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2024年  第46卷  第3期

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综述与评论
基于VLPE技术的碲镉汞p-on-n双层异质结材料与器件研究进展
王文金, 孔金丞, 起文斌, 张阳, 宋林伟, 吴军, 赵文, 俞见云, 覃钢
2024, 46(3): 233-245.
摘要 HTML阅读量 (21) PDF免费下载(47)
摘要:
本文对比分析了碲镉汞p-on-n器件四种制备方式的优劣，其中，VLPE（Vertical Liquid Phase Epitaxy）技术具有原位As掺杂与高激活率的技术优势，是制备高性能p-on-n双层异质结器件的重要方式。针对该技术，从材料生长、器件工艺和器件性能方面回顾了国内外研究进展，讨论了国内外差距，明确了制约该技术发展的关键问题和技术难点，并提出了解决思路。最后，展望了VLPE技术p-on-n异质结器件的发展趋势。
短波红外成像系统设计及应用的研究进展
张艺, 胡健钏, 朱尤攀, 孙爱平, 陈洁
2024, 46(3): 246-255.
摘要 HTML阅读量 (75) PDF免费下载(67)
摘要:
短波红外光学成像是目前国际上研究热点之一，通过接收短波红外辐射进行探测和成像，可得到更多目标物体的信息，弥补了可见光成像的不足，从而实现全波段成像。本文从短波红外光学成像的光学特性、成像原理和光学系统结构设计出发，比较了短波红外与可见光和中长波红外成像的优缺点，并简单介绍了短波红外成像系统中铟镓砷探测器的特点和国内外发展现状，以及介绍了短波红外成像在不同领域的应用情况，最后，对短波红外成像未来的发展进行了展望。
系统与设计
广角衍射光学元件的优化设计
杨亮亮, 刘成林, 赵勇兵, 沈法华, 赵琪, 刘建利
2024, 46(3): 256-260.
摘要 HTML阅读量 (23) PDF免费下载(25)
摘要:
为进一步研究入射角度的增大对衍射光学元件（diffractive optical element, DOE）衍射效率及微结构高度等参数的影响，分析了入射角度和周期宽度对带宽积分平均衍射效率的影响。基于扩展标量衍射理论，建立了DOE的微结构高度与入射角度和周期宽度的数学模型，提出了工作在一定入射角度范围内，基于复合带宽积分平均衍射效率（comprehensive polychromatic integral diffraction efficiency, CPIDE）最大化实现设计波长和微结构高度等结构参数的优化设计方法。以工作在红外波段的DOE为例进行分析。结果表明：当相对周期宽度为20，入射角度范围为0°~40°时，该DOE的CPIDE为94.15%，微结构高度为1.3396 μm。该设计方法可以实现广角DOE的优化设计。
材料与器件
氧化钒非制冷探测器吸收特性研究
杨君, 杨春丽, 袁俊, 尹树东, 李华英, 白兰艳, 马敏
2024, 46(3): 261-268.
摘要 HTML阅读量 (24) PDF免费下载(31)
摘要:
随着氧化钒非制冷红外焦平面的像元尺寸的减小，导致探测器的吸收面积呈边长的二次方锐减，如何提高氧化钒非制冷红外焦平面阵列的吸收效率成为一个非常关键的研究课题。本文从材料和结构角度出发，分别在单层材料吸收特性、不同吸收结构、腔体高度、膜系厚度等几个方面对影响单层、双层氧化钒非制冷探测器光学吸收的各因素进行了全面系统的仿真。通过对各因素进行量化比较，同时结合仿真结果给出了提高氧化钒非制冷探测器吸收的系统方法，对于氧化钒非制冷探测器的设计与研究具有一定的参考意义。
图像处理与仿真
基于几何约束下区域搜索的红外可见光双目配准算法
王贺松, 张灿, 蔡朝, 黄珺, 樊凡
2024, 46(3): 269-279.
