晶, 刘旭, 徐晓影, 崔艳群, 王强, 郭富城
2021, 43(11): 1073-1080.
摘要 HTML阅读量 (53) PDF免费下载(36)
摘要:
红外变焦监视镜头的F数与焦深相对较小，因此温度变化极易导致离焦现象，导致成像质量下降。本文针对火情监察红外变焦镜头在-40℃~50℃范围内成像清晰的技术要求，采用有限元法分析温度变化下各光学镜片前后镜面的刚体位移与旋转量，将刚体位移导入至Sigit光机集成分析软件中仿真出温度变化工况下镜头的离焦量，分析结果表明焦距值变量在-0.16~+0.4 mm之间，调焦量为0.108~0.188。针对上述情况，采用两个凸轮两套执行机构来分别控制变倍组和补偿组的移动，实现镜头的主动消热差保证温度变化下成像仍旧清晰。最终通过温度可靠性实验对镜头光学分辨率温度适应性的进行考核，实验结果表明在温度变化过程中空间分辨率均大于30 lp/mm，变焦过程成像质量基本清晰。
图像处理与仿真
一种结合单尺度Retinex与引导滤波的红外图像增强方法
程铁栋, 卢晓亮, 易其文, 陶征亮, 张志钊
2021, 43(11): 1081-1088.
摘要 HTML阅读量 (69) PDF免费下载(57)
摘要:
针对传统红外图像增强算法中图像对比度低、细节信息丢失与过度增强等问题，提出了一种单尺度Retinex与引导滤波相联合的红外图像增强方法。首先根据Retinex算法，利用主特征提取法获取原始图像的照射分量和反射分量，对照射分量采用平台直方图增强其对比度；然后利用局部方差加权引导滤波将反射分量分解为基本层和细节层，对两层分量的图像分别进行对比度和细节增强操作；最后将各个层次的结果按照合适的权重因子进行融合得到增强红外图像。实验结果表明，相比于其他增强算法，本文所提方法能更有效地提高红外图像的整体对比度，突出其细节特征，增强后的3组图像的信息熵和平均梯度平均值分别为9.7373和5.6922，相较于原图像分别提升了2.7499和3.8296。
无损检测
改进小波阈值在红外热波无损检测中的应用
邹兰林, 李念琼
2021, 43(11): 1089-1096.
摘要 HTML阅读量 (49) PDF免费下载(24)
摘要:
近二十年来红外热波无损检测技术迅速发展，并在较多领域都得到了普遍应用，但碍于其易受环境影响和工作元件不均匀的特殊性，非制冷红外热像仪原始热波图总存在一定程度的噪声污染，因此对原始热波图进行去噪处理是该技术的关键步骤。传统的改进小波阈值去噪方法局限于对阈值进行自适应分解尺度的改造，使阈值函数平滑连续保真。在噪声方差估计方面没有针对性的方法，而噪声的方差估计是阈值的关键变量，这决定了小波阈值去噪的效果。本文将根据红外图像噪声特性建立混合噪声模型，在噪声模型的基础上进行噪声方差估计、改进阈值及阈值函数，通过软件获取最佳函数参数，最后对仿真模拟结果进行分析，对真实图像进行处理评价，结果表明经改进后的小波阈值去噪方法相对于传统阈值去噪方法和部分滤波去噪方法具有更好的去噪效果。
多属性融合的电力设备红外热特征数字化方法
赵天成, 罗吕, 杨代勇, 刘赫, 袁刚, 许志浩
2021, 43(11): 1097-1103.
摘要 HTML阅读量 (26) PDF免费下载(21)
摘要:
本文针对电力设备红外图像诊断中热故障特征提取和数字化表达难题，提出一种多属性融合的电力设备红外热特征数字化方法。通过对电力设备热故障特性和相关诊断文件研究分析，在对图像预处理的基础上，提取图像中关键发热区域的热点温度、热点温差、发热面积、位置信息以及热点群聚现象等热属性值，构建多属性信息融合的过热性故障特征值向量，实现热故障特征数字化描述。以断路器为例对该方法进行了验证分析，结果表明，该方法对典型红外故障图谱具有良好的描述能力，可用于后续大量复杂故障样本情况下的设备热故障智能分类与诊断应用中。
基于改进RetinaNet的电力设备红外目标精细化检测模型
苏海锋, 赵岩, 武泽君, 程博, 吕林飞
2021, 43(11): 1104-1111.
