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关键词： 光栅投影三维测量   相机标定   投影仪标定   系统标定  

摘要： 光栅投影三维测量技术具备非接触测量、测量精度高、测量速度快、易于实施等优点,是光学三维测量的标志性技术之一,因此被广泛运用于多个领域。系统标定是整个光学三维测量系统的关键技术,良好的系统标定精度是系统测量精度的保证。然而,现有的系统标定技术还存在着标定精度不高、标定过程复杂等问题,因此寻求高精度且易于实施的系统标定方法,对光栅投影三维测量技术的研究将起到至关重要的作用。本文针对光栅投影三维测量系统中的投影仪坐标精确计算问题、系统标定问题进行了研究,主要研究内容和工作包括以下几部分:1.投影仪坐标精确计算问题:对传统投影仪标定方法进行了分析,将其标定精度的影响因素分为了圆心偏差、相位误差和投影仪坐标映射误差三部分。针对每一个影响因素,提出了对应的解决方案:针对圆心偏差,基于同心圆根据射影变换中的交比不变性对其进行了校正;针对相位误差,使用双四步相移法对其进行了补偿;针对坐标映射误差,提出了一种基于局部单应性矩阵的投影仪坐标亚像素映射算法。实验结果证明了每一部分算法的有效性。2.系统标定问题:首先,利用圆心偏差校正后的圆心,基于张正友标定方法完成了相机标定,相机标定实验结果证明了圆心偏差校正后相机标定精度更高;然后,利用圆心偏差校正后坐标和相位补偿后的绝对相位信息,基于局部单应性实现了投影仪图像坐标的亚像素级映射,完成了投影仪的精确标定,投影仪标定实验结果证明了本文投影仪标定方法的有效性;最后,利用搭建的光栅三维测量系统,根据相机标定结果和投影仪标定结果,完成了系统的联合标定,对其参数进行了优化,标准平面的测量实验结果表明了本文提出的系统标定方法的有效性。

关键词： 红外小目标检测   图像增强   去雾模型   张量恢复  

摘要： 随着近年来红外成像技术的进步,红外小目标检测逐步从军事领域扩展到交通、安全防护、医疗、工程施工、紧急救援等诸多民用领域。当前大部分的研究成果聚焦于单帧图像的红外小目标或序列的红外小目标,红外数据库少,同时关注图像特征和检测对象的融合研究少有涉及。在应用中,红外热成像系统固有的成像机理会造成图像缺失色彩信息、质量差等问题,此外受限于成像距离、大气传输等因素,导致红外图像对比度低、图像模糊以及视觉效果差,与可见光的多雾图像相近。在检测对象方面,小目标外观形态复杂和纹理形状缺失使得小目标常淹没在复杂背景中(如厚云层、建筑、树木及高亮辐射源)。为此,本文从红外热像仪、图像和检测对象的基本特点出发,重点研究了可见光图像的去雾算法在红外图像上的迁移应用,并结合张量分析理论展开研究工作,主要工作归结如下:第一,针对红外图像对比度低、模糊和视觉效果差的问题,提出基于去雾增强模型的红外图像清晰化算法。受可见光图像去雾的启发,结合红外图像特点,以大气散射模型为理论基础,通过改进的暗通道先验算法去除造成红外图像模糊的成分,实现红外图像清晰化,从而改善视觉效果。第二,针对红外数据库少的问题,采用红外热成像设备和无人机构建红外小目标数据集。为提高算法检测精度,减少算法复杂度,提出基于去雾增强和张量分析的红外小目标检测算法。首先利用改进的暗通道算法对红外图像去雾增强,提高图像清晰度并增强图像的低秩性,再筛选匹配的张量正面切片去构建红外块张量模型,在张量奇异值分解的框架下,将小目标检测转化为张量恢复的研究;最后采用一种快速算法求解目标函数。所提去雾模型有效解决了红外图像中“薄雾”问题,增强图像低秩性,改进算法的局部对比度和清晰度相较于原图像显著提高。实验证明,所提算法能够有效抑制背景杂波,在构建的数据集和公开数据集都取得较优的检测准确率,复杂背景下的误检率可降低33%,在高亮背景区域中检测性能良好,表明该算法适用于复杂场景,剔除潜在虚警点。

