成像系统

成像系统（精选十篇）

成像系统 篇1

关键词：激光雷达,三维成像,双光楔扫描

前言

成像激光雷达以激光为辐射源, 通过对目标进行照射并探测回波信号, 主动获取目标空间信息和物理信息。它具有垂直分辨率高、抗干扰能力强, 可以同时获取目标的距离像和强度像, 具有被动光学遥感无法替代的作用。

成像激光雷达按工作模式可分为扫描成像和非扫描成像激光雷达。非扫描成像系统适用于面阵探测器和线阵探测器, 受制于探测器限制, 传统的成像激光雷达多采用扫描成像方式, 以此实现较大幅宽。激光雷达扫描系统是扫描成像激光雷达系统的关键部件, 要求扫描系统具有较高的稳定性和可靠性。其主要指标包括:扫描速度、扫描范围、精度和稳定性。对航天星载激光雷达来说, 希望激光光束实现低转动惯量、高频率、匀速扫描[1]。

一、常用成像扫描系统介绍

目前常用扫描系统分为机械式和非机械式两大类。非机械式扫描主要包括:电光扫描、声光扫描、压电扫描。机械式扫描主要包括:转镜扫描、振镜扫描、45°反射镜扫描、旋转光楔扫描、全息光栅扫描、光纤扫描。机械式扫描系统具有转速高、扫描角度大、工艺成熟等优点, 是目前使用最广泛的扫描系统[2,3]。

1.1非机械式扫描

1.1.1电光扫描。电光扫描是应用偏转器材料折射率变化产生的一类电光效应来实现偏转扫描。数字电光偏转器根据不同的数字信号, 加载不同的电压, 改变偏转器的折射率, 控制出射光点置于两个光点位置中的一个位置上, 从而获得所需的扫描线。

电光扫描为无惯量扫描, 扫描速度快、效率高, 但其电路复杂、价格昂贵、光能利用率低、扫描视场小、扫描均匀性差, 技术不成熟。

1.1.2声光扫描。声光扫描是利用激光束在折射率周期性变化的声光材料中的衍射现象实现。经过声光偏转器, 出射光束的衍射角随着加载的载频的变化而变化。由于声光衍射的效率低, 造成光能量的巨大浪费, 声光扫描器的速度相对较慢, 它同电光器件一样, 用做雷达扫描系统的偏转器正在探讨之中, 目前无此方面报导。

1.1.3压电扫描。压电陶瓷在电压控制下其位移可达到纳米精度, 因此可以实现精密的位移控制, 并且具有较大的输出力。传统的压电光学扫描器采用压电陶瓷驱动器直接驱动, 扫描器频率较高。但由于压电陶瓷驱动位移小, 扫描角度小, 而且存在迟滞特性, 限制了其应用领域。

1.2机械式扫描

1.2.1转镜扫描。主要包括一个多面棱镜和一个驱动马达。转镜通常做成正棱柱体或棱锥体的形状, 各侧面都加工成反射镜面, 其工作原理基于平面镜的反射特性实现偏转。

转镜扫描系统的特点是转速高、扫描角度大、扫描点比较均匀且技术较为成熟[4,5]。在高速扫描系统中得到广泛应用, Riegl公司的成像激光雷达多采用此种扫描方式。其缺点主要有:扫描线性范围小、加工工艺复杂。

1.2.2振镜扫描。振镜属于小惯量扫描器, 它由反射镜、扫描电机和伺服电路组成, 通过冲击式有限转动伺服电机转动控制反射镜的偏转角度, 伺服电路实现对扫描电机的控制和驱动, 进而完成电机轴上反射镜的精确定位[5]。振镜扫描能产生高保真度的正弦扫描以及锯齿、三角或任意形式的扫描。其扫描机构体积小, 扫描效率高, 稳定性好, 扫描范围广, 对光学系统的像差影响小, 但在高速扫描时边缘视场附近扫描精度差, 并且由于电机负载的限制, 通常负载的反射镜片较小, 不适合作为宽波束扫描器件。

振镜扫描是比较成熟的扫描系统, Leica、Optech和NASA开发的LVIS激光雷达采用此种扫描系统。国内研制的空间站交会对接激光雷达、直升机防撞激光雷达和高分辨率成像激光雷达也采用此种扫描系统。

1.2.3 45°反射镜扫描。45°镜是将镜面与电机转轴呈45°夹角固定。扫描点轨迹为椭圆。与其他扫描系统相比其扫描视场大, 光学口径利用率高, 光学稳定性好, 而且镜面尺寸不受扫描角度影响, 控制相对容易。缺点是扫描效率偏低, 测点分布不均匀, 数据处理麻烦, 同时在扫描过程中会产生像旋现象, 造成轴外视场无法配准。此种系统在海洋激光雷达中应用较多, AHHB公司和我国研制的机载激光遥感集成系统采用了此种扫描系统[5]。

1.2.4旋转光楔扫描。旋转光楔扫描是应用光的折射原理来实现光束的偏转, 扫描速度快, 视场角可达40°×40°, 但由于光发生折射时存在色散现象, 因此像素分布不均匀。激光雷达系统中还常采用双光楔及多光楔组的扫描系统, 其优点是扫描系统处于平行光路中引起的像差较小, 对动力环境的要求较低, 满足星上环境的要求。主要问题是收发望远镜像差设计难度较大[6]。

1.2.5全息光栅扫描。全息光栅扫描是以全息术为基础的激光扫描。它类似于通常的多面镜扫描那样需要一个机械运动去改变激光光束的偏转, 又象声光偏转那样应用光学衍射原理而不是反射原理。它能够提供多方位和多焦距的扫描, 满足一些特殊应用的需要, 其结构简单、扫描视场大、惯性小, 但其衍射效率较低, 并容易对收发隔离产生不利的影响[6]。

1.2.6光纤扫描。光纤扫描采用MEMS摆镜+光纤扫描组合, 以空间维替代时间维的思想来实现大视场扫描。其优点是结构尺寸小, 扫描速度快, 扫描点分布较规则;缺点是采用光纤耦合系统时, 光学系统的设计和实现、扫描同步控制等都是难点。目前商用的激光雷达只有德国Top Sys公司的部分产品使用此种扫描系统。

二、星载激光雷达成像扫描系统设计

对航天星载激光雷达来讲, 希望实现低转动惯量、高频率、匀速扫描, 并且重量、尺寸、功耗、可靠性、灵活性都有一定的限制。由于成像激光雷达接收口径巨大, 扫描角度小, 只能采用像空间扫描系统。为不引入多余角动量, 设计了如图1所示的双光楔扫描系统。该扫描系统由两个相同的光楔组成, 共同由一个电机驱动, 由两个锥齿轮带动旋转, 上下两个光楔作等速反向旋转, 使两个角动量相互抵消。扫描角度范围和地面扫描光斑较容易确定。确定过程中需引入扫描半角的余弦和两块扫描光楔的初始相对相位值。在初始时刻t, 接收机的视场角所对应的瞬时位置由下列方程来确定:

式中, 是卫星相对于地球的速度的X轴向分量, ω是光楔的旋转角速度, 为实现扫描和补偿共轴化, 每个光楔又分成内外环, 中心区域用于发射, 随着光楔的转动形成扫描, 外环区域用于接收;为补偿渡越时间扫描产生的位移, 外环区域光楔的相位总比中心区域光楔滞后一定角度;为补偿飞行方向上固定的滞后位移, 在中心区域还需设置光学修正元件;上下两个光楔设置不同的相位差可以形成不同的扫描轨迹, 当两个光楔相位差设置为90°时, 扫描轨迹为直线。

三、发展趋势与关键技术分析

3.1发展趋势分析。目前, 成像激光雷达大多采用机械式扫描系统, 但此种扫描系统用于星载探测还存在一些问题。一方面, 这种扫描系统存在活动机构, 系统可靠性低, 活动机构也会引起卫星微振动;另一方面, 因为卫星飞行速度快, 覆盖宽, 为实现高分辨率成像, 需要满足高采样点密度, 激光发射频率必须非常高, 同时需要高可靠、高精度的扫描控制机构。需要匹配好发射和接收的滞后关系, 解决好穿轨扫描和沿轨飞行的位移问题, 需要多个校正元件和补偿结构来实现。

随着大规模多元线阵和面阵探测器的发展, 无活动机构的推扫式成像系统成为未来星载成像激光雷达的发展趋势和方向。

3.2关键技术分析。对推扫式激光雷达成像系统来说, 需要解决以下关键技术:1) 高可靠、高重频、高效率、大功率、高光束质量固体激光器技术;2) 高功率激光均匀分束技术;3) 大规模线阵、面阵单光子探测器阵列技术;4) 高精度装调、检测、标定技术;5) 大规模数据采集、传输、存储技术;6) 全波形处理、存储技术;7) 激光三维探测的反演和处理方法等问题。

四、结论

随着大规模线阵探测器的发展, 成像激光雷达由扫描式向推扫式发展, 美国的LIST研究计划代表了最先进的对地探测激光雷达发展方向。

对我国星载成像激光雷达来说, 应该结合国内现状与未来发展趋势, 充分借鉴美国下一代测绘激光雷达的发展, 通过多轮地面、机载和星载的验证, 先易后难, 分步发展, 循序渐进。第一步先采用扫描式成像系统, 随着技术发展和关键技术的解决, 逐步采用推扫式成像系统。

参考文献

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[6]Geary K.Schwemmer, Richard D.Rallison.Popular summaryholographic optical elements as scanning lidar telescopes[M].