摘要 HTML阅读量 (41) PDF免费下载(36)
摘要:
电力设备在运行过程中会产生大量红外图像，当红外图像中的电力设备存在排列密集、具有倾斜角度、大长宽比的情况时，基于水平矩形框的目标检测网络只能给出目标概略位置，易发生目标检测区域重叠，引入冗余背景信息，使得检测结果不够精细。针对此问题，提出在RetinaNet目标检测网络中引入旋转矩形框机制，并在网络输入端引入Mosaic数据增强技术；将原特征提取网络中ReLU函数替换为梯度流更平滑的Mish激活函数；在原模型FPN模块后追加PAN模块进一步融合图像特征。最后利用现场采集的电力设备红外图像制作数据集，将改进后的模型与Faster R-CNN、YOLOv3、原RetinaNet三种基于水平矩形框定位的目标检测网络进行对比评估，实验表明改进后的模型可以更为精细地检测出密集场景下带有倾角的电力设备红外目标，在多类别电力设备检测准确率对比上高于以上3种模型。
基于三相自搜寻比较法的电气设备过热故障识别方法
许志浩, 郑诗泉, 康兵, 袁刚, 赵天成, 杨代勇
2021, 43(11): 1112-1118.
摘要 HTML阅读量 (142) PDF免费下载(23)
摘要:
电力设备过热故障图谱识别是判断电力设备故障程度的重要手段。工程实际中通常是对变电设备热拍照并进行人工甄别。为提高设备热像图故障判定准确率和效率，本文针对电力三相设备的特点，提出了一种通过三相分区块自动搜寻及温度对比的过热区域判定方法，通过将三相设备热像图每相分离，调整为相似大小与姿态，将新图像分块进行对比，判定对应区块是否有异常温升，从而判定某相设备出现的热故障。试验结果表明，本文基于计算机自动搜寻和判定的设备热诊断方法能够更加高效准确地判定识别三相设备热故障，从而能够提高电力设备热故障检测的效率、准确性与自动化程度。
基于热成像的钢管混凝土脱空检测技术研究
刘豪, 侯德鑫, 郑刚兵, 袁建锋, 叶树亮
2021, 43(11): 1119-1126.
摘要 HTML阅读量 (95) PDF免费下载(28)
摘要:
钢管混凝土结构因受施工工艺、混凝土收缩、超负荷承载等因素而产生脱空缺陷，使结构的承载能力下降。本文利用主动热成像技术对钢管混凝土的脱空缺陷进行了研究，并针对当前热成像脱空检测技术存在检测深度小，处理算法呈现效果不佳，无法定量检测，检测效率低等问题，提出了设计专用感应加热电源和线盘提高检测深度，热源反演算法消除加热非均匀性干扰，建立无缺陷仿真模型预测钢管混凝土表面的温度分布，取同一时刻的实验数据和仿真预测数据作差来提取脱空缺陷特征，以及检测参数优化实现定量检测的解决方法。通过多次重复实验表明，可检出壁厚为20 mm钢管混凝土内的脱空缺陷，并能确定缺陷形状和大小，有效提高了检测深度和检测效率。
基于DeepLabv3+网络的电流互感器红外图像分割方法
袁刚, 许志浩, 康兵, 罗吕, 张文华, 赵天成
2021, 43(11): 1127-1134.
摘要 HTML阅读量 (61) PDF免费下载(26)
摘要:
红外图像智能分析是变电设备故障诊断的一种有效方法，目标设备分割是其关键技术。本文针对复杂背景下电流互感器整体分割难的问题，采用基于ResNet50的DeepLabv3+神经网络，用电流互感器的红外图像训练语义分割模型的方法，对收集到的样本采用限制对比度自适应直方图均衡化方法实现图像轮廓增强，构建样本数据集，并运用图像变换扩充样本数据集，搭建语义分割网络训练语义分割模型，实现电流互感器像素与背景像素的二分类。通过文中方法对420张电流互感器红外图像测试，结果表明，该方法的平均交并比（Mean Intersection over Union, MIoU）为87.5%，能够从测试图像中精确分割出电流互感器设备，为后续电流互感器的故障智能诊断做铺垫。
基于表面红外热像的运行中脱硫塔壁厚定量检测研究
刘宏林, 韩玉军, 史勇, 孔松涛, 王堃
2021, 43(11): 1135-1139.
摘要 HTML阅读量 (27) PDF免费下载(17)
摘要:
本文采用共轭梯度方法，根据脱硫塔表面的红外热像对运行中的脱硫塔壁厚进行了检测。由于脱硫塔内部检测环境恶劣，壁厚检测所需要的脱硫塔内壁面热流亦采用共轭梯度法反演得到。首先通过数值实验，验证了本方法的可行性。然后，依据红外热像进行反演，发现脱硫塔存在筒体腐蚀，防腐涂层脱落和减薄等问题。利用后续的停机检修，对问题区域进行了复核，亦证实了以上部位的异常，表明了本文所提出的基于表面红外热像的脱硫塔壁厚定量检测方法的有效性和准确性。

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