光学效果（共9篇）
光学效果 篇1
为防止目标被探测或识别,必须对目标进行伪装处理,本系统是四波段(UVB、可见光、中波红外和长波红外)伪装效果检测系统,本文是对3μm-5μm中红外波远距离伪装效果检测的光学进行设计。
1 目标红外辐射源
目标红外辐射源的探测与自然红外辐射源密切相关,地球表面的热辐射有地球本身的热辐射和反射的太阳辐射两部分组成[1,2,3]。每一种分布都有两个峰值,一个在波长λ=0.5μm处,另一个在λ=10μm区域,在3μm-5μm之间有一个极小值。在军用设备导弹、坦克等发动机尾喷管,产生大量热辐射,这些热辐射的峰值集中在中红外波(3μm-5μm)波段。
2 技术指标和外形尺寸计算
2.1 技术指标
工作波段:3μm-5μm;探测距离:2000m;视场角:2ω=5°。
2.2 外形尺寸计算
在中红外波成像系统的设计中,采用320×256制冷型平面焦平面探测器。探测器主要技术参数为:探测器材料选用Hg CdTe像素320×256,像元尺寸30μm,响应波段3μm-5μm。
由系统的参数可知:成像尺寸:9.6mm×7.68mm;半对角线尺寸:
由ymax=-f′tanω,相对孔径D/f′=1∶2,则f′=140.8mm,D=70.4mm;数据规整后,f′=140mm,D=70mm。由y′=yβ=yf′/x,则可得到地面收容面积:
3 镜头类型和像差校正
3.1 选用镜头类型
在摄影镜头类型中,匹兹万适用于相对孔径大,视场角偏小。由系统的相对孔径1∶2,视场角2ω=5°,所以采用匹兹万镜头结构,布局图如图1所示,其初始结构中的球差很大。
3.2 像差分析和结论
匹兹万镜头是由两个分开的正光组透镜构成,该物镜曲率半径比较大;但两组分开(两正光焦度分开),场曲却增大了;要校正场曲,则球差与彗差就会增大。因此该镜头对球面和色差可以校正的很好,但却存在严重的场曲现象。本文在校正像差时把前后两组双胶合改为双分离式的。虽然在校正像差方面稍有提高,但是仍然存在较大的场曲,为了很好的校正结构中存在的场曲,镜头在焦面附近加了一个负场镜,校正场曲。
从校正好的光学系统的像差曲线来看,本设计的MTF接近衍射极限,能量比较集中(图2),球差得到了很好的校正(图3),尤其是本系统中比较难校正的像散和场曲,这里都得到了很好地消除。
4 结语
本文对中波红外成像系统的设计达到了其要求的技术指标,实现了远距离目标探测,并达到了接近衍射极限像质,从而达到检测中波红外伪装效果。虽然匹兹万镜头有结构总长较长的缺陷,但由于本系统对长度和重量要求不高,所以不会造成影响。
摘要：本设计可用于中红外波伪装效果的检测,它以中红外波光学成像为原理,通过分析目标辐射源和计算外形尺寸,确定镜头初始结构,校正像差,使辐射源清晰地成像在探测器上,完成检测。
关键词：伪装效果检测,中红外波光学成像,目标辐射源,探测器
参考文献
[1]张以谟.应用光学[M].北京:电子工业出版社,2008.
[2]吴宗凡,柳美琳,张绍举,等.红外与微光技术[M].北京:国防工业出版社,1998.
[3]车念曾,阎达远.辐射度学和光度学[M].北京:北京理工大学出版社,1990.
光学效果 篇2
【关键词】工程光学 光学仿真 教学改革
【中图分类号】O435.1 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）14-0070-01
1、引言
光电信息科学与工程专业是由光学、光电子、微电子等技术结合而成的多学科综合技术专业。为了培养学生在光电信息工程领域具有光纤传输系统与光电传感技术、光电检测与控制技术、信息光电子应用技术与光电图像处理技术等方面的专业知识。光电信息科学与工程专业所开设的课程包括工程光学、光电子技术、信息光学、光纤通信技术、激光原理与器件等基础课[1]。
工程光学是光电信息科学与工程专业的必修基础课，也是光学设计、光电检测、光学测量和光电成像技术等其他专业课的先修课程，所以课程在学科中的地位极其重要。通过这门课程的学习，学生能对光学的基本概念、基本原理和典型光学系统的结构有较为深刻的认识，为学生今后学习光学系统的设计、光信息理论和从事光学研究打下坚实的基础[2-3]。工程光学是本专业学生所接触的第一门光学专业基础课，由于课程具有知识点多，理论性强，公式多等特点，让学生学习起来难以理解通透，并且感到乏味。为了提高教学质量、培养学生的学习兴趣与学习能力，有必要对该门课程的教学方法做出适当的改革。该门课程传统的教学方法是讲授法，我们在教授法的基础上引入了对光学的基本原理和基本现象进行仿真模拟的实践教学内容，让学生在仿真模拟中对课程里重要的公式内涵有更深刻的理解以及对一些重要光学现象有直观认识。
2、仿真模拟的教学内容
工程光学的内容包含两部分：应用光学和物理光学。应用光学部分介绍了几何光学的基本定律与成像理论，理想光学系统和平面成像系统的光学参数和成像特性、光度学和色度学的基本原理、光线光路计算和像差基本理论以及典型的光学系统的成像特性和设计。物理光学部分介绍了光的电磁性质、光在各向同性介质界面上的传播规律和光波的叠加与分析、光波的干涉和衍射的基本原理以及光的偏振。在教学内容中选取的仿真模拟内容即要是一些重点知识点同时内容的模拟难度还不能太大。因为学生刚进入大学二年级，接触的计算机语言是C语言，对语言的熟练程度尚不足以模拟复杂的物理问题。因此，我们选择了以下内容进行仿真模拟：
（1）实际光学系统的光路计算。通过课堂的学习，学生知道可以用图解法和解析法求解一个光学系统的基点和基面，这两种方法各有利弊。图解法能让学生直观的看到光线经过光学系统之后的光路，但是利用这种方法求解多个光组组合系统的基点和基面是很复杂和繁琐的。解析法没有图解法那样直观，但是通过对公式的反复利用，可以求解出每组光组的像方截距和像方孔径角以及整个光组的基点的位置参数。而在解析法中对公式的反复计算问题利用计算机程序语言中的循环和迭代运算可以很轻松的解决。通过这个例子不仅让学生加深公式的理解，同时体会到程序设计的优势。此外，有能力的学生可以将其做成界面交互的软件形式，启发学生的创新意识，体会创作的乐趣。
（2）光的衍射和干涉现象。这部分知识是物理光学的主要内容，也是重点和难点知识所在，在实验课上会有相关的验证实验。在理论授课和实验课程中增加仿真模拟环节，可以让学生将生涩的数学表达形式转化为图像的表现形式，同时也使学生能更清楚的理解实验原理的来龙去脉。在实验中采用单色光源和白光光源，得到不同光源的干涉与衍射图像。首先编写出光栅衍射仿真程序，然后通过改变输入参数而达到利用一个程序同时仿真干涉与衍射实验的目的。最后编写操作性很强的人机交互界面，具有很強的实践性。
（3）光纤中的光传播特性。对于学有余力的学生，可以让学生尝试光纤或者激光器专题的仿真模拟。这部分知识在理论课上只做了浅显的讲解，学生若感兴趣，可以通过仿真模拟进一步学习光波导的知识。学生可以模拟光场的传播演化过程，考虑不同的光纤结构对光场损耗的影响。此外，可以模拟高斯光束与光纤耦合的情况。从光纤端面辐射到自由空间中的光场是发散的，对于单模光纤其端面辐射光场可以近似为高斯光束，因此，要深入了解高斯光束的传输特性，以及它与光纤连接的光功率损耗情况。
总之，在选择模拟仿真内容时应根据学生的能力，注重理论联系实际。突出课程的工程应用背景，为了培养学生的动手设计能力，积极利用一些仿真软件（例如zemax）加强学生的技能。此外，自60年代激光器发明以来，在光学领域涌现出新课题、新概念和新技术，使光学知识更加斑斓多彩。为了拓宽学生的知识面，应向学生介绍本领域的最新科研成果以及基础知识在生产实践的应用，开展光学前沿知识讲座，讲授与光学相关的知识点，使枯燥的理论学习变得丰富生动，既调动了学生的积极性又开阔了视野，使他们的知识结构更趋合理，让学生意识到这门课程的价值。
3、结束
工程光学作为光电信息工程专业的基础课，在培养学生的素质和专业能力方面发挥重要的作用。本文针对课程的特点，提出在工程光学教学中引入光学仿真的教改方法，并列举了部分仿真模拟的内容，希望通过教学手段和教学内容的改进，找出适合人才发展的课程教学方法，可以更好的提高教学水平，达到教学效果，为社会培养优秀的、需要的人才，为光信息专业人才培养奠定良好的基础。
参考文献
[1]郭婧.运用现代教学手段，改进工程光学教学.中国现代教育装备[J].2010，1：57～59
[2]雷丽巧，夏豪杰. 《工程光学》探究式多媒体网络教学方法研究. 中国科教创新导刊[J].2010，34
光学效果 篇3
