系统定标

系统定标（精选9篇）

系统定标 篇1

0 引言

热成像技术可被动地探测目标景物发射的红外能量[1],而显微热成像技术,可以获得物体细部的微弱温度分布,在生物医学与检测、电路无损检测和科学实验等领域都有广阔的应用前景[2,3,4]。但由于光学衍射的限制,红外焦平面探测器的探测像元间距不可能也没必要无限制缩小[5]。要提高成像质量,采用光学平板旋转式微扫描技术是一种较为简单的方式[6]。该微扫描技术将系统所成的图像分别在横纵坐标方向进行1/N(N为整数)像素距的位移,得到N×N帧欠采样图像,进而经过过采样重构获得一幅高分辨力的亚像元图像(像素数是原来的N2倍)[7]。这种微扫描技术不仅结构简单,成本低[8],而且可以在不改变探测器结构的情况下,获得更多的场景信息,提高系统的空间分辨力[9,10]。

在文献[11]中利用光学旋转微扫描技术,我们已经研究了一种基于光学平板旋转微扫描的高分辨力显微热成像系统(如图1)。但由于微扫描器与探测器的位置关系在每次装调后都会产生变化,系统扫描初始点(零点)与标准位置点有偏差,这样以初始点为起点采集的四幅图像经过过采样重构后,系统空间分辨力并不能得到提高,有时反而会降低。因此,微扫描零点位置的标定是本系统需要解决的问题。本文通过改进的频域配准方法[12]计算图像微位移,并提出一种新的几何方法,操作中只需从初始点直接旋转180°到目标点,并通过几何原理计算微位移偏差进行自适应修正,此方法可减少操作复杂性,降低误差出现的次数,提高系统的微扫描零点的标定精度。

1 光学微扫描显微热成像系统及其零点

如图1所示,光学平板旋转微扫描显微热成像系统由红外热像仪、光学平板旋转微扫描装置、红外显微物镜、机械结构组件及计算机组成[12]。其中光学平板旋转微扫描装置由透明光学平板、精密光学平板支座、高精度电控旋转平台及其控制器等组成[13]。如图2所示,成像系统光轴与透明光学平板成一定角度θ,通过平板绕光轴的旋转使会集光束的聚焦点在成像面上形成以原像点为中心,r为半径的圆周,圆周上位于四个象限45°、135°、225°、315°处的四个点,即标准2×2微扫描扫描位置点,其构成正立正方形(如图3中正方形ABCD)。而每两个相邻标准位置点相距探测器像元间距L的一半,其中r=2L/4。在四个标准位置点采集图像,可获得标准2×2微扫描模式下的4幅低分辨力欠采样图像。

图3中虚线所示的正立正方形的四个顶点(ABCD)就是该系统理想的低分辨力图像的微扫描采样位置点。系统在标准2×2微扫描模式下,标定后采集的第一幅欠采样图像的位置即为微扫描零点(如图3标准位置点A)。

但实际上微扫描装置安装到系统之后,其初始位置不可能刚好与标准位置点重合。如果仍按照间隔90°的方法进行微扫描,则由于微扫描零点位置的偏差,造成误差累积使其他微扫描位置都出现偏差(如图3中实线正方形四个顶点EFGH)。按此方法采集的四幅低分辨力图像不能满足横纵坐标方向错位半个像素间距,进而导致重构出的图像质量降低,无法提高系统空间分辨力。因此,微扫描零点的标定成为系统实用化的关键环节。

2 微扫描零点自适应定标方法

2.1 零点位置标定

微扫描零点位置标定是指将装置的初始微扫描位置点与图3中2×2正立正方形中标准点中的任一点(A,B,C,D)重合。标定的方法是利用不同位置所获得的图像微位移来计算平板折射镜旋转到标准位置的角度。

微扫描装置初始位置点的各种情况如图4所示,M(xM,yM)点是微扫描装置安装初始点,将平板折射镜绕光轴逆时针旋转180°到达点N(xN,yN)。图4中(a)到(d)是待标定点N分别落在四个象限的情况,旋转中心O(x0,y0)的坐标如式(1):

如图4(a)所示,以待标定点在第一象限为例阐述零点位置标定的具体方法,此时安装初始点M点在第三象限,由于机械扫描在扫描过程中会有振动影响,那么旋转的角度越小产生的误差就会越小,因此,将离N点最近的理想扫描位置点A作为扫描零点。求出∠NOA的大小就可求出扫描零点标定角α,完成微扫描零点位置的标定。

为求α的大小,过点M和N分别做一条垂直线和水平线交于K点,则标定角度α为

当待标定点在其他象限时,微扫描零点标定角α的计算方法与待标定点在第一象限的情况相同。由图4可知,微扫描装置的旋转方向与待标定点所在象限有关:当待标定点在第一、三象限时,α>0时平板折射镜顺时针旋转,α<0时平板折射镜逆时针旋转;当待标定点在二、四象限时正好相反。利用x0与y0的比值体现象限特征,由此可知,当α与x0/y0同号时,平板折射镜需顺时针旋转|α|度;当α与x0/y0异号时,平板折射镜需逆时针旋转|α|度。

