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当期目录

2021年 第43卷  第8期

系统与设计
基于FPGA的夏克-哈特曼探测器实时波前处理机
刘召庆, 李力, 董冰, 金伟其
2021, 43(8): 717-722.
摘要:
夏克-哈特曼波前传感器是目前自适应光学系统中应用最为广泛的实时波前探测器。本文针对具有高分辨、高帧速、大规模子孔径数的夏克-哈特曼传感器,根据其波前处理计算量和实时性的要求,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA,field-programmable gate array)的实时波前处理机结构及波前斜率计算方法。该方法利用核心处理模块重复利用的方式完成子孔径内光斑质心的计算,并通过USB3.0将处理后的质心数据实时传输给PC机。处理机以一片XILINX公司Kintex7-XC7K325T的FPGA作为处理芯片进行了设计,结果表明:该算法可对560帧/s的1020×1020图像(580 MB/s数据量),56×56子孔径哈特曼传感器,进行低延时实时光斑质心计算,提高了系统的波前处理速度和整个自适应光学系统的控制速度。
简易分时型长波红外偏振成像系统研究
陆高翔, 杨志勇, 宋俊辰
2021, 43(8): 723-729.
摘要:
为了开展红外偏振成像技术研究工作,本文设计搭建了一个长波红外偏振成像系统,实现了目标分时成像。提出了一种改进的基于单像元非均匀性差分图像校正方法去除冷反射,基于Sobel边缘检测方法对图像进行配准,并对目标场景的偏振特性进行了分析。结果表明,设计搭建的系统能够获取目标场景的红外偏振信息,预处理后的图像能够满足实验需要,经过Stokes矢量方法得到的目标场景偏振图像边缘轮廓与细节信息更加丰富。为了进一步衡量实验系统的性能,对强度图像和偏振度图像进行了融合,融合后的图像与红外强度图像相比,图像评估质量得到明显提升,验证了实验系统的可行性。该技术在未来的复杂环境下提高目标探测效率具有应用价值。
基于近红外CMOS的激光光斑质心检测系统设计
王雪松
2021, 43(8): 730-735.
摘要:
为实现在复杂背景光照条件下具有较高的光斑探测灵敏度,高精度的坐标计算,及大于1000 fps的结果输出速度,介绍了一种基于近红外CMOS图像传感器,实时计算光斑质心坐标并输出的系统。设计使用安森美半导体公司的Python1300系列近红外图像传感器NOIP1FN1300A对激光光斑成像。利用Cyclone4系列低功耗FPGA对传感器进行驱动和解串,应用可靠的质心算法实时计算光斑坐标。结果输出部分分别采用USB2.0和RS422接口实时输出目标图像和质心坐标。该设计最终具有1500 fps的实时处理能力,软件代码简洁,质心坐标计算精确,系统功耗低等优点。
非制冷型640×512面阵红外导引头光学系统设计
孙爱平, 龚杨云, 浦恩昌, 李泽民, 雷旭峰
2021, 43(8): 736-742.
摘要:
为了增大视场角、提高探测距离,本文设计了一款采用640×512面阵非制冷机芯的红外成像导引头。首先分析了红外成像导引头多种结构型式,结合本文设计要求的特点,选择了万向支架式的结构型式;其次对红外导引头光学系统进行像质优化,并对框架角及盲区的满足情况开展分析;最后以实物样机的试验情况,说明此红外成像导引头成像质量良好,能满足搜索、跟踪目标的要求。
等体积不同纵横比水滴粒子的光学特性计算
蒋佳丽, 张建奇, 马向超
2021, 43(8): 743-751.