关键词： 子空间表示   加权低秩张量正则化   高光谱图像去噪  

摘要： 高光谱图像是一种高维图像,可以反映真实场景的空间信息和光谱信息。高光谱图像将表征被拍摄对象特定性质的光谱信息和揭示其空间几何关系的空间信息结合在一起,对场景进行了更加多维、细致和可靠的描述。由于图像获取过程中的种种不可控因素,例如传感器的灵敏度、光子效应和校准误差,图像中会不可避免地存在噪声。这些噪声严重影响图像中信息的传达和后续的处理,为其在视觉领域的进一步应用带来负面影响。图像去噪作为视觉领域的预处理步骤,旨在去除图像中的噪声成分,从被观测的噪声图像中恢复真实图像。基于空间非局部自相似性和全局光谱相关性两种先验信息设计合适的正则化项是一种高光谱图像去噪的思路。许多高光谱图像去噪方法从图像中提取具有低秩性的分量后,对其进行低秩约束用于去噪分析。然而,一些方法将具有低秩性的三维张量展开成二维矩阵或一维向量的形式来挖掘图像中的先验信息,破坏了高光谱图像内在结构相关性,使得图像中的先验信息没有得到充分地利用,影响图像恢复的效果。此外,在大多数基于低秩的去噪方法中,构造低秩分量涉及到的图像块匹配操作和在原始高维空间上的矩阵和张量的奇异值分解操作往往会带来较大的计算负担。我们提出一种基于子空间表示和加权低秩张量正则化的方法去除高光谱图像中的混合噪声。子空间表示的引入使得提出的算法具有较低的算法复杂度,简化去噪过程的同时可以去除图像中的部分噪声。具体地说,利用光谱频带之间的相关性,选取合适的正交矩阵,将高光谱图像投影到低维子空间中。为了保留高光谱图像的内在结构相关性,去噪过程基于从简化图像中提取的低秩张量进行,引入加权低秩张量正则化项表征简化图像子空间的先验信息,基于张量Tucker分解中核范数的物理意义构建合理的加权机制。此外,我们设计了一种基于迭代最小化的方法用于求解提出的非凸去噪模型。模拟和真实数据集上的实验表明提出的子空间表示和加权低秩张量正则化方法在定量和定性分析上都取得了较好的去噪效果。

摘要： 长江CAG-T08DNE红外光栅传感器由主机及从机配对组成，通过2-12束红外线对射构成一个隐形防范平面，当有物体穿越该平面，遮断红外线时，光栅探测器主机就输出报警信号。本产品专业用于门窗、通道围墙、出入口等周界防范，也可用于车辆越线检测、超高超限检测、计数检测等。