2.2 自适应零点位置标定

当微扫描装置的零点完成一次标定后,由于外界干扰因素及系统本身精度的影响,微扫描装置旋转标定角度后的位置与标准位置点还是有偏差的。为进一步提高标定精度,本文提出一种自适应零点位置标定方法,该方法首先设定一个阈值,对微扫描零点位置进行多次重复标定。文中阈值的选择是通过多次重复实验来确定的,阈值的选取需要满足数值足够小达到亚像元精度要求,并且不用重复次数太多(本实验中选取的阈值为500转×0.002 5°,即为1.25°)。通过自适应标定以达到更高的标定精度,使微扫描位置更接近正立的正方形,其过程流程图如图5所示。自适应零点定标具体标定过程为:首先采集微扫描装置初始位置的图像IM,再逆时针旋转平板180°采集图像IN,然后利用改进的图像频域配准算法[14]计算图像IM和IN之间的微位移,再利用式(2)计算零点定标的旋转角度α及方向。如果α大于设定的阈值,则按标定角度及方向旋转平板重新采集图像IN,并重新计算旋转角度α及方向,反之则完成零点位置的标定,得到待标定点的微扫描零点位置。

3 微扫描零点定标及过采样重构实验

利用微扫描零点自适应标定方法对实际光学微扫描显微热成像系统进行零点位置标定实验,如图6所示。图6是零点位置标定前后对实际系统按照标准2×2微扫描模式采集的四幅图像的微位移位置图,图中坐标单位是1个单位像元,细线代表未定标的微扫描位置图,粗线代表零点经自适应标定后的微扫描位置图。

从图6可以看出经微扫描自适应零点定标后的扫描位置更接近标准的正立正方形,从而说明了本文提出标定方法的有效性。但由于实际系统装调及工作中的机械振动等因素影响,目前扫描微位移位置还达不到完全与正立正方形四个顶点重合。

3.1 红外图像仿真重构实验

利用图6中实线和粗线所示的微位移位置由高分辨力图像(图7(a),640 pixels×512 pixels)可分别模拟得到定标前后四幅低分辨力图像(320 pixels×256 pixels),然后对低分辨力图像分别进行最近邻插值、双线性插值和过采样重构。其中图7(b)为模拟自适应零点定标微位移所得的4幅低分辨力图像,选取图7(b)中的一帧分别进行最近邻插值和双线性插值,图8(a)为采用第1帧低分辨力图像进行双线性插值所得的高分辨力重构图像,图8(b)则是由图7(b)的4帧低分辨力图像按标准2×2过采样直接嵌入的方法重构出的一幅高分辨力图像。

本文采用峰值信噪比PSNR、通用图像质量因子Q和图像信息熵SNT对重构图像的质量进行评价[12],由这三种评价方法的定义可知评价因子的数值越大图像的质量越好(如表1)。其中未定标的4幅低分辨力欠采样图像是以旋转台安装初始点为起点,以90°间隔进行旋转扫描所得(即图6中细线所示的微位移位置)。从评价参数知:系统零点未定标和自适应零点定标后的效果无论是PSNR、Q和SNT均优于最近邻插值法;系统零点未定标的PSNR和Q不仅比自适应零点定标后的差,而且小于双线性插值法,但所含信息量大于双线性插值法;而经自适应零点定标后的过采样重构图像评价参数均优于未定标的,从目视效果来看其细节还原能力(楼房窗户等细部)最好,无论在图像信息丰富程度、细节可分辨性,还是图像清晰度上都更优。

3.2 实际采集显微热图像的重构

本文分别对实际光学微扫描显微热成像系统未定标和自适应零点定标后采集的4幅低分辨力欠采样图像进行过采样重构,并选取自适应零点定标后的一帧低分辨力图像进行最近邻插值和双线性插值。如图9所示是自适应零点定标后所采集的4幅低分辨力欠采样图像(768 pixels×576 pixels),图10(a)和10(b)是分别对自适应零点定标后所采集的低分辨力图像采用过采样重构法和双线性插值法得到的重构图像(1 536pixels×1 152 pixels),重构图像的信息熵(SNT)如表2所示。通过对比可知:自适应零点定标后的过采样重构图像比未定标和双线性插值法、最近邻插值法得到的图像包含的信息量更大,图像细节更丰富,清晰度也更高,且与原始低分辨力图像相比空间分辨力也提高到原来的4倍。说明实际光学微扫描显微热成像系统的空间分辨力得到提高,证明了实际系统自适应零点定标方法的有效性。

4 结论

本文将图像配准算法作为一种计算工具,提出了一种利用计算图像微位移来巧妙的确定微扫描零点的自适应零点定标方法,该方法没有外加任何更高分辨力的光电设备,用简单的方法解决了复杂的问题。不仅定位精度高、速度快、成本低,而且设计简洁、成像均匀性不随微扫描位置的变化而变化,易于系统的硬件实现和图像的实时化处理,也为后续其他微扫描位置的准确定位奠定了基础,是此微扫描系统得以实用化的关键。

王定标：做领袖，不做大哥！ 篇2

创业多年来，我对创始人的角色问题有很多感触和思考。对于一家处于创业阶段的企业来说，要打造优秀的创业团队，必须要有一位具备领袖气质的核心人物。他是事业方向的指引者，是团队士气的鼓动者，是公司文化的缔造者。没有领袖的创业团队，成功的机会就大大降低。当然，领袖也只能有一个，“双头蛇必死”!

