1 中国科学院上海技术物理研究所中国科学院智能红外感知重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
大动态、高精度主动热控技术是高轨大型空间相机高性能、长寿命运行的核心关键。空间相机主动热控系统既要满足高精度测控温要求，又要实现小型化、集成化以降低资源和功耗需求。然而，传统以中央处理器（CPU）和数字信号处理器（DSP）为控制单元的架构难以满足高集成化的设计需要，且热控功率较大，需进行功率管理以满足整星能源要求。针对以上问题，面向地球同步轨道大型空间相机大动态、高精度的测控温需求，设计了以现场可编程门阵列（FPGA）为核心控制单元的主动热控系统，利用FPGA的高速并行处理能力和丰富接口资源，实现复杂空间相机高集成度高精度主动热控。设计了热控功率错峰功能，对加热片采用分时控制，动态实时检测热控功率，在保障相机关键部件控温精度的前提下，将热控功率限定在功率设定值。该系统已应用于地球同步轨道大型空间相机，对相机108路加热、138路测温和2个星上黑体进行高精度测控温，通过地面和在轨测试验证了主动热控系统设计的合理性和正确性。
成像系统 相机 主动热控 高精度测控温 热控功率错峰 地球同步轨道 中国激光
2023, 50(22): 2210002
1 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院智能红外感知重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
随着航天红外技术向高定量化、高集成化方向的发展，传统基于CPU或DSP的黑体测控温系统无法满足高集成化和高精度的需要。针对上述问题，设计了基于FPGA的星载黑体高精度集成温控系统。该系统以FPGA为核心控制单元进行温度采集和控制，实现多功能高速并行处理。黑体测温模块采用三线制惠斯通电桥减小导线电阻影响，然后在信号调理部分采用集成运算放大器组成的三级有源滤波和放大实现了对电气输出的低噪声放大。与传统仪用放大器加无源滤波的信号调理方式相比，该方法具有更强的干扰抑制能力。同时，对铂电阻阻值与温度的非线性误差以及测温系统电路误差，提出了基于多项式模型及最小二乘理论的分级拟合校正方法，进一步提高了测温精度。控温模块采用新型模糊控制和增量式PID（FIPID）结合减小过冲，加快收敛速度。基于精密标准电阻的实测结果表明该系统测温精度在247~375 K范围内为0.035 K，比校正前精度0.383 K提高了90.9%。控温仿真实验表明与PID控温相比，FIPID的过冲为零，而PID算法有12.4%的过冲，且收敛速度提高了64%。地面热真空和在轨实际控温实验表明在256~367 K范围内实测控温精度为0.039 K，该方法已成功应用于某型号空间红外相机，且满足在轨高精度定标要求。该系统具有测控温精度高、动态范围大、易于集成化的优点，可推广应用于星上其他高精度主动温控。
星载黑体 集成化设计 FPGA 高精度测控温 模糊增量PID spaceborne blackbody integrated design FPGA high-precision temperature measurement and control fuzzy incremental PID 红外与激光工程
2023, 52(7): 20220852
重庆科技学院机械与动力工程学院，重庆 401331
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。
红外光谱 卷积神经网络 维度 建模 infrared spectroscopy, convolutional neural networ
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Instrument and Science in Engineering, School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
2 Ngee Ann Polytechnic, Singapore 599489, Singapore
Aperture synthesis is an important approach to improve the lateral resolution of digital holography (DH) techniques. The limitation of the accuracy of registration positions between sub-holograms affects the quality of the synthesized image and even causes the failure of aperture synthesis. It is a major issue in aperture synthesis of DH. Currently intensity images are utilized to find the registration positions of sub-holograms in aperture synthesis. To improve the accuracy of registration positions, we proposed a method based on similarity calculations of the phase images between sub-holograms instead of intensity images. Furthermore, a quantitative indicator, degree of image distortion, was applied to evaluate the synthetic results. Experiments are performed and the results verify that the proposed phase-image-based method is better than the state-of-the-art intensity-image-based techniques in the estimation of registration positions and provides a better synthesized final three-dimensional shape image.