摘要:
不同重力场环境中水滴粒子的形状会偏离球形,为了研究水滴粒子非球形化程度对其光学特性的影响,本文计算了不同方向取向下,等体积不同纵横比水滴粒子在3.0~5.0 μm波段的光学特性。研究发现虽然不同纵横比水滴粒子的光学特性在3.0~5.0 μm波段的变化趋势相似,但具体数值仍然明显依赖于水滴粒子的空间取向和偏离球形程度。总体而言,水滴粒子的吸收截面只在方位角θ较小和波长较短时随其纵横比显著变化;而散射截面、不对称因子和散射相函数则在任意方位角和波长下都对水滴粒子的纵横比有较明显的依赖。因此,由于光学特性对水滴粒子的纵横比有较强的依赖性,由水滴粒子所组成的水雾的辐射传输特性会强烈依赖于水滴粒子的形状。
三维激光倒置扫描关键技术研究
张志鹏, 邵学君, 庞庆
2021, 43(8): 752-756.
摘要:
对比常规三维激光正置扫描技术,研究了三维激光倒置扫描关键技术。研究倒置扫描入射角技术,确定了硬件三脚架倒置安装条件,满足合理的扫描入射角,达到点云的较好采集效果。在软件方面研究了高效自动去除噪点技术,实现倒置扫描噪点的自动高效去除。通过试验比较,采用三维激光倒置扫描关键技术,能够较好实现倒置扫描且扫描效果较好,降低了现场工作强度,提高了工作效率,拓展了三维激光扫描技术应用领域,为采用倒置扫描技术、自动高效噪点处理技术等方面提供参考,同时,也为红外技术在图像融合、影像信息识别、图像降噪等方面提供借鉴。
综述与评论
基于卷积神经网络的红外光谱建模分析综述
王堃, 史勇, 刘池池, 谢义, 蔡萍, 孔松涛
2021, 43(8): 757-765.
摘要:
红外光谱技术存在着数据预处理复杂、预测精度不高,且难以处理大量非线性数据的问题,适于用卷积神经网络进行处理。本文首先分析了卷积神经网络应用在红外光谱上的优点,并对卷积神经网络结构组成进行简单的概述。然后针对卷积神经网络在光谱分析建模中的输入数据维度问题进行详细阐述;针对模型设计中卷积核参数的影响、多任务处理模型以及训练过程中的优化方法进行综述。最后分析了该研究的优点与不足,并展望了未来的发展趋势。
高工作温度红外探测器的研究进展及趋势
张坤杰
2021, 43(8): 766-772.
摘要:
基于高工作温度探测器的热成像系统的典型特征是体积小、重量轻、功耗低,其性能在降低成本的同时与低温制冷型热成像系统的性能相当,有着重要的应用价值和批量生产的前景。本文介绍势垒型探测器的结构特点,阐述构建势垒型探测器的材料结构类型与其对系统性能的影响,总结其他相关技术实现的高温探测器。最后对势垒型探测器目前的研究进展进行归纳,提出了几个高温探测器技术未来的研究方向。
材料与器件
CdS紫外探测器芯片的制备研究
何雯瑾, 信思树, 钟科, 柴圆媛, 黎秉哲, 杨文运, 太云见, 袁俊
2021, 43(8): 773-776.
摘要:
针对紫外探测器在紫外-红外双色探测器中的工程化应用需求,开展了Pt/CdS肖特基紫外探测器研究,通过对CdS晶片表面处理工艺、Pt电极制备及紫外芯片退火等关键技术进行优化研究,并对Pt/CdS肖特基紫外探测器性能进行测试分析。测试结果表明: Pt/CdS肖特基紫外探测器在0.3~0.5 μm下响应率大于0.2 A/W,对3~5 μm红外波长的平均透过率大于80%,很好地满足了紫外-红外双色探测器中的工程化应用要求。
图像处理与仿真
岩样损伤红外热像的归一化直方图表征研究
宋晶晶, 李忠辉, 张昕, 田贺, 郑安琪, 臧泽升, 张全聪
2021, 43(8): 777-783.