那么，这位领袖必须具备什么样的性格呢?

1他必须是一个有理想的人，愿意为理想牺牲现实利益。

2他必须是一个无私的人，自私是团队凝聚力的毒药。

3他必须是一个有积极心态的人，无论发生什么状况，他永远可以输出前进的动力和能量。

4他必须是一个有高度责任感的人，这会让他在最困难的时候还有坚持下去的信念。

创业团队有了领袖，就等于有了自己的灵魂。这样的团队，更容易发现成功的商业模式。因为成功的模式大多是在追求理想的过程中产生的，创新的商业模式往往无法用现成的逻辑来推理、证明。

有了领袖的创业团队，更容易聚集起一批优秀人才。创业企业其实比大公司更需要优秀人才，但获得优秀人才的难度又比大公司更大。有号召力的领袖可以很好克服这样的困难。

有了领袖的创业团队，更容易获得早期客户，尤其是那些企业客户。领袖的个人魅力，让创业企业更容易生存。

有了领袖的创业团队，也更容易获得投资者的青睐，获得对于创业企业来说很珍贵的资本支持。

但是，领袖也特别容易成为大哥。领袖与团队的情感建立在为理想服务的基础上，是“战友之情”；而大哥与团队的情感则更为复杂，带有一些“兄弟之情”。区分领袖与大哥的标准，就是绝对不将非工作情感带入到工作中。

成为大哥对创业非常有害：

1兄弟之情会增加后来者融入团队的难度，甚至让很多人望而却步。

2兄弟之情会让部下对结果的重视度下降，降低执行效率。

3兄弟之情会让部下产生依赖感，忽视职业生涯的自我提升，从而影响企业的发展。

这些问题在创业的中后期会逐步显现，甚至成为企业后续发展的阻力，从而导致兄弟反目，或者公司分裂。这种情形在业界并不鲜见。

我的一位好朋友是某个创业团队的核心，事业刚开始时，人非常难找，他就将同学和朋友都找来了。只有十几个人时，大家很有激情，可以没日没夜地干，公司就是家。大家像兄弟一样，这位核心人物也承诺公司成功后大家一起分享成果。在这种努力下，公司取得了不错的业绩，获得了风险投资。外部资本的进入也同时将公司推到一个更快的发展轨道上，急需引入更多专业人才。始料不及的是，这些创业的老兄弟们无法接受后来者做他们的领导，而后进入的专业人才也不可能做这些“老人”的下属。最终，“老人”们相继离开，并给他留下一个“见利忘义”的评语。“老人”的离开，让公司失去了初期良好的创业氛围，陷入了低效的困扰。

星上定标机构可靠性测试系统设计 篇3

目前,航天遥感光谱仪被广泛应用于资源勘探、环境监测、 大气成分分析、农作物估产、灾害预警等相关领域。由于空间环境恶劣以及随着时间的推移,探测器及光学系统的性能会持续下降,而光谱仪的数据准确性会直接影响分析的结果,所以专门设计了一套带有漫反射板的可伸缩对日定标机构,在必要时进行在轨定标以确保光谱仪数据的准确性[1,2]。

星上对日定标时,机构展开漫反射板至光谱仪镜头前,将太阳光反射至光谱仪中[3],对地工作时,机构收回漫反射板,而在航天工程中,对活动部件的可靠性要求很高,机构展开失败会导致不能定标,机构收回失败则会导致光谱仪被遮挡不能完成观测任务。故本文为定标机构的可靠性试验而设计了一套控制系统,并对测试结果进行了分析,进而帮助改进定标机构的设计。

2定标机构

定标机构由支架、漫反射板驱动机构、漫反射板保护盖驱动机构、漫反射板、漫反射板保护盖、霍尔传感器、行程开关、锁紧释放电磁铁等部件组成,漫反射板驱动机构由步进电机、谐波减速器、主轴、轴承、齿轮齿条及导轨组成,如图1所示。定标机构的漫反射板由步进电机驱动进行打开和关闭操作,并通过霍尔传感器和行程开关来反馈打开及关闭的状态。

3测试系统设计

测试系统主要完成控制步进电机进行打开、关闭操作,霍尔元件及行程开关状态、温度、电压等参数的采集,并根据参数判断当前的机构状态,自动执行测试或中止测试。整个测试系统由电源、测试控制电箱和上位机组成,如图2所示。

