2009年 2卷 第6期
2009, 2(6): 467-476.
摘要
PDF 2549KB
摘要:
美国国家地理空间情报局(NGA)发起的“NextView计划”是在“未来成像体系”(Future Imagery Archtecture,FIA)计划失败的背景下提出的。“NextView计划”由WorldView-1和GeoEye-1两颗商业光学遥感卫星组成。卫星的地面像元分辨力分别为0.5 m和0.41 m，是目前世界商业卫星中分辨力最高的两颗卫星。本文介绍了“NextView计划”项目实施的依据，描述了WorldView-1和GeoEye-1两颗卫星的技术指标、工作模式和特点，并对未来光学遥感卫星的发展趋势做出了预测，认为未来光学遥感卫星将向“更高、更快、更小、更准、更艳”的方向发展。
美国国家地理空间情报局(NGA)发起的“NextView计划”是在“未来成像体系”(Future Imagery Archtecture,FIA)计划失败的背景下提出的。“NextView计划”由WorldView-1和GeoEye-1两颗商业光学遥感卫星组成。卫星的地面像元分辨力分别为0.5 m和0.41 m，是目前世界商业卫星中分辨力最高的两颗卫星。本文介绍了“NextView计划”项目实施的依据，描述了WorldView-1和GeoEye-1两颗卫星的技术指标、工作模式和特点，并对未来光学遥感卫星的发展趋势做出了预测，认为未来光学遥感卫星将向“更高、更快、更小、更准、更艳”的方向发展。
2009, 2(6): 477-481.
摘要:
角点特征是图像的一个重要局部特征，因其具有计算量小、匹配简单以及旋转、平移、缩放不变的性质，而在图像配准与匹配、目标识别、运动分析、目标跟踪等应用领域都起着非常重要的作用。本文提出了一种新的基于角点特征的向量匹配方法，该方法利用Harris算子检测出目标角点，通过角点的矩特征形成目标的特征向量，最后通过对序列图像的目标特征向量进行匹配来实现目标跟踪。此算法在一般情况下能匹配80%以上角点，在遮挡情况下仍能正确匹配70%左右，处理速度达到20 frames/s，满足了实时要求。实验结果证明此方法可有效地抵御目标的变形和遮挡情况。
角点特征是图像的一个重要局部特征，因其具有计算量小、匹配简单以及旋转、平移、缩放不变的性质，而在图像配准与匹配、目标识别、运动分析、目标跟踪等应用领域都起着非常重要的作用。本文提出了一种新的基于角点特征的向量匹配方法，该方法利用Harris算子检测出目标角点，通过角点的矩特征形成目标的特征向量，最后通过对序列图像的目标特征向量进行匹配来实现目标跟踪。此算法在一般情况下能匹配80%以上角点，在遮挡情况下仍能正确匹配70%左右，处理速度达到20 frames/s，满足了实时要求。实验结果证明此方法可有效地抵御目标的变形和遮挡情况。
2009, 2(6): 482-488.
摘要:
带有损耗的光波导微环谐振器在实现光速控制时存在输出脉冲能量损耗大、脉冲形状畸变严重等问题。基于带有增益和带有损耗的微环谐振器的传输特性之间的对称性，计算分析了单微环谐振器的透射率、群折射率和群速度色散等特性，分析了增益和损耗对微环谐振器输出特性影响的机制。计算了带有增益的微环谐振器的光速控制行为，并与带有损耗的微环谐振器进行对比。结果显示，带有增益的微环谐振器输出脉冲不分裂且有较大的输出强度。脉冲延迟量和超前量比损耗系统大，可用于光速控制，克服了微环带有损耗时产生的光强损耗和脉冲畸变。
带有损耗的光波导微环谐振器在实现光速控制时存在输出脉冲能量损耗大、脉冲形状畸变严重等问题。基于带有增益和带有损耗的微环谐振器的传输特性之间的对称性，计算分析了单微环谐振器的透射率、群折射率和群速度色散等特性，分析了增益和损耗对微环谐振器输出特性影响的机制。计算了带有增益的微环谐振器的光速控制行为，并与带有损耗的微环谐振器进行对比。结果显示，带有增益的微环谐振器输出脉冲不分裂且有较大的输出强度。脉冲延迟量和超前量比损耗系统大，可用于光速控制，克服了微环带有损耗时产生的光强损耗和脉冲畸变。
2009, 2(6): 489-494.