紫外成像系统的作用距离模型 篇2

紫外成像系统的作用距离模型

作用距离是紫外成像探测系统的核心指标之一.而在紫外成橡系统中,噪声的存在干扰了有用信号的探测,减少了系统的作用距离.本文首先介绍了探测器件的成像原理,然后从信号和噪声的统计特性出发,详细推导了虚警概率与门限信噪比,探测概率与信噪比的.关系.最后对系统的信噪比进行了估算,并基于此推导了紫外成像系统作用距离的数学公式.从而为系统设计和性能评估提供了理论参考.

作 者：赵玉环 王勤 张利伟 万丽英  作者单位：赵玉环,王勤,张利伟(河南理工大学物理化学学院物理实验中心,河南焦作,454000)

万丽英(大连外国语学院软件学院,辽宁大连,116044)

刊 名：科技创新导报 英文刊名：SCIENCE AND TECHNOLOGY INNOVATION HERALD 年，卷(期)： “”(14) 分类号：V556.5 关键词：紫外告警   紫外探测   像增强器   探测能力  

幻影成像教学系统的开发与研究 篇3

摘 要：基于现有的幻影成像视频源不可控的使用性限制，使得幻影成像只能以固定的方式进行播放。因此，项目以3DVIA Studio为仿真平台开发一套可控3D动画系统，并且与幻影成像系统结合，实现幻影成像视频源的可控性，并应用幻影成像系统对发动机复杂结构原理进行展示。以3DVIA Studio作为实验平台，运用行为设计、流程图编程开发方式实现人机交互功能，依靠Virtools Scripting Language （VSL）编程语言进行画面分屏处理，然后与幻影成像系统结合，实现现实景物与虚幻3D动画融合和可控幻影成像视频源的开发，应用于教学进行生动展示实现高效率教学。

关键词：幻影成像；3DVIA Studio；融合；可控性

中图分类号：TP393 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2016）09-0085-03

引言

3D动画结合幻影成像系统近年来发展颇为迅速[1]。上海世博会多个国家馆中都对这一系统结合3D动画进行了媒介融合的实践与智能推介。两者的融合实践在表现方式上具有明显的创新性与灵活性，其亦幻亦真的感觉，带给了观众全新的视觉体验。目前国内还停留在对幻影成像系统或是3D动画创作单项层面的研究，没有对3D动画和幻影成像两者之间进行有效的资源整合，可以说对国内目前这一领域的理论与技术的研究还处于初级低层次的状态。因此，本文以3DVIA Studio为平台制作可控动画，实现幻影成像视频源的可控性，与幻影成像设备相结合，以带给观众亦真亦幻的视觉体验，并且与教学系统相结合实现动态展示复杂发动机结构的生动教学，提高对于抽象结构的高效率教学。

一、幻影成像的概念及成像原理

幻影成像也称三维立体虚拟成像[2]，是澳大利亚The Shirley Spectra公司的一项针对博物馆、科技馆、展览馆等进行创意和制作的国际领先的全新展示技术，是基于“实景造型”和“幻影”的光学成像结合，将所拍摄的影像（人、物）投射到布景箱中的主体模型景观中，构成了动静结合的影视画面，演示故事的发展过程使之获得一种“立体幻影”与实物模型结合及相互作用的逼真的视觉效果，配上三维声音、灯光、气味、烟雾等，使其更加惟妙惟肖，非常适合博物馆。

幻影成像是一种将三维画面悬浮在实景的半空中成像，营造了亦幻亦真的氛围，效果奇特，具有强烈的纵深感，真假难辩。形成空中幻象中间可结合实物，实现影像与实物的结合。

二、制作过程

先是利用三维建模软件对物体建模，然后利用3DVIA Studio中BB模块编写流程控制图，然后是幻影成像源开发的核心部分，对屏幕使用VSL语言进行分屏操作，最后则是与幻影成像设备结合，实现可的幻影成像源的开发。

1.模型前期准备

通过一般机械CAD软件建立的三维模型基本都可以用SOLIDWORKS打开，进行添加材质、贴图、渲染等操作后，导出为3dxml格式即可导入到3DVIA Studio中，然后再3DVIA Studio进行行为方式的编辑[3]。

大涵道比涡扇发动机，结构设计和强度振动技术要求较高，特别强调提高结构效率，结构在满足全部使用的条件下，重量最轻、结构可靠，成本最低。适度低展弦比的宽弦空心结构的风扇叶片不仅具有先进的气动性能和抗振能力，而且可以明显减轻结构重量和减少零件数量，增加级负荷，提供较大的失速裕度，较高的效率。宽弦空心风扇叶片是大涵道比涡扇发动机的一个技术方向[4]。由于宽弦空心风扇叶片叶型曲面的复杂结构，一般建模软件不易实现，所以我们选用了CATIA、UG曲面建模好的软件进行建模。通过UG进行曲面设计，最终的叶片实体模型（如图2所示）真实地反映了发动机宽弦空心风扇叶片的复杂结构。图3是在SOLIDWORKS中渲染得到的。

2.3DVIA Studio编写行为流程

3DVIA Studio中的Building Blocks功能是用逻辑图来实施所编写的behavior Tasks和Functions。一些常用的Building Blocks已经封装在3DVIA Studio中。用户还可以使用逻辑图或者VSL语言来编写所需要的Building Blocks。这些预封装的Building Blocks一部分来源于现有的API函数，另一部分则来源于编译后的VSL和C++源文件。

如图4，利用3DVIA Studio中的BB编写的动画控制逻辑图，我们根据自己的需要选择控制动画的方式，并通过逻辑关系来实现所需动画，每个BB都会有几个不同的连接借口，不同的逻辑思路和不同的连接方法做出的动画结果是千变万化的。图中连接方式所实现的效果是对模型物体进行大小变化的模块，Keep Active用于使后面的Building Blocks组件在整个程序运行的过程中始终保持激活状态，keyboard是用来监视键盘输入的模块，只要是键盘输入、输出的动作都需要用keyboard这个BB来对键盘进行激活控制。在这个逻辑图中，也就是使监控键盘的Is Key Press一直监控某一个具体按键的输入，经过流程后用Add和Subtract两个BB来控制物体大小。

3.VSL编写分屏代码

在搭建可控幻影成像视频源的过程核心技术就是要实现视频源的四个摄像机所录制的视频实时可控性，四个摄像机要动作协调一致，摄像机的位置也要经过严密的计算使得距离物体的距离是一致的。下面是利用VSL脚本语言编写的分屏程序的部分核心代码：