3.1测试控制电箱设计

测试控制电箱中核心器件为Xilinx公司的FPGA-XC3S400,并通过VHDL硬件描述语言实现逻辑电路功能。定标机构在展开端安装了两个霍尔元件和一个行程开关,展开霍尔2的位置高于展开霍尔1,展开行程开关为机械限位位置是最高端;收回段也安装了两个霍尔元件和一个行程开关,收回霍尔2的位置低于收回霍尔1,收回行程开关为机械限位位置是最低端。霍尔元件和行程开关的接到由5V电压到地的2kΩ与3kΩ的中间一端并与FPGA的IO相连,无效时为3V,IO端为高,有效时为0V,IO端为低。电压定标机构所使用的电机为步进电机,控制方式为四相八拍,使用1KHz的工作频率。电机控制指令包括3个字节,首字节代表方向,16进制的“33”代表展开方向,16进制的“CC”代表关闭方向,后两个字节代表电机步数,因定标机构的行程最大为29000步,所以将最大步数限制为30000步。FPGA接收到指令后,首先判断方向,如果不是 “33”或“CC”则不执行,如果超过30000步则最大走行3000步, 如果指令正确,则根据方向及步数按顺序发出四相八拍的时序信号。监测关键电压信号D+5V,A+5V,+12V,-12V,以及机构上的4个温度值,使用的是AD7890芯片,此芯片有8个输入端, 1个输出端,通过地址从0到7依次读出8个输入端的电压信号,设定每0.1s更换一次地址。测试控制电箱使用RS-422通信接收计算机发出的控制指令,FPGA进行串并转换,识别命令,执行命令,并将定标机构相关的状态参数进行并串转换,上传至计算机,发送芯片为DS26LV31,接收芯片为DS26LV32。

3.2上位机软件设计

上位机使用的是USB转RS-422接口,上位机软件通过此接口与测试控制电箱实现通信,发送控制指令,并接收定标机构的状态参数,上位机软件如图4所示。上位机发送的命令主要有两条:1.电机切换指令,电机驱动有主备份可选;闭环控制响应霍尔及行程状态,开环则不响应;机构打开判据可以选择打开霍尔1、打开霍尔2或打开行程,机构关闭判据可以选择关闭霍尔1、关闭霍尔2或关闭行程。2定标机构控制设置指令,方向“33”为打开,“CC”为关闭;电机步数最大设置为30000步。上位机的定标机构老炼采用定时器设置,因定标机构从两个限位端的最远距离电机29000步可以走完,且最大设置为30000步,电机工作在1k Hz,所以设置间隔32秒发送打开和关闭的指令,下面的循环次数记录机构打开关闭的循环次数,设置好后可以自动执行测试。上位机通过每秒发送的轮询指令从测试控制电箱得到各种状态参数,如电压、温度、霍尔元件及行程开关的状态、电机步数、FPGA判断到的定标机构工作状态,方便测试人员进行判读。

3.3异常状态的识别及处理

当定标机构发生卡滞的时候,电机会丢步,即FPGA发出30000步之后,仍没有任何霍尔元件或行程开关有效,则FPGA会进行识别,返回打开失败或关闭失败标识,此时上位机会识别这个状态标识,终止定标机构的跑合循环。如定标机构变形,即展开时先经过霍尔1,而没有触发霍尔1有效,在霍尔2停住或触发行程开关才停住,FPGA也会进行识别,返回异常标识,此时上位机会也会进行识别,终止循环。

4跑合测试试验情况

为考察定标机构在太空环境下的环境适应性,试验在真空罐中进行,首先进行三次高低温循环试验,温度范围从-25℃~50℃,此后需要在5℃的温度下跑合10000次,试验情况如图5所示。定标机构放入真空罐,测试控制电箱通过穿罐的电缆与定标机构相连,电源、上位机摆分别通过电缆连接到测试控制电箱,左侧的笔记本记录真空罐内的温度,如图5所示。

试验过程中,在低温-25℃时,发生了机构卡滞,运行30000步之后,没有霍尔开关或行程开关为有效状态,且通过窗口玻璃观察确实没有展开到位,后经过排查发现真空润滑脂在低温时发生凝固,经过更换润滑脂后故障排除。高温50℃时,直到关闭霍尔2有效时,关闭霍尔1均一直无效,后发现高温时结构产生一定变形造成磁钢与霍尔元件间距过大而无效,后经重新装配解决问题。此后的在5℃下跑合10000次没有发生任何问题,每次打开、关闭定标机构的步数均在26240步左右,相差不超过10步。真空试验验证了星上定标机构的可靠性。

5总结

本文针对星上定标机构设计了一套测试系统,可自动执行测试,能完整记录跑合次数、电机步数、定标机构温度等关键参数,并可识别异常情况并终止测试。通过试验,测试系统验证了星上定标机构的可靠性,其自动化程度高,方便设计人员发现和解决问题,可提高工作效率。

摘要：针对一种航天遥感光谱仪定标机构的可靠性测试,设计了一套操作简单、使用方便的控制系统,可以自动驱动定标机构电机进行测试,不但能完整记录次数、电机步数、定标机构温度等关键参数,而且可以识别定标机构的异常状态并中止试验。实践证明该系统可以很好地满足测试要求,且自动化程度高,方便设计人员发现问题并进行改进,提高工作效率。

关键词：光谱仪,定标机构,可靠性

参考文献

[1]杨国鹏,余旭初,冯伍法,等.高光谱遥感技术的发展与应用现状[J].测绘学报,2008(10):1-4.