摘要:
为了解决太阳模拟灯阵整体放在真空罐内使用时的导热问题，采用热管导热的方案，设计了专门的氙灯导热机构。计算了液氮系统的导热能力，结果显示，真空罐液氮冷却系统的温度升高ΔT为2074 1 K，小于其过冷度4 K，表明真空罐液氮冷却系统完全可以将太阳模拟灯阵的热量导出。采用热管导热技术，设计了导热机构，用有限元分析法进行了热仿真分析，分析结果表明，氙灯阴阳极温度维持在100 ℃左右，氙灯灯泡维持在655 ℃左右，满足氙灯正常工作的温度条件；积分器和反射镜组件温度维持在200 ℃左右，椭球镜温度维持在135 ℃左右，亦满足正常工作的温度条件，从而验证了热设计的正确性。
为了解决太阳模拟灯阵整体放在真空罐内使用时的导热问题，采用热管导热的方案，设计了专门的氙灯导热机构。计算了液氮系统的导热能力，结果显示，真空罐液氮冷却系统的温度升高ΔT为2074 1 K，小于其过冷度4 K，表明真空罐液氮冷却系统完全可以将太阳模拟灯阵的热量导出。采用热管导热技术，设计了导热机构，用有限元分析法进行了热仿真分析，分析结果表明，氙灯阴阳极温度维持在100 ℃左右，氙灯灯泡维持在655 ℃左右，满足氙灯正常工作的温度条件；积分器和反射镜组件温度维持在200 ℃左右，椭球镜温度维持在135 ℃左右，亦满足正常工作的温度条件，从而验证了热设计的正确性。
2009, 2(6): 495-501.
摘要:
通过随机振动峰值应力响应考核空间相机在随机振动环境下主镜支撑结构的可靠性存在一定的局限性。本文针对主镜支撑结构在随机振动试验中出现断裂的现象，采用振动疲劳寿命分析对结构的可靠性进行考察，提出了应用数值仿真技术预测结构随机振动疲劳寿命的方法。根据有限元和随机振动疲劳相关理论，采用振动疲劳分析软件对某空间相机支撑环柔节进行了随机振动疲劳分析，计算了疲劳寿命的大小及分布。比较仿真和随机振动试验结果表明，采用振动疲劳寿命评价随机振动环境下结构的可靠性是合理的，利用数值仿真技术预测结构的随机振动疲劳寿命是可行的。
通过随机振动峰值应力响应考核空间相机在随机振动环境下主镜支撑结构的可靠性存在一定的局限性。本文针对主镜支撑结构在随机振动试验中出现断裂的现象，采用振动疲劳寿命分析对结构的可靠性进行考察，提出了应用数值仿真技术预测结构随机振动疲劳寿命的方法。根据有限元和随机振动疲劳相关理论，采用振动疲劳分析软件对某空间相机支撑环柔节进行了随机振动疲劳分析，计算了疲劳寿命的大小及分布。比较仿真和随机振动试验结果表明，采用振动疲劳寿命评价随机振动环境下结构的可靠性是合理的，利用数值仿真技术预测结构的随机振动疲劳寿命是可行的。
2009, 2(6): 502-507.
摘要:
为了同时对长焦透镜的面形和焦距进行高精度检测，提出在Zygo干涉仪的球面光路中加入一个二元衍射元件作为检测件的计算全息法。 首先对计算全息法检测长焦透镜的面形和焦距进行了理论推导，并给出焦距误差公式。在Zemax中使用在平面基底上制作的二元衍射元件对一个长焦透镜的面形和焦距进行了模拟检测，其中对该长焦透镜面形的干涉检测PV值为0.0034λ，对焦距的检测精度为-0.11%。最后详细分析了两类误差对检测结果的影响，其中光学元件的位置误差影响不超过0.1λ；二元衍射元件的制造误差影响约0.01λ，在具体制造过程中，其径向位置误差和台阶误差可分别在2 μm和5 nm之内。在综合考虑各项误差的情况下，该方法的检测精度仍然可控制在2λ/25之内。
为了同时对长焦透镜的面形和焦距进行高精度检测，提出在Zygo干涉仪的球面光路中加入一个二元衍射元件作为检测件的计算全息法。 首先对计算全息法检测长焦透镜的面形和焦距进行了理论推导，并给出焦距误差公式。在Zemax中使用在平面基底上制作的二元衍射元件对一个长焦透镜的面形和焦距进行了模拟检测，其中对该长焦透镜面形的干涉检测PV值为0.0034λ，对焦距的检测精度为-0.11%。最后详细分析了两类误差对检测结果的影响，其中光学元件的位置误差影响不超过0.1λ；二元衍射元件的制造误差影响约0.01λ，在具体制造过程中，其径向位置误差和台阶误差可分别在2 μm和5 nm之内。在综合考虑各项误差的情况下，该方法的检测精度仍然可控制在2λ/25之内。
2009, 2(6): 508-512.
