1 长春理工大学光电工程学院光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
2 华东师范大学物理与电子学院，上海 200241
为解决激光扫描投影系统标定过程中易受环境光干扰、合作目标扫描时间长等问题，首先研究了应用于激光扫描投影合作目标定位的相关双采样探测方法，设计了适用于激光扫描投影仪的探测模块，经实验验证，设计的相关双采样探测模块在输入信号干扰比为-29.5 dB时仍能稳定地检测出激光光斑是否落在合作目标的高反射区。然后，针对相关双采样探测的特点，设计了一种基于二分原理的非连续扫描方法，以实现合作目标中心位置的快速提取。最后，使用此方法与栅矩形扫描方法对投影距离为3000 mm处的三个合作目标进行扫描探测和中心位置提取，实验结果表明，栅矩形扫描方式需获取10000个扫描点，而基于相关双采样探测的非连续扫描方法减少了97.4%的扫描点，且中心定位偏差优于0.06 mm。所研究的方法能够提高激光扫描投影系统合作目标探测过程的环境光自适应能力，大幅减少扫描点的同时还能保证中心位置提取精度。
激光扫描投影 相关双采样 二分原理 合作目标
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
研究非合作目标光频扫描干涉信号的快速检测方法，采用稀疏傅里叶变换算法快速求解距离谱，通过引入综合Rife算法精密校正距离谱，可大幅提升解算效率，保证解算精度。实验结果表明，所设计的硬件检测单元能够高效采集并处理不同粗糙度、入射距离及入射角度的非合作目标干涉信号，2 MB数据的处理时间为0.1224 s，在12 m范围内测距误差小于13 μm，标准差优于10 μm。
测量 光频扫描干涉 非合作目标 频谱校正 绝对距离测量
1 安徽泽众安全科技有限公司，安徽 合肥 230601
2 清华大学合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601
激光气体遥测作为本征安全气体探测方法，可进行实时在线、非接触、远距离探测，具有独特的优势。基于非合作目标设计和开发一款具有完全自主知识产权的便携、轻巧、可实用化的手持式激光甲烷气体遥测仪，其温控芯片采用WTC3243，控温精度可达0.01 ℃，收发一体光学遥测组件采用平行光轴设计。通过标准气体比对测试，结果表明测量相对误差在±5%范围之内，测量综合偏差为293×10-6 m，遥测仪测量值与标准积分浓度值之间的拟合优度达0.999。经过不同遥测距离测试，结果表明遥测距离可达20 m，且系统具有不同遥测距离测量的一致性。通过甲烷泄漏气团实际环境模拟测试，结果表明设计与开发的该手持式激光甲烷气体遥测仪完全可用于实际燃气管道等场所甲烷气体泄漏的实时在线、非接触、远距离遥测，且满足测量要求。
非合作目标 激光气体遥测 甲烷 微控制单元 non-cooperative targets laser gas telemetry methane MCU STM32 STM32
红外与激光工程
2022, 51(10): 20211115
吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春130012
针对基于视觉传感器的微小卫星大视距交会对接中, 合作目标难以被相机清晰识别的问题, 本文设计了一种一体化新型合作靶标, 在100 m~100 mm测量范围内, 实现由远及近高精度双星相对位姿解算。首先, 建立合作目标模型, 确定合作目标类型; 其次, 采用PnP(Perspective-n-Point)算法设计合作目标特征点的个数与尺寸; 然后, 根据相机视场、焦距与合作靶标的约束关系, 确定合作目标模型尺寸; 最后, 通过理论与实验相结合的手段进行验证。仿真实验结果表明, 在双星相对距离为100 m时, 姿态误差小于4.01°, 位置误差小于7.57 mm。在相对距离为100 mm时, 姿态误差小于0.06°, 位置误差小于0.02 mm。
交会对接 合作目标 单目视觉 目标识别 rendezvous and docking cooperative target monocular vision target recognition
1 长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
2 水声对抗技术重点实验室，上海 201108
3 海南师范大学物理与电子工程学院，海南 海口 570100