[2]李晓晖,颜昌翔.成像光谱仪星上定标技术[J].中国光学与应用光学,2009,8(2):309-315.

系统定标 篇4

"分层定标,分类导学"实验是课堂教学方法的改革与探究。“分层定标”是根据学生素质的不同层次确定不同的学习目标，提出不同的要求；分类导学"就是根据学生素质的不同层次分类施教、分类辅导、分类检测和评价，简称“两分法”。本人在数学课堂教学中进行了“两分法”的实践与探索，现将自己一年多实施的感受介绍如下：

一、实施“两分法”教学的指导思想

“两分法”教学的指导思想是教师的教要适应学生的学。因材施教，因人施学，要从学生的差异出发，采用不同

的教学方法分层教学，使得人人有进步，个个有收获。

职业学校学生素质参差不齐，原有的数学基础差，相当一部分学生对学习数学不感兴趣，又存在能力差异，导致不同学生对知识的领悟与掌握差距很大，这势必对职业学校阶段的数学教学带来负面影响。在这种情况下，如果在职业学校仍采用“一刀切”，不顾学生水平和能力差异，沿用过去同一教材下采用统一要求，同一方法来授课，势必造成“优生吃不饱”，“差生”吃不了的现象。不利于学生的充分发展，必然会出现严重的两极分化，这根本不符合素质的要求。面对这些现实情况，在职业学校数学教学中试行“分层次教学”的教改实验，以探求更能适应素质教育的教学模式，就显得格外重要。

二、教学模式和具体做法

1、“两分法” 教学模式是灵活多样的，其基本模式如下：

学生分层： A层（优秀） B（中良） C（偏差）

目标分层： A层（超纲拓本） B（抓纲务本） C（降纲缩本）

备课分层： （1）分层目标 （2）分层讨论内容 （3）分层演练 （4）分层辅导

分层测试： （1）分层试题（基础题、拔高题、思考题） （2）分层讲评

分层提高： 对学生在层次上实行阶段性动态调整。

2、具体做法：

（1）学生分层：在不打乱原班级建制的前提下，教师充分了解学生的基本情况，将本班学生分三层：A层（优秀） 、B（中良）、 C（偏差），三层间的 关系是中间大，两头小，各层人数比例约为：A：B：C=35％：50％：15％。教师安排学生座位要将各层学生相互搭配，以便分层互促，分类提高。

（2）目标分层：根据《教学大纲》的要求，由教师确定章节的知识点为学习目标，根据各层学生实际，将学习目标分为基础目标、中层目标和高层目标；基础目标，要求A、B、C学生都达到，中层目标要求A、B学生达到；高层目标只要求A层学生达到。

（3）备课分层：编写教案时，要兼顾个层学生，并优先考虑C层学生。按分层教学的要求编写出科学的、详细的教案，包括分层定标、分层设疑、分层练习题、分层作业等。

（4）分层施教：在课堂教学过程中，教师精心设疑，通过分层提问、讨论、答疑等形式使各层学生学懂本节课的主要内容，再分层演练，教师分层指导，对时间、题量、难度等方面对各层学生做合理的按排，使各层学生学得主动、乐学、学有所得。

（5）作业层次化：在教完一个概念、一节内容后，学生要通过做练习来巩固和提高，因此课后布置多层次习题是分层次教学不可缺少的环节。课后作业一刀切，往往使A层学生吃不饱，C层学生吃不消。为此根据不同层次学生的学习能力，布置不同的课后作业，一般可分为三个层次：A层是基础性作业和有一定灵活、综合性的题目（课后习题）各半，B层以基础性为主，同时配有少量略有提高的题目（课后习题）；C层是基础性作业（课后练习题）。布置作业要精心安排，一般学生在20至30分钟内完成。

（6）课外辅导层次化：教师要做查缺补漏，提高工作效率，充分利用课余时间，积极开展第二课堂，因材施教，给没有过关的C层学生补课，给A 层学生扩大知识面。这样可进一步使C层学生“吃得了”，能奋发向上，A层学生“吃得饱”，能充分发展。而B层学生在A、C多层的冲击下，更显活力、竞争力，自觉奋进，形成一种你追我赶的学习气氛。