摘要 HTML阅读量 (13) PDF免费下载(17)
摘要:
针对相对位置固定的红外和可见光双目相机配准任务，现有算法没有考虑到两者相对位置固定的先验知识，存在配准精度低、几何定位差异大等问题，适用性差。提出一种基于几何约束下区域搜索的红外可见光双目图像配准方法。首先借助红外和可见光双目相机的标定信息对红外和可见光图像进行立体校正使二者处于同一高度之上。接着借助于相位一致性计算红外与可见光的边缘特征图，然后在红外边缘图上提取特征点，最后提出两阶段的同名特征点搜索方法，以红外特征点为基准在可见光边缘图局部区域内搜索同名特征点。在第一阶段以归一化互相关（Normalized cross-correlation，NCC）为相似性度量计算两边缘图的整体水平偏移，预测同名特征点初始位置，在第二阶段提出多尺度加权NCC作为相似性度量，在初始同名特征点位置周围精确搜索同名特征点。在构造的真实环境数据集上进行实验，实验结果表明相对于其他对比算法，在特征点匹配数量和准确率以及主观视觉上的配准效果都优于其他对比算法。
M-SWF域红外与可见光图像结构相似性融合
李威, 田时舜, 刘广丽, 邹文斌
2024, 46(3): 280-287.
摘要 HTML阅读量 (13) PDF免费下载(11)
摘要:
为了解决常规滤波器组在红外与可见光图像融合领域中存在提取结构信息不充分和融合视觉效果不佳的问题，本文提出了一种基于多尺度滑动窗口滤波器（Multi-scale Sliding Window Filter，M-SWF）图像融合方法。首先，提出一种基于SWF的多尺度图像分解方法实现对源图像的结构细节层和基础层提取；其次，采用L1范数融合规则（L1-Fusion, L1F）整合结构细节层，提取图像的结构信息；然后，利用一种图像能量贡献融合规则（Energy Attribute-Fusion, EAF）整合基础层，突出显著性目标；最后，融合图像通过叠加整合后的多尺度结构细节层和基础层得到。实验首先通过分析能量贡献系数，从主客观方面得到M-SWF域内红外与可见光图像融合较为适宜的能量贡献系数；其次，在该取值下，本文提出的M-SWF融合模型与其他的融合方法相比，不仅提高了对源图像结构信息的提取能力，而且通过整合图像的能量属性，改善了融合效果不佳问题，有效地突出了显著性目标。
基于双支路拮抗网络的偏振方向图像融合方法
凤瑞, 袁宏武, 周玉叶, 王峰
2024, 46(3): 288-294.
摘要 HTML阅读量 (19) PDF免费下载(13)
摘要:
为了提升偏振方向图像融合效果，构建了一种偏振方向图像的双支路拮抗融合网络（Double-branch Antagonism Network, DANet），该网络主要包括特征提取、特征融合和特征转化3个模块。首先，特征提取模块由低频支路和高频支路组成，将0°、45°、90°和135°偏振方向图像连接输入到低频支路，提取图像能量特征，将2组拮抗图像差分输入到高频支路，提取图像细节特征；其次，将得到的能量特征和细节特征进行特征融合；最后，将融合后的特征转化整合为融合图像。实验表明，通过此网络得到的融合图像，其视觉效果和评价指标均有较为显著的提升，与合成强度图像I、偏振拮抗图像Sd、Sdd、Sh、Sv相比，在平均梯度、信息熵、空间频率和图像灰度均值上，分别至少提升了22.16%、9.23%、23.44%和38.71%。
基于融合重构的电气设备红外图像EnFCM聚类分割方法
刘沛津, 张香瑞, 魏平
2024, 46(3): 295-304.
摘要 HTML阅读量 (13) PDF免费下载(6)
摘要:
红外图像分割是电气设备红外故障诊断的关键环节，而电气设备的不均匀散热、较低的对比度与多源噪声的干扰，会导致目标区域过分割，严重影响分割精度。对此本文提出一种基于融合重构的EnFCM（Enhanced Fuzzy C-Means）聚类电气设备红外图像分割方法。首先对梯度图像进行自适应形态学重建操作，保证算法对噪声图像的分割能力；其次对图像进行显著性检测，将显著图与梯度图融合得到重构后的图像，凸显故障部位的特征，避免过分割；然后对重构后的图像进行分水岭分割获取超像素图像，最后对超像素图像直方图聚类得到分割结果。对电气设备红外图像的实验结果表明：本文算法在电气设备红外图像上能准确分割出故障区域，获取其位置与轮廓，有效改善了过分割现象，在选取的交并比与DICE系数指标对比中，本文方法对比选取的FRFCM、FCM、SFFCM、FCM_SICM、RSSFCA、AFCF平均提升了81%与79%；同时对噪声有较强的鲁棒性，在选取的分割准确率指标对比中，本文方法对比选取的FRFCM、FCM、SFFCM、FCM_SICM、RSSFCA、AFCF平均提升了73%，取得了较优的分割效果。
基于稀疏增强重加权与掩码块张量的红外弱小目标检测
孙尚琦, 张宝华, 李永翔, 吕晓琪, 谷宇, 李建军
2024, 46(3): 305-313.