关键词：光学伪装效果,颜色,形状,定量评价系统
0 引言
本文针对传统的伪装效果评价易受到试验条件、时间、经费等方面限制的问题, 提出了一种基于图像定量评价光学伪装效果的方法。迷彩伪装是一种常用的光学 (近红外) 伪装方法, 通过在目标上喷涂适合的迷彩涂料, 达到目标与所处背景的融合, 从而有效地对付敌方的光学和近红外侦察和监视, 达到保护自己、迷惑敌人的隐蔽效果[1]。图像的特征一般可以用颜色、形状和纹理特征来描述, 判断图像之间是否相似可以通过对这些特征的比较来实现[2]。本文采用颜色和形状特征来判断伪装图案和背景的图像之间是否相似, 选定颜色和形状作为判断伪装效果的主要参数。宋潇毅[3]研究了颜色和纹理特征的描述方法和参数。陈宏烨等[4]利用颜色聚类和Garbor滤波器提取图像的颜色、形状和纹理特征, 提出了利用图像相似度来进行伪装评价的方法[2]。本文基于图像分析原理, 提出了一种利用颜色评价系数和横纵比差值来定量的评价伪装图案与背景的图像相似程度的方法。
1 颜色与形状的权重系数求解
由上文可知颜色和形状是判断伪装图案和背景的图像是否相似的主要参数, 但这两个参数在评价伪装效果中所占的权重大小不易确定, 因此为了使颜色和形状的权重系数更加科学可靠, 决定采用AHP[5]对颜色和形状的权重系数进行求解。
首先, 伪装效果的评价因素主要由颜色和形状决定, 为此建立图1的层次结构。
其次, 在建立起层次结构模型后, 可以清楚地看到上层的元素是由下层的元素所决定。设上层的一个元素为a, 影响它的下层元素为b1, b2, …, bn。当下层元素b1, b2, …, bn对上层元素a的影响可以直接数量化时, 每一个bi对a的影响力可以直接确定。AHP是采用“1—9尺度”将b1, b2, …, bn两两成对地比较它们对a的影响力。所谓“1-9尺度”是将比bi, bj对a的影响程度的比记为bi/bj, 按表1来进行尺度赋值。
对颜色和形状之间进行比较并赋值, 可得如表2二阶比较矩阵。
最后, 得出权重系数:颜色权重系数W1=5/6, 形状权重系数为W2=1/6。根据数学知识知, 二阶判断矩阵总具有完全一致性, 故不用验证其一致性。
2 伪装图案与背景的颜色相似度评价
2.1 颜色三维坐标的设置
颜色可由三原色调合而成, 三原色分别是蓝、绿、红。因此将蓝、绿、红分别作为三维坐标的X、Y、Z轴, 由Photoshop的颜色调色板可知它们的坐标取值范围为 (0, 255) , 这样便可将颜色用三维坐标的形式来量化处理。将黑色设定为坐标原点, 则蓝色、绿色、红色的坐标依次为 (255, 0, 0) 、 (0, 255, 0) 、 (0, 0, 255) , 根据色彩的组合原理, 便可得出复合色粉色、青色、黄色和白色的坐标依次为 (225, 0, 225) 、 (255, 255, 0) 、 (0, 255, 255) 、 (255, 255, 255) , 其它各种颜色坐标不在此列出。
2.2 颜色差异向量的模
为了将伪装图案与背景的图像颜色相似度进行量化计算, 引入颜色差异向量的模的概念。具体如下:
设伪装图案中颜色A的坐标: (X1、Y1、Z1)
设背景图像中颜色B的坐标: (X2、Y2、Z2)
向量OA与向量OB的差为:
则颜色差异向量AB的模:
这样颜色差异的大小就可以用颜色差异向量的模 (下用M表示) 来定量的表示出来。
2.3 颜色评价系数的设定
通过采取现场辨认的方式来确定颜色差异效果的评价标准, 目的是为了使其更加科学可靠。具体实施方法是让100位观察着在距目标20米的地方分别对多组两种不同的颜色进行辨认, 将观察者的辨认结果和辨认所用时间作为实验数据记录下来, 对这些数据进行整理和分析。最终得出如下结论:当M≤50时, 观察着无法辨别两种颜色的差异, 而当M≥200时, 观察着很容易辨别两种颜色的差异。为此建立了伪装图案与背景的图像颜色差异大小的颜色评价系数 (以下用F来表示) , 具体的取值按如下函数计算:
可知颜色评价系数越大, 那么伪装图案与背景的图像颜色相似度越高, 伪装的效果就越好, 否之相反。
2.4 伪装图案与背景的图像颜色评定计算
2.4.1 未知量的设定
背景图像颜色:Ci= (Xi, Yi, Zi) (i=1, 2, …, n) 代表背景图像颜色中第种颜色的坐标;
伪装图案图像颜色:Cj= (Xj, Yj, Zj) (j=1, 2, …, m) 代表伪装图案图像颜色中第j种颜色的坐标;
Mij (i=1, 2, …, n j=1, 2, …, m) 表示背景中第i种颜色与伪装图案中第j种颜色差异向量的模;
Mf表示最终伪装图案与背景的图像颜色的颜色差异向量的模。
2.4.2 伪装图案与背景的图像颜色评定计算步骤
(1) 用Photoshop软件提取伪装图案和背景的图像颜色坐标。
首先, 用相机拍摄出待检测的伪装图案和实际背景;其次, 将所拍摄的图像依次导入Photoshop软件中;最后, 用色彩拾取器来依次拾取伪装图案和背景的图像中的代表颜色并记录它们的坐标。
(2) 计算Mij。
注:在多种颜色混合方案中计算M的大小应注意的问题, 用伪装图案的图像中第一种颜色与背景图像中的每一种颜色依次进行M的计算时, 若M≤50时, 则停止改颜色的计算, 直接进行伪装图案的图像中第二种颜色的M计算。因为该颜色已经可以与背景色图像中的一种颜色很好的融合。
(3) 选出最大的M作为Mf。
(4) 进行伪装评价系数的计算 (详见2.3) 。
3 伪装图案与背景的形状相似度评价
图像的形状特征综合反映了其斑点形状、尺寸、空间分布等结构特征, 因此伪装图案与背景的图像形状特征差异, 反映了它们之间综合特性的差异。形状的特征通过横纵比来反应。
3.1 横纵比
横纵比是用来描述图像中一种图形形状的最短边和最长边的比值大小, 比值越小表示图形形状越加规整, 横纵比的取值范围为[0, 1], 具体的计算公式如下:
L短表示图形形状中最小的两点之间的距离;
L长表示图形形状中最大的两点之间的距离。
注:L短、L长的计算取值要借助Photoshop软件来确定, 通过该软件来拾取图形轮廓中不同点的坐标值, 来进行计算。
3.2 横纵比差值计算
伪装图案的图像中有多种图形形状组成, 背景图像中也有多种图形形状组成, 则具体的计算步骤如下:
(1) 对图像中每一个图形进行ARi计算, 再对ARi进行加权平均。即:
式中
Ai代表伪装图案的图像中第i种图形的面积;
代表伪装图案的图像中所有图形的总面积。
注:面积的计算借助于Photoshop软件来确定。
(2) 对背景图像中每一个图形ARj计算, 再对ARj进行加权平均。
即
式中
Aj代表背景图像中第j种图形的面积;
代表背景图像中所有图形的总面积。
注:面积的计算借助于Photoshop软件来确定。
(3) 将伪装图案所计算的ARi的加权平均数与背景色中的ARj的加权平均数进行横纵比差值 (以下用C来表示) 计算:
若C越大则表示伪装与背景的纹理的形状差别越小, 伪装与背景的纹理的形状相似度越高, 否则相反。
4 光学伪装效果的定量评价计算公式
根据上文所求得的颜色权重系数W1=5/6、形状权重系数W2=1/6、颜色评价系数和横纵比差值就可以来进行光学伪装效果的定量评价计算, 计算公式如下:
5 定量评定系统的试验验算
通过表3的验算分析, 可以得出伪装图案与背景的伪装效果并不好的结论, 原因是伪装图案中有一种颜色与背景中的颜色差异较大, 影响了整体伪装效果。由系统计算出的数值结果来看, 与人们的直观感受较为吻合。
6 结论
通过以上的论证分析得出了基于图像分析光学伪装效果的定量评定系统, 该系统能够弥补传统的伪装效果评价的缺陷和不足, 该系统通过描述伪装图案与实际背景的颜色和形状相似程度, 进而来定量的评价光学伪装效果, 该系统中得出的结论分列如下:
(1) 通过运用AHP来确定颜色和形状的权重, 可以使权重系数更加具有科学性, 得出颜色权重系数W1=5/6和形状权重系数W2=1/6。
(2) 通过引入颜色的三维坐标系, 来计算颜色向量差的模, 最终求出颜色评价系数, 并用它来定量的评价伪装图案与背景的图像颜色相似度。
(3) 利用横纵比差值来对伪装图案与背景的图像形状相似度进行评价。
(4) 根据颜色权重系数W1=5/6、纹理权重系数W2=1/6、颜色评价系数和横纵比差值来对光学伪装效果进行定量评价计算, 计算公式:E=100× (F×W1+C×W2) 。
参考文献
[1]胡江华.一种迷彩伪装效果检测评价方法[J].中国测试技术, 2007.
