2016年 9卷 第5期
2016, 9(5): 515-522.
doi: 10.3788/CO.20160905.0515
摘要
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摘要:
为了研究不同成像深度对光声层析成像质量的影响，利用多元线性阵列探测器在有限方位进行探测成像。由仿真和实验结果表明，吸收体离探测器越近，其成像效果较好，当多元线性阵列探测器的尺寸与成像深度比小于1时，重建图像畸变明显。在这种情况下，采用旋转扫描探测，其成像效果明显提高。该研究结果对光声层析成像扫描轨迹的设计、成像效果评估具有较好的参考价值。
为了研究不同成像深度对光声层析成像质量的影响，利用多元线性阵列探测器在有限方位进行探测成像。由仿真和实验结果表明，吸收体离探测器越近，其成像效果较好，当多元线性阵列探测器的尺寸与成像深度比小于1时，重建图像畸变明显。在这种情况下，采用旋转扫描探测，其成像效果明显提高。该研究结果对光声层析成像扫描轨迹的设计、成像效果评估具有较好的参考价值。
2016, 9(5): 523-531.
doi: 10.3788/CO.20160905.0523
摘要:
针对目前图像融合过程中的不足之处，结合有限离散剪切波具有高的方向敏感性和抛物尺度化特性，提出了一种有限离散剪切波变换下的图像融合算法。首先对严格配准的多传感器图像进行有限离散剪切波变换，得到低频子带系数和不同尺度不同方向的高频子带系数；然后对低频子带系数采用全局特征值和像素点之间的差异性与区域空间频率匹配度相结合的融合算法，高频方向子带系数采用方向权重对比度与相对区域平均梯度和相对区域方差相结合的方案；最后通过有限离散剪切波逆变换得到融合图像。实验结果表明，与其他的融合算法相比较，本文算法不但有良好的主观视觉效果，而且3幅图像的客观评价指标分别平均提高了0.9%、3.8%、3.1%，2.6%、3.8%、2.9%和1.5%、125%、59%，充分说明了本文融合算法的优越性。
针对目前图像融合过程中的不足之处，结合有限离散剪切波具有高的方向敏感性和抛物尺度化特性，提出了一种有限离散剪切波变换下的图像融合算法。首先对严格配准的多传感器图像进行有限离散剪切波变换，得到低频子带系数和不同尺度不同方向的高频子带系数；然后对低频子带系数采用全局特征值和像素点之间的差异性与区域空间频率匹配度相结合的融合算法，高频方向子带系数采用方向权重对比度与相对区域平均梯度和相对区域方差相结合的方案；最后通过有限离散剪切波逆变换得到融合图像。实验结果表明，与其他的融合算法相比较，本文算法不但有良好的主观视觉效果，而且3幅图像的客观评价指标分别平均提高了0.9%、3.8%、3.1%，2.6%、3.8%、2.9%和1.5%、125%、59%，充分说明了本文融合算法的优越性。
2016, 9(5): 532-539.
doi: 10.3788/CO.20160905.0532
摘要:
为了解决基于字典学习的超分辨重构算法耗时过长的问题，提出了基于稀疏阈值模型的图像超分辨率重建方法。首先，将联合字典理论与图像块稀疏阈值方法相结合，训练得到高、低分辨率过完备图像字典对。接着，通过稀疏阈值OMP算法对图像特征块进行稀疏表示。然后，通过高分辨率字典重构出初始的超分辨图像。最后，通过改进迭代反投影算法对初始的超分辨图像进行全局优化，从而进一步提高图像重构质量。实验结果表明，超分辨图像重构平均峰值信噪比（PSNR）为30.1dB，平均结构自相似度（SSIM）为0.9379，平均计算时间为10.2s。有效提高了超分辨重构的速度，改善了重构高分辨图像的质量。
为了解决基于字典学习的超分辨重构算法耗时过长的问题，提出了基于稀疏阈值模型的图像超分辨率重建方法。首先，将联合字典理论与图像块稀疏阈值方法相结合，训练得到高、低分辨率过完备图像字典对。接着，通过稀疏阈值OMP算法对图像特征块进行稀疏表示。然后，通过高分辨率字典重构出初始的超分辨图像。最后，通过改进迭代反投影算法对初始的超分辨图像进行全局优化，从而进一步提高图像重构质量。实验结果表明，超分辨图像重构平均峰值信噪比（PSNR）为30.1dB，平均结构自相似度（SSIM）为0.9379，平均计算时间为10.2s。有效提高了超分辨重构的速度，改善了重构高分辨图像的质量。
2016, 9(5): 540-546.