摘要:
为了提高用莫尔条纹法测量扭转角的测量精度，分析了光栅周期不一致对扭转角测量误差的影响。从基于莫尔条纹法测量扭转角的原理出发，论述了光栅周期不一致与测量精度的关系，讨论了引起两光栅周期不一致的两个因素，即光栅刻划误差以及两光栅栅面不平行。理论分析表明，前者是引起光栅周期不一致的主要原因。当两光栅等效周期比值β＜1.001时，在±15′的测量范围内，选择光栅周期为50 μm,莫尔条纹宽度为1 400~1 800 μm时，光栅周期不一致引起的测量误差可以控制在1.6″之内。
为了提高用莫尔条纹法测量扭转角的测量精度，分析了光栅周期不一致对扭转角测量误差的影响。从基于莫尔条纹法测量扭转角的原理出发，论述了光栅周期不一致与测量精度的关系，讨论了引起两光栅周期不一致的两个因素，即光栅刻划误差以及两光栅栅面不平行。理论分析表明，前者是引起光栅周期不一致的主要原因。当两光栅等效周期比值β＜1.001时，在±15′的测量范围内，选择光栅周期为50 μm,莫尔条纹宽度为1 400~1 800 μm时，光栅周期不一致引起的测量误差可以控制在1.6″之内。
2009, 2(6): 513-518.
摘要:
为满足微粒子观测相机对光学系统的要求，提出了一种基于滚珠丝杆驱动的传动式调焦机构，介绍了其独特的直线运动结构形式。针对调焦机构承受的静载荷工况和温度工况，用有限元模拟法仿真分析了它的应力和变形情况，得到的最大静力变形为0.001 mm,最大热变形为0.002 mm。通过分析该结构各个传动件误差及装配误差，给出了结构总的理论相对误差值为2.2%。在样机的装调检测中实现了步进分辨率为0.005 mm，平均空回误差步距角为0.2个，完全可以满足整机对调焦机构的要求。
为满足微粒子观测相机对光学系统的要求，提出了一种基于滚珠丝杆驱动的传动式调焦机构，介绍了其独特的直线运动结构形式。针对调焦机构承受的静载荷工况和温度工况，用有限元模拟法仿真分析了它的应力和变形情况，得到的最大静力变形为0.001 mm,最大热变形为0.002 mm。通过分析该结构各个传动件误差及装配误差，给出了结构总的理论相对误差值为2.2%。在样机的装调检测中实现了步进分辨率为0.005 mm，平均空回误差步距角为0.2个，完全可以满足整机对调焦机构的要求。
2009, 2(6): 519-524.
摘要:
设计了一种基于Nios处理器的微距控制系统，用于实现虚拟成像设备系统视标位置的精确定位。系统采用现场可编程门阵列(FPGA)实现对步进电机PWM的细分驱动和对光栅尺输出信号的鉴相倍频，构建了基于Nios的微距控制系统的数字设计部分。采用Altera公司的FPGA设计工具Quartus II和嵌入式开发套件 Nios IDE，将可配置的软核处理器与可编程的硬件电路集于一体，既实现了软件处理的灵活性，又具有硬件处理的高速性特点。实验表明，该设计在虚拟成像设备的标视定位中取得了良好的效果，实现了精度为1.25 μm的微距控制。
设计了一种基于Nios处理器的微距控制系统，用于实现虚拟成像设备系统视标位置的精确定位。系统采用现场可编程门阵列(FPGA)实现对步进电机PWM的细分驱动和对光栅尺输出信号的鉴相倍频，构建了基于Nios的微距控制系统的数字设计部分。采用Altera公司的FPGA设计工具Quartus II和嵌入式开发套件 Nios IDE，将可配置的软核处理器与可编程的硬件电路集于一体，既实现了软件处理的灵活性，又具有硬件处理的高速性特点。实验表明，该设计在虚拟成像设备的标视定位中取得了良好的效果，实现了精度为1.25 μm的微距控制。
2009, 2(6): 525-530.