[2]徐英, 姚树良.基于图像分析的光学伪装效果评价方法研究[J].光电技术应用, 2010, 25 (4) :69-72.
[3]宋潇毅.基于纹理和颜色特征的图像检索[D].成都:电子科技大学, 2009.
[4]陈宏烨, 曾朝阳.图像相似度在伪装评价中的应用[J].光电技术应用, 2006, 21 (5) :28-30.
变焦光学比数码好 篇4
如果想捕捉远处的拍摄目标，用户就需要高变焦倍数的相机。这样拍摄的照片要比单纯的通过数码变焦相机获得的照片质量好。
技术事实
原则上，光学变焦相机比数码变焦相机拍到的照片质量更高的假设是成立的。但这还需要一些前提条件，而这些前提条件就是许多卡片相机正在打的“擦边球”。镜头决定了相机的变焦倍数，而镜头的质量则往往与它的光圈值有很大关系（F值），也就是由通过镜头最终进入影像传感器的通光量决定。镜头通光量越大，在不增加曝光时间的情况下，影像传感器可以记录的图像细节就越多。好的镜头光圈F值可以达到1.2，F值等于镜头焦距与光圈直径的比值，例如一个50mm焦距、最大光圈直径为25mm的镜头，它的F值就是2/1，写为光圈F2.0。摄影师通过调整光圈F值来控制通光量，增加F值，光圈减小，通光量就会减少。F值每增加一级，通光量就会减半，此时只能通过增加曝光时间或提高ISO感光度进行补偿。
对于大多数的变焦镜头来说，如果通过变焦增加了焦距，光圈F值也会增加，也就是说镜头在长焦端的通光量会减少。一个好的长焦镜头会通过采用超大的光圈进行补偿，但是小的卡片相机很难做到，它们的最大光圈通常很小，以至于使用长焦端时会导致光圈F值被迫加大，大大减少了传感器进光量。为了保证照片亮度需要增加曝光时间或提高ISO感光度，但增加曝光时间会增加了照片防抖的难度，提高ISO感光度会降低图片的质量。因此在选购具备光学变焦镜头的相机时，不应该一味地追求高倍变焦而忽略了镜头的焦段和光圈参数，只有最大光圈与焦距匹配时才能拍摄出细节丰富的清晰照片，让高倍光学变焦的价值真正变得名副其实。
光学效果 篇5
其中:D为多维特征差别, a, b, c, d的为特征差别系数, a+b+c+d=1;
Gsim、Csim、Tsim、Ssim分别为心理学上的灰度相似度、色度相似度、纹理相似度、形状相似度。
(1) 根据心理物理学实验设定特征心理相似度与物理相似度的线性关系;
通过数字图像技术分别构建不同灰度、形状、色调、纹理相似度的图像, 它们互不影响, 根据实验要求设定四种情况:
D=a Gsim (Gsim≠0、Csim=0、Tsim=0、Ssim=0) (2) D=a Gsim (Gsim=0、Csim≠0、Tsim=0、Ssim=0) (3) D=a Gsim (Gsim=0、Csim=0、Tsim≠0、Ssim=0) (4) D=a Gsim (Gsim=0、Csim=0、Tsim=0、Ssim≠0) (5)
(2) 根据图像灰度、形状、色调、纹理相似度和发现概率的实验数据分别利用公式 (3) 进行拟合, 得到Gsim、Csim、Tsim、Ssim表达式。
(3) 利用标志性信息 (地形、农业判读专家判读得到的经验数据) 在判读中的比重, 确定a, b, c, d数值。
但该模型还存在一些问题:
(1) 它是基于独立特征的假设 (即各个特征不相互影响) , 分别分析目标、背景的灰度、形状、色度和纹理特征的相似度与发现概率的关系, 虽然利用数字图像处理技术减少了各特征之间的影响量, 但假设它们之间相互独立, 存在一定误差。
(2) 灰度、形状、色度和纹理特征不处在同一特征空间, 该模型为了避免这一问题, 借用了标志性信息 (地形、农业判读专家判读得到的经验数据) 在判读中的比重, 确定各参数值。由于伪装目标判读与地形、农业判读存在较大差异, 参数确定难免会存在较大误差。
以彩色光学照片为例, 应用计算机视觉方法结合统计分析和神经网络技术发展有效的伪装评估工具。目标伪装效果好坏, 取决于目标与周围背景的融合度, 即目标与周围背景的图像相似度。所以基于组合特征相似性对比方法进行光学伪装效果评估要优于单纯的基于颜色、空间或纹理特征的方法。假设航拍图像中O为目标, B为背景, 在实际相似性对比处理中, 分别计算它们子特征之间的距离, 在此基础上计算两者之间的全局相似度 (或距离) Sim (O, B) 。
其中:i表示不同的子特征;Oi、Bi分别为目标O和背景B的子特征向量;wi为子特征的权重;Di (Oi, Bi) 表示子特征距离。
模型 (4) 简单直观, 但具体实现却存在一定难度:第一由于颜色、纹理、形状不处在同一特征空间, 直接比较没有意义, 需进行归一化。第二确定权重需要能够较为全面地掌握图像相似度计算里有关图像低层视觉特征等知识内容。第三由于人的高层感知与计算机中图像特征的低层表示之间存在语义差别, 有时计算结果认为是相似的, 而人却认为是不相似的。
基于BP神经网络技术融合颜色、纹理、形状等特征, 将它们各个分量作为输入层元素, 则不需要对其进行归一化处理;利用神经网络技术的学习、记忆功能, 进行相关反馈, 建立起了高层感知和低层特征的联系, 即计算机将图像的特征相似信息反馈给人, 人对计算结果的评判信息反馈给神经网络, 网络进行学习、记忆, 模拟人的感知。这种反馈结构实现了人机互动。所以评估结果将更加精确可靠, 但要求先进行学习培训。其二级BP神经网络结构如下:
其中:x1, x2, …, xi表示目标、背景颜色、形状、纹理等特征量的相似度, 参照第四章内容, 如果x2代表纹理相似度, 则它包含五个参数 (输入元素) , 即目标、背景纹理的角二阶矩相似度、对比度相似度、差熵相似度、相关相似度和局部均匀性相似度。表示人工判读的目标发现概率。
可以进行以下实验, 进行网络训练。
(1) 制作实验用图。具体制作方法是:将目标图像 (1) 至于9倍于其面积 (2) 的背景中央, 如图2 (a) 所示。通常伪装时会对目标和背景的交接处进行相应处理, 使其融合, 在此利用数字图像处理的平滑技术对目标和背景的交接处进行平滑处理, 图2 (b) 中的蓝色边框就是平滑区域。
(2) 组织若干 (二十名以上) 视力正常的判读人员对大量实验用图 (50幅以上) 进行判读, 每幅图片的判断时间为10s, 记录发现概率, 并对判读结果进行统计。
(3) 计算目标、背景各特征参数的相似度值, 作为输入元素, 统计后的发现概率作为期望输出, 进行网络训练。
训练的时间越长, 训练量越多, 特征权值分配将更准确。经过训练, 它可作为伪装效果评估工具。
摘要：空中侦察图像 (以下称照片) 能够如实反映目标的性质和状况, 通过人工判读, 利用人的高层感知融合侦察照片中目标、背景的形状、大小、色调、阴影、位置和活动等低层特征, 能够准确评估目标伪装效果。由于航天侦察照片的判读是以航空侦察照片判读为基础, 所以只需研究航空照片判读即可。如何快速、准确的判读航空照片, 进行伪装目标效果评估, 是国内外伪装技术发展的热点之一。目前, “人机交互”的判读模式占据主导地位, 随着计算机技术的高速发展, 它将逐步向自动化、智能化“模式识别”方向发展。论文将神经网络理论应用于光学伪装效果评估, 探讨了一种基于BP神经网络模型的光学伪装效果评估模型。
光学效果 篇6
关键词：光学电流互感器,锁定放大器,运行稳定性,测量精度,输出信噪比