doi: 10.3788/CO.20160905.0540
摘要:
针对当前行人重识别方法采用单一底层特征识别率较低的问题，提出一种融合底层和中层特征的识别方法，由粗到精对人体目标进行匹配识别。首先提取目标的颜色直方图和纹理直方图进行粗分类；然后将人体目标分为头部、躯干和腿部3个部分。忽略包含信息量较少的头部，对躯干和腿部，提出一种中层图像块字典提取方法，并对照该字典生成中层特征，进行精确分类。底层特征结合中层特征使算法既具有较好的区分度，又具有良好的泛化能力。实验结果表明本文算法在VIPeR数据库上的nAUC比已有方法提高6.3%，对遮挡和背景粘连的鲁棒性更好。
针对当前行人重识别方法采用单一底层特征识别率较低的问题，提出一种融合底层和中层特征的识别方法，由粗到精对人体目标进行匹配识别。首先提取目标的颜色直方图和纹理直方图进行粗分类；然后将人体目标分为头部、躯干和腿部3个部分。忽略包含信息量较少的头部，对躯干和腿部，提出一种中层图像块字典提取方法，并对照该字典生成中层特征，进行精确分类。底层特征结合中层特征使算法既具有较好的区分度，又具有良好的泛化能力。实验结果表明本文算法在VIPeR数据库上的nAUC比已有方法提高6.3%，对遮挡和背景粘连的鲁棒性更好。
2016, 9(5): 547-553.
doi: 10.3788/CO.20160905.0547
摘要:
物质的偏振特性与其复折射率、表面粗糙度以及观测几何条件有关，为了应用偏振探测技术实现对目标的定量反演，本文首先对两种典型目标（绿漆涂层和石英玻璃）的偏振特性进行了实验测定，并对偏振度与探测天顶角的关系进行了分析。利用实验数据并基于描述目标偏振特性的PG模型首次在考虑了粗糙度的影响下，对目标的折射率、消光系数进行了定量反演，最后将反演结果与参考结果进行比较。结果表明，石英玻璃的折射率相对误差为4.9449%，绿漆涂层的折射率与消光系数的相对误差分别为11%和21.5589%。该方法在考虑表面粗糙度的条件下能够更精确地测定物质的复折射率，同时也为偏振技术应用于目标定量反演提供了依据。
物质的偏振特性与其复折射率、表面粗糙度以及观测几何条件有关，为了应用偏振探测技术实现对目标的定量反演，本文首先对两种典型目标（绿漆涂层和石英玻璃）的偏振特性进行了实验测定，并对偏振度与探测天顶角的关系进行了分析。利用实验数据并基于描述目标偏振特性的PG模型首次在考虑了粗糙度的影响下，对目标的折射率、消光系数进行了定量反演，最后将反演结果与参考结果进行比较。结果表明，石英玻璃的折射率相对误差为4.9449%，绿漆涂层的折射率与消光系数的相对误差分别为11%和21.5589%。该方法在考虑表面粗糙度的条件下能够更精确地测定物质的复折射率，同时也为偏振技术应用于目标定量反演提供了依据。
2016, 9(5): 554-562.