摘要 HTML阅读量 (32) PDF免费下载(16)
摘要:
高度异构的复杂背景破坏了场景的低秩性，现有算法难以利用低秩稀疏恢复方法从背景中分离出小目标。为了解决上述问题，本文将小目标检测问题转化为张量模型的凸优化函数求解问题，提出基于稀疏增强重加权与掩码块张量的检测模型。首先，将掩码块图像以堆叠方式扩展至张量空间，并构建掩码块张量模型以筛选候选目标。在此基础上，利用结构张量构建稀疏增强重加权模型以抑制背景杂波，克服凸优化函数求解过程中设定加权参数的缺陷。实验表明本文检测算法在背景抑制因子及信杂比增益两方面都优于新近代表性算法，证明该算法的有效性。
基于信息瓶颈孪生自编码网络的红外与可见光图像融合
马路遥, 罗晓清, 张战成
2024, 46(3): 314-324.
摘要 HTML阅读量 (22) PDF免费下载(11)
摘要:
红外与可见光图像融合方法中存在信息提取和特征解耦不充分、可解释性较低等问题，为了充分提取并融合源图像有效信息，本文提出了一种基于信息瓶颈孪生自编码网络的红外与可见光图像融合方法（DIBF：Double Information Bottleneck Fusion）。该方法通过在孪生分支上构建信息瓶颈模块实现互补特征与冗余特征的解耦，进而将互补信息的表达过程对应于信息瓶颈前半部分的特征拟合过程，将冗余特征的压缩过程对应于信息瓶颈后半部分的特征压缩过程，巧妙地将图像融合中信息提取与融合表述为信息瓶颈权衡问题，通过寻找信息最优表达来实现融合。在信息瓶颈模块中，网络通过训练得到特征的信息权重图，并依据信息权重图，使用均值特征对冗余特征进行压缩，同时通过损失函数促进互补信息的表达，压缩与表达两部分权衡优化同步进行，冗余信息和互补信息也在此过程中得到解耦。在融合阶段，将信息权重图应用在融合规则中，提高了融合图像的信息丰富性。通过在标准图像TNO数据集上进行主客观实验，与传统和近来融合方法进行比较分析，结果显示本文方法能有效融合红外与可见光图像中的有用信息，在视觉感知和定量指标上均取得较好的效果。
基于运动与模糊特征的红外热成像烟雾检测
李咸静, 郝争辉
2024, 46(3): 325-331.
摘要 HTML阅读量 (22) PDF免费下载(13)
摘要:
在焦化企业生产过程中会产生大量烟雾，排放、泄漏会对自然环境造成污染危及生命生产安全。针对热成像视频对比度低、纹理度差等特点，本文采用烟雾具有运动与模糊特性来进行检测。提出计算每帧图像的噪点度来改进Vibe检测算法的固定阈值，从而可更完整地将移动目标区域检测出来。将整幅图像划分为块区域图像；结合运动区域来提取该区域内的模糊与噪点比值、FFT计算模糊度所计算特征训练生成烟雾分类器；对实验视频进行检测，平均准确率达到94.53%。结果表明，本文所提算法对焦化企业红外热成像视频烟雾检测的准确性和实时性，具有良好的抗干扰能力。
基于改进小波阈值函数和全尺度Retinex的红外图像融合增强算法
童耀南, 杨海涛, 曹志奇, 崔建山, 刘智
2024, 46(3): 332-341.
