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基于国产异构FPGA的空中红外目标检测跟踪系统

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红外与激光工程 2024年第8期53卷 104-114页

作者：黄西莹张旭辉黄玉李涛宋磊刘培桢西安应用光学研究所陕西西安710065

随着国产器件在各领域的大力推广及应用,针对高帧频、强实时性光电系统空中红外目标捕获引导问题,介绍了一种基于国产异构FPGA的空中红外目标检测跟踪系统架构及其实现方法。基于AXI4总线协议,采用模块化设计及软硬件协同处理方法,构建... 详细信息

随着国产器件在各领域的大力推广及应用,针对高帧频、强实时性光电系统空中红外目标捕获引导问题,介绍了一种基于国产异构FPGA的空中红外目标检测跟踪系统架构及其实现方法。基于AXI4总线协议,采用模块化设计及软硬件协同处理方法,构建系统架构和视频流水线;并行流水处理实现中值滤波,通过加权二维空间滤波流水处理实现基于背景抑制的快速空中目标检测,与中值滤波一起部署于FPGA逻辑资源(PL);检测结果实时传输到部署于FPGA处理器端(PS)的空中目标跟踪模块,完成目标跟踪,PS完成系统所有功能模块的控制;跟据各功能模块串/并行实现方式,统筹部署完成整个异构系统设计。实验结果表明,该系统能够实现1 280×1 024@100 Hz红外视频空中目标的实时检测及稳定跟踪,系统资源占用率小于25%,时延小于2帧,可满足高帧频、强实时性光电系统要求。该系统的实现是国产自主可控异构FPGA核心芯片工程应用的一次重要探索。

关键词：国产异构FPGA 红外目标检测跟踪协同处理并行流水处理

反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定误差分析

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红外与激光工程 2024年第8期53卷 127-139页

作者：李红光彭富伦吴少博于帅白创飞西安应用光学研究所陕西西安710065

为满足各类装备平台对反射镜式光电系统光路内嵌复合轴高精度稳定的需求,针对实际研制中各类误差源相互耦合难以控制的难题,文中基于反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定的原理,从理论上分析了快速反射镜角度与瞄准线角度关系线性化、... 详细信息

为满足各类装备平台对反射镜式光电系统光路内嵌复合轴高精度稳定的需求,针对实际研制中各类误差源相互耦合难以控制的难题,文中基于反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定的原理,从理论上分析了快速反射镜角度与瞄准线角度关系线性化、陀螺和快速反射镜安装正交性误差以及快速反射镜测角精度对系统瞄准线稳定误差的影响,建立了瞄准线稳定误差与上述影响因素之间量化数学模型,并根据量化模型开展了计算仿真实验。仿真结果表明,在瞄准线稳定误差要求为2μrad级别时,快速反射镜角度与瞄准线偏转角度关系不能采用简化的线性化处理,陀螺安装误差应小于0.005 mrad,快速反射镜的安装误差应小于0.003 mrad,快速反射镜的测角精度应达到0.001 mrad。在实际应用中,在保证快速反射镜测角精度的基础上,应对陀螺和快速反射镜安装误差进行校准补偿,确保陀螺和快速反射镜安装误差产生的瞄准线稳定误差绝对值之和小于瞄准线稳定精度要求。

关键词：反射镜式光电系统光路内嵌复合轴误差分析瞄准线稳定

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基于光学薄膜的高效超构表面研究

光学学报 2024年第10期44卷 422-427页

作者：金柯刘永强韩俊王慧娜王颖辉西安应用光学研究所光学薄膜技术研究室陕西西安710065

超构表面(metasurfaces)是一种新型的人工二维平面阵列结构,通过合理设计亚波长纳米结构单元及排布可以实现对空间光场的调控,有望从原理层面上颠覆传统的透镜元件。然而,目前透射型超构表面普遍存在光学效率低的问题,制约着其应用和发... 详细信息

超构表面(metasurfaces)是一种新型的人工二维平面阵列结构,通过合理设计亚波长纳米结构单元及排布可以实现对空间光场的调控,有望从原理层面上颠覆传统的透镜元件。然而,目前透射型超构表面普遍存在光学效率低的问题,制约着其应用和发展。首次提出了光学薄膜结合超构表面提高光能利用率的设想,期望超构表面结合光学薄膜的结构在不影响超构表面光学特性的基础上,可以显著地提高其光学效率。为了验证这一策略的有效性,仿真模拟了石英基底近红外宽波段的硅纳米块超构表面透镜,并与设计有光学薄膜的超构表面进行了对比。模拟结果表明:光学薄膜对超构表面的聚焦性能没有影响,但可以显著提高超构表面的光学透过率;在1450~1600 nm波段,平均透过率提高了10.5%以上,聚焦效率平均提高了8.3%以上。所提方法为超构表面器件设计带来了新的思路。

