彭罗曼 1,2,3张海洋 1,2,3,*王文鑫 1,2,3白莎莎 1,2,3[ ... ]赵长明 1,2,3
1 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
2 信息光子技术工业和信息化部重点实验室，北京 100081
3 北京理工大学 光电学院，北京 100081
相邻障碍物的分割是无人驾驶领域的技术难点，低线激光雷达点云稀疏，无法聚类远距离物体，但激光雷达线束越多越昂贵。为了实现低成本聚类分割相邻障碍物，实验场景选取常用交通场景对象相邻的人/人、人/车，提出了一种基于多帧融合的相邻障碍物分割方法。基于惯性测量单元、激光雷达融合多帧点云，解决了低线激光雷达因分辨率低而无法聚类远距离相邻行人的问题。提出改进的欧式聚类，加入自适应阈值和向量角度约束两个新的分割标准，提高相邻障碍物的分割效果。实验结果表明，该方法具有成本低、聚类精准等特点，与单帧传统欧式聚类算法相比，该方法针对相邻障碍物分割的准确度提升约30.7%，对低线激光雷达在障碍物聚类以及后续的检测具有一定参考意义。
多帧融合 自适应阈值 相邻障碍物分割 稀疏点云聚类 multi-frame fusion adaptive threshold segmentation of adjacent obstacles sparse point cloud clustering
以Nd∶YAG、Cr∶Nd∶YAG和Ce∶Nd∶YAG三种激光材料为研究对象，采取以空间应用和地面应用为导向的两种太阳光谱模型，计算了太阳辐射光谱与材料吸收光谱之间的重叠效率。将激光材料的吸收系数引入重叠效率，分析了经吸收系数修正后，激光材料的太阳光谱匹配效率随吸收长度的变化关系。当接近光谱匹配效率极限值时，地面太阳光谱模型下Nd∶YAG、Cr∶Nd∶YAG和Ce∶Nd∶YAG所需要的吸收长度分别为6.5 cm、4.4 cm和3.7 cm，空间太阳光谱模型下所需要的吸收长度分别为7.3 cm、4.3 cm和3.8 cm，所研究的吸收长度为激光材料的长度参数设计提供了可供参考的最大值。同时Ce∶Nd∶YAG晶体计算出的长度最短，预计泵浦光在该材料中传输时引入的散射损耗将最小，因此以Ce∶Nd∶YAG晶体作为激光材料，有望进一步提高和改善太阳光泵浦激光器的输出性能。
激光器 固体激光器 激光材料 太阳光泵浦 光谱匹配 中国激光
2023, 50(13): 1301002
北京理工大学光电学院颜色科学与工程国家专业实验室, 北京 100081
光谱成像可以记录拍摄场景的光谱信息, 从而实现颜色的高保真复现, 图像的光谱信息通常同时混合了物体的光谱信息和光源信息, 所以现有的光谱成像颜色还原需要通过提前放置的标定板或已知光谱特性的物体获取拍摄环境的光源信息, 再进行图像的颜色恒常性校正。 但光谱相机在实际使用过程中, 通常难以满足上述条件, 从而对图像高保真颜色还原提出挑战。 针对此问题, 提出一种光谱成像的图像颜色恒常性计算方法, 将光谱成像系统获得光谱数据转换到XYZ颜色空间, 并将图像分区域进行统计得到图像的统计点, 通过大量常见光源的分布规律, 给统计点施加位置权重和色温权重, 同时设置亮度权重去除图像中过暗和过饱和的统计点, 利用加权平均获得环境光的色度参数, 根据需求将图像的XYZ颜色空间数据转换到RGB颜色空间, 根据环境光的色度参数计算图像不同通道的增益, 从而完成光谱图像的颜色恒常性计算。 为了验证所提出算法的有效性, 对140张光谱图像进行处理, 计算算法得到的环境光色度参数和真实光源色度之间的再现角误差, 对校正结果进行评价, 结果表明提出的算法明显优于光谱图像不做处理和灰度世界法。 为进一步分析算法校正结果与人眼感知之间的联系, 设计颜色心理物理学实验中的分度实验, 18名视觉正常的观察者参与实验, 所有观察者对算法校正结果打分的平均值介于良好和优秀之间, 可以满足实际使用需求； 沿着平均色温线的方向, 观察者所允许的光源色度差异较其它方向稍大； 在图像中包含大面积记忆色时, 当光源色度差异向使记忆色饱和度增大的方向偏移时, 此时观察者所容忍的色度差异变大。 由客观和心理物理学实验结果可知, 所提出的算法可以在拍摄光源未知, 且没有标板的情况下, 较好的对光谱成像中的图像颜色恒常性进行处理, 为光谱图像的颜色高保真再现打下基础。
光谱成像 相机 颜色复现 颜色恒常性 Spectral imaging Camera Color reproduction Color constancy 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1004
基于激光不同波段的探测传输特点，通过分析典型微小摄像头的回波传输特性，提出了一种针对多波长激光特征检测微小摄像头的研究方案。利用几何光学和波动光学理论，分析微小摄像头结构及其反射光谱特征，计算并仿真了一定探测距离下的回波光场，在此基础上搭建多波长激光检测系统。实验结果表明，在一定的景深范围内，具有红外截止滤光片的微小摄像头对可见光的回波光斑衍射环特征明显、条纹对比度高且可探测距离远；近红外波段的目标回波功率低、后向散射干扰严重，可探测距离近；短波红外波段几乎不受红外截止滤光片影响，且1 550 nm处于人眼安全波段。实验结果与数值分析、理论仿真结果一致，验证了短波红外激光用于探测微小摄像头的可行性。
高原 1,2,3张子龙 1,2,3,*田顺 1,2,3赵苏怡 1,2,3赵长明 1,2,3
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 光电成像技术与系统教育部重点实验室, 北京 100081