doi: 10.3788/CO.20160905.0554
摘要:
本文设计了一套加工装置，对氧化锆陶瓷板激光切割的熔化物颗粒进行收集，并采用Imagine-Pro Pluse（IPP）图像处理软件对熔化物颗粒的形态（数量、形状、平均直径、标准差及其分布情况）进行研究。通过气熔比控制方法，对板厚分别为0.8mm、1mm、1.5mm、3mm的氧化锆陶瓷板进行激光切割实验。实验结果表明：不同板厚参数下，球形熔化物颗粒所占百分比范围从99.21%降到89.81%，圆饼形从0.79%升至7.44%，哑铃形从0升至2.75%。随着板厚的增加，圆饼形和哑铃形颗粒所占百分比增大，球形颗粒所占百分比降低，球形颗粒平均直径和标准差随之增大，切面粗糙度由2.287μm增加到5.946μm。建立了熔化物去除几何模型，阐述了熔化物颗粒与切割质量的关系，球形颗粒所占的百分比越大，平均直径和标准差越小，切割质量越好，最终获得质量较高切割样件。
本文设计了一套加工装置，对氧化锆陶瓷板激光切割的熔化物颗粒进行收集，并采用Imagine-Pro Pluse（IPP）图像处理软件对熔化物颗粒的形态（数量、形状、平均直径、标准差及其分布情况）进行研究。通过气熔比控制方法，对板厚分别为0.8mm、1mm、1.5mm、3mm的氧化锆陶瓷板进行激光切割实验。实验结果表明：不同板厚参数下，球形熔化物颗粒所占百分比范围从99.21%降到89.81%，圆饼形从0.79%升至7.44%，哑铃形从0升至2.75%。随着板厚的增加，圆饼形和哑铃形颗粒所占百分比增大，球形颗粒所占百分比降低，球形颗粒平均直径和标准差随之增大，切面粗糙度由2.287μm增加到5.946μm。建立了熔化物去除几何模型，阐述了熔化物颗粒与切割质量的关系，球形颗粒所占的百分比越大，平均直径和标准差越小，切割质量越好，最终获得质量较高切割样件。
2016, 9(5): 563-568.
doi: 10.3788/CO.20160905.0563
摘要:
建立了一种高质量、高效率全固态中红外激光系统，并对激光输出的效率、光束质量等指标进行了测试。首先，以二极管激光器为泵浦源，Tm3+：YAP晶体为增益介质，搭建了输出波长为1.97μm的近红外激光器。然后，以Tm3+：YAP激光器为泵浦源，自行开发研制的Cr2+：ZnSe单晶为增益介质，搭建了全固态中红外激光器。最后，测试了全固态中红外激光器的光束质量及激光器出光效率，并对谐振腔光效率的理论输出值与实际的激光器出光参数进行了对比。实验结果表明：此全固态中红外激光器的光光转换效率为17.2%，斜率效率为20%，在最高输出能量为3W时的光束质量（M2）在x和y方向分别为1.7和1.73，光束基本为圆形的高斯光斑。
建立了一种高质量、高效率全固态中红外激光系统，并对激光输出的效率、光束质量等指标进行了测试。首先，以二极管激光器为泵浦源，Tm3+：YAP晶体为增益介质，搭建了输出波长为1.97μm的近红外激光器。然后，以Tm3+：YAP激光器为泵浦源，自行开发研制的Cr2+：ZnSe单晶为增益介质，搭建了全固态中红外激光器。最后，测试了全固态中红外激光器的光束质量及激光器出光效率，并对谐振腔光效率的理论输出值与实际的激光器出光参数进行了对比。实验结果表明：此全固态中红外激光器的光光转换效率为17.2%，斜率效率为20%，在最高输出能量为3W时的光束质量（M2）在x和y方向分别为1.7和1.73，光束基本为圆形的高斯光斑。
2016, 9(5): 569-578.
doi: 10.3788/CO.20160905.0569
摘要:
采用改进的Humer法合成了石墨烯氧化物，利用搭建的时间分辨光谱探测系统详细探究了Fe3+（浓度为0.5、1、2 mmol/L）对石墨烯氧化物荧光淬灭物理机制。稳态荧光发射光谱中，随着Fe3+浓度的增加，石墨烯氧化物的荧光强度急剧减弱。时间分辨荧光光谱和飞秒瞬态吸收光谱研究证实，加入不同浓度Fe3+的GO其动力学衰减曲线基本没有任何变化。结果表明，Fe3+对石墨烯氧化物的荧光淬灭主要是静态的荧光淬灭过程。
采用改进的Humer法合成了石墨烯氧化物，利用搭建的时间分辨光谱探测系统详细探究了Fe3+（浓度为0.5、1、2 mmol/L）对石墨烯氧化物荧光淬灭物理机制。稳态荧光发射光谱中，随着Fe3+浓度的增加，石墨烯氧化物的荧光强度急剧减弱。时间分辨荧光光谱和飞秒瞬态吸收光谱研究证实，加入不同浓度Fe3+的GO其动力学衰减曲线基本没有任何变化。结果表明，Fe3+对石墨烯氧化物的荧光淬灭主要是静态的荧光淬灭过程。
2016, 9(5): 579-587.