摘要:
红外热像法是一种评估煤岩损伤有广阔应用前景的手段。通过红外热像中的关键信息进行识别和提取,从而对煤岩损伤状态进行判别。本文对岩样进行了单轴加载,同步采集红外热像和岩样表面裂隙发育图,采用归一化直方图的方式对红外热像进行了分析处理,并利用不同灰度值区间的像素占比对红外热像的细节信息进行了定量表征。结果表明,不同时刻红外热像的灰度值分布能良好反映试样受载破坏过程表面温度和应力值的变化,在主破裂发生时,灰度值区间[240, 255](岩样表面温度29.01℃~33.19℃)的像素点百分比较上一时刻增加13.85个百分点。另外,灰度值区间[224, 255]的像素占比随时间的变化趋势与岩样损伤变量呈高度相关性,这表明基于归一化直方图的红外热像能够很好表征岩样损伤破坏过程。
基于边缘感知的深度神经网络红外装甲目标检测
盛大俊, 张强
2021, 43(8): 784-791.
摘要:
装甲目标自动检测一直是红外制导领域的研究热点与难点。解决该问题的传统方法是提取目标的低层次特征,并对特征分类器进行训练。然而,由于传统的检测算法不能覆盖所有的目标模式,在实际应用中的检测性能受到限制。本文受边缘感知模型的启发,提出了一种基于边缘感知的改进深度网络,该网络是通过边缘感知融合模块提升装甲轮廓精度,利用特征提取模块和上下文聚合模块的优势,能够更好地适应目标的形态变化,具有较高的检测与识别的精度。验证结果表明,本文提出的装甲检测网络模型可以有效地提高红外图像中装甲的检测与定位精度。
一种基于红外对比度提升的高动态范围压缩技术
公志强, 刘仁军, 汪利庆, 彭玲, 罗音
2021, 43(8): 792-797.
摘要:
如何将红外探测器采集的高动态范围的数据压缩为低动态范围图像数据的同时,能尽可能地保留图像的信息,提高图像的对比度一直是一个技术难点。针对这一问题,本文提出了一种新的红外图像压缩方法。该方法引入了直方图信息,通过对直方图进行分割,区分背景区域像素和目标区域像素; 然后计算压缩映射模型; 最后结合分割后的直方图对图像的像素采用不同强度的对比度增强。本文算法利用直方图区分背景区域像素与目标区域像素,在增强图像对比度时,能有效抑制背景噪声。通过实验对比,结果表明,本文所提出的算法更能较好地突出图像的细节,增强图像对比度。
采用暗态点光源模型的夜间去雾算法
张竞阳, 严利民, 陈志恒
2021, 43(8): 798-803.
摘要:
针对夜间雾、霾场景下的去雾图像存在颜色失真、纹理损失、亮度低等缺陷,本文提出了一种采用暗态点光源模型的夜间去雾算法,通过构建夜间雾、霾场景的暗态点光源模型,利用联合双边滤波、限制对比度自适应直方图均衡化等算法对降质图像进行处理,结合大气散射模型得到去雾图像。实验结果表明,该算法的处理速度快、夜间去雾效果较好,较对比算法在对比度、平均梯度以及信息熵上均有一定程度地改善,有效解决了去雾图像的颜色失真、纹理损失、亮度低等缺陷。
红外应用
基于天然气组分红外光谱图的数据预处理方法研究
康明, 韩森坪, 杨洪杰, 唐德东, 李妍君, 汪智琦
2021, 43(8): 804-808.
摘要:
利用红外光谱分析仪对天然气组分进行组分分析时所获得光谱信号往往会受杂散光、噪声、基线漂移等因素的干扰,从而影响最终定量分析结果,故需要在建模前对原始光谱进行预处理。为解决仪器测量光谱图的噪声干扰问题,本文提出一种Savitzky-Golay平滑法结合sym6小波函数软阈值去噪法对光谱图进行预处理。将传统的预处理方法与SG平滑法结合小波函数法进行对比分析。结果表明,以SG平滑法结合sym6小波函数软阈值去噪法对光谱图进行预处理,其拟合优度数值最高为0.98652,残差平方和数值最低为5.50694,证明使用该方法后的函数分峰拟合效果最佳,处理效果优于传统方法。

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《红外技术》编辑部

2021-06-16