为解决靶场高速相机在野外大视场测量中标定的问题，提出基于机载标识目标的标定方法，采用机载精确定位标识目标来获取已知点集，并采用基于模拟退火麻雀搜索的方法解算高速相机内外参数。设计易于远距离辨识的机载标识目标，采用事后动态差分进行精确定位，并通过位置修正实现标识目标空间位置精确测量；研究基于模拟退火麻雀搜索标定法，实现高速相机内外参数解算，完成标定。在所设计的验证实验中，所提方法对高速相机内外参数解算的重投影误差为0.43 pixel，交会误差均值为2.5 cm，标定效果和交会精度优于Tsai两步标定法，提高了高速相机远距离标定精度和交会测量精度，解决了对空测量时高速相机的标定问题。

早期压缩感知在光学成像领域的应用主要集中在空域压缩成像。近年来,更多的空域压缩成像采用阵列式探测器取代单元探测器采集测量值。同时,压缩成像的研究也从二维空间拓展到三维测距、高速成像、多光谱成像、关联成像和全息成像等方向。本文针对空域高分辨率压缩成像、压缩感知测距和时域高速压缩成像进行详细分析,结合空域压缩成像总结了测量矩阵设计的研究进展,讨论研究中遇到的困难以及未来可能发展的机遇,并对压缩感知在多光谱、关联成像、和全息成像中的应用研究进行了讨论。此外,本文也总结了近几年深度学习技术在各应用方向上对系统目标恢复性能的改善。

针对弹丸爆炸中冲击波威力测量受传感器特性及测量环境影响的问题,提出了一种利用高速录像机进行摄影测量与数据处理的方法,分析了纹影摄像的基本条件及冲击波成像过程,建立了测量模型、误差分析模型,通过将测量数据与压电传感器测量数据进行比对,验证了爆炸冲击波高速纹影测量方法的有效性,实现了冲击波流场的可视化,建立了测量模型及误差分析模型,等效TNT当量相当误差优于10%。经过实际验证,该方法具有可行性和较好的精度,实现了冲击波威力自由空间测试。

提出一种采用图像直方图特征(Histogram Feature, HF)函数的自动曝光方法, 用于在背景光照快速、大范围变化的情况下对高速相机进行自动曝光控制。首先, 采用多点测光对获取的图像进行兴趣区域(Region of Interests, ROIs)提取, 以降低系统测光的计算量。然后, 通过计算兴趣区域的HF函数选取大步长对曝光时间进行粗调。最后, 通过模糊逻辑计算出曝光时间的精调步长并运用阈值限制实现变步长搜索最佳曝光时间, 提高高速相机自动曝光的准确性及稳定性。实验结果表明: 本文方法可以在2 ms内完成一帧图像的亮度测量并对曝光时间进行调整, 相较于基于平均亮度值的传统自动曝光方法, 在0~110 ms内, 光源光照强度从760~23 100 lux反复变化时, 本文方法获得的图像信息熵比平均亮度值法的信息熵均值提高48.38%, 方差降低62.13%, 可以提供更好与更稳定的图片细节信息, 为后续的自动调焦、图像识别以及目标跟踪提供参考。

设计了适用于靶场静爆实验现场的标定设备，研究了基于遗传模拟退火的高速相机标定方法，采用设计的标定设备开展了双目高速相机内外参数标定实验。根据实验采集的圆形人工标志位置参数，分别采用基于遗传模拟退火的标定方法和Tsai两步标定法对双目高速相机参数进行标定，并利用标定结果分别还原视野内位置已知点的空间坐标。将还原的空间坐标与实际测量坐标进行对比，可以发现基于遗传模拟退火的标定法还原的空间坐标最大偏差为0.0082 m，优于Tsai两步法得到的最大偏差(0.0201 m)，提出的方法提高了高速相机的标定精度，对提高破片速度测量精度具有重要意义。