摘要:
为了减轻图像数据存储负担，实现图像在网络上的快速传输和实时处理，对一种新的压缩传感(CS)理论进行了研究。介绍了压缩传感理论的主要思想和基于压缩传感理论的光学成像系统，给出了一种新型图像重建算法—和谐正交匹配追踪算法，并进行了相应的模拟实验。实验结果显示，该成像机制可同步完成图像的采样与数据压缩，同时可获得良好的图像重建效果。由于该方法所要传输的信号数据量较小，所以十分有利于远距离的图像传输。
为了减轻图像数据存储负担，实现图像在网络上的快速传输和实时处理，对一种新的压缩传感(CS)理论进行了研究。介绍了压缩传感理论的主要思想和基于压缩传感理论的光学成像系统，给出了一种新型图像重建算法—和谐正交匹配追踪算法，并进行了相应的模拟实验。实验结果显示，该成像机制可同步完成图像的采样与数据压缩，同时可获得良好的图像重建效果。由于该方法所要传输的信号数据量较小，所以十分有利于远距离的图像传输。
2009, 2(6): 531-537.
摘要:
针对H.264码率控制模型的“蛋鸡悖论”，提出一种用平均预测残差来表示当前宏块编码复杂度的算法。首先根据各个宏块不同的编码复杂度进行准确的比特分配,然后根据改进的二次R-D预测模型来计算宏块的量化参数，并进行率失真优化,最后进行码率控制模型系数的更新。将算法在JM8.6平台上进行实验，结果显示，在相同码率下，本文算法的平均控制精度比JVT-H017提高0165 kb/s，平均PSNR比JVT-H017提高013 dB，表明本算法能够更准确控制码率并获得更高质量的主观视觉。
针对H.264码率控制模型的“蛋鸡悖论”，提出一种用平均预测残差来表示当前宏块编码复杂度的算法。首先根据各个宏块不同的编码复杂度进行准确的比特分配,然后根据改进的二次R-D预测模型来计算宏块的量化参数，并进行率失真优化,最后进行码率控制模型系数的更新。将算法在JM8.6平台上进行实验，结果显示，在相同码率下，本文算法的平均控制精度比JVT-H017提高0165 kb/s，平均PSNR比JVT-H017提高013 dB，表明本算法能够更准确控制码率并获得更高质量的主观视觉。
2009, 2(6): 538-542.
摘要:
针对传统的双线性Bayer彩色图像恢复算法恢复效果不理想，边界部分不明显，局部图像有团块等问题，提出了一种基于硬件实现的Bayer图像快速插值算法。采用梯度算法对Bayer格式图像绿色通道进行恢复，根据像素点所属的颜色组对蓝色通道进行恢复。实验结果表明，本文算法比双线性法有更好的峰值信噪比(PSNR)值，RGB 3个通道的PSNR值均比双线性法高5 dB以上，而且算法消耗时间比双线性法少，恢复的图像视觉效果更好。实验处理一幅512×512的全彩图像仅需要9.3 ms，完全可以满足实时性的要求，因此,本文算法在对实时性要求高的场合有很好的应用前景。
针对传统的双线性Bayer彩色图像恢复算法恢复效果不理想，边界部分不明显，局部图像有团块等问题，提出了一种基于硬件实现的Bayer图像快速插值算法。采用梯度算法对Bayer格式图像绿色通道进行恢复，根据像素点所属的颜色组对蓝色通道进行恢复。实验结果表明，本文算法比双线性法有更好的峰值信噪比(PSNR)值，RGB 3个通道的PSNR值均比双线性法高5 dB以上，而且算法消耗时间比双线性法少，恢复的图像视觉效果更好。实验处理一幅512×512的全彩图像仅需要9.3 ms，完全可以满足实时性的要求，因此,本文算法在对实时性要求高的场合有很好的应用前景。
2009, 2(6): 543-549.