0 引言
随着数字化变电站的发展,以法拉第磁光效应[1,2]为原理的自适应光学电流互感器(AOCT)[3]逐步实现了实用化[4]。以往的AOCT传感部分通常采用顺磁性磁光材料以便于实现自适应光学传感过程[5],然而顺磁性磁光材料Verdet常数比较大,当AOCT测量暂态大电流时法拉第旋转角非常大,导致非线性误差及各谐波所引起的畸变比较大。为了进一步完善和发展AOCT,解决其存在的问题,本文在螺线管聚磁光学传感头中采用抗磁性磁光材料,并缩短磁光材料的长度,以减小AOCT的非线性误差及各谐波所引起的畸变,并进一步提高其长期运行稳定性。但此时AOCT测量小电流得到的光电信号主要被AOCT内部固有噪声影响,严重时会被湮没,其测量值存在较大误差。因此,如何有效地去除噪声的影响,同时得到高精度的数据以确保实现自适应光学传感过程是必须解决的问题。在原有AOCT的基础上,本文通过在信号处理部分采用锁定放大器(LIA),使得改进后的AOCT实现大范围电流的高精度测量,综合提高AOCT的暂态和稳态准确度。通过基于虚拟仪器LabVIEW的检测系统对本文提出的电流测量过程进行仿真实验。
1 AOCT的电流测量过程
根据对光学电流互感器(OCT)数学模型[4]的分析可知,被测电流包括50 Hz的基波电流及各次谐波电流,各种电流成分作用下的光学传感系统所表现的特性始终是一致的[1],而且外界对OCT的影响也不会由于电流成分的不同而有所变化。因此,基波电流与其他电流成分所对应的OCT的比例系数相同。AOCT的系统原理如图1所示。
图1中的稳态电流参考模型是以传统电流互感器为传感元件的电子式互感器,提供高精度的基波电流量测量。在电力系统稳态时,稳态电流参考模型的测量值经过横向滤波器组直接输出,同时光学传感元件OCT部分通过整周期累加平均法计算基本光强P0,利用稳态电流参考模型所测得的电流信号作为光学传感元件的锁定放大器部分的同频率基波参考信号,在稳态电流参考模型和光学传感元件所测得的电流信号经锁定放大器后应用自适应算法计算自适应校正系数。
由于采用基于电磁感应原理的电流互感器作为参考模型来提高其稳态测量精度,当电力系统发生故障时,稳态电流参考模型会因电流中出现的非周期分量产生磁饱和现象而导致严重的波形失真。因此,在电力系统出现故障后必须停止计算自适应校正系数,以避免稳态电流参考模型的失真波形影响OCT的输出,同时需要停止计算P0。由于电力系统中故障时间非常短,外界因素如温度等对光学传感元件的影响在暂态过程中是不变的,故障前后的自适应校正系数也就不变,此时系统采用故障前一时刻稳态所计算出的自适应校正系数,使故障后AOCT的准确度也达到参考模型稳态准确度的水平;同时可认为短时间内OCT中的P0不变,将稳态情况下计算出的P0代入,在后续电路中直接减去该值,通过滤波器组直接输出故障电流信息。故障后的校正参数并不是以故障后参考模型的输出为基础计算得到的,因此故障后由饱和等因素引起的参考模型输出误差不会影响AOCT的暂态准确度。另外,由于通过直接减去P0而得到故障电流,保留了非周期分量,解决了原OCT的单光源单探测器交流/直流法不能测量非周期分量的问题。
为了能将稳态测量期间所获得的自适应校正系数以及P0值应用到暂态测量中,以更好地消除温度、双折射等因素的影响,必须在电流突变瞬间就捕获突变时刻和突变量的大小。本文采用突变量检测方法,检测出电力系统由稳态向暂态转变瞬间会在被测电流中出现的奇异点,以闭锁基本光强的计算过程及校正参数的自适应算法。当电力系统发生故障时,通过突变量检测立即停止计算P0,利用暂态测量通道输出故障电流值,此时不经过稳态测量通道,因此停止计算新的校正参数,并采用故障前一时刻的P0和稳态所计算出的自适应校正系数,通过横向滤波器组直接输出,如图1中虚线所示。
需要指出的是,由于在稳态电流参考模型和光学传感元件的输出信号之后都采用了锁定放大器,因此改进后的AOCT有效地抑制了AOCT内部噪声,提高了信噪比。在保证AOCT的非线性误差及各谐波畸变很小的前提下,提高了改进AOCT对大范围电流测量的精确度和其暂态及稳态准确度。
2 锁定放大器
将锁定放大器应用到AOCT微弱信号系统中,对光电探测器中的噪声[6]有很好的抑制作用。本文采用了正交矢量型锁定放大器[7]进行AOCT微弱信号的检测,其系统结构如图2所示。
电力系统稳态运行时,在不考虑谐波输出的情况下,对于被测稳态电流i=Imsin(ωt+φ),光电探测器输出的电压信号为[4]:
u(t)=P0(1+2θ)=P0+2P0VImsin(ωt+φ) (1)
式中:θ为法拉第旋转角;V为磁光材料的Verdet常数。
经过整周期累加平均方法可得P0,在后续电路中减去该值,即可得到携带有用电流信息的交流量,通过带通滤波器(BPF)及前置放大器后的输出信号为:
式中:Vs=2k1P0VNIm。
忽略光电探测器中白噪声,通过BPF后变成的以ω为中心频率的窄带噪声为n(t),选择参考信号为Vr1(t)=sin ωt,Vr2(t)=cos ωt,则相敏检测器PSD1的输出为:
up1(t)=-0.5Vscos(2ωt+φ)+0.5Vscos φ (3)
相敏检测器PSD2的输出为:
up2(t)=0.5Vssin(2ωt+φ)+0.5Vssin φ (4)
通过LPF和GDC后,便可以得到同相输出I和正交输出Q:
根据
考虑窄带噪声n(t)的影响[8],n(t)可分解为:
式中:nc(t)和ns(t)是2个相互独立的低频平稳随机过程,它们的均值都为0,幅度分布为高斯分布,功率谱密度在-B/2~B/2带宽范围内恒定为N0/2,且nc(t)和ns(t)的功率相同,都等于n(t)的功率。
n(t)Vr1(t)=(nc(t)cos ωt-ns(t)sin ωt)sin ωt=
0.5nc(t)sin 2ωt+0.5ns(t)cos 2ωt-
0.5ns(t) (8)
n(t)Vr2(t)=(nc(t)cos ωt-ns(t)sin ωt)cos ωt=
0.5nc(t)cos 2ωt+0.5nc(t)-
0.5ns(t)sin 2ωt (9)
噪声的和频项被滤除后,其噪声分别主要表现为-0.5ns(t)和0.5nc(t),且由于nc(t)和ns(t)的均值都为0,通过长时间的积分作用后,可大大滤除噪声。
由此可见,虽然磁光材料的缩短会使得改进AOCT输入信噪比降低,但其非线性误差及各谐波的畸变很小,所受外界温度干扰的影响也大为降低,使得其长期运行稳定性大为提高;同时,通过微弱信号检测过程可看出在信号处理部分采用锁定放大器能有效抑制光电探测器的主要噪声,将信号从噪声中分离出来,输出最初正确的微弱电流信号,从而提高了改进AOCT的输出信噪比和测量精度。
3 AOCT交流电流检测实验
为了检验改进AOCT的测量性能,需要进行交流电流的检测实验。实验电路如图3所示。
实验采用的设备包括调压器、400匝螺线管、滑线变阻器(取值100 Ω)、47 μF电容器、用于测量线路电流的PROVA-11型微电流交直流钳形表、HKA0.5-NP霍尔小电流传感器、LXYA 100 V/3.5 V微型精密高精度变换器、NI USB-6251数据采集卡。由于在实验室中没有直接产生600 A~1 000 A的大电流发生器,为此采用提高安匝数的办法将通过螺线管的小电流等效放大,以达到发生大电流的效果。需要强调的是,在实验中所采用的螺线管不是前文所述的光学传感系统中通过一次大电流的聚磁螺线管。在实际应用中,AOCT光学传感系统中的聚磁螺线管的匝数通常是几匝。