摘要 HTML阅读量 (16) PDF免费下载(16)
摘要:
针对现有红外图像增强算法存在信噪比低、细节模糊、清晰度差等问题，本文提出基于改进小波阈值函数和全尺度Retinex的红外图像融合增强算法。首先，为克服尺度参数固定和光线散射导致红外图像退化的问题，利用大气透射率得到Retinex尺度参数的全尺度映射图，从而有效提高图像的清晰度，并将输入图像和使用全尺度Retinex处理后的输入图像作为算法的第一个输入和第二个输入。其次，为解决传统小波阈值函数在图像降噪过程中存在伪影、细节丢失等问题，设计改进小波阈值函数，通过引入尺度因子，在计算每层高频子图小波系数后，能根据该层数自适应调整尺度因子，并引入调节因子，结合指数函数，使该函数不仅能抑制高频子图噪声，还能极大程度保留细节信息。然后，使用小波图像融合的方式融合输入的高频子图和低频子图，进一步提高输出图像的纹理细节。主客观仿真结果表明，所提算法比其它对比算法具有更好的降噪和细节突出能力，并能提高红外图像的人眼视觉效果。最后，本文算法应用于红外成像模块采集的红外图像增强，效果良好，表明本文方法具有实用性。
微光技术
低能电子轰击引起氧化铝钝化膜BCMOS传感器暗电流变化研究
闫磊, 石峰, 程宏昌, 焦岗成, 杨晔, 肖超, 樊海波, 郑舟, 董海晨, 何惠洋
2024, 46(3): 342-346.
摘要 HTML阅读量 (23) PDF免费下载(15)
摘要:
针对低能电子（电子能量为300~1500 eV）轰击引起氧化铝钝化层BCMOS（Back-thinned Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，BCMOS）图像传感器暗电流增加问题，设计了电子轰击BCMOS图像传感器实验，经统计发现，对于厚度为10 nm的氧化铝钝化层BCMOS图像传感器，轰击能量大于600 eV时暗电流增加速率明显；轰击电子能量不超过1.5 keV时，暗电流存在最大值，约为12000 e－/pixel/s；电子轰击后的BCMOS图像传感器在电子干燥柜中静置时，其暗电流呈指数趋势下降。通过分析指出入射电子引起氧化铝钝化层与硅界面处缺陷态增加，是引起上述现象的主要原因。
无损检测
基于深度学习与域自适应的工件涡流热成像的缺陷检测
张毅, 范玉刚
2024, 46(3): 347-353.
摘要 HTML阅读量 (19) PDF免费下载(14)
摘要:
机械设备运行过程中，标记的故障样本量小，导致建立的模型故障诊断准确率低，为此本文提出一种结合深度学习与域自适应的工件涡流热成像的缺陷检测方法。首先将注意力机制引入深度残差网络ResNet50中，加强模型的特征提取能力；然后将源域和目标域数据送入改进的ResNet50网络中提取深度特征，并且在网络的全连接层中引入局部最大均值差异，用于缩小两域特征间的分布差异，以此实现相关子域的分布对齐；最后在网络的Softmax分类器中实现对工件金属材料的缺陷检测。在公开的磁瓦数据集和本文实验采集的金属板涡流红外图像数据集上进行实验，结果表明，本文方法对涡流红外图像的裂纹缺陷检测识别准确率较高，通过t分布随机邻居嵌入方法对分析结果可视化，验证了本文方法的优越性。
红外应用
采空区遗煤自燃红外非接触探测距离研究
王晓强, 米万升, 杨永辰
2024, 46(3): 354-361.
摘要 HTML阅读量 (16) PDF免费下载(15)
摘要:
采空区遗煤自燃是造成煤矿井下火灾事故的重要原因，受井下采空区实际情况限制，现有探测手段无法直接获得遗煤蓄热自燃的真实情况。本文利用红外热成像仪的非接触测温特点，通过测温原理分析、实验系统设计和搭建的手段，开展了贴近井下采空区真实环境的FOTRIC348红外热成像仪有效探测距离的测定实验，并进行了井下工程验证。结果表明，区域测温模式、线测温模式和点测温模式中FOTRIC348的有效探测距离分别为8~12 m、10~13 m和9~13 m；井下试验时FOTRIC348的有效探测距离为10~12 m；对上述探测距离取交集，综合判断FOTRIC348红外热成像仪在判断工作面两顺槽采空区遗煤蓄热自燃阶段的有效探测距离为10~12 m。该值的确定可为采空区遗煤自燃防治措施的实施提供针对性的决策依据。

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