// Match a specific existing camera

if（CameraToMatch）{

stereoCam.SetWorldTransform（CameraToMatch.GetWorldTransform（））；

stereoCam.SetFov（CameraToMatch.GetFov（））；

stereoCam.SetNearClip（CameraToMatch.GetNearClip（））；

stereoCam.SetFarClip（CameraToMatch.GetFarClip（））；

}

//active stereo

if（ StereoType == StereoSubType：：ActiveStereo ）

{

vkRenderOptions& ropt = vkRenderOptions：：Instance（）；

ropt.stereo = true；

}

else if（ StereoType == StereoSubType：：SideBySide ）

{

// Split main viewport into left and right viewport

viewport.SetSubViewportCount（9）；

// Set left and right camera to corresponding viewports

viewport.GetSubViewport（0）.SetCamera（A）；

viewport.GetSubViewport（1）.SetCamera（B）；

viewport.GetSubViewport（2）.SetCamera（C）；

viewport.GetSubViewport（3）.SetCamera（D）；

viewport.GetSubViewport（4）.SetCamera（E）；

viewport.GetSubViewport（5）.SetCamera（F）；

viewport.GetSubViewport（6）.SetCamera（G）；

viewport.GetSubViewport（7）.SetCamera（H）；

viewport.GetSubViewport（8）.SetCamera（I）；

4.原理与分屏效果

在3DVIA Studio 中采用VSL脚本语言编程将屏幕分割成九个大小相同的区域，如图5，在模型前后左右四个面调整设置相应的摄像机进行图像的录制与输出，然后再利用幻影成像膜做出金字塔形状的成像金字塔。成像金字塔的四面均与视线成45度角，将视频或者是3D动画程序在屏幕上进行播放，光线直接投射在倾斜的成像金字塔侧面，通过幻影成像膜的反射使光的路线发生转折并进入人的眼睛里，视网膜感光后会沿着光的路线去看，通过透明的幻影成像膜的将屏幕中的四个面的图像融合成一个整体投影在成像金字塔内部，在成像金字塔内部呈现出立体的3D模型。系统采用3DVIA Studio实时可控动画编程，使用四个位置的摄像机分别进行前后左右面的实时情况，使用者可以自己任意控制转动模型，变换模型角度进行观察，实现了可控的3D动画系统。

目前采用幻影成像膜的是因为膜的厚度较小，透光性和折射性好，而且采用膜比较容易成型，但是膜的强度不够容易产生变形而导致形成的幻影也就会发生畸变；若是采用硬度较强的玻璃作为介质的话，一来玻璃不容易加工，二来由于玻璃有一定的厚度，光路在玻璃中会产生一次折射和两次反射，从而会导致有重影的现象产生。

如图6，播放器放置在幻影成像金字塔上方，则会有人物、物体悬在半空中的亦真亦幻的感觉。可以与实际景物相结合，如图8中可以看出渲染后的叶片仿佛是放置在圆柱体凸台上，圆柱体凸台为实物，是用来放置叶片当作叶片支撑的，而且可以与后面的背景融合，实现了实景与虚物的融合。采用幻影成像膜是为了避免了重影问题，当然，现在也已经研制出了专门用来制作幻影成像设备的玻璃，但由于其价格昂贵，项目则仍然采用幻影成像膜。

三、可交互幻影成像系统的应用

应用可控幻影成像系统可以揭示复杂的现象规律、解释一个科学原理、展示发动机复杂的结构、讲解发动机工作原理、介绍新科技产品，适合表现细节或内部结构较丰富的个体物品等。尤其可以进行虚拟发动机的教学，以直接的裸眼3D模型讲述发动机的复杂结构，运用3DVIA Studio中的动态物理模拟系统可以生动的展示发动机工作原理和发动机工作时各个系统的作用，以三维影像展示给学生立体的感觉，提高教学效率，加深学习印象。

参考文献：

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[3]邹鹏程，朱文华，陈九龙.基于3DVIA Studio的生产线仿真研究[J].工业控制计算机，2013（8）：38-39.

成像系统 篇4

关键词：红外成像系统,微扫描,像素相关度

0 引言

红外成像技术以其较强的抗干扰、反隐身能力,以及较高的目标识别率和制导精度等优势,成为现代精确制导武器的核心技术。红外成像制导技术的关键在于红外目标的检测识别,从而要求红外成像系统具有较远的作用距离和较高的成像分辨力。提高红外成像系统分辨力的方法主要是增加成像探测器阵列的规模,减小探测器单元的几何尺寸,提高探测器阵列的占空比等,但这些都受到探测器制作材料和工艺水平的限制[1];而微扫描成像技术则可以在不改变单元尺寸和探测器阵列规模的条件下,通过减小有效的单元中心距而增加采样频率,减少图像的频率混叠效应[2],明显提高成像系统的分辨力。

1 微扫描成像技术

微扫描成像技术是一种对同一场景进行多次采样,按照成像模式将多幅相互之间有微小位移的时间序列低分辨率图像重建为一幅高分辨率图像的技术。微扫描成像技术根据微位移的产生途径不同可分为可控性微扫描和不可控性微扫描;根据驱动方式的不同可分为电机驱动微扫描和压电陶瓷驱动微扫描;根据成像模式不同可分为单次采样微扫描、2×2、3×3、4×4微扫描等[3]。图1为含可控性微扫描装置的红外成像系统示意图,与一般红外成像系统相比,主要区别在于增加了微扫描控制器以及相应附加的后续信号处理部分。

2 微扫描成像重建算法

欠采样频谱混淆是红外焦平面成像系统普遍存在、且难以避免的问题,低采样频率会直接导致成像的分辨率下降,边缘细节模糊,出现锯齿化现象。微扫描作为一种有效抑制欠采样频谱混淆的技术,能够很好地提高红外焦平面成像的分辨率,改善红外成像系统的成像质量,大大提高系统的性能[4]。在微扫描成像过程中,采样场景是不移动的,只是焦平面探测器相对固定场景产生微小的位移[5],根据微扫描的成像模式,以经过光学系统聚焦后产生的理想图像作为输入,通过实现相应的亚像素位移,获得同一场景的低分辨序列图像[6,7],进而由重建算法恢复成较高分辨率的图像。本文以2×2模式微扫描为例,重点研究微扫描成像的重建算法,如图2所示为2×2模式微扫描及重建过程示意图。

2.1 基于成像模式的直接重建算法

假设经过光学系统聚焦后产生的理想图像为o(i,j)(i,j=1,…,256),利用单元尺寸为2×2的128×128元探测器阵列按照图2中的扫描顺序,先在初始位置停留扫描,然后依次向右、向下、向左移动1个单元尺寸并进行相应的停留扫描,相应得到4幅低分辨率图像f(i,j)、g(i,j)、h(i,j)和k(i,j),(i,j=1,…,128),忽略微位移误差,根据上述的微扫描顺序直接对各低分辨图像像素进行组合重建,便可得到分辨率提高一倍的高分辨率图像P(i,j),(i,j=1,…,256),具体算法如式(1)所示。

2.2 基于像素相关度插值的重建算法

由于红外成像系统微扫描产生了一系列相关的低分辨图像,基于超分辨率重建(Super Resolution)的思想,利用各像素自身的相关度对第一帧低分辨率图像f进行加权插值重建[8],并结合剩余的三帧低分辨图像对其修正,得到最终的高分辨图像。

2.2.1 像素相关度

像素相关度是指像素自身与其邻域像素的相关程度,首先由式(2)求得低分辨图像中各像素与其邻域像素的平均灰度插值D(i,j),并对其作归一化处理;然后由式(3)得到各像素相关度。像素灰度差值越大,说明该像素与其邻域像素的相关程度越小,该像素为噪声点或者边缘点的可能性越大;相反,则说明该像素与邻域像素相关程度越大,属于同一类区域的可能性越大。

2.2.2 加权插值

将第一帧低分辨率图像f插值复制到高分辨图像P¢(256×256)的相应位置P′(i,j)(i=1,3,…,255;j=1,3,…,255),根据已有各像素的相关度,分三种情况对其进行加权插值:

1)行间插值

其中:i=1,3,…,255;j=2,4,…,254。

2)列间插值

其中:i=2,4,…,254;j=1,3,…,255。

3)对角双向插值

其中:i=2,4,…,254;j=2,4,…,254。

对于上述插值算法得到的高分辨率图像P′,其最右侧和最下侧的边界值P′(i,j)(i=1,2,…,256;j=256)和P′(i,j)(i=256;j=1,2,…,256)采取邻近赋值的方法得到。

2.2.3 对比修正

为了充分利用红外成像系统微扫描所产生的信息,将插值得到的准高分辨率图像分别与其他三帧低分辨图像进行对比修正[9],从而得到更为精确的高分辨率图像。下面以第二帧低分辨率图像为例进行说明:

如果|P′(2i-,12j)-g(i,j)|≤e,即微扫描得到点的像素与插值得到点的像素相差不大,微扫描误差较小,那么:

否则,微扫描则存在一定误差,该点为孤立噪声点的可能性较大,取两者的平均对其削弱:

误差阈值e的选取,对于修正的结果至关重要,实验证明,在此取像素的平均误差比较合适。

同理,将上面修正得到的高分辨率图像再分别与第三、第四帧低分辨率图像h和k进行对比修正,得到最终的高分辨率图像P。

3 仿真实验

为了验证上述算法的有效性,实验以仿真生成的理想红外图像作为红外成像微扫描系统的输入,图像大小为256×256,假设探测器占空比为100%,光敏元尺寸为2×2,利用图像像素处理法对2×2模式的微扫描进行模拟仿真。

由于真实红外成像微扫描系统图像的生成要受到温度以及探测器光敏元灵敏度等方面的影响,仿真实验中叠加了一定程度的高斯噪声(v=0.002)和椒盐噪声(d=0.005),以增加实验仿真的置信度。仿真图像如图3所示,可以看出,微扫描单次采样图像目标边缘模糊,存在明显的锯齿化现象,噪声影响严重;最近邻插值图像分辨率有所提高,但依然存在较为严重的锯齿化现象和噪声影响;基于成像模式的直接重建图像目标边缘较为清晰,锯齿化现象得到改善,但噪声并未减弱;而本文提出的基于像素相关度加权插值的重建图像目标边缘清晰,不仅消除了锯齿化现象,还抑制了噪声的影响,重建效果最好。

为了更客观地分析各种算法的重建效果,引入图像峰值信噪比RPSNR和均方误差eMSE两项重要指标[5],其定义式:

其中:f(i,j)表示源图像点灰度值,表示重建图像点灰度值。表1的实验数据显示,本文提出的基于像素相关度插值重建算法得到图像的RPSNR最大,表明图像的失真程度最小,与输入图像的相似度最大,从而证实了我们上面的主观评价。

4 结论

本文在介绍了红外成像系统微扫描技术及成像过程的基础上,重点对微扫描成像的重建算法进行了研究,提出了基于像素相关度插值的重建算法,并对其进行了实验仿真,结果表明新算法得到重建图像的峰值信噪比较基于成像模式的直接重建算法提高了1.82 dB,均方误差降低了34%,重建效果明显提高。

参考文献

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成像系统 篇5

关键词:单片机;CCD;可控化;图像采集

基金项目:教育部留学回国人员科硕启动基金(GGRYJJ07-2)0 引 言光学成像系统是将光学信息转化为人们更易处理的电子信息的重要工具,特别对于智能监控、医学诊断及消费电子领域,其重要性就更大。随着成像系统功能的复杂化,摄像机的便携易控性成了设计中需考虑的重要要素。自从1969年Willard S.Boyle和George E.Smith发明电荷耦合器(CCD)以来,它一直就是光学成像系统的首选传感器。相对于目前发展快速CMOS图像传感器,它仍然具备噪声低,动态范围高的优点。而CCD的模拟前端决定了采集信号的质量,对整个系统信噪比有着决定性的影响,因此对它的噪声抑制是设计中的重点[1]。完成各种图像处理功能的模块是成像系统的核心,针对低照度视频信号成像[2]的设计要求,采用专业信号处理芯片进行各种处理,通过单片机(MCU)对信号处理芯片(DSP)进行参数配置,以完成各种复杂运算功能的控制,简化了系统的逻辑设计,使其具有良好的可控性。系统组成该系统由CCD、模拟前端AFE(包括相关双采样CDS和自动增益控制AGC)、信号处理模块、微处理器模块以及模拟数字输出模块等组成。系统框图如图1所示。

图1 CCD成像系统框图

图中CCD传感器是整个系统的基础,外部光学信号通过光电转换才能进行各种处理。传感器输出模拟信号将经前端放大,以差分输入的方式进入AFE,然后通过一系列模拟信号的降噪放大处理(CDS,AGC),进入信号处理模块进行各种运算处理。信号处理模块是连接CCD输出和后端通用设备的桥梁,专业信号处理芯片提供了大量视频处理运算功能和多种视频输出格式,为后续处理带来了方便。通过DSP的各种处理,得到设计要求的色度、亮度和饱和度图像,最后输出与终端格式兼容的模拟或者数字信号。模拟输出可以直接与监视器相连,数字输出可以通过FPGA,ASIC等器件与VGA,DVI接口显示器相连。模拟前端模块

CCD读出电路的噪声主要包括读出电路中所用器件的固有噪声,以及因电路结构、电路工作方式引入的附加噪声[3]。主要有1/f噪声[4]、KTC噪声[5]和固定平面噪声[6],这些噪声限制了图像传感器的动态范围,降低了信噪比。在读出电路中,相关双取样技术(CDS)是目前应用最广泛的噪声抑制技术。由于一个像元传输时间中的复位噪声是相关的,相关双取样电路(CDS)可以利用信号相减的运算关系来消除或消弱信号里的1/f噪声、KTC噪声和固定平面噪声,从而可大大提高系统的信噪比。自动增益控制电路(AGC)可以使放大电路的增益自动地随信号强度而调整,使图像信号的亮度平稳,特别是低照度环境里微弱光信号的放大。但不足的是它也会放大低照度条件下的暗电流,降低图像质量。另外,模拟前端带宽的合理选择可以对系统噪声和系统调制传递函数进行折中,以满足应用的需求。目前有两种AFE设计方法,一种是采用分立元器件实现,另一种是采用集成AFE芯片实验。随着AFE芯片的成熟,其内部还集成了暗电流校正电路,各项指标远高于一般分立元器件搭建的电路,并且调试简单。该系统选择的集成AFE是CXA2096N,是专门为数字摄像机而设计的,内部包括相关双取样电路(CDS)、自动增益控制电路(AGC),为A/D转换器提供的参考电平以及采样保持电路,其自动增益变化范围为-0.8~31.3 dB[7]。信号处理模块

3.1 视频处理芯片本文选择的信号处理芯片是SONY公司的CXD3172AR。该芯片内建10位高精度A/D转换器,具有自动白平衡、自动曝光、自动黑电平校正和缺陷补偿等功能,并能产生驱动CCD的时序脉冲,能够输出PAL/NTSC制式的模拟信号和ITU656格式的数字信号[8],其控制方式有2种:通过RS 232接口用PC机软件控制;通过MCU通用管脚直接用硬件控制。因为MCU的传输总线不属于通用的I2C和SPI总线,所以参考芯片资料,设计了与MCU的通信接口。该芯片支持的最大传输速率为400 Kb/s;使用PC机软件仅支持19.2 Kb/s,且不能完全利用该芯片的带宽,软件控制还必须依赖PC机,不利于携带。在该系统中,采用纯硬件控制方式实现的DSP功能,具有快速灵活的特性。

以CXD3172AR为核心组成信号处理模块的外围电路主要有电源、时钟、视频输出接口和控制通信接口。

3.2 时钟产生电路

CXD3172AR需要产生驱动CCD的时序脉冲,其主时钟将影响整个系统的正常稳定工作。该系统选择的CCD兼容PAL制式色彩摄像机,总共像素为795(H)×596(V),系统要求28.375 MHz的时钟驱动系统和27 MHz的时钟驱动编解码器。为了有稳定的时钟源,采用锁相环路(PLL),用一个高稳定性参考源的一个分频和VCXO的一个分频进行相位比较,产生一个误差变化电压,给VCXO进行环路负反馈,从而使输出频率更稳定[9]。设计VCXO输出28.375 MHz时钟和石英晶振回路输出27 MHz时钟,系统产生的水平同步信号频率为15.625 kHz,其与VCXO的分频进行相位比较,PCOMP引脚输出相位比较结果,判断是否相位锁定。

3.3 电源电路

系统需要4组独立电源,其电压分别为:3.3 V,5 V,15 V,-7 V。基于便携性的考虑,采用9 V直流电压作为电路板的输入,通过线性稳压电源芯片LT1117-3.3和LT1117-5得到3.3 V和5 V电压,选择TPS65131得到15 V和-7 V电压。TPS65131能够输出正负双电压,非常适用于便携性设备。4组电源的输出端分别通过LC低通滤波器,就能为系统提供高精稳定的直流电源。

3.4 视频输出电路

CXD3172AR能输出PAL制式的模拟信号,其输入端口采用电流输出结构,通过电阻产生信号电压,但是由于系统噪声的存在,特别是模拟地和数字的干扰,信号走线长度,元器件布局等因素,对输出端可以增加一级滤波器,以提高信噪比。对于亮度信号而言,芯片内部在输出端已集成了LPF,故只需对色度信号进行处理。设置DSP输出Y/C分离信号,视频信号的带宽一般为6 MHz,色度信号副载波频率为(4.43±1.3 MHz),图2是色度BPF的频率特性图。亮度信号和通过BPF的色度信号进入视频信号混合放大器NJM2274,其输出阻抗为75Ω,放大后的信号可以直接输入监视器。