（7）分层测试：检测时，不同层次的不同试题的难度各有不同，设置基础题、拔高题、附加题等，让学有困难的学生也有机会得高分，让所有的学生都有成功、进步的喜悦。

（8）分层提高：一般每半学期，对各层学生情况进行考核评估，对进步大的学生在层次上进行调整，使他们处于有利的学习层次。

三、“两分法”教学的结果和启示

通过实践，“分层教学”起到了提高学生成绩，培养学生兴趣，扩大知识视野的作用，深受学生欢迎。

1、“两分法”教学的结果

2、经过一年多的实践，“分层次教学”对我启发很大，感触很深。我体会到要运用好“分层次教学”的课堂教学模式，应遵循以下原则：

一是整体性原则，面向全体学生，提高整体教学质量，使各层学生都有最大限度的提高。

二是基础性原则，立足教材，着力于基础知识、基本能力的培养。

三是差异性原则，教学的要求高低，内容的深浅可以不同，指导方法也可以不同。

四是个别性原则，因人施教，特别注重学习有困难的学生的个别指导，让每一个学生均学有所得。

最后需要指出的是分层次教学对教师的要求更高，教师工作量更大，需要教师有强烈的责任心，求实创新的工作作风。面对学生“参差不齐”的实际水平，在职业学校数学教学中正确地运用“分层次教学”，可使学生的学习目标性更明确，自觉性更强，学习兴趣更浓厚，达到缩小两极分化，大面积提高数学教学质量的目的。分层次教学是一种新的操作难度大的工作，有待在今后的实践中进一步探讨与改进。

系统定标 篇5

1 组成与工作原理

星载微波辐射热定标源在微波探测频率范围内，为微波辐射计提供微波辐射亮温度。在热平衡状态下，物体吸收的能量与物体发射的能量相等，在微波波段辐射亮温度与物理温度成正比。热定标源提供的温度实际是黑体的物理温度，要使黑体的物理温度等于其微波辐射亮温度，就要求黑体在微波频段的辐射率接近于1，其物理温度就近似等于微波亮温度。

星载微波辐射热定标源黑体主要由金属电磁屏蔽外壳、微波吸收体、隔热材料、测温铂电阻以及加热器等组件构成，其结构如图1所示[2]。温度测量控制系统通过检测安装在黑体角锥内部的测温传感器的输出信号，获得黑体的物理温度，并通过黑体内部的加热器，实现黑体物理温度的控制。

温度测量控制系统由微处理器电路、温度检测与控制电路、低通滤波电路、模/数变换电路、存储器电路、通信电路、二次电源电路以及嵌入式星载软件等部分组成[3]，如图2所示。

系统软件的功能是实现温度数据采集、数字滤波、温度数据单位转换、故障识别、温度控制以及串口通信等功能。对于环境温度变化造成的温度漂移误差，采用实验测试标定和软件补偿的办法消除。

2 测量控制系统设计

2.1 温度检测与放大电路

由于铂电阻的精度和灵敏度高，测温范围宽，线性度、重复性和稳定度好[4]，因此选取铂电阻PT100作温度传感器。铂电阻为正温度系数的测温元件，其电阻值随温度升高而增大，设计三线制电桥的方式来提取温度信号，可以补偿引线误差，适合高精度温度测量。

把铂电阻作为电桥的一个桥臂，当待测目标温度变化时其阻值发生变化，用仪表测量放大器将电桥的不平衡量输出放大再经低通滤波后，再通过模数转换器转换为数字量到微处理器。测温电路原理图如图3所示。

为了降低电桥匹配电阻热噪声带来的测量误差，采用精密线绕电阻器，温度系数±10×10-6Ω/℃。电桥由5 V输出精密基准电压源供电，精度±2.5 mV。

根据黑体测温范围-5～45℃，PT100对应的阻值范围为98.002～117.470Ω，计算出电桥平衡点的电压为0.108 V。在-5℃对应的电压为0.098 V，在45℃对应的电压为0.117 V，则测温电桥差分输出电压范围为±0.009 5 V，其信号幅值比较微小，为了便于A/D转换器进行采集，需要将此信号放大到A/D转换器易于检测的范围内。采用集成仪表放大器AD620，其具有高输入阻抗，使电桥输出信号不受影响，AD620折合到输入端总误差为0.014 663 V，而由3个OP07构成的仪表放大器折合到输入端总误差为0.028 134 V，性能要优于由3个分立运算放大器构成的仪表放大器。

AD620外围电路接口如图4所示。放大器增益由电阻RG决定，计算公式[3]为。

设计RG标称阻值为98.8Ω，即仪表放大器放大500倍，有源低通滤波器放大2倍，总放大倍数为1 000倍。即±0.009 5 V的电压信号放大为±9.5 V，测温分辨率为0.38 V/K，满足A/D转换器±10 V的输入电压范围。

2.2 数据采集电路

定标源黑体测温铂电阻为4个通道，环境温度检测为1个通道，共采集5个通道模拟量信号。采用16位模数变换器AD976、低导通电阻模拟开关ADG528以及运放OP07构成电压跟随器构成的模数转换电路。

AD976是一种采样速率高、低功耗单5 V电源工作的A/D转换器，内含时钟、参考电源和误差校准电路[5]，输入电压范围为±10 V，转换周期最大10μs，最大功耗100 mW。为方便处理片选控制信号CS，结合DSP时序采用通过CS控制转换及数据读出过程。AD976接口电路原理如图5所示。

设计AD976读/转换信号R/C由DSP的I/O口给出，CS由地址译码电路给出，转换完成信号BUSY通过电平转换器件连接至DSP的I/O口，总线D0～D15与DSP总线连接。当AD976启动转换之后DSP对BUSY查询，如果BUSY信号变为高电平，则表明AD976转换结束，此时转换结果在总线上的有效，DSP可以对AD976进行读操作。如果A/D转换过程中出现故障，即BUSY信号一直输出为“0”，则软件会发生“死等”情况，为此加入时间保护处理，即在10 ms内BUSY一直为“0”，则认为AD976转换故障，此时不再查询BUSY，软件执行以后操作。