doi: 10.3788/CO.20160905.0579
摘要:
光学器件和光学测量系统的关键部件主要通过超精密加工制造。铝合金具有很多优势，通常用于光子产业。光学领域对铝合金使用和需求的不断增加，促进了在铸造过程中采用快速凝固技术对铝合金等级重新改良的发展。优异的微观结构和改进的机械和物理性能是新型铝合金等级的特点。目前主要问题在于采用金刚石车削时，由于在切削性方面缺乏对铝合金性能的充分研究，导致机械加工数据库非常有限。本文通过改变金刚石的切削参数，测量切齿安装距超过4 km时金刚石刀具的磨损，研究了快速凝固铝合金RSA 905的切削性能。改变的机械加工参数为切削速度、进给速度和切削深度。结果表明切削速度对金刚石刀具的磨损影响最大。主轴转速为500 rpm、进给速度为25 mm/min、切削深度为15 μm时，刀具磨损达到最大值12.2 μm；主轴转速为1750 rpm、进给速度为5 mm/min、切削深度为5 μm时，刀具磨损达到最小值2.45 μm。通常，较高的切削速度、较低的进给速度和较短的切削深度的组合可以减少金刚石刀具磨损。建立了模型统计以分析金刚石刀具磨损。通过该模型可以生成磨损图，从而确定切削参数产生最小磨损的区域。结果证明，快速凝固铝是更好的选择，为机械工程师使用这种材料提供了参考。
光学器件和光学测量系统的关键部件主要通过超精密加工制造。铝合金具有很多优势，通常用于光子产业。光学领域对铝合金使用和需求的不断增加，促进了在铸造过程中采用快速凝固技术对铝合金等级重新改良的发展。优异的微观结构和改进的机械和物理性能是新型铝合金等级的特点。目前主要问题在于采用金刚石车削时，由于在切削性方面缺乏对铝合金性能的充分研究，导致机械加工数据库非常有限。本文通过改变金刚石的切削参数，测量切齿安装距超过4 km时金刚石刀具的磨损，研究了快速凝固铝合金RSA 905的切削性能。改变的机械加工参数为切削速度、进给速度和切削深度。结果表明切削速度对金刚石刀具的磨损影响最大。主轴转速为500 rpm、进给速度为25 mm/min、切削深度为15 μm时，刀具磨损达到最大值12.2 μm；主轴转速为1750 rpm、进给速度为5 mm/min、切削深度为5 μm时，刀具磨损达到最小值2.45 μm。通常，较高的切削速度、较低的进给速度和较短的切削深度的组合可以减少金刚石刀具磨损。建立了模型统计以分析金刚石刀具磨损。通过该模型可以生成磨损图，从而确定切削参数产生最小磨损的区域。结果证明，快速凝固铝是更好的选择，为机械工程师使用这种材料提供了参考。
2016, 9(5): 588-595.
doi: 10.3788/CO.20160905.0588
摘要:
本文对读出原理、像差要求、图谱质量进行深入研究，进而对读出技术进行深度整合与简化，实现光读出FPA红外成像系统小型化、轻量化、集成化。首先，从FPA的热-机械效应出发，介绍了光读出FPA红外成像系统的工作原理；然后，针对通常采用的光读出FPA红外成像系统体积大、重量大、结构复杂缺陷，提出了高集成度的新型光读出系统；接着，在分析讨论读出光路像差容限、特点的基础上，对以异形棱镜为核心元件的光读出系统进行了具体的光学仿真设计；最后，设计了集光、机、电、软技术的集成式光读出FPA红外成像系统。对系统样机测试结果表明：在确保成像性能的前提下，光读出FPA红外成像系统的体积减小到175mm×83mm×105mm。以异形棱镜为核心元件的光读出技术，在满足成像精度和灵敏度的前提下，可减小读出系统的复杂程度，有效降低了光读出FPA红外成像系统的体积和重量，从而促进光读出FPA成像系统的工业化应用。
本文对读出原理、像差要求、图谱质量进行深入研究，进而对读出技术进行深度整合与简化，实现光读出FPA红外成像系统小型化、轻量化、集成化。首先，从FPA的热-机械效应出发，介绍了光读出FPA红外成像系统的工作原理；然后，针对通常采用的光读出FPA红外成像系统体积大、重量大、结构复杂缺陷，提出了高集成度的新型光读出系统；接着，在分析讨论读出光路像差容限、特点的基础上，对以异形棱镜为核心元件的光读出系统进行了具体的光学仿真设计；最后，设计了集光、机、电、软技术的集成式光读出FPA红外成像系统。对系统样机测试结果表明：在确保成像性能的前提下，光读出FPA红外成像系统的体积减小到175mm×83mm×105mm。以异形棱镜为核心元件的光读出技术，在满足成像精度和灵敏度的前提下，可减小读出系统的复杂程度，有效降低了光读出FPA红外成像系统的体积和重量，从而促进光读出FPA成像系统的工业化应用。
2016, 9(5): 596-605.