摘要:
根据非制冷焦平面阵列（FPA）探测器性能参数以及所需探测红外弱目标的大小与探测距离，计算并设置了系统参数，设计并研制了与之相匹配的长波红外光学系统，实现了对红外弱目标的探测。该红外光学系统基于6°×6°视场角，采用像方远心光路来实现。分析与计算结果表明，采用衍射非球面设计的由两片Ge镜片组成的红外弱目标探测光学系统具有重量轻、系统能量传输效率高和像质优良的优势。与三片球面Ge-AMTIR1-Ge红外光学系统相比，系统质量轻25%，能量传输效率高7%；与常规非球面Ge-Ge透镜系统相比，像质改善50%。比较结果显示，可见衍射非球面光学元件在红外弱目标探测系统中具有较好的应用前景。
根据非制冷焦平面阵列（FPA）探测器性能参数以及所需探测红外弱目标的大小与探测距离，计算并设置了系统参数，设计并研制了与之相匹配的长波红外光学系统，实现了对红外弱目标的探测。该红外光学系统基于6°×6°视场角，采用像方远心光路来实现。分析与计算结果表明，采用衍射非球面设计的由两片Ge镜片组成的红外弱目标探测光学系统具有重量轻、系统能量传输效率高和像质优良的优势。与三片球面Ge-AMTIR1-Ge红外光学系统相比，系统质量轻25%，能量传输效率高7%；与常规非球面Ge-Ge透镜系统相比，像质改善50%。比较结果显示，可见衍射非球面光学元件在红外弱目标探测系统中具有较好的应用前景。
2009, 2(6): 550-556.
摘要:
借助于三维实时视景仿真软件Vega的红外模块研究了自建模型的红外效应。介绍了红外仿真原理，给出了详细的红外仿真流程，并详细分析了仿真结果。根据项目对仿真精度的要求，提出了优化仿真过程的方法。结合Vega的底层映射机理提出更为精确的长波波段下的辐射量灰度映射关系，同时通过TMM的纹理材质映射关系改进，得到更为符合实际的材质反射率计算公式，并为仿真系统重建了传感器模型，使得仿真模型的辐射量偏差缩小为1.145%~3.358%。此外，初步探讨了仿真系统的校核、验证和确认技术（VVA），并对仿真过程做了全生命周期的可信性评估，为进一步研究仿真系统的可信性评估提供了参考。
借助于三维实时视景仿真软件Vega的红外模块研究了自建模型的红外效应。介绍了红外仿真原理，给出了详细的红外仿真流程，并详细分析了仿真结果。根据项目对仿真精度的要求，提出了优化仿真过程的方法。结合Vega的底层映射机理提出更为精确的长波波段下的辐射量灰度映射关系，同时通过TMM的纹理材质映射关系改进，得到更为符合实际的材质反射率计算公式，并为仿真系统重建了传感器模型，使得仿真模型的辐射量偏差缩小为1.145%~3.358%。此外，初步探讨了仿真系统的校核、验证和确认技术（VVA），并对仿真过程做了全生命周期的可信性评估，为进一步研究仿真系统的可信性评估提供了参考。
2009, 2(6): 557-560.
摘要:
考虑传统 显微操纵器的缺点，采用反射式结构设计了新的 显微操纵器，以提高 显微操纵器输出光斑的质量。用He-Ne 作为指示光束，CO2 作为工作光束，对两种光斑的重合性、光斑大小进行了优化设计；利用ZEMAX软件中多重结构的功能使系统设计满足200～400 mm工作距离可调的要求。对设计的系统进行了实验，给出了光学系统图、能量图及点列图表。实验结果表明，在规定的工作距离内，系统的光斑重合性，光束均匀性、稳定性及可靠性等方面均有了很大提高。该 显微操纵器与手术显微镜结合，有术野清晰，操作安全的特点，可满足医疗的长期使用要求。
考虑传统 显微操纵器的缺点，采用反射式结构设计了新的 显微操纵器，以提高 显微操纵器输出光斑的质量。用He-Ne 作为指示光束，CO2 作为工作光束，对两种光斑的重合性、光斑大小进行了优化设计；利用ZEMAX软件中多重结构的功能使系统设计满足200～400 mm工作距离可调的要求。对设计的系统进行了实验，给出了光学系统图、能量图及点列图表。实验结果表明，在规定的工作距离内，系统的光斑重合性，光束均匀性、稳定性及可靠性等方面均有了很大提高。该 显微操纵器与手术显微镜结合，有术野清晰，操作安全的特点，可满足医疗的长期使用要求。