digital holography synthetic aperture registration position phase image Chinese Optics Letters
2021, 19(7): 070501
1 中国科学院智能红外感知重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
4 湖州南太湖中科院上海技术物理所光电工程中心，浙江 湖州 313000
在天基遥感探测应用中，动态范围、时空变化率是影响红外高温目标高精度探测与跟踪识别的重要因素。通常受探测器暗电流、电路噪声等因素的影响，探测系统的单景动态范围一般小于72 dB左右，难以覆盖动态范围达100 dB左右的超强目标，降低了目标的识别能力和定量化描述精度。针对以上问题，提出了一种探测载荷自适应参数调节技术，通过自适应双曝光策略调整积分时间，能够在最大化目标探测信噪比的同时实现对目标能量的精确描述。仿真实验结果表明：所提方法操作简单，且能有效地实现整个动态范围内对目标的探测与描述。该方法可为天基目标智能化探测研究提供有益参考。
动态范围 积分时间自适应 双曝光 dynamic range adaptive integral time double exposure 红外与激光工程
2020, 49(10): 20200076
上海交通大学电子信息与电气工程学院, 上海 200240
数字全息测量具有准确度高、非接触和全场测量等优点。单波长数字全息测量主要适用于高度变化在微米级的连续性形貌物体,而基于双波长干涉技术的多波长数字全息技术可测量形貌更复杂、高度方向变化更陡峭的物体,大大扩展了数字全息计量技术的应用范围。近年来,多波长数字全息的研究发展有两个主要方向:一是与实际需求相适应的新的测量方式和/或光路;二是图像处理方面包括降噪、数值重建和相位畸变修正等的新技术新方法,使计算效率和测量准确度得到明显改善。
数字全息术 双波长技术 形貌测量 数字图像处理技术 激光与光电子学进展
2020, 57(10): 100002
1 中国科学院 智能红外感知重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
在空间大口径追踪相机应用系统中, 像面畸变和主点主距标定误差是影响其在轨定位精度的重要因素。为了满足空间大口径追踪相机高精度的标定要求, 像面畸变类型、主点主距标定误差及探测器面阵旋转、倾斜对像点坐标带来的误差等因素均不可忽略。针对以上问题, 本文对该类系统的畸变特性进行了研究, 提出了一种改进的大口径追踪相机畸变校正方法。首先, 在视场中央无畸变区域测量13个样点, 根据最小二乘法获取光学系统的主点主距; 然后, 依据所求主点主距, 解算像面25个均匀分布样点的理论位置坐标; 最后, 由样点的理论坐标和测量坐标解算畸变模型, 实现畸变校正。实验结果表明, 该方法畸变校正精度在近红外波段优于0.32 pixel, 在短波红外波段优于0.28 pixel, 其相对传统畸变校正模型分别提高了44.6%和50.9%。该方法可为大口径追踪相机的焦平面倾角解算研究提供有益参考。
大口径追踪相机 畸变校正 畸变模型 large aperture tracking cameras distortion correction distortion models 光学 精密工程
2019, 27(10): 2272
1 上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 200240
2 南京理工大学 江苏省光谱成像与智能感知重点实验室, 江苏 南京 210094
对近年来数字全息及散斑干涉技术在形变与位移测量方面的主要技术发展及应用发展进行综述。由于数字全息测量具有准确性高、无损、全场和动态测量等优点, 成为形变和位移测量的重要技术之一。最近几年, 数字全息技术在形变测量领域的发展主要体现在如下几个方面。首先, 数字全息形变测量逐步由原来单一维度的形变测量转向多维度的形变测量。尤其是三维形变的同时测量是近年来本领域的研究重点。其次, 形貌形变联合测量的技术受到关注。实际应用中曲面物体常常存在。而曲面物体需要离面与面内形变的分析, 这需要获取曲面物体的形貌信息。针对这一需求, 学者们针对形貌形变的同时测量方法开展了研究。再次, 为了进一步扩大测量视场和深度范围, 对基于长波长及远距离的技术进行了探索。与此同时, 回顾了数字全息的形变测量技术在应用方面的进展。值得关注的是, 在应用方面, 数字全息技术从以前工程领域的形变测量向生物医学领域的形变测量发展, 测量数据用于生物医学领域疾病分析与研究。
数字全息 散斑干涉 形变测量 位移测量 digital holography digital speckle interferometry deformation measurement displacement measurement 红外与激光工程
2019, 48(6): 0603010
Author Affiliations
Abstract
Department of Instrument, School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
Digital speckle pattern interferometry (DSPI) is a high-precision deformation measurement technique for planar objects. However, for curved objects, the three-dimensional (3D) shape information is needed in order to obtain correct deformation measurement in DSPI. Thus, combined shape and deformation measurement techniques of DSPI have been proposed. However, the current techniques are either complex in setup or complicated in operation. Furthermore, the operations of some techniques are too slow for real-time measurement. In this work, we propose a DSPI technique for both 3D shape and out-of-plane deformation measurement. Compared with current techniques, the proposed technique is simple in both setup and operation and is capable of fast deformation measurement. Theoretical analysis and experiments are performed. For a cylinder surface with an arch height of 9 mm, the error of out-of-plane deformation measurement is less than 0.15 μm. The effectiveness of the proposed scheme is verified.
120.4570 Optical design of instruments Chinese Optics Letters
2018, 16(11): 111202