3.5 MCU-DSP通信

DSP处理功能可以通过MCU或软件进行控制。

将DSP各控制参数通过特定的通信协议传输到DSP189第2期颜 豪等:一种基于单片机的可控成像系统设计内部寄存器或者外部E2PROM保存,以使其实现视频信号的各种处理功能。这里的MCU为STC的STC89C52RC芯片,并且外搭基本硬件电路,使其成为最小系统。DSP控制参数有635 B,在调试的时候,可以存入DSP的寄存器组以便修改,调试完成之后,优化的参数可以存入E2PROM,使得下次掉电复位后可以继续使用。

图2 BPF频率特性

在通信过程中,一个通信协议包传输的字节数是可变的,最高可达32 B。DSP接收到一包数据后分析它,执行控制命令,完成1次通信。一个通信包由起始字、命令字、地址字和数据字组成。因为DSP内部寄存器数量有限,在执行完上次命令之前,不会再接收任何其他控制命令。该过程被称为“通信禁止周期”,并且此时,芯片返回一个确认数据,该数据可能是写应答信号、读取数据或者通信错误代码。它的片选信号、时钟信号和输入/输出信号格式如图3所示。

图3 通信协议格式

3.6 MCU与DSP的接口在不同硬件接口之间进行数据通信时必须保证其逻辑电平一致,不然通信过程中将出现各种不可预料的错误。该设计中, CXD3172AR主供电电源VDD是3.3 V,其逻辑高电平大于等于0.7VDD,逻辑低电平小于等于0.2VDD,它们属于LVTTL电平。通用MCU管脚一般是TTL电平,所以两者之间的通信必须经过电平转换,这里选择SN74ALVC164245作为电平转换器。SN74ALVC164245有2组独立电源端口,分别将其与MCU和DSP各自的主供电电源相连。这样,就能通过电平转换器将3.3 V系统和5 V系统连接起来。仿真和调试

图4是软件仿真图,输入数据是低位先传,每个字节有8位,字节之间延迟1个时钟周期,DSP在时钟上升沿采样输入数据,在时钟下降沿输出数据。选通信号XCS为低电平有效,为了满足系统的一定时序冗量,在DSP处理时间内(即通信禁止周期)强制将XCS置高。

由于是软件仿真的原因,DO没有波形。但是为了能够测试通信是否成功,在程序里添加回读显示功能,通过4个7端数码显示管显示2个16进制回读数据,判断是否通信成功。

图4 程序仿真图

同时,参考DSP的几个基本功能,将其控制参数保存在程序代码中,通过外部开关的选择,MCU的P1端口读出其电平,实现各种功能的控制,其功能见表1。

表1 功能列表

Interface FunctionP1.0~P1.2 AWB ModeP1.3 Color Rolling ControlP1.4 Black Light CompensationP1.5 AE SwitchingP1.6 Flickerless SwitchingP1.7 AGC Switching完成电路板中各部分的设计以及调试后进行实验,其结果表明,MCU-DSP通信正常,可满足时序及功能要求。结 语

采用专业信号处理芯片及单片机实现了可控成像系统设计,完成了电路板的调试和功能实验,为后续数字信号处理提供了源图像信号。该系统具有电路实现简单可靠,功能控制方便,能够输出多种视频格式信号,具有简易灵活性。目前,将该系统已使用于低照度环境下的帧间滤波技术采集系统中,效果很好。

参 考 文 献

成像系统 篇6

关键词:电阻率层析成像 ERT ActiveX MatlabLabVIEW

中图分类号:TM1文献标识码:A 文章编号:1007-3973(2010)06-080-02

1引言

电阻率层析成像技术(ERT)是近年来发展起来的一种新型的成像技术,它采用空间敏感阵列电极,通过施加激励电流并测量边界电压以建立敏感场和获取物场信息,运用图像重建算法再现物场内部的分布状况,从而得到场内物质的分布及其随时间的变化规律,实现被测物场的可视化测量.由于其非侵入性,同时结构简单、设备成本低廉,目前已在医学、地球物理、矿藏探测等领域得到了应用.

LabVIEW是美国NI公司开发的图形化编程的虚拟仪器软件平台,其用户界面丰富灵活,非常容易和各种数据采集硬件集成,可广泛用于工业控制、测量、仿真等;而MATLAB是美国MathWorks公司开发的面向工程和科学运算的交互式计算机软件,拥有强大的数据处理功能,应用领域广泛。两者的结合一方面能够发挥LabVIEW控制、采集方面的优势,另一方面也能够应用MATLAB解决复杂计算问题的能力,同时给算法的改进预留足够空间,充分发挥各自的特长。

ERT的基本原理与方法

如图1所示,一个ERT系统由若干个模块组成,包括激励源、多路复用切换开关模块、激励测量电极阵列模块、数据采集模块、控制模块、图像重建模块等等。在投影控制模块控制下,激励源信号通过多路复用切换开关模块施加在样本某一对预定的激励电极上,样本其他部分的电极上便有了相应的响应信号,各个电极上的信号通过多路复用切换开关模块选通,并由数据采集模块采集入电脑,得到一次投影数据;换用下一组激励测量电极进行激励和数据测量得到下一组投影数据;如此反复,可以得到各个待测电极在不同激励条件下的响应信号,称为一组投影数据;对这组投影数据进行图像重建得到检测样本的ERT图。

图 1 ERT系统构成

在ERT中,上述的激励测量过程称为投影过程,各次投影的激励电极和测量电极的选择及其变换方式称为ERT投影模式,激励和测量信号值序列称为投影数据,由投影数据反算出被测结构电阻率分布的过程叫ERT图像重建过程。

LABVIEW与MATLAB混合编程

LabVIEW中调用MATLAB的方法主要有ActiveX技术应用、动态数据交换(DDE)、库函数调用等。当用大型算法时,必须明确输入、输出数据的具体类型,而且要尽量减少数据传输量和启动Matlab自动化服务器的次数,因此ActiveX技术适于较大的应用程序开发。本文中采用的是ActiveX技术。

ActiveX自动化是基于组件对象模型COM(Component Object Model)的技术,允许应用程序或组件控制另一个应用程序或组件的运行。Matlab支持ActiveX自动化技术。通过Matlab自动化服务器功能,可在其它应用程序中执行Matlab命令,并与Matlab的工作空间进行数据交换。借助此特性,把LabVIEW与Matlab结合。

调用Matlab7.2的ActiveX接口。主要使用MLAppClass类提供方法和属性:执行Matlab命令使用Execute方法;传送数据到Matlab使用PutFullMatrix, PutCharArray,PutWorkspaceData方法,从Matlab中获取数据使用GutFullMatrix, GetCharArray,GetWorkspaceData方法;设置命令窗口的可见性使用Visible属性;关闭Matlab服务使用Quit,delete方法。

当用大型算法时,必须明确输入、输出数据的具体类型,而且要尽量减少数据传输量和启动Matlab自动化服务器的次数,因此ActiveX技术适于较大的应用程序开发。

基于MATLAB和LabVIEW的ERT实时成像系统设计

本系统采用Keithley 2400作为系统的激励源,恒流激励。通过Keithley 7002程控切换机箱及Keithley 7011开关卡构成切换开关系统,进行激励和采集控制,由PCI-6251采集卡将数据采集到计算机。软件部分以LabVIEW为主体,通过调用GPIB驱动发送切换开关控制指令,通过DAQ-MX调用PCI-6251进行数据采集,并通过ActiveX控制Matlab对投影数据进行反演。

2电极投影

机载热成像系统需求广泛 篇7

美国国际预测公司网站2008年10月27日报道, 2008年授予的多项合同将确保未来几年内各种型号的StarSAFIRE稳定多传感器监视系统的稳定生产。去年该系统已经有价值3亿美元的新订单。这些不同型号的系统将提供给阿拉伯联合酋长国、哥伦比亚和美国陆军。升级和补充的合同也有可能提供给其他国家。

2008年10月21日, 前视红外系统公司宣布已收到西科斯基直升机公司价值2 890万美元的合同, 为美军“黑鹰”救援直升机 (MEDEVAC) 提供StarSAFIRE稳定多传感器系统。包括这项合同, FLIR公司将为美军搜救部队和“黑鹰”救援直升机交付170套StarSAFIRE系列产品。预计2010年开始交付。