doi: 10.3788/CO.20160905.0596
摘要:
以X-51A为例，研究了飞艇红外探测系统对临近空间高超声速目标的探测性能。首先，根据飞行器的飞行状态和飞行高度建立了临近空间高超声速目标不同波段的红外辐射特性模型，以及随高度变化的目标背景红外辐射强度模型；其次，综合考虑飞行器与飞艇高度、地球曲率及红外辐射在大气中传播的波段选择性等因素，建立了红外辐射在临近空间大气中传播的透过率模型；在此基础上，建立了飞艇红外探测系统对高超声速目标的探测距离模型。通过仿真得到了临近空间高超声速目标在不同飞行状态下3个波段的红外辐射强度随目标飞行高度变化的曲线，以及飞艇红外探测系统对飞行器在不同飞行状态下3个红外辐射波段的探测能力。研究结果表明：飞艇红外探测系统对高超声速目标的有效探测距离可以达到百公里量级；当飞行器飞行状态一定时，随着飞行器飞行高度的增加，系统对目标的探测距离先增大后减小；与长波波段相比，中短波波段的探测距离更大，并给出了临近空间飞艇应尽量布置在海拔高度大于18km的高空中的部署建议。
以X-51A为例，研究了飞艇红外探测系统对临近空间高超声速目标的探测性能。首先，根据飞行器的飞行状态和飞行高度建立了临近空间高超声速目标不同波段的红外辐射特性模型，以及随高度变化的目标背景红外辐射强度模型；其次，综合考虑飞行器与飞艇高度、地球曲率及红外辐射在大气中传播的波段选择性等因素，建立了红外辐射在临近空间大气中传播的透过率模型；在此基础上，建立了飞艇红外探测系统对高超声速目标的探测距离模型。通过仿真得到了临近空间高超声速目标在不同飞行状态下3个波段的红外辐射强度随目标飞行高度变化的曲线，以及飞艇红外探测系统对飞行器在不同飞行状态下3个红外辐射波段的探测能力。研究结果表明：飞艇红外探测系统对高超声速目标的有效探测距离可以达到百公里量级；当飞行器飞行状态一定时，随着飞行器飞行高度的增加，系统对目标的探测距离先增大后减小；与长波波段相比，中短波波段的探测距离更大，并给出了临近空间飞艇应尽量布置在海拔高度大于18km的高空中的部署建议。
2016, 9(5): 606-612.
doi: 10.3788/CO.20160905.0606
摘要:
为了预估碳化硅反射镜在空间零重力环境下的面形精度，本文开展了在地面环境下利用方位反向技术提取碳化硅反射镜零重力面形的研究。首先，介绍了方位反向技术提取零重力面形的理论依据；其次，利用有限元分析软件，分析了方位反向对反射镜面形的影响；然后，按照试验流程，先后检测了反射镜在0°和180°状态的面形精度，计算两次检测数据的平均值，得到了反射镜零重力面形。结果表明：反射镜地面零重力面形误差RMS值为12.3nm，能够满足设计指标要求。最后，对数据可信度进行了分析，确认了试验数据真实可信。该结果预示了反射镜在空间零重力环境下的面形精度，对反射镜光学加工与装调有重要的指导意义。
为了预估碳化硅反射镜在空间零重力环境下的面形精度，本文开展了在地面环境下利用方位反向技术提取碳化硅反射镜零重力面形的研究。首先，介绍了方位反向技术提取零重力面形的理论依据；其次，利用有限元分析软件，分析了方位反向对反射镜面形的影响；然后，按照试验流程，先后检测了反射镜在0°和180°状态的面形精度，计算两次检测数据的平均值，得到了反射镜零重力面形。结果表明：反射镜地面零重力面形误差RMS值为12.3nm，能够满足设计指标要求。最后，对数据可信度进行了分析，确认了试验数据真实可信。该结果预示了反射镜在空间零重力环境下的面形精度，对反射镜光学加工与装调有重要的指导意义。