关键词： 张量环分解   低秩张量补全   LP范数   TR因子   交替方向乘子法  

摘要： 随着计算机网络和人工智能的高速发展,数据量在成倍增长的同时,很多领域的数据呈现出高阶化的特点,比如图像恢复和社交网络等,分析这些数据自身复杂的结构特性和其中蕴含的物理意义,能够带来很有价值的信息。然而数据在采集或传输的过程中会面临着数据丢失的问题,如何恢复高阶缺失数据已成为信息技术领域的研究热点之一。张量分解作为处理高阶数据的典型代表,有着独特的天然优势,许多基于低秩张量表示的模型相继被提出,并广泛的应用于人工智能、模式识别和图像分类等领域。近年来,由于张量环分解(Tensor Ring Decomposition,TR)在数据维数较大的情况下能更为充分的挖掘张量的低秩表示,保留原有张量数据的空间结构信息,而且可以有效避免高阶数据的维度灾难问题,受到众多学者们的讨论和研究。针对高阶数据缺失的问题,本文在张量环分解的基础上,研究出非凸优化的低秩张量环补全模型。具体地,本文提出两种基于L范数约束的张量环秩最小化模型,分别设计两种对应的高效优化算法,将其应用于张量数据的补全任务中,对比其他张量补全模型来验证本文提出方法的高效性。张量环核范数的模型对TR秩的近似有一定的误差,这种方法对每个奇异值都一视同仁,忽略了其物理意义,在实际应用中往往导致解的次优性。为了缓解这一缺陷,本文选取比核范数更为逼近的L范数作为秩最小化的替代,提出了一种基于张量L范数的非凸张量环秩最小化(L)模型。具体地,该方法在TR展开矩阵上施加了L范数约束,使得模型能够更加准确的逼近TR秩。与此同时,将加权奇异值阈值算法应用其中,更好的促进模型求解的低秩性。为了有效地求解所提出的非凸模型,本文采用交替方向乘子法(ADMM)对该模型实现更新优化。在大量的彩色图片和视频补全实验中,对比了多种张量补全算法,实验结果表明本文提出的L模型的补全性能指标均优于同类型的算法。此外该方法具有足够的通用性,可以推广到其他张量分解中,从而开发出更加有效和鲁棒的算法。为解决大规模张量补全时的高计算损耗问题,本文提出了基于潜在TR因子的L范数张量环(L)补全模型,将张量环秩最小化问题转化到尺度小得多的潜在TR核心上,大规模地降低了张量环秩最小化的计算损耗。具体来说,该方法通过张量环分解的操作,对每个张量TR因子展开的矩阵进行L范数的低秩约束,建立了高效的张量环秩最小化模型,有效地解决了手动地选择张量环秩的难题。与此同时,本文采用交替方向乘子法对该模型实现更新优化,在大量不同类型的数据补全实验结果和数据表明,本文提出的L算法相对于其他张量补全方法具有较优的补全效果。

关键词： 倾斜光纤光栅   耦合模理论   传输矩阵法   折射率传感   温度传感解调  

摘要： 光纤布拉格光栅(FBG)作为光无源器件当中不可或缺的一员,已经被广泛应用于光通信网络和传感领域中。倾斜光纤光栅(TFBG)的光栅栅面与光纤轴向不是相互平行的状态,正是这一特殊结构让TFBG的光谱更加丰富,因此TFBG经常被当成传感器件使用,近些年来还常常被用到传感解调的领域当中。本文在对TFBG进行理论推导之后,参考仿真过程中它的光谱特性,从实验过程当中探究了TFBG的折射率和温度传感特性以及解调系统。涉及的工作内容如下:1、从FBG的分类、发展和应用出发,展开了对TFBG相关方面的介绍。后又对TFBG的写制过程以及解调技术展开介绍。2、对TFBG的结构进行理论探究,运用耦合模理论对它的纤芯和包层模式进行了分析;接着介绍了可以用来分析不均匀光纤光栅的传输矩阵法。3、利用仿真软件对TFBG进行光谱特性的研究,探究了光栅周期、长度、倾角等自身参数改变时TFBG的光谱变化,分析了TFBG的透射光谱受不同参数的影响并讨论了参数补偿作用,后又分析了TFBG对于温度和折射率的传感特性。4、探究了TFBG的折射率传感特性,探测了它的光谱随外界环境折射率的变化规律,发现在外界折射率从1增大到1.4的过程中TFBG的透射谱会有0.1840nm的漂移。并对传统的折射率传感系统进行了改进,设计出了一种新型的折射率传感系统,两种系统的灵敏度分别为2.532mw/riu和3.95mw/riu,经过改进后的系统不引起多余损耗且灵敏度获得了较大提升,能够更好地实现一定范围内的折射率测量。5、利用TFBG作为边缘滤波器,提出了四波长通道FBG的温度传感解调系统,并且为了数据的精确以及抑制光源的不稳定性对FBG进行了封装处理,大大增加了解调系统的灵敏度,四个通道的灵敏度为0.1072 nw/℃、0.1937 nw/℃、0.2323 nw/℃、0.2987 nw/℃。后又在此基础上提出了一种新型的解调系统,该系统基于3d B耦合器级联TFBG加深透射谱的方法再次大大增大了系统的灵敏度,实验得出新系统的灵敏度分别为0.1756 nw/℃、0.4468nw/℃、0.4988 nw/℃、0.7318 nw/℃。该系统结构简单、灵敏度大大提升且解调的速率大大提高。