前视红外系统公司将继续改进其Star SAFIRE系列产品。StarSAFIREIII提供4个视野的热传感器、带有近红外光谱的敏感性微光电视、激光测距仪、宽波激光照明灯以及其他许多高端性能。StarSAFIREHD是一个全数字化、多通道、高清晰度产品。

偏振光谱成像目标识别系统 篇8

传统目标识别中采用的图像识别[1]受环境光、目标光等影响较为明显,对于伪装目标或者颜色相似的目标难以区分[2]。而偏振成像技术是通过偏振光区分目标与背景,由于非合作目标的退偏振能力通常较强,故识别目标的效果就会很好。在此基础上,将不同偏振角得到的图像融合到一起,就能获得信噪比很高的目标图像。

偏振光谱目标识别技术主要有光栅型、傅里叶变换型、液晶调制型和声光调制型[3,4,5]。其中,光栅型的核心元件是偏振光栅,其结构简单、光谱分辨率高,但光栅对光存在一定的限制,光通量小,户外测试效果不佳[6,7]。傅里叶变换型的核心部件是傅里叶变换干涉仪,通过加入可变相位延迟器实现对不同偏振角的二维图像的采集,由于每次只能获取一个偏振角的二维图像,所以扫描时间长,如果光谱扫描也采用时间扫描则速度更慢[8]。液晶调制型的核心器件是晶体、电调制器以及步进电机,通过选择不同的窄带滤光片实现不同波长的调制,其缺点也是速度慢且机械部件的稳定性差[9]。声光调制型的核心部件是声光晶体,其工作原理与电调制相近,优点是体积小、无机械部件,但光谱分辨率较差[10]。

1 目标识别系统

目标识别系统如图1所示,系统组成包括前置光学系统、分光棱镜、起偏器、沃拉斯顿棱镜组、检偏器、成像CCD1、静态干涉具、聚焦透镜及成像CCD2。光入射系统后,由分光棱镜分为两部分,一部分进入偏振系统,另一部分进入光谱系统。偏振系统获取的图像具有偏振信息,同样,光谱系统获取的图像具有光谱信息。再将偏振数据与光谱数据进行图像融合处理,最终得到目标的偏振光谱合成图像。

1.1 偏振数据获取

由斯托克斯参量法[11]完成目标区域偏振角的计算,斯托克斯矢量可表示为S1、S2、S3、S4。则其矢量有:

式中,I表示光强,Q和U分别表示偏振分量,V表示圆偏振分量。

目标光进入沃拉斯顿棱镜组后,光的偏振态被重新分布,其偏振态对应的穆勒矩阵可以写成:

式中,Sd表示CCD1对应的斯托克斯矢量,St表示目标方向斯托克斯矢量,M表示系统的光学穆勒矩阵。

1.2 光谱数据获取

光谱数据获取利用傅里叶变换干涉具实现,M1、M2都是反射面,而M2具有一个角度α,则其干涉具有空间分布性。

如图2的三角函数关系可知,光线1入射A点,经反射至B点,透射至C点,最终与光线2相干形成干涉条纹,光程为:

故光程差为:

由于α很小,则cos2α≈1,则有:

式中,n为晶体折射率,x′为任意位置。

光谱分辨率为:

式中xm′表示成像尺寸。

通过以上计算得到光谱分辨率为△λ的光谱图像,并成像在CCD2上。此图像与偏振系统获得的偏振图像进行图像融合获得清晰的目标图像。

2 实验

2.1 探测条件

实验选择2.0 m×2.0 m钢板(涂军绿漆)和某型火炮作为目标,测试距离从0.1 km~2.0 km,而测试标定波长为0.40μm~0.90μm。

2.2 测试结果分析

对目标偏振光的信号平均值与非偏振光信号平均值进行了比较。在偏振系统中,目标信号强度可表示为I钢板|偏振,而背景噪声强度可表示为I噪声|偏振,其信噪比可表示为SNR|偏振;在无偏振条件下,目标信号强度可表示为I钢板|非偏振,背景噪声强度可表示为I噪声|非偏振,其信噪比可表示为SNR|非偏振。则不同距离下偏振与非偏振信噪比对比结果如表1所示。

采用偏振系统的信噪比明显优于非偏振系统,同时偏振系统受距离的干扰也小很多。所以,偏振系统可以在较大范围内保持较高的信噪比。与此同时,标准钢板的信噪比要比火炮高很多,因为标准钢板实际上是一个很好的偏振光反射面,火炮的表面相对要差一些,将整个范围内的数据进行数据拟合可以得到其整体分布,如图3所示。2个目标的信噪比都会由于距离的增大而减小,但2.0 km内偏振系统的信噪比均值在0.35左右,具有较高检出性;而非偏振型超过0.4 km后几乎无法识别。

2.3 偏振光谱图像融合

将偏振系统的偏振图像与光谱系统的光谱图像进行融合处理,即可获得偏振光谱合成图像,如图4所示。图4(a)的图像结果是由传统可见光识别系统得到的光强灰度图像,而图4(b)是由本系统将偏振图像与光谱图像融合后得到的合成图像。采用偏振光谱成像技术的目标信噪比得到了大幅提升。目标光信号与背景噪声光的振幅比明显,具有很好的识别效果。测试过程中,随着距离的增大,光强型的识别图像渐渐地淹没在噪声中,而采用偏振光谱型在2.0 km内,合成图像基本保持一致,具有较高的鲁棒性。

3 结论

本文研发了一种可以用于户外的目标识别系统,该系统具有偏振识别模块和光谱识别模块两大部分,可以同时获取并进行处理。在图像融合的基础上,获得目标的合成图像,该图像具有信噪比高、受距离影响小等优势,在户外实时目标识别领域具有一定的实用价值。

摘要：设计了高光通量的光学天线、偏振模块及干涉模块的目标识别系统。通过偏振光谱成像技术,在同一视场内同时获取多个偏振方向的光谱图像,再通过图像融合算法重建目标的偏振光谱图像。在不同距离上对钢板及某型火炮进行测试,分别采用本系统与传统非偏振系统获取目标信号。结果显示,基于偏振光谱的目标识别系统信噪比高、探测距离远,与传统方法相比,本系统的目标合成图像清晰可见,抗干扰性更高,具有很高的野外适应性及稳定性。

关键词：目标识别,偏振,图像融合,高信噪比

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成像系统 篇9

频率在20 k Hz以上的机械振动波, 称为超声波 (Ultrasonic Wave) , 简称超声 (Ultrasound) 。能够传递超声波的物质, 称为传声介质。超声波在传声介质中的传播特点是具有明确指向性的束状传播, 这种声波能够成束地发射并用于检查介质内不同声阻抗界面的形状。

1.1 超声波的基本参量

频率 (f) :指单位时间内质点振动的次数。单位是赫兹 (Hz) 、千赫 (k Hz) 、兆赫 (MHz) 。超声的频率在20 k Hz以上, 超声频率越高, 其方向性越好, 在用于定位时, 其精度也越高;同时, 超声频率越高, 其在介质中的衰减也越大, 探测距离也越短。因此, 选择一种合适的超声波频率, 才能在一定深度得到比较好的测量精度。

声速 (C) :指声波在介质中传播的速度。声速是由弹性介质的特性决定的, 不同介质的声速是不同的。在液体中, 一般的声速是1 500 m/s, 在金属中, 声速达到4 500 m/s。在进行超声定位时, 有一个基本假设是声速不变, 即在待测物体中, 声速的大小是不变的, 这样才能确定界面在物体中的位置, 对于已知结构的物体, 可以通过声速补偿技术将其归一化处理, 进而得到理想的图像。

声强 (Sound Intensity) :指超声波在介质中传播时, 单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的平均能量。声强的物理意义为单位时间内在介质中传递的超声能量, 或称超声功率。声强小时超声波对介质的扰动比较小, 图像的干扰比较小, 但探测深度比较浅;声强大时探测深度比较深, 但对介质扰动比较大, 会造成比较大的失真。因此, 选择合适的声强是超声成像的重要因素。

1.2 超声传播的特性及基本概念

超声在均匀介质中的传播是有指向性的, 频率越高, 指向性越高, 通过设计比较合理的超声换能器结构, 可以实现超声的定向发射, 发射角可以做到几度甚至更低。影响超声传播的参数主要有以下几个:

声特性阻抗 (Acoustic Characteristic Impedance) :平面自由行波在介质中某一点处的声压 (p) 与质点速度 (u) 的比值。在无衰减的平面波的情况下, 声特性阻抗等于介质密度 (ρ) 与声速 (C) 的乘积。

声特性阻抗差与声学界面:两种介质的声特性阻抗差大于1‰时, 它们的接触面即可构成声学界面。入射的超声波遇声学界面时可发生反射和折射等物理现象。变压器绕组和变压器油之间的声阻抗具有明显的差异, 显然是很好的声学界面, 探测这个界面是超声波探测绕组变形的技术基础。

声波的界面反射与折射:超声入射到声学界面时引起返回的过程, 称为声反射 (Acoustic Reflection) 。射向声学界面的入射角等于其反射角。而声波穿过介质之间的界面, 进入另一种介质中继续传播的现象, 称为声透射 (Acoustic Transmission) 。当超声的入射方向不垂直于两种介质的界面时, 它通过界面进入另一种介质后改变传播方向的过程, 称为折射 (Acoustic Refraction) , 如图1所示。当两种介质的声特性阻抗相同或很接近时, 为均匀介质, 超声波在均匀介质中传播时, 没有反射。两种介质声特性阻抗差异很大时, 声波几乎全部反射, 没有透射, 变压器中的变压器油与绕组间的界面反射近似为全反射。

声波的衍射和散射 (图2) :界面反射的条件是界面尺寸要比声波波长大得多, 当声波传播过程中波长远大于障碍物时, 声波将绕过该障碍物而继续前进, 这种现象称为声衍射 (Acoustic Diffraction) , 超声仪无法检测这类目标。因此, 超声波波长越短, 能发现障碍物越小。这种发现最小障碍物的能力, 称为显现力。但是当超声波的波长与待测面积大小相当时, 超声波产生散射, 超声的能量不能被换能器接收, 因此, 超声波的波长应小于待测面积的尺寸 (一般小于待测面尺寸的1/2即可) 。选择合适的频率是增强分辨率的最好方法, 在变压器绕组变形测试中, 如果希望得到5 cm左右的分辨率, 超声波的波长一般选择为1~2 cm。

声衰减:声波在介质内传播的过程中, 由于介质的粘滞性、热传导性、分子吸收以及散射等因素导致声能减少、声强减弱的现象称为声衰减 (Acoustic Attenuation) 。变压器油中, 引起声衰减的主要原因是声吸收。由于声吸收现象, 声波传播中的一部分能量被转化为热能, 从而使继续传播的声强减弱。在超声成像仪中, 为使深部回声信息清楚, 一般采用衰减曲线对回波进行归一化调整, 来使图像更为一致。

2 超声成像原理

假设有一束超声波在介质中传播, 当遇到反射界面时, 会有一部分超声波反射回来, 反射回来的超声波会被换能器接收到, 如果我们能够探测到超声波发射到接收之间的时间差, 并知道超声波在介质中的传播速度, 就可以推算出反射界面到发射探头的距离, 进而得到反射界面的位置。如果超声波束足够集中 (尺寸足够细) , 我们就可以得到一个比较精确的表面的位置, 如果采用机械或电子的方式将超声波在待测表面上移动, 就可以将所有点的位置确定下来, 进而将整个表面的形状确定下来, 实现超声成像。

测位原理如图3所示。

d—反射界面到发射探头的距离C—声速t0—开始发射时间t1—信号到达目标点时间t2—反射信号生成时间 (可以认为与t1相同) t3—探头收到反射信号时间

利用超声波反射现象, 人们发明了超声成像设备, 该设备一般由超声探头 (收发一体) 、信号采集前端、脉冲信号发生器、数字信号处理器、成像计算机等组成, 其系统框图如图4所示。

超声探头:一般是由压电晶体制作的收发一体的晶片阵列, 每个晶片可以单独控制, 在发射时单个晶片或一组晶片接通激励电压, 产生一个脉冲信号, 接收时每个晶片单独接收, 将超声信号转化为电信号, 传递给采集前端。

采集前端:采集前端负责将信号进行滤波、放大, 更为先进的设备还可对信号进行卷积、傅立叶变换、深度增益调整、多普勒分析等工作, 一般信号采集前端会将采集到的信号转化为数字信号, 提供给信号处理器。

信号处理器:信号处理器负责将采集到数字信号进行存储和分析, 与脉冲信号发生器的参数仪器进行复杂信号处理, 最终得到声场中反射界面的分布数据, 通过总线传递给成像计算机。

成像计算机:计算机将处理器的数据进行可视化转换, 转化为可以在显示器上显示的图像, 更为先进的计算机甚至可以将图像进行三维重建, 得到空间的立体图像。同时, 计算机还可实现图像和数据的存储、远程数据共享、报告打印等功能。

脉冲信号发生器:脉冲信号发生器可以产生一个激励脉冲, 从而激励换能器产生一个脉冲超声信号, 同时将脉冲的时间轴信息提供给信号处理单元, 作为时间轴的起点。

3 液下成像系统开发需要解决的问题

为完成液下成像系统的开发, 我们需要在超声成像系统的基础上进行一些开发, 重点解决以下问题:

3.1 超声的干扰

在实际进行液下成像时, 由于整体环境一般比较开放, 各种超声反射都存在, 尤其是液体可能是流动的, 甚至液体中还有一些杂质, 更有甚者, 有些生物也在液体中活动, 比如在进行海底测量时, 抹香鲸和海豚就可以发射超声。因此, 如何排除环境干扰以搜集正确的信号就十分关键, 比较好的方法是采用动态频率扫描技术, 在不同频率下进行扫描, 这样就可以将环境噪声的干扰排除掉了。

3.2 超声的聚焦

超声波的发射具有方向性, 但同时也具有衍射特点, 当深度比较深时, 超声波的发射就不是单向的了, 因此在使用中一般需考虑超声聚焦技术, 将超声波进行聚焦后, 指向性大大提高, 同时超声波的能量衰减也会降低。超声聚焦技术可以分为结构聚焦和相控聚焦两种, 在实际中都有应用, 如何设计好的聚焦方式和聚焦参数, 也是系统开发的重点。

3.3 横向移动的精确控制

为实现三维成像, 探头不但要在声平面上成像, 还需在垂直方向上移动, 进而取得一系列的二维图片, 通过计算机将图片合成三维分布图。如何保证横向 (垂直) 精确移动, 在工程中也是一个难题。

4 结语

基于地磁成像的管线探测系统 篇10

地球表面附近存在着由地球自身产生的磁场, 称为原生磁场[1]。在原生磁场中存在着随机脉冲信号。而随机脉冲信号的产生与地球周围的放电活动有关, 如赤道附近的滚雷闪电、人为的电扰动等[2]。这些随机脉冲信号处于音频频带范围内, 存在于原生磁场的垂直分量中[3,4]。此外, 地球自身的放电活动会在地表下埋藏的导电性较高的地质体内形成涡流, 进而产生二次感生磁场, 称为次生磁场[5,6]。当原生磁场中的随机脉冲信号与次生磁场相互作用时, 随机磁场脉冲信号的能量就会传递给次生磁场, 从而产生次生磁场脉冲信号。如果原生磁场和次生磁场所产生的脉冲信号相互叠加, 那么存在于地表的磁场垂直分量的能量就会增大。

对地表天然磁场的研究始于20世纪60年代, 自美国加利福尼亚大学伯克利分校的LABSON V F等教授在国际上公开发表关于音频范围内天然地磁场理论研究的文献之后, 在上世纪七、八十年代, 美国的JACKSON J R、DAVID H等一批学者也开始了这方面的研究, 并不断有相关文献和应用专利推出。在国内, 对于天然地磁场的研究起步较晚, 武汉大学、中国地质大学、中国石油大学等在近几年陆续展开了相关领域的研究。

若以介质各项同性的均匀地层中地表磁场脉冲信号强度为基数, 当地层中存在金属管线时, 该区域地层电导率增加, 使得地表次生磁场脉冲信号强度增大, 相对于均匀地层处, 单位时间内沿地表垂直方向产生的磁场脉冲数量更多;当地层中存在非金属管线时, 由于非金属管线及管线中的空气等低电导率介质会影响地层电导率的分布, 使得该区域地层总电导率下降, 进而使地表次生磁场脉冲信号强度减小, 相对于均匀地层处, 在单位时间内沿地表垂直方向产生的磁场脉冲数量就会减少[7,8]。因此, 存在于地表垂直方向上的磁场脉冲信号强度与地层内介质的电导率分布情况有关。本文依据麦克斯韦电磁场原理提出了一种基于地磁成像的管线探测系统, 通过测量地表垂直方向上磁场脉冲信号强度, 对地下埋藏的金属和非金属管线进行定性探测。