NI USB-6251是一款高速多功能数据采集模块,在高采样率下也能保持高精度。通过DAQ Assistant软件可以实现数据采集并将模拟信号与所编写好的LabVIEW程序[9,10]相连。本文采取用传统电流互感器作为参考信号,经移相得到正交的参考信号,计算AOCT测量值与电流互感器测量值,并得到两信号在噪声情况下的测量误差。AOCT信号检测结构如图4所示。
由于实验在非恒温条件下进行,所采集的AOCT和传统电流互感器信号会受到温度变化的影响,因此需要在运行一段时间后重新计算其整定值。调节接触调压器输出所要测量的AOCT信号和电流互感器信号,采样率选择10 kHz,被测信号频率为50 Hz,采样点数为105时,连续运行400次,记录每次AOCT测量值与电流互感器测量值之间的电流幅值最大误差,如图5所示。
实验结果证明AOCT与电流互感器通过锁定放大器后的测量值误差在0.2%以内,检测系统能有效滤除噪声,提高了输出信噪比和测量准确度。
4 结语
本文在采用AOCT中的螺线管聚磁光学传感头的基础上,改用抗磁性材料并缩短磁光材料的长度,提高了OCT的长期运行稳定性。在信号处理部分采用锁定放大器和与传统电流互感器互补结合的方法综合提高OCT的暂态和稳态准确度。同时,利用LabVIEW对检测系统进行了仿真实验,证明检测系统能有效滤除噪声,提高了输出信噪比和测量准确度。
感谢华北电力大学校内博士学位教师基金的资助。
参考文献
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声学、光学复习 篇7
1.声音是由物体的振动产生的。
2.声音的传播需要介质:固体、液体和气体都是传播声音的介质。
3.乐音有三个特征:响度、音调和音色, 其中响度是指人耳能感觉到的声音的强弱。响度是人耳对声音的感觉, 而且在感觉上是指音量的大小。如将收音机的音量开关开大, 听到的声音的响度增大, 反之就减小。
4.乐音:有规律的、好听悦耳的声音叫做乐音。
噪声:无规律的、难听刺耳或污染环境的声音叫做噪声。
噪声有两个分类标准:一是从物理学的角度, 噪声是发声体做无规则振动时发出的声音;二是从环境保护的角度, 凡是妨碍人们正常休息、学习和工作的声音, 都属于噪声。
5.一般来说我们主要有以下三种途径来减弱噪声。 (1) 在声源处减弱。如把噪声大的设备更换为噪声小的设备, 或加装一些消声设备; (2) 在传播过程中减弱。如使居民区远离有噪声的工厂, 或使居民区的门窗背向工厂或马路, 在马路和住宅区设立屏障或植树造林, 使传来的噪声被反射或部分吸收而减弱, 或者将噪声较大的工厂迁至城外, 远离居民区等; (3) 在人耳处减弱。例如防噪声用的耳塞、耳罩、头盔等。
练习:
1.登上月球的宇航员只能靠无线电交谈, 这是因为 () 。
A.宇航员们在月球上离得太远, 只能用无线电联系
B.宇航员们戴的头盔隔音
C.在月球上没有空气, 不能传播声音
D.使用无线电交谈, 便于录音
答案:C。声音的传播需要介质, 真空不能传声。
2.唐代大诗人李白的诗中有“谁家玉笛暗飞声, 散入春风满洛城”的佳句。玉笛发声是由于______振动, “散入春风满洛城”说明______能传声。
答案:空气、空气。
3.唐诗《枫桥夜泊》中“姑苏城外寒山寺, 夜半钟声到客船”一句体现出的物理知识有_______、________。
答案:声音是由于物体振动产生的, 声音的传播需要介质。
4.在敲响大古钟时发现, 停止了对大钟的敲击后, 大钟仍“余音不止”, 原因是 ( ) 。
A.人的听觉发生“延长”
B.大钟的回声
C.大钟仍在振动
D.大钟虽停止振动, 但空气仍在振动
答案:C。
5.科学考察工作者为了测海底某处的深度, 向海底垂直发射超声波, 经14s收到回波信号。该处海水深______m (声音在海水中的传播速度为1500m/s) 。这种方法______ (填“能”或“不能”) 用来测量地球和月球之间的距离。
答案:10500;不能。海洋的深度地球与月球之间缺少传播声音的介质, 声音不能够在真空中传播。
6.医生用听诊器诊断病情是因为 ( ) 。
A.听诊器能使振动的振幅增加, 使响度增强
B.听诊器能改变发声体
C.听诊器能缩短听者距发声体的距离, 使传入人耳的响度增强
D.听诊器能减少声音的分散, 使传入人耳的响度更强一些
答案:D。医生将听诊器接触人体的有关部位时, 被测部位振动发出的声音由听诊器皮管内的空气进行传播, 于是医生就听到了声音, 用于诊断病情。显然被测部位振动发出的声音的特征不会因有无听诊器而改变, 所以A、B错。不过, 由于声音在皮管内传播, 不易发散而直接传入医生的耳朵, 所以听诊器能减少声音的分散, 使医生听到的响度强一些, 听得更清楚些, 故本题正确答案是D。
7.“震耳欲聋”反映了声音的______很大;“声音刺耳”反映了声音______很高;“闻其声而知其人”是根据声音的______来判断的;蝴蝶飞舞时, 翅膀也在振动, 人耳却听不到声音, 这是因为______。
答案:响度;音调;音色;蝴蝶翅膀振动产生的频率低于20Hz。
8.交响乐是由管弦乐队演奏的大型乐曲。弦乐器的琴弦由于受到弹拨或摩擦而______发出了声音;乐队指挥能够分辨出交响乐中各种乐器发出的声音, 他是根据声音______的进行辨别的;夜深人静的时候, 如果把播放器的音量开得过大, 优美的音乐声此时也变成了______。
答案:振动;音色;噪声。声音是由物体振动产生的。所以琴弦受到弹拨或摩擦而振动发声;不同乐器发出声音的音色不同, 是由于发声体不同;夜深人静时, 优美的音乐声较大, 会影响人们休息故成为噪声。
9.以下关于噪声与乐音的说法正确的是 ( ) 。
A.歌星唱歌的声音都是乐音
B.爆竹声不一定是噪声
C.只要是乐器, 发出的声音都是乐音
D.清晨, 林中小鸟的叫声是乐音
答案:D。凡是影响人们正常休息、工作、学习的声音都属于噪音, 歌星、乐器发生的声音影响到人们的正常生活则会成为噪声。爆竹爆炸时声波不规则是噪声, 而林中小鸟的叫声令人心情舒畅是乐音。
10.下面关于超声波或超声波的利用的说法中, 的是 ( ) 。
A.蝙蝠能发出超声波
B.超声波的传播不需要介质
C.可以利用超声波的反射探测海洋深度
D.可以利用B型超声仪检查身体
答案:B。蝙蝠能发出超声波, 并利用超声波进行导航;超声波是声波的一种, 它的传播也需要介质;C、D项中的说法均是超声的应用, 故本题只有B项错。
11.在下列应用实例中, 不属于超声波应用的是 ( ) 。
A.外科医生利用声波的振动除去人体内的结石
B.利用声波预测自然灾害
C.利用声波探测海中潜艇的位置
D.利用声波清洗钟表等精细的机械
答案:B。自然界中, 火山爆发、地震、风暴等大型自然灾害都能产生次声。
光学
1.光源是指自身能发光的物体, 太阳、发光的电灯、点燃的蜡烛都是光源。有些物体本身不发光, 但由于它们能反射太阳光或其他光源发出的光, 好象它们也在发光一样, 不要误认为是光源, 如月亮和所有行星, 它们并不是物理学中所指的光源。