将Lambert-Beer定律引入双向反射分布函数，推导出一种适用于球形合作目标后向激光雷达散射截面的数学计算模型，并以此为理论基依据，建立了用于测量微珠合作目标后向激光雷达散射截面的实验系统，利用该实验系统，开展了对不同材料球形合作目标回波信号相对强度的光谱数据测量，同时采集50 mW、80 mW和300 mW这三个典型发射光功率所对应球形合作目标处的光斑图像。根据光谱数据分析，计算得到不同材料微珠合作目标的后向激光雷达散射截面。研究结果表明，折射率为1.46、1.51、1.93的球形合作目标的激光雷达散射截面均随着激光功率的增加而呈现出线性增长的趋势；当激光功率一定时，折射率为1.93的球形合作目标的激光雷达散射截面要明显大于折射率为1.46和1.51球形合作目标的激光雷达散射截面，该研究结论为激光雷达散射截面的理论研究和实验测量提供一定的理论依据和数据参考。
激光光学 合作目标 激光雷达散射截面 光谱数据分析 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0712002
1 重庆大学 机械与运载工程学院，重庆 400044
2 中国空气动力研究与发展中心高速所，四川 绵阳 621000
针对单一方法难以兼顾图像全局和局部信息准确提取现场环境下的非合作目标边缘的难点，融合聚类等多种算法，提出一种边缘提取新方法。首先，根据图像像素值聚类，每2类间通过阈值进行分割得到1张二值图像；接着将二值图像进行或操作合并。将图像取反后保留最大面积的连通域得到目标分割图片，并提取目标边缘。最后，根据Zernike矩进行亚像素边缘计算。该边缘提取新方法具有较强的适应性，在实际的环境下均可快速有效提取出目标边缘。实验中的非合作目标为设备的三个内孔，用上述方法提取亚像素边缘后拟合出圆心，并用圆心进行相对位姿测量。实验结果表明，该方法鲁棒性强、精度高，最大的位置偏差为0.12 mm，垂直光轴方向姿态角的测量精度可达0.02°，其他两个姿态角的测量精度可达0.07°和0.08°。
聚类 阈值分割 Zernike 非合作目标 位姿检测 clustering threshold segmentation Zernike non-cooperative target pose detection 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210166
1 中国科学院红外智能感知重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
针对空间非合作目标近距离交会对接时较难获取精确位姿的问题,提出一种高效可靠的基于TOF(time-of-flight)相机的空间非合作目标位姿测量方法。利用TOF相机灰度图可存储光强的特点,用回光反射材质圆点标定板,提高了相机标定精度;基于边缘弧段组合的椭圆检测法计算目标表面对接环内外侧椭圆参数;基于局部阈值的区域生长法对深度图像进行连通域分析,通过面积、长宽比等约束提取出目标表面接插件;利用对接环与接插件建立目标坐标系并解算其在相机坐标系下的三轴位置与姿态角。搭建地面验证系统,通过对比本文方法与ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)方法4组100帧图像的实验结果,验证了该方法的鲁棒性与测量精度的准确性,说明TOF相机在非合作目标位姿测量领域具有广阔的前景。
测量 TOF相机 非合作目标 相对位姿 椭圆检测 连通域分析 光学学报
2021, 41(22): 2212003
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 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
4 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
针对在轨服务任务如何在近距离处获取空间非合作目标的相对位置和姿态的难题,提出一种三目立体视觉测量方法。首先利用三台呈等边三角形布置的大视场可见光相机获取图像;然后采用所提方法对特征点进行匹配;接着采用RANSAC方法解算被测目标在世界坐标系下的位姿参数;最后通过对非合作卫星模型的静止、位置移动和姿态转动进行实验。实验结果表明,静止状态下的相对位置精度优于2.2 mm,相对角度测量精度优于0.3°;当模型位置移动时,绝对位置精度优于3 mm;当模型姿态转动时,相对位置精度优于5.6 mm,相对角度测量精度优于1.7°,说明所提方法可以改善双目立体视觉技术在测量角度大的区域易出现测量盲区、特征点定位误匹配和测量视场有限的不足。
机器视觉 三目视觉 ORB 非合作目标 极线约束 随机抽样一致性