1建模原理及方案

1.1 建模原理

依据金属介质可使地表磁场脉冲信号强度增强、非金属介质可使地表磁场脉冲信号强度减弱的原理[9], 通过测量地表磁场脉冲信号中的磁分量, 可以得到地表上方垂直方向的磁场脉冲信号强度, 将其与参考值 (介质各项同性的均匀地层地表上方磁场脉冲信号强度) 对比, 从而判断地下介质的性质。

1.2 建模步骤

依据麦克斯韦电磁场理论中的电磁感应原理建立模型, 建模过程如图1所示。首先, 利用天线采集地表磁场中脉冲信号的垂直分量;其次, 对比所测量的地表磁场脉冲信号垂直分量的脉冲强度与介质各向同性的均匀地层地表上方磁场脉冲信号垂直分量的脉冲强度;最后, 对地下介质的性质作出判断。

从图1可看出, 管线探测系统主要由天线、缓冲放大器、带通滤波器、电平检测电路、计算机5个部分组成。各部分的功能如下:

(1) 天线:包含磁阻传感器和放大电路, 主要用来探测地表磁场垂直方向上的脉冲信号;

(2) 缓冲放大器:对天线所探测到的地表磁场垂直方向上的脉冲信号进行放大;

(3) 带通滤波器:由1个高通滤波器、1个低通滤波器和放大器组成, 在音频频带内对放大后的地表磁场垂直方向上的脉冲信号进行滤波;

(4) 电平检测电路:对比输入信号电压与参考信号电压的大小, 当输入电压大于参考电压时输出一个脉冲信号;

(5) 计算机:利用计算机软件对输入的脉冲信号进行处理并成像。

首先, 通过在探测区域的地面上方水平移动天线, 从而探测出该区域地表上方由地表磁场产生的脉冲信号的垂直分量并输出电压信号, 经缓冲放大器放大后, 由带通滤波器进行滤波处理。带通滤波器的带宽范围在音频频率范围内 (65～12 000 Hz) 。然后, 脉冲信号经滤波后再通过电平检测电路与参考电压进行对比。当输入的脉冲信号电压大于参考电压时, 该电路输出一个正脉冲;当输入的脉冲信号电压小于参考电压时, 电路输出一个负脉冲。通过对介质各项同性的均匀地层处进行测量, 可以得到均匀地层情况下地磁脉冲信号强度, 将该强度作为电平检测电路的基准值。最后, 将电平检测电路产生的脉冲信号输入计算机进行处理并得到三维成像, 从而以曲面图的形式直观地反映出被测区域地下介质的信息。

2系统软硬件设计

2.1 天线

图2为系统天线部分的电路。其中磁阻传感器用来检测地表上方脉冲信号的垂直分量并输出测量信号, 通过外设电容器滤除测量信号中的直流成分。最后, 将信号中的交流成分通过放大电路放大。

2.2 主机

通过天线探测到的磁场脉冲信号经缓冲放大器放大之后, 输入到带通滤波器。带通滤波器中的高通滤波器由2个有源滤波器芯片组成, 而低通滤波器则是由1个有源滤波器芯片构成。磁场脉冲信号经带通滤波器滤波后通过音频放大器再次放大, 并输入电平检测电路。电平检测电路通过电压比较器实现, 它用来将音频放大器放大后的磁场脉冲信号输出电压与参考电压进行比较。最后将电平检测电路处理后的脉冲信号输入计算机进行处理。由于篇幅所限, 具体主机电路图不再给出。

2.3 软件

利用计算机软件对脉冲信号进行处理, 可以得到反映被测区域上方脉冲信号密度分布的三维图象。根据对地下均匀土壤介质区域探测时所得到脉冲强度预设一个均值, 在三维图象中显示为较平坦的区域。在探测过程中, 如果地下介质的电导率发生了改变, 那么探测系统所测的磁场脉冲信号强度就会发生变化, 在三维图象中显示为曲面的突起或凹陷。通过对脉冲信号强度分布的三维图象定性分析, 可以判断该区域地下有无被测物体目标。

3应用实例与分析

3.1 地表管线探测

利用大庆油田某油井现场进行实验, 以此来验证模型的精确性。图3为对一根裸露在地表的已知金属管线的探测成像。从图3可看出, 由于管线为金属介质, 因而产生的磁场脉冲信号强度明显高于周围介质, 图中显示为曲面的异常突起。

3.2 地下管线探测

3.2.1 地下已知管线探测

对于地下已知管线的探测, 本文选取一根埋藏于地下约2 m深的金属管线进行实验, 其探测成像如图4所示。从图4可看出, 突起处为该金属管线,

其磁异常信号强度明显高于周围介质。

3.2.2 地下未知管线探测

对于地下未知管线的探测, 本文选取大庆油田某井场附近疑似存在地下管线、但对管线具体走向及埋藏深度都未知的区域进行探测实验。图5为对地下未知管线的探测成像。从图5可看出, 存在2处磁场脉冲信号强度异常区域, 即曲面突起处和凹陷处, 由于这两处的磁场脉冲信号强度与周围土壤介质所产生的磁场脉冲信号强度明显不同, 因此可以确定这2处区域各存在一根管线。因为受到非金属介质影响, 使得磁场脉冲信号强度明显低于周围介质所产生的磁场脉冲信号的强度, 根据图5 (a) 可以确定曲面左上角凹陷处存在一根非金属管线;由于受到金属介质的影响, 使得磁场脉冲信号明显高于周围介质, 根据图5 (a) 可确定曲面右下角突起处存在一条金属管线。其它区域曲面较为平坦, 幅度变化不大, 无明显异常, 可判断为均匀土壤介质。

3.3 误差分析

选定科学的误差指标, 对评定探测效果有着十分重要的意义。本文选用式 (1) 中的平均绝对百分误差, 即MAPE作为性能指标:

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式中:M为管线各项参数探测次数;ri 为管线各项参数实际值;fi 为管线各项参数探测值。

在实际探测过程中, 由于受到外界因素的影响, 管线探测系统必然存在一定的误差。利用管线探测系统对地下已知管线探测的MAPE为2.66%;对地下未知管线探测的MAPE为3.33%。产生误差的原因主要包括: (1) 地磁信号较弱, 在测量过程中人体及周围环境 (如高压线、手机等) 对地磁信号有一定的干扰; (2) 在探测过程中管线探测系统的天线是人为操作的, 易受人为因素影响, 在扫描速度上很难保证绝对匀速; (3) 在地下管线较多的情况下探测时, 由于磁场来源较多, 可能产生相互干扰。

针对以上影响因素, 在探测系统使用过程中应尽量避免周围环境对系统的影响。同时, 在探测区地表磁场脉冲信号采集过程中应保证测量人员的专业化, 避免人为因素造成的测量误差。另外, 在地下管线较多的情况下要采取反复测量、比较的方法, 并结合当地地质情况的相关数据材料一同分析, 从而提高探测的精确度。

4结语

基于地磁成像的管线探测系统可以实现对地下各种管线、矿藏、堆积砂矿、地下异常等的探测, 对隧道、洞穴、污水池和下水管道的探测深度可以达到60 m。该系统不仅可以防止普通探地雷达因大功率发射信号对人体的影响, 也不易受外部环境的干扰, 与普通探地雷达相比具有适用范围广、抗干扰能力强、图象容易分析共享等特点。

摘要：为了精确探测埋藏在地下的各种管线, 提出了基于地磁成像的管线探测系统。该系统将采集到的地表磁场垂直分量的脉冲信号强度与介质各向同性的均匀地层中地表上方磁场垂直分量的脉冲信号强度进行对比, 利用对比后的数据形成反映被测区域上方脉冲信号强弱分布的三维图象, 从而对地下介质的性质作出判断。测试结果表明, 该系统对地下已知管线探测的MAPE为2.66%, 对地下未知管线探测的MAPE为3.33%, 提高了同类探测的精度, 对地下各种管线的探测行之有效。

关键词：地下管线探测,电磁场,地磁成像,磁场脉冲信号

参考文献

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