2.光线:在物理学中, 光线是用来表示光的传播路径和方向的带有箭头的直线。许多光在一起称为光束, 光线的方向也就是光的传播方向。光沿直线传播的实例: (1) 影子的形成, (2) 月食的形成, (3) 小孔成像。
3.平面镜成像的特点。
平面镜成像是光的反射形成的。
物体通过平面镜成像有如下特点: (1) 像与物大小相等; (2) 像与物的对应点连线跟镜面垂直; (3) 像与物到镜面的距离相等; (4) 像与物左右相反; (5) 像是虚像。
4.平面镜成像作图。
平面镜成像的作图有两种方法:第一种方法是根据光的反射定律作图;第二种方法是根据平面镜的成像特点作图。使用第一种方法时, 应注意每个物点画出两条入射光线和对应的反射光线, 并注意实虚线要分清, 虚像用虚线画;第二种方法也叫几何对称作图法, 应用该法作图时, 要注意: (1) 只需作出构成物体形状的关键的几点的对称点即可; (2) 像物体对应点连线必须与镜面垂直; (3) 像必须由虚线构成。
5.物体的颜色。
(1) 透明体的颜色是由它透过的光决定的。透明物体让和它颜色相同的光通过, 把其他颜色的光都吸收了。所以透过茶色玻璃看到的世界都是茶色的。
(2) 有色的不透明物体反射与它颜色相同的光。红色物体反射红光, 吸收其他颜色的光, 而白色物体反射各种色光, 黑色物体吸收所有的光。
6.凸透镜成像规律
练习:
1.下列物体中属于光源的是 ( ) 。
A.放电影时所看到的银幕
B.反射阳光的平面镜
C.收看电视时看到的电视机的屏幕
D.月亮。
答案:C。光源是指本身能够发光的物体。判断物体是否是光源, 是看“本身”是否能够发光。A项放电影的银幕是粗白布, 不能发光, 放电影时是反射的放映机发出的光;B项中的平面镜可以反射光, 但本身不能发光;D项中的月亮能反射太阳光但自身不发光, 故不是光源;只有C项中电视机的屏幕是本身发光的, 属于光源。
2.关于小孔成像的情况, 下列说法中正确的是 ( ) 。
A.正立的 B.倒立的 C.一定是缩小的像 D.是放大的像
答案:B。小孔成像是由于光的直线传播形成的, 改变烛焰、小孔和光屏三者的距离关系, 可成放大的、等大的或者缩小的像, 但像一定是倒立的。
3.为了检查一块木板的一条棱是否平直, 可以闭上一只眼睛沿着棱的方向看过去, 这是利用了______。
答案:光在同种均匀介质中沿直线传播。由于光是沿直线传播的, 若木板不平直, 有凸起或弯曲, 则棱末端的光线将被挡住不能射入人眼。
4.晴天, 树荫下的地面上出现的圆形光斑是 () 。
A.太阳的实像 B.太阳的影子
C.太阳的虚像 D.树叶的影子
答案:A。小孔成像是由于光在均匀介质中沿直线传播形成的。树荫下地面上出现的圆形光斑就是太阳光通过树叶间的小孔在地面上形成的太阳的实像。
5.光明是人们祈求的, 但有时光也会损害人的视觉和身心健康, 成为光污染。下列现象中会造成光污染的是 ( ) 。
A.汽车车窗玻璃上贴防晒膜
B.城市建筑大面积安装玻璃幕墙
C.晚上学习时用护眼台灯
D.用塑料薄膜建造温室大棚
答案:B。城市建筑大面积安装玻璃幕墙, 会由于发生大面积的镜面反射而造成光污染, 本题考查环境保护意识。
6.一个人站在平面镜前并缓慢地向平面镜靠近, 则他在平面镜中所成的像情况应该是 ( ) 。
A.像靠近平面镜, 而且变得越来越大
B.像靠近平面镜, 而且变得越来越小
C.人和像之间的距离保持不变, 而且像的大小也不变
D.像靠近平面镜, 大小不变
错解:A
错解分析:人靠近平面镜时, 像也靠近平面镜, 由生活经验观察到人在平面镜中的像越来越大, 误认为人通过平面镜成的像变大, 其实, 人的大小没变, 则人通过平面镜所成像的大小也不变, 人感觉到镜中人像变大是由于视角改变所造成的, 故本题应选D。
答案:D。
7.一平面镜与水平桌面成45°角固定在水平桌面上, 如图所示, 一小球以1m/s的速度沿桌面向平面镜匀速滚动, 则小球在平面镜中的像 ( ) 。
A.以1m/s的速度, 做竖直向上的运动
B.以1m/s的速度, 做竖直向下的运动
C.以2m/s的速度, 做竖直向上的运动
D.以2m/s的速度, 做竖直向下的运动
答案:B。根据平面镜成像的性质, 小球在A点时, 对应于镜面等距离的虚像在A'位置, 小球滚到B点时, 其对称的像应在B'处, 显然AB=A'B'。可见镜里的像以与小球相等的速度竖直向下运动。
8.某发光点S所发出的两条光线经平面镜反射后形成的光线如图。请完成光路图并确定发光点S的位置。
答案
9.根据平面镜成像特点, 画出图中物体AB在平面镜MN中的像。
答案
本题应注意, A'B'是虚像应用虚线表示。部分同学在此容易忽视, 从而在考试中丢分。
10.唐朝著名诗人储光羲的《钓鱼湾》中有一句诗词“潭清疑水浅, 荷动知鱼散”。意思是清澈的潭水看起来变______了, 春荷一动, 鱼尽散去。在这里, 诗人看到的潭底和水中的鱼, 都是______像, 且看到的位置比实际位置都偏______, 这是由于光的_______现象造成的。
答案:浅、虚、高、折射。
11.白天, 坐在小汽车里透过车窗玻璃看到车外的景物, 这是由于光的 ( ) 。
A.直线传播 B.反射 C.折射 D.三种都有可能
答案:C。透过玻璃看到的景物是光折射后的虚像。
12.潜水员在水中看岸上的小鸟, 在图中能正确表示其光线的传播大致路径的是 ( ) 。
答案:C。潜水员在水中看岸上的小鸟, 光应从空气射入水中, 光从空气射入水中折射角小于入射角。
13.早晨, 草上的露珠在日光下呈现鲜艳的颜色, 而且颜色随视线的方向而改变, 这是因为 ( ) 。
A.露珠晶莹, 日光强烈刺眼, 使视觉受到影响, 看到眼前五颜六色
B.光的反射
C.光的色散
D.视线方向不同, 看到了露珠前后不同的颜色
答案:C。水珠相当于三棱镜, 能将太阳光分解, 产生光的色散现象, 由于各种色光折射角度不同, 所以在不同方向看到的色光不同。
14.舞台上的演员穿着白上衣, 蓝裤子, 在红色的舞台灯光的照射下, 他的上衣呈现____色, 裤子呈现____色。
答案:红色、黑色、白色上衣能反射各种色光, 红光照在它上面, 红光被反射入观众眼中, 故呈红色。蓝裤子只能反射蓝光, 无光进入观众眼中, 故呈黑色。
15.小丽同学用焦距为10cm的凸透镜做“探究凸透镜成像规律”的实验, 实验装置如图所示。在实验过程中保持凸透镜的位置不变, 请你根据所学知识回答下列问题。
(1) 实验前应首调节烛焰的中心、____、光屏的中心在同一高度。
(2) 改变蜡烛的位置, 使其位于20cm刻度线处, 再移动光屏, 使烛焰在光屏上成清晰的倒立、______的实像。 (填“放大”、“缩小”或“等大”)
(3) 在实验 (2) 的基础上, 将蜡烛和光屏互换位置, 此时烛焰在光屏上成清晰的倒立、______的实像。 (填“放大”、“缩小”或“等大”)
(4) 把图中的凸透镜看作眼睛的晶状体, 光屏看作视网膜。给“眼睛”戴上远视眼镜, 使烛焰在“视网膜”上成一清晰的像。若取下远视眼镜, 为使光屏上得到清晰的像, 应将光屏
(填“远离”或“靠近”) 凸透镜。
分析:远视眼镜是凸透镜对光线有合象作用, 当烛焰通过远视眼镜和“晶状体”在“视网膜”上成清晰的像时, 若取下远视眼镜, 出射光线会变得较为发散, 像成在“视网膜”之后, 为便光屏上得新得到清晰的像, 需将光屏远离凸透镜。