3 信息光子技术工业与信息化部重点实验室, 北京 100081
从理论和实验上研究涡旋光束通过具有费马螺线分布微孔结构的衍射板后拓扑荷数的变化情况,以及光束强度分布的衍射和聚焦特性。利用一个正透镜对衍射光束进行聚焦,观察和研究聚焦光束在焦平面后一定范围内的光强分布变化情况。衍射光束的最内环光强分布在束腰前后约有五个变化阶段。这一变化趋势适用于涡旋光束通过微孔沿不同费马螺线分布的衍射板的情况,无论是螺线旋转方向的改变,还是螺线结构数目的改变。通过衍射光束与球面波的干涉来验证拓扑荷数的变化规律。结果表明,这种衍射可以产生新的拓扑荷数,其变化与入射涡旋光束的相位波前和螺旋微孔阵列的相对旋向有关。
物理光学 涡旋光束 拓扑荷调制 衍射 螺旋微孔阵列
1 北京理工大学 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
2 北京理工大学 光电学院，北京 100081
针对高光谱成像特点，提出了一种基于三维特征检测微小摄像头的方案。在空间维利用猫眼效应筛选疑似目标，在光谱维对结果进行精准判定。依据摄像头结构，分析了可见光摄像头的反射光谱特征。基于几何光学和辐射度学，计算和仿真了系统的探测距离。结果表明，正常工作时，光功率影响最小探测距离，目标尺寸影响最大探测距离。搭建了微小摄像头光谱特征验证系统。结果表明，采用吸收型红外截止滤光片的目标的非反射光占比曲线变化平缓且数值高，采用反射型红外截止滤光片的目标的非反射光占比曲线可见光部分数值高，红外部分数值低，从700 nm附近开始下降，甚至发生突变，实验数据显示，突变位置的斜率绝对值是红外波段斜率绝对值的10倍以上。实验结果与预期分析的结果一致，验证了高光谱成像技术检测微小摄像头的可行性。
高光谱 微小摄像头 光谱特征 成像光谱 hyper-spectrum tiny camera spectral characteristics imaging spectrum
北京理工大学 光电学院 光电成像技术与系统教育部重点实验室, 北京 100081
为了实现高效率激光无线能量传输系统的研究, 基于Simulink建立了激光无线能量传输系统的闭环控制仿真模型, 实现了激光光伏阵列的最大功率点追踪、降压电路搭建和锂电池智能充电控制, 并结合激光光伏阵列的输出特性和锂电池多阶段恒流充电方法的特性, 提出了一种基于激光功率密度闭环信号控制的新型锂电池多阶段恒流充电方法。结果表明, 该方法不仅可以实现传统锂电池多阶段恒流充电效果, 而且节省了62.9%的光能, 系统转换效率提高了62.96%。该结果对研究高效率激光无线能量传输系统是有帮助的。
激光技术 激光无线能量传输 最大功率点追踪 多阶段恒流充电 闭环控制 系统效率 laser technique laser wireless power transmission maximum power point tracking multi-stage constant current charging closed-loop control system efficiency
1 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
2 北京理工大学 光电学院，北京 100081
滑雪场的雪道坡度信息不仅是雪场规划和建设所需的必要内容，也是滑雪运动员提高成绩、减少运动损伤的重要数据。传统的手动测量方式费时费力，且雪场的低温环境不利于测量人员长时间作业。为了解决滑雪场的雪道坡度计算问题，提出了一种基于激光雷达点云的雪道坡度自动提取算法。使用投影高程差滤波、聚类分割等算法对雪场点云进行预处理，获取雪道边缘特征数据。提出了一种自适应阈值的拟合算法，用于雪道中线的提取，该算法可根据点云数量信息及坐标信息，自动选择阈值拟合雪道中线，消除了实际应用中部分点云数据稀疏或缺失对中线拟合带来的不利影响。数据处理结果表明，该方法计算所得坡度值与多次手动测量平均值之间的相对误差为2.2%。这一方法对激光雷达在雪场目标上的应用、雪场测绘中雪道坡度计算等具有参考意义。
激光雷达 坡度提取 自适应阈值拟合 雪道测量 LIDAR slope extraction adaptive threshold fitting ski tracks measurement
1 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
2 北京理工大学 光电学院，北京 100081
基于光电传感器的低慢小无人机探测系统能够快速准确地发现并识别无人机目标，但远距离非合作无人机目标在图像中像素比重过小，特征退化较明显，使识别率大大降低。图像超分辨技术能够从低分辨率目标图像区域中获得高分辨率图像并恢复更多的细节特征，现有超分辨技术很难在保证推理速度的前提下兼容图像的高低频特征，因此为了满足探测系统的需求，基于FSRCNN（fast super-resolution convolutional neural network）的特征提取与非线性映射网络结构并结合多尺度融合，提出一种包含4分支的轻量级多尺度融合超分辨率网络，能够在超分辨率图形中兼容高低频图像信息，且参数量较低，实时性高。经实验结果表明，该算法能够更加快速高效地重建出高分辨率的无人机轮廓与细节；在YOLOV3检测效果的实验中，该算法能够使无人机检测置信度平均提升6.72%，具备较高的实际应用价值。
无人机探测系统 轻量级 多尺度融合 超分辨率 unmanned aerial vehicle detection system lightweight multi-scale fusion super-resolution 