关键词：超构表面光学薄膜硅纳米块透过率

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球腔的表面散射损耗

光子学报 2024年第5期53卷 138-148页

作者：俞骁翀戴成龙北京师范大学物理学系应用光学北京市重点实验室多尺度自旋物理教育部重点实验室北京100875

以能够精确求解的球腔为例,利用等效电流方法,给出了随机粗糙表面对腔模的散射损耗的估计,并利用等效的随机散射点进行数值仿真。结果显示对于常见的高品质因子微腔中平缓的粗糙表面,散射主导的品质因子正比于腔半径和波长三次方、反比... 详细信息

以能够精确求解的球腔为例,利用等效电流方法,给出了随机粗糙表面对腔模的散射损耗的估计,并利用等效的随机散射点进行数值仿真。结果显示对于常见的高品质因子微腔中平缓的粗糙表面,散射主导的品质因子正比于腔半径和波长三次方、反比于表面方差以及相关长度平方。

关键词：回音壁模式微球腔散射损耗品质因子等效电流

基于自编码器结构与改进Bytetrack的低光照行人检测及跟踪算法

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应用光学 2024年第3期45卷 616-629页

作者：任泽林庞澜王超李嘉恒周方琰西安应用光学研究所陕西西安710065

针对夜间低光照场景下目标特征提取困难和跟踪不稳定的问题,提出了基于自编码器结构及改进Bytetrack的多目标行人检测及跟踪算法。在检测阶段,基于YOLOX(you only look once X)搭建多任务自编码变换模型框架,以一种自监督的方式考虑物... 详细信息

针对夜间低光照场景下目标特征提取困难和跟踪不稳定的问题,提出了基于自编码器结构及改进Bytetrack的多目标行人检测及跟踪算法。在检测阶段,基于YOLOX(you only look once X)搭建多任务自编码变换模型框架,以一种自监督的方式考虑物理噪声模型和图像信号处理(image signal processing,ISP)的过程,通过对真实光照退化变换过程进行编码与解码学习内在视觉结构,并基于这种表示通过解码边界框坐标与类实现目标检测任务。为了抑制背景噪声的干扰,在目标解码器颈部网络引入自适应特征融合模块ASFF。跟踪阶段,基于Bytetrack算法进行改进,将基于Tranformer重识别网络提取到的外观嵌入信息与NSA卡尔曼滤波获得的运动信息通过自适应加权的方法完成数据关联,并通过Byte两次匹配的算法完成夜间行人的跟踪。在自建夜间行人检测数据集上测试检测模型的泛化能力,mAP@0.5达到了94.9%,结果表明本文的退化变换过程符合现实条件,具有良好的泛化能力。最后通过自建夜间行人跟踪数据集验证多目标跟踪性能,实验结果表明,本文提出的夜间低光照行人多目标跟踪算法MOTA(multiple object tracking accuracy)为89.55%,IDF1(identity F1 score)为88.34%,IDs(ID switches)为15。与基准方法Bytetrack相比,MOTA提高了10.72%,IDF1提高了6.19%,IDs减少了50%。结果表明,本文提出的基于自编码结构及改进Bytetrack的多目标跟踪算法可以有效解决在夜间低光照场景下行人跟踪困难的问题。

关键词：多任务自编码变换低光照 YOLOX 目标检测多目标跟踪

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光镊在深海环境中的捕获特性

光子学报 2024年第2期53卷 160-170页

作者：王京刘博刘坤香陈福原李备中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室长春130033 中国科学院大学北京100049

在深海原位环境下精确捕获和收集单个目标微生物是当前深海微生物研究中的一大挑战。设计了一个应用在深海环境中的光镊捕获系统方案,系统包含光镊模块、微流控芯片、耐压外罩等部分,可实现原位捕获收集深海微生物。建立了位于南海北纬1... 详细信息

在深海原位环境下精确捕获和收集单个目标微生物是当前深海微生物研究中的一大挑战。设计了一个应用在深海环境中的光镊捕获系统方案,系统包含光镊模块、微流控芯片、耐压外罩等部分,可实现原位捕获收集深海微生物。建立了位于南海北纬18°附近,1.5 km深处的海水折射率模型,预估了深海对光镊系统激光功率的损耗。使用T矩阵法计算对比了光镊在深海中和陆地上的纯水中对不同折射率和不同大小的球形微生物的捕获力。结果表明,相比于纯水中,光镊在1.5 km的深海中的最大轴向捕获力平均降低了25%,最大横向捕获力平均降低了20%。本研究可为未来基于光镊技术开发的深海微生物分选设备的下海实验提供参考。