关键词： 变换域的稀疏和低秩   近端交替极小化算法   张量填充   高维数据复原  

摘要： 随着信息技术、通信技术、人工智能和大数据的发展,高维数据作为多维信息的载体,在各行各业中都起到了至关重要的作用。数字图像尤其是高维图像是最具代表性的高维数据。然而,高维图像在传输和存储的过程中经常会出现部分数据缺失的现象,严重影响对高维数据的后续处理。高维图像可以视为天然的张量,张量填充问题旨从观测到的不完整数据推断出未知部分的数据,已渐渐成为信号处理,图像处理,计算机视觉等领域的焦点。基于低秩核范数的张量填充的方法已在高维图像复原领域受到了广泛的关注。这类方法的核心思路是去挖掘三阶张量做沿第三维度的变换后的三阶张量的一系列正面切片的低秩性。然而,他们忽略了三阶张量不仅可以视为一些正面低秩切片的组合,也可以视为一些沿第三维的tube的组合,这些一维tube是在变换域下具有稀疏性。本文对基于变换的低秩张量核范数方法进行研究,主要研究内容如下:一、传统的基于变换的低秩张量核范数方法只考虑了变换域下正面切片的低秩性,忽略了变换域下第三维tube的稀疏性。本文提出了一种协同变换域的稀疏和低秩(CSLRT)的张量填充模型。在CSLRT中,核范数用来约束张量在学习的变换下的正面切片的低秩性,l范数用来约束张量在学习的变换下的沿第三维的tube的稀疏性。在我们的框架下,变换域下的稀疏性是作为变换域下低秩性的一个补充,二者有机结合,相互受益。进一步地,由于三阶张量的每一个维度都具有一定的相关性,我们提出了沿3个不同方向的CSLRT(3DCSLRT)模型去挖掘三阶张量沿不同维度的低秩性和稀疏性。二、由于所提出的CSLRT和3DCSLRT具有较强的非凸性,一般的凸优化方法难以对其进行求解。本文利用了多块近端交替极小化算法(PAM)对提出的非凸模型进行高效求解。在PAM的框架下,证明了算法的迭代序列是有界的,并且具有全局收敛性。在多光谱图像,灰度视频以及彩色图片三种不同类型真实数据上的张量填充实验表明,所提出的CSLRT和3DCSLRT不管是从视觉上还是指标上都优于比较的基于低秩张量填充方法。