答案: (1) 凸透镜光心, (2) 缩小, (3) 放大, (4) 远离。
16.常见的视力缺陷有近视和远视。如图所示是一位视力缺陷人员的眼球成像示意图, 他的视力缺陷类型及矫正视力需要配戴的透镜种类是 ( ) 。
A.远视睛, 凸透镜 B.远视眼, 凹透镜
C.近视眼, 凸透镜 C.近视眼, 凹透镜
答案:A。物体成的像在视网膜之后, 表明晶状体对光的会聚能力弱, 该人员患远视眼, 应配戴凸透镜加以矫正。
17.如图所示是张敏同学拍摄的西湖大酒店风景相片, 则下列说法正确的是 ( ) 。
A.要想使大楼的像更大些, 张敏应向大楼靠近些并增大镜头与胶片之间的距离再拍照
B.大楼在湖中的倒影是由于光的直线传播形成的
C.大楼在湖中的倒影是由于光的折射形成的
D.拍摄时底片上的像是倒立、放大的虚像
《光学》考点透视 (上) 篇8
1.光的直线传播规律及应用。
2.在光的反射定律的考查中应包括光的反射定律及应用, 平面镜的成像特点等内容, 特别是平面镜的成像特点的实验探究及应用。
3.光的折射现象、折射规律等知识的考查重在记忆和理解;经常考查光的直线传播、光的反射、光的折射等光现象的区分;也涉及色光、颜色、看不见的光等光现象的考查。
4.考查根据凸透镜、凹透镜的三条特殊光线画光路;考查平面镜作图。
5.考查:探究“凸透镜的成像规律”的实验过程及研究方法;凸透镜的成像规律的掌握程度及应用。
6.考查生活中的透镜及眼睛、眼镜。
重点考点:
1.光现象的理解和区分。
2.探究“光的反射规律”“平面镜镜成像规律”和“凸透镜的成像规律”的实验过程及研究方法。
3.平面镜镜成像、凸透镜的成像规律的掌握程度及应用。
热点考点:
1.光的直线传播、反射、折射现象的区分、规律及现象解释。
2.探究平面镜成像规律及应用。
3.光学元件的作用及光学作图。
4.探究“凸透镜的成像规律”, 凸透镜的成像规律的理解及应用。
5.生活中的透镜及眼睛、眼镜。
6.看不见的光, 物体的颜色。
命题方向和规律:
题型:主要有选择题、填空题、作图题、问答题、实验探究题等。选择题、填空题主要考查基础知识和基本能力;光学作图题主要集中在平面镜成像特点、凸透镜对光线的作用及成像规律上;实验探究题主要集中在探究光的反射和折射的规律、探究平面镜及凸透镜成像规律上, 也有联系高中知识如折射率出探究题;光学问答题一般在实际应用方面出题。另外也考查红外线、紫外线、眼睛和眼镜、实像和虚像的区别等方面的知识, 一般以填空题和选择题的形式出现的, 也有以探究、问答题的形式出现。
分值:光学在中考中分值一般在10分左右。
考点1:光的直线传播
例题 (2013·湖南娄底) :如图所示的4种现象中, 由光的直线传播形成的是 () 。
『解析』选项A和B都是光的折射现象, A是海市蜃楼现象, 由于空气分布不均匀, 光在不均匀的空气中传播时会发生折射, B中插入水中的树枝好像弯折了, 这是树枝的光进入人眼时在水面发生了折射;选项C水中的倒影, 是平面镜成像, 是由光的反射形成的;选项D手影是由光的直线传播形成的。
『答案』D。
『点评』
考点:光的直线传播。
主要考查:光的反射、光的折射、光的直线传播现象三种光现象;考查了学生对三种光学现象的区分。
解题关键:把握住三种光现象的本质, 注意区分各个现象的形成原因, 知道生活中与之相关的现象和实例。
考点2:光的反射
例题 (2013·山东东营改编) :如下左图所示是小明同学探究反射定律的实验装置。平面镜M平放在平板上, 白色硬纸板竖立在镜面上, 硬纸板是由E、F两块粘接起来的, 其中F可绕接缝ON转动。
(1) 小明让一束光贴着纸板射到O点 (如下左图) , 要使入射光线和其反射光线的径迹同时在纸板上出现, 纸板与平面镜的位置关系是______ (选填“一定垂直”“一定不垂直”或“可以垂直也可以不垂直”) ;
(2) 小明探究反射角和入射角之间的关系时, 三次改变入射的大小, 实验所测数据如下表, 他根据表中数据得出的结论和其他同学的结论并不一致。请你根据表中的数据分析小明实验中出现错误的原因是______;
(3) 硬纸板F的主要作用是什么?
『解析』本实验探究光的反射定律:主要研究的是两角关系和三线关系。 (1) 要使入射光线和其反射光线的径迹同时在纸板上出现, 则法线必须与平面镜垂直, 并且反射光线、入射光线和法线必须在同一平面内, 因此纸板与平面镜的位置关系必垂直; (2) 根据反射定律, 反射角等于入射角, 反射角是反射线与法线的夹角, 入射角是入射线与法线的夹角, 当入射角分别为20°、30°、50°时, 反射线与法线的夹角, 即反射角也应分别是20°、30°、50°, 而70°、60°、40°正好是反射光线与镜面的夹角, 所以是把反射光线与镜面的夹角当成了反射角; (3) 通过硬纸板F可观察到光的反射路径, 也可以探究入射光线、反射光线和法线的位置关系, 从而验证反射光线与入射光线及法线在同一平面内。
『答案』 (1) 一定垂直; (2) 把反射光线与镜面的夹角当成了反射角; (3) 硬纸板F的主要作用是: (1) 呈现反射光线, (2) 验证反射光线与入射光线及法线在同一平面内。
『点评』
考点:光的反射定律。
主要考查:研究光的反射定律的实验;入射角的意义;器材的作用。
解题关键:理解光的反射定律;知道入射角是反射光线与法线的夹角, 而不是反射光线与镜面的夹角;掌握器材的作用。
例题 (2013·山东德州) :下列成语涉及的光现象与其物理知识相符的是 () 。
A.凿壁偷光———光的反射B.一叶障目———光的折射
C.猴子捞月———光的折射D.杯弓蛇影———光的反射
『解析』A.凿壁偷光, 是利用光的直线传播;B.“一叶障目, 不见泰山”是指一片叶子挡在眼前就看不见东西了, 这是因为光是沿直线传播的;C.水中捞月, 水中的月亮是平面镜成像, 是光的反射现象;D.杯弓蛇影是弓在液面形成的倒影, 是光的反射现象。
『答案』D。
『点评』
考点:光的反射和传播。
主要考查:光的反射和传播现象、平面镜成像。
解题关键:理解光的反射和光的直线传播现象及应用, 理解成语、诗词、歌词中蕴涵的物理知识。
考点3:探究平面镜成像的特点
例题 (2013·山东日照) :如下甲图是小芳同学探究“平面镜成像的特点”的实验装置。 (1) 在实验中用透明的玻璃板代替平面镜, 主要是利用玻璃透明的特点, 便于____;
(2) 在竖立的玻璃板前放一支点燃的蜡烛M, 可以看到玻璃板后面出现蜡烛的像。小明拿另一支大小相同的蜡烛N在玻璃板后面移动, 直到它跟蜡烛M的像完全重合。由此可以得出的结论是___;
(3) 实验时, 小芳同学应在____ (填“M”或“N”) 侧观察蜡烛M经玻璃板所成的像;
(4) 细心的小芳透过玻璃观察蜡烛M的像时, 看到在像的后面还有一个较模糊、与像有部分重叠的像, 出现两个像的原因是_________;
(5) 经过三次实验, 记录的像A'、B'、C'与物A、B、C对应的位置如图乙所示。为了得到更多的实验结论, 接下来小明应该进行的操作是:_______。