2.3 测温误差分析

测温电路的主要误差有元器件固有误差产生的基础误差，以及器件参数随环境温度变化产生的温度漂移误差，温度测量控制系统误差汇总见表1所示。

从表1看出，基础误差总计为0.28 K，温漂误差总计0.09 K，超过系统0.1 K的测温精度要求。为此，选用温度系数尽量低的元器件，同时软件上通过误差校准和漂移误差补偿的方法，来解决基础误差和漂移误差对测温精度的影响。

2.4 温度数据处理方法

2.4.1 温度数据误差校准

由于铂电阻的阻值和温度之间存在非线性关系，因此，对数据进行非线性校正是高精度测温不可缺少的环节[6]。误差校准处理的方法是以精密电阻箱模拟铂电阻作为测温信号输入，范围-5～45℃，以-5℃为起点，间隔0.5℃取值，直到45℃，读取A/D转换数据，再根据A/D输出值和以K为单位的温度值二者的数学关系，不断调整相应的参数，直到满足测温精度的要求。

温度数据误差校准采用二次曲线拟合的方法，方法见下式：

式中：Tin为校准后的温度值，单位：K;P0[i],P1[i],P2[i](i=0,1,2,3分别对应4路测温通道）为温度校准系数，单位：K;Dout为A/D输出数字量，单位：V。

2.4.2 温度漂移误差补偿

温度漂移误差补偿处理的基本思想是将系统放置于高低温试验箱，试验箱外部连接精密电阻箱，在温度测量控制系统工作的环境温度范围内，取多个环境温度点，再读取4路的温度数据并计算误差，在软件中调整相应的补偿参数，补偿后重新进行误差检测，直到满足测温误差要求。

设计采用分段补偿的方法，根据测得的系统环境温度，对以K为单位的温度值进行补偿，方法见下式：

式中：TC为温度补偿后温度值，单位为K;Tin为误差校准后的温度值，单位为K；Δ为温度漂移误差补偿值，单位为K。

3 系统可靠性设计

热定标源从功能上化分为3个功能块：辐射源黑体、铂电阻与放大电路以及其他电路。其中测温通道为4路，互为备份，可靠性框图如图6所示。

系统进行了抗力学性、抗热学性、电磁兼容性、抗辐射性等空间环境适应性以及裕度设计，可靠性预计结果表明热定标源在轨飞行的寿命末期满足可靠度0.99的要求。

4 测试结果及分析

4.1 测温误差测试结果

将定标源温度测量控制系统放入高低温试验箱中，试验箱温度分别设定在-10℃，20℃，45℃，环境温度-10℃时的测温误差测试结果如表2所示。在环境温度20℃，45℃时测温误差都小于0.1 K。

4.2 温度特性测试结果

定标源温度测量控制系统4个测温通道的实测温度数据曲线见图7，温度稳定度实测小于等于0.02 K/16 s，温度均匀性实测小于等于0.12 K。

5 结语

针对某型号遥感卫星微波有效探测载荷研制的星载微波辐射定标源，频率范围为10～90 GHz，发射率大于0.99，温度测量范围-5～45℃，测温误差优于0.1℃，温度稳定度优于0.1 K/16 s，温度均匀性优于0.12 K。通过地面功能和性能测试、环境试验（力学、热学等）考核以及在轨飞行测试，证明系统的设计是合理可行的，具有高精度、高可靠性的特点，能够满足空间环境应用特点，研制的微波辐射热定标源产品已成功应用于多颗遥感卫星微波有效载荷，在轨应用性能良好。

参考文献

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[3]曹茂永,王霞,孙农亮.仪用放大器AD620及其应用[J].电测与仪表,2000,37(10):49-52.

[4]李言旭,张瑞,刘银年.高精度高可靠性的在轨黑体测温电路设计[J].仪表技术与传感器,2005(9):33-35.

[5]段广云.基于CPLD的数据采集系统[J].仪表技术与传感器,2008(6):73-75.

摄像机定标方法综述 篇6

摄像机定标是计算机视觉的重要研究内容, 空间点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系是由摄像机成像的几何模型决定的, 而这些几何模型参数就是摄像机参数, 求解这些参数的过程就称为摄像机定标[1]。现有的摄像机定标方法根据是否需要定标参照物, 大致上可以分为两类:传统摄像机定标方法和自定标方法。

传统的摄像机定标方法首先需要一个定标参照物, 这个参照物可以是一个三维立体定标块, 或者是一个平面二维模板, 也可以是一维的定标棒。定标参照物上的特征点的部分位置信息已知, 通过在相应的图像中准确地找到特征点的对应图像特征点的二维坐标, 就可以根据成像模型, 建立成像方程, 从而求解出摄像机参数。