关键词： 飞秒光学频率梳   色散干涉   长-角同时测量   频分复用   多路测距  

摘要： 面向航空航天、轨道交通、核电装备等大型复杂机电系统,对几何量的感知已从单一尺度、单一参数、离线分时测量发展到跨尺度、多参量、在线同步测量。对于激光测距的需求也从一维位移测长扩展至多目标、可溯源、灵活易拓展的多路同步绝对测长。本文利用光频梳丰富的光频信息及计量属性,以光频梳色散干涉技术为基础,研究其时频特性下的多路测距能力,并探索光频梳色散干涉多路测距在多维几何量测量中的应用,具体研究内容如下: 1.研究了光频梳色散干涉测距原理,仿真分析空气色散、重复频率抖动、数据处理算法等因素对测距精度的影响。针对光频采样非线性引入的延时干涉峰展宽问题,提出非均匀傅里叶变换方法来直接处理非均匀采样数据,可省略光谱插值重构过程,避免引入插值误差,提高数据解算精度。 2.研究了两种光频梳色散干涉测距盲区消除方法:重复频率倍增法和参考长光纤腔长调节法。仿真分析光频梳与法布里-珀罗标准具匹配时,光源、标准具参数对滤除光谱的影响,实验中将光频梳的重频从250 MHz扩增至10 GHz,验证了重频倍增色散干涉连续测距方法的可行性。参考长光纤腔长调节法采用长光纤作为参考臂,微调重频可实现干涉脉冲调节范围覆盖测距盲区,借助色散干涉快速测量和频分复用能力,引入监测臂来对长光纤光程进行实时监测和同步补偿,有效抑制长光纤漂移对测距精度的影响,实现高精度连续绝对测距。 3.提出了一种光频梳色散干涉长-角同时测量方法。将色散干涉同时探测多路光程差的能力与多平行光束干涉方法结合,采集单幅干涉图样可解算长-角变化引起的光程差。建立色散干涉测角模型,研究测距误差、正弦臂长误差等因素对测角精度的影响,通过正反测角差法标定起始零位偏角和正弦臂长,采用单套干涉系统实现轴向距离、俯仰/偏摆角度的同时测量。 4.提出了一种光频梳频分复用色散干涉多路测距方法。研究了光频梳的光谱分割策略,分析了光谱宽度、形状对多通道测距精度的影响,设计了灵活、紧凑的多路并行测距光路。以此多路测距技术为基础,多测站以互瞄自标定的方式布局了范围可拓展的位姿监测网络,与高精度导轨、转台进行精度比对,验证了该方法的位姿测量能力。

关键词： 光纤光栅   金属化封装   低温测量   温度增敏   超声波  

摘要： 光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)作为一种重要的光学传感器件,凭借其体积小、全光传输、易于复用等优势被广泛应用于航空航天、桥梁隧道、石油工业等领域。一般情况下,FBG在作为传感器使用时,需要对其进行封装处理,以达到保护和增敏的目的,常见的封装方式是利用有机胶将FBG粘接在保护外壳内,但是在特殊环境条件下,如航天环境中,有机胶封装的FBG传感器在长期使用过程中容易出现蠕变、老化等问题,并且在超低温环境下容易失效,影响传感性能。本文通过理论仿真与实验验证结合的方式,对超声波金属化封装FBG的方案进行了模拟仿真和实验封装,并测试了其温度传感性能。本文主要研究内容如下:(1)介绍了FBG在温度传感方面的应用及研究进展。研究总结了国内外金属化封装FBG的方式,分析其优缺点。对FBG耦合模理论和矩阵传输理论进行了数学推导,并对FBG进行了数值仿真,得到了FBG的反射光谱和透射光谱,分析了光栅长度以及折射率调制深度对反射光谱的影响。然后结合FBG传感机理,推导了其温度传感模型。(2)建立了两种金属化封装FBG温度传感器的理论模型。结合力学知识,对基于嵌入式和基于片式金属化封装的FBG温度传感器的温度灵敏度进行了理论推导,分析了锡基合金厚度、封装长度以及基底材料对温度灵敏度的影响,为后续设计方案提供了指导。设计了基于嵌入式和基于片式超声波金属化封装FBG的方案,采用COMSOL与MATLAB结合的方式,对其进行模拟仿真,研究两种方案封装的FBG传感器在超低温下的温度传感性能。(3)对FBG进行了基于嵌入式和片式的超声波金属化封装。使用封装后的FBG传感器进行温度传感实验,结果显示两种封装方式得到的FBG传感器的温度灵敏度分别为封装前的3.52倍和3.73倍,验证了理论模型;基于嵌入式超声波金属化封装的FBG传感器具有良好的波长稳定性;基于片式超声波金属化封装的FBG传感器温度冲击响应时间约为2.516 s。同时,探究了不同金属基底对基于嵌入式超声波金属化封装的FBG传感器温度灵敏度的影响,以及不同金属基片厚度和不同种类金属基片对基于片式超声波金属化封装的FBG传感器温度灵敏度的影响。