为了评估基于瞬态光栅的全光高速相机系统中激发光强与图像信号之间的对应关系，验证基于磷化铟（InP）建立该相机的可行性。针对InP材料从理论上分析了从光子入射激发载流子，到载流子影响折射率，再到折射率影响衍射效率过程中各物理量值之间的关系；并建立了基于衍射光收集的图像探测系统获取InP内部的瞬态光栅分布图像。理论结果给出了针对InP材料的激发光强与载流子浓度的关系，探针激光为 1064 nm时载流子浓度与折射率之间的关系，以及瞬态光栅为矩形光栅时折射率与衍射效率之间的关系，特别指出在基于InP和1064 nm探针激光的高速相机系统中，若时间分辨为1 ps量级，对于532 nm激发光，系统的灵敏度为1.3×105 W·cm-2量级。实验结果证明了基于InP和1064 nm探针光可以建立全光高速相机系统，并根据所获得图像得出系统的空间分辨好于5.04 lp/mm。

近年来对水中高压脉冲放电等离子体特性的诊断研究越来越受到重视。 测量单个放电脉冲放电等离子体的时间-空间分辨发射光谱, 有助于研究水中脉冲放电等离子体的时空演化动力学特性和规律。 在本研究中将四分幅超高速相机和单色仪结合, 构建了一种跟踪单个放电脉冲的高速时空分辨光谱仪, 开发了相应的光谱分析软件。 用波长632.8 nm的He-Ne激光器, 在1 200 g·mm-1刻线光栅条件下对光谱仪的性能进行了测试。 结果表明: 对应He-Ne氦氖激光632.8 nm谱线的像素分辨率为0.013 nm。 在曝光时间20 ns时, 单色仪狭缝宽度0.2 mm时632.8 nm谱线的仪器展宽为(0.150±0.009)nm, 仪器展宽随着狭缝宽度的增加呈现增大趋势。 曝光时间的变化不会引起仪器展宽的变化, 能够确保在调节相机曝光时间的过程中不影响光谱仪性能。 利用该高速分辨光谱仪对水中纳秒火花放电发射光谱进行了测量, 单次曝光获得了单一脉冲放电等离子体时空演化光谱。 今后进一步完善实验室的电路条件消除放电干扰, 可以对单个放电脉冲进行更细致的测量, 为研究单个放电脉冲等离子体参数的时空演化特性提供良好的技术手段。

针对运动目标空间定位问题,将立体视觉技术与单视频序列下的运动目标检测相结合,设计了一种目标空间运动分析系统,实现目标的空间定位,扩展了单视频序列运动目标检测课题的应用范围.针对从单目向多目过渡过程中面临的问题,从硬件上提出了相应的解决方案,将立体镜头与高速相机相结合,克服了芯片一致性、相机同步、运动拖影等影响.由于立体像对源于同一帧图像,所以可以直接使用传统单序列运动目标检测方法获取运动掩模.使用该空间运动分析系统在光照充足的室外条件下进行单一目标的自由落体和斜坡运动2组实验,实验结果表明:该系统运行稳定,实现了运动目标的空间位置分析功能,1 m范围内,定位绝对误差小于0.01 m.

采用共轴设计理论和控制离焦的方法, 设计了画幅尺寸达30 mm×18 mm的大画幅等待式转镜分幅相机。该相机同时具备相对孔径大和分辨率高的特点, 对底片的相对孔径为空间方向1/15, 扫描方向1/35; 静态目视分辨率为46 lp/mm, 动态目视分辨率为35 lp/mm; 总画幅数为80 , 摄影频率为1×104 ～5×105 frame/s。相机的高速转镜部件采用光纤传感器系统来产生和传输转速信号, 避免了高速直流电机对转速信号的干扰, 确保了测速准确度。研制的相机已应用于爆轰物理和冲击波物理实验中, 并采用2×105 frame/s的拍摄频率对爆轰过程进行了试验记录, 得到了高分辨率的图像。试验结果表明: 设计的相机画幅尺寸大、空间分辨率高, 适用于冲击、爆轰和弹体姿态等试验过程和目标的拍摄。