『解析』 (1) 点燃的蜡烛通过玻璃板可以成像;又因为玻璃板具有透光性, 在玻璃板的一侧不仅可以看到像, 还可以看到后面另一支蜡烛, 这样便于移动蜡烛, 使它与点燃的蜡烛的像重合, 来确定蜡烛像的位置, 而平面镜不透光, 不能观察到镜后的情况, 不能确定像的位置; (2) 两段蜡烛大小相同是为了比较像和物的大小, 像和物重和则大小相同; (3) 根据平面镜所成的是像是虚像的特点, 应在物体一侧观察; (4) 由于像是由光的反射形成的, 而普通玻璃的两面都能反射光, 能成两个像, 所以通过玻璃板该同学看到了同一个蜡烛的两个像; (5) 平面镜成像的特点:像物等大、等距、连线与镜面垂直, 据此分析实验的操作步骤应该连接像与物的对应点, 判断连线与镜面是否垂直;通过归纳处理即可得出结论。
『答案』 (1) 确定像的位置; (2) 像和物大小相等; (3) M; (4) 玻璃板比较厚, 蜡烛经过两个反射面都会形成像; (5) 连接对应的像点和物点, 判断连线是否和镜面垂直;测出像点和物点到玻璃板的距离进行比较。
『点评』
考点:实验探究平面镜成像的特点。
主要考查:考查学生动手操作实验的能力并能合理解决实验中出现的问题。
解题关键:熟练掌握平面镜的成像特点, 掌握实验的过程及操作。平面镜是最重要的光学元件, 又是光的反射定律的重要应用, 在生活中经常用到。成像原理、特点、探究平面镜成像实验及应用在中考经常出现。
例题 (2013·齐齐哈尔、黑河、大兴安岭) :如下图是某学习小组探究平面镜成像特点的实验装置, A是点燃的蜡烛, B是与A完全相同但未点燃的蜡烛。
(1) 此实验采用透明玻璃板代替平面镜, 虽然成像不如平面镜清晰, 但却能在观察到A蜡烛像的同时, 也能观察到B蜡烛, 巧妙地解决了________不易确定的问题;
(2) 选取两支完全相同的蜡烛是为了比较像和物的_________关系;
(3) 实验中小心地移动B蜡烛, 直到与A蜡烛的像完全重合为止, 观察记录之后, 将B蜡烛撤掉, 拿一张白纸放在刚才B蜡烛的位置, 却没有承接到A蜡烛的像, 这说明平面镜成的是_______像;
(4) 小组同学进行了正确的实验操作后, 得到的实验数据如下表:
实验数据中, 像和蜡烛到玻璃板的距离不是都相等的原因可能是:________ (写出一条即可) 。
『解析』 (1) 此实验采用透明玻璃板代替平面镜, 虽然成像不如平面镜清晰, 但却能在观察到A蜡烛像的同时, 也能观察到B蜡烛, 巧妙地解决了像的位置不易确定的问题; (2) 选取两支完全相同的蜡烛, 当玻璃板后面的蜡烛和玻璃板前面的蜡烛的像完全重合时, 可以确定像的位置, 同时也可以比较像物大小关系; (3) 实像能用光屏承接, 虚像不能用光屏承接, 拿一张白纸放在刚才B蜡烛的位置, 却没有承接到A蜡烛的像, 这说明平面镜成的是虚像; (4) 像物到平面镜的距离不都相等, 可能是玻璃板的厚度问题的原因或标记蜡烛位置时有误差, 也可能是测量距离时有误差造成的。
『答案』 (1) 像的位置; (2) 大小; (3) 虚; (4) 测量距离时有误差。
『点评』
考点:考查探究平面镜成像的实验。
主要考查:考查平面镜成像实验中像的位置怎样确定、器材选择和操作的目的、像的性质和特点。
解题关键:熟练掌握平面镜的成像性质和特点, 知道怎样确定像的位置, 知道器材的选择及目的作用。
考点4:平面镜的应用
例题 (2013·江苏南京) :下列事例属于平面镜成像应用的是 () 。
『解析』A.照相机镜头前假装滤色镜, 会吸收或反射其他的色光, 不是平面镜的应用;B.过强的紫外线能伤害人的眼睛和皮肤。电焊弧光中有强烈的紫外线, 因此电焊工工作时必须穿好工作服, 并戴上防护罩;C.由于平面镜所成的像与物大小相同, 所以舞蹈演员用镜子观察自己的姿势;D.近视眼的晶状体较厚, 会聚能力较强, 看远处的物体时, 将像成在视网膜的前面, 须戴凹透镜矫正。远视眼的晶状体较薄, 会聚能力较弱, 看近处的物体时, 将像成在视网膜的后面, 须戴凸透镜矫正, 不属于平面镜的应用。
『答案』C。
『点评』
考点:平面镜成像的特点;。
主要考查:综合考查了平面镜成像的特点、紫外线的作用、近视眼的成因和纠正方法。
解题关键:知道平面镜像物的特点及应用, 知道紫外线的作用、近视眼的成因和纠正方法。此题与实际生活联系密切, 体现了生活处处是物理的理念。
光学作图题归类透视 篇9
作图要点：
(1)物、像关于平面镜对称；
(2)平面镜是物点和像点连线的垂直平分线；
(3)反射角等于入射角，法线是反射光线和入射光线夹角的角平分线，且法线与镜面垂直，平面镜成像时，所有反射光线的反向延长线一定经过镜后的像。
1.1 确定平面镜和反射光线的位置
例1 如图1所示，S′为点光源S在平面镜MN中的像，SA为光源S发出的一条光线，请画出平面镜MN，并完成光线SA的光路。
分析 本题关键是根据平面镜成像的对称性，即像与物体的连线与平面镜垂直，像与物体到镜面的距离相等，连接SS′并作其中垂线就是平面镜的位置(如图2所示)，其它问题迎刃而解。
作图方法：
(1)连接发光点s和像点s′；
(2)作SS′的垂直平分线，即为平面镜的位置；
(3)连接S′A(A为入射光线与镜面的交点即为入射点)，向前延伸作光线，则这条光线为入射光线SA的反射光线(如图2所示)。
1.2 确定像、物的位置
例2 如图3所示，平面镜上方有一竖直挡板P，AB和CD是挡板左侧点光源S发出的经平面镜反射后的两条光线，在AB和CD之间的区域内可以看到这一发光点S在平面镜中的像S′，试在图中找出挡板左侧这个发光点的位置。
解析 反向延长AB和CD相交于S′，则S′就是这个发光点S的虚像。过S′点向平面镜作垂线，垂足于O并延长至S，使OS等于S′O，由平面镜成像的特点可知，S点就是所求发光点的位置(如图4)。
2 光的折射规律
作图要点：
(1)凸透镜对光线有会聚作用；凹透镜对光线有发散作用。
(2)光从空气斜射入其它介质，折射角小于入射角；反之，则折射角大于入射角。
(3)三条特殊光线：光线通过凸透镜时有三条特殊光线，第一条是从平行凸透镜主轴射过来，则出射光线经过凸透镜的另一侧的焦点；第二条是经过凸透镜焦点的光线射向凸透镜后，出射光线将平行于主轴；第三条是经过光心的光线射向凸透镜后仍沿原方向传播。
2.1 根据折射规律作图
例3 如图5所示是上、下表面平行的玻璃砖，一束光从空气斜射到玻璃砖的上表面，这束光从玻璃砖的下表面透射后的光路图是怎样的?
解析 光在上表面是从空气斜射入玻璃，根据光的折射规律可知这时折射角Υ小于入射角i；同理，在下表面时，光是从玻璃斜射入空气，由于上、下表面平行，因此，入射角等于Υ，根据光路可逆原理，这时折射角应等于i，所以透射光平行于入射光，并向左侧移动了一段距离。光路图如图6所示。
2.2 根据特殊光线作图
例4 图7中S为点光源，S′为点光源的像，图中所画直线为凸透镜主轴，作出凸透镜及凸透镜的焦点。
分析 先由第三条特殊光线定光心，再根据凸透镜主轴概念、光心位置画凸透镜；然后运用第一条特殊光线，过S点作主轴平行线交凸透镜于A点，连接S′A，交主轴于点F1，点F1即为凸透镜的一个焦点；过S′作主轴平行线交凸透镜主轴于B点，连SB交主轴于点F2，点F2为凸透镜的另一焦点(如图8所示)。
3 作图注意事项：
(1)要借助工具作图，作图一定要规范
(2)是实际光线画实线，不是实际光线画虚线。
(3)光线要带箭头，光线与光线之间要连接好，不要断开。
(4)作光的反射或折射光路图时，应先在入射点作出法线(虚线)，然后根据反射角与入射角或折射角与入射角的关系作出光线。