关键词：光镊光镊捕获力 T矩阵法深海环境深海微生物海水折射率

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地面颤振模拟试验技术研究进展

航空学报 2024年第10期45卷 16-34页

作者：张桂玮刘召庆朱镭张衡田玮李伟光杨智春西北工业大学航空学院西安710072 西安应用光学研究所西安710065 强度与结构完整性全国重点实验室西安710072

颤振问题是飞行器在飞行过程中应竭力避免,且可能导致灾难性后果的一种气动弹性动力学稳定性问题。作为一种新兴的颤振试验研究方法,地面颤振模拟试验是指直接采用飞行器原型结构或模型结构作为试验对象,利用激振器等气动力模拟加载装... 详细信息

颤振问题是飞行器在飞行过程中应竭力避免,且可能导致灾难性后果的一种气动弹性动力学稳定性问题。作为一种新兴的颤振试验研究方法,地面颤振模拟试验是指直接采用飞行器原型结构或模型结构作为试验对象,利用激振器等气动力模拟加载装置模拟分布的气动力载荷,在地面获得飞行器结构颤振特性的一种半物理仿真试验技术。本文从非定常气动力降阶实时重构、非定常气动力模拟加载以及地面颤振模拟试验的实施3个方面,分析了地面颤振模拟试验技术的研究现状,最后展望了地面颤振模拟试验技术未来的发展方向。

关键词：地面颤振模拟试验非定常气动力降阶实时重构气动力等效理论加载系统建模激振力控制

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分焦平面式偏振相机偏振误差分析及偏振定标

光子学报 2024年第9期53卷 28-39页

作者：汪伟张海裕柯链宝康晴李健军毕海季华实验室佛山528200 中国科学院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室合肥230026

分析了相机结构和测量原理,建立了相机响应模型,理论推导了相对透过率和偏振方位角对偏振测量的影响。采用积分球光源测量了相对透过率,采用旋转线偏振片法和马吕斯定律测量了偏振方位角,最后进行了偏振测量精度验证。测试结果表明,经... 详细信息

分析了相机结构和测量原理,建立了相机响应模型,理论推导了相对透过率和偏振方位角对偏振测量的影响。采用积分球光源测量了相对透过率,采用旋转线偏振片法和马吕斯定律测量了偏振方位角,最后进行了偏振测量精度验证。测试结果表明,经过偏振定标后,偏振度测量误差约为0.44%。该检测方案可以定标分焦平面式偏振相机性能,定标精度高,能够为分焦平面式偏振相机高精度应用奠定基础。

关键词：遥感分焦平面偏振相机测量相对透过率偏振方位角偏振定标误差分析

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基于线阵扫描成像的太赫兹图像超分辨率重建

中国激光 2024年第8期51卷 275-282页

作者：郭宇烽金尚忠李宏光曾子威廖文焘中国计量大学光学与电子科技学院浙江杭州310018 西安应用光学研究所陕西西安710065

针对太赫兹扫描成像设备存在的图像清晰度差、边缘模糊等问题,提出了一种基于生成对抗网络的太赫兹图像超分辨率重建算法。首先,在处理太赫兹图像时引入限制对比度自适应直方图均衡方法,有效解决了太赫兹图像对比度低的问题;其次,在生... 详细信息

针对太赫兹扫描成像设备存在的图像清晰度差、边缘模糊等问题,提出了一种基于生成对抗网络的太赫兹图像超分辨率重建算法。首先,在处理太赫兹图像时引入限制对比度自适应直方图均衡方法,有效解决了太赫兹图像对比度低的问题;其次,在生成对抗网络的基础上,提出了一种基于增强注意力机制的残差生成对抗网络,实现了太赫兹扫描图像的超分辨率重建,提升了图像纹理和细节的重建能力;最后利用频谱归一化的U-net网络对生成器生成的重建图像进行判别,增强了训练的稳定性。实验结果表明,提出的太赫兹图像超分辨率重建算法将太赫兹线阵相机所成太赫兹图像的边缘强度提高了7%,峰值信噪比提高了13%,平均梯度提高了12%,结构相似度提高了14%,验证了该算法的优越性和有效性。

关键词：太赫兹技术太赫兹线阵相机太赫兹图像超分辨率重建生成对抗网络图像质量评价