自定标方法不依赖于标定参照物, 仅利用摄像机在运动过程中周围环境的图像与图像之间的对应关系对摄像机进行标定, 与传统定标方法相比, 自标定方法非常地灵活, 但它并不是很成熟。因为未知参数太多, 很难得到稳定的结果。

一般来说, 当应用场合所要求的精度很高且摄像机的参数不经常变化时, 传统标定方法为首选;如果精度要求不高, 则可以考虑自定标, 如通讯、虚拟现实等。

1、摄像机成像模型

1.1 线性模型

在空间特征点的物距远大于摄像机焦距且不考虑光学畸变的前提下, 可以将成像模型近似看作针孔模型。针孔模型假设物体表面的反射光都经过一个针孔而投影到像平面上, 即满足光的直线传播条件。针孔模型主要由光心 (投影中心) 、成像面和光轴组成。为了讨论方便, 这里采用前投影模型, 即将实际成象平面沿光轴移到投影中心的前面, 同时保持各项几何关系不变。

摄像机成像过程如图1和图2所示。首先将空间物点坐标从世界坐标系变换到摄像机坐标系中, 然后通过投影变换得到像点坐标, 最后将像点坐标变换为二维数字图像的像素坐标。其中, Oc为摄像机的光心, Oc ZXY为摄像机坐标系, Ow XYZ为世界坐标系, oxy为摄像机成像平面物理坐标系, ouv为像素坐标系。设 (xw, yw, zw) 为空间一物点P在世界坐标系中的坐标, 则 (xc, yc, zc) 为其在摄像机坐标系中的坐标, (x, y) 是其在图像平面上的投影点, (u, v) 是其在像素平面上的坐标。

为讨论方便, 用齐次坐标表示各种坐标, 则成像过程可以用如下公式表示:

其中, 旋转矩阵R和平移向量t用于表示世界坐标系和摄像机坐标系之间的转换关系, f为摄像机焦距, dx和dy分别表示一个像素在x轴和y轴方向上的物理尺寸, (u0, v0) 为光心在成像平面投影的像素坐标, γ为倾斜因子, 表示成像平面x轴和y轴的夹角。不失一般性, 总的成像过程可表示如下:

其中, 只与摄像机内部结构有关, 称这些参数为摄像机内部参数;R和t完全由摄像机相对于世界坐标系的方位决定, 称为摄像机外部参数。定标就是要确定这些参数。

1.2 虑畸变的非线性模型

由于透镜设计的复杂性和工艺水平等因素的影响, 实际透镜成像系统不可能严格满足针孔模型, 必定会产生所谓的镜头畸变, 常见的畸变包括径向畸变、切向畸变、薄棱镜畸变等, 此时应用考虑畸变的针孔成像模型代替理想的针孔模型。

用 (x, y) 表示理想像点坐标, (xd, yd) 表示实际像点坐标, 则有:

其中, k1xd (xd2+yd2) 和k2yd (xd2+yd2) 表示径向畸变, [p1 (3xd2+yd2) +2p2x dyd]和[p2 (3xd2+yd2) +2p1xdyd]表示切向畸变, s1 (xd2+yd2) 和s2 (xd2+yd2) 表示薄棱镜畸变, k1, k2, p1, p2, s1, s2为相应的畸变系数。

一般情况下, 仅考虑径向畸变就可以满足计算机视觉的精度要求, 切向畸变和薄棱镜畸变可以忽略不计。

2、常用定标方法

迄今为止还没有一种通用的定标方法能够适用于所有的情况, 根据具体情况的不同, 定标的方法也不同。下面我们将逐一介绍一些使用广泛的具有代表性的定标方法。

2.1 直接线性变换法 (DLT)

如果仅仅需要找到空间点和像点之间的对应关系, 而并不关心具体的摄像机内外参数, 可以考虑使用直接线2变换法[3]。

DLT方法将内参数矩阵和外参数矩阵合并为一个矩阵, 由成像公式 (4) 可以得出:

消去Zc, 可以得到

当已知N个空间点和对应的图像上的点时, 可以得到一个含有2N个方程的方程组, 从而求解出P3×4矩阵, 但据此求出的解一般不是唯一的。由旋转矩阵的正交性和Z方向上的平移量不为零这两个已知条件, 可以引入两个约束P231+P232+P233=1和P34=1, 从而可以得出唯一解。

直接线性变换法原理简单, 容易实现, 可以很方便地引入畸变因素, 不需要迭代, 速度较快。它的缺陷是中间参数间互相存在约束, 标定的精度不高, 不容易分离出内外参数值。

2.2 两步法

为了提高摄像机定标的精度, 结合DLT方法, 人们提出了一种改进的定标方法, 也就是两步法[4], 它是由Tsai首先提出的。该方法的第一步是解线性方程, 得到部分外部参数的精确解, 第二步再将其余外部参数与畸变修正系数进行迭代求解。较为典型的两步法是Tsai提出的基于径向排列约束 (ARC) 的两步法。该方法假设成像平面x轴和y轴相互垂直, 即γ=0, 同时主点位置和单位长度内在水平和垂直方向的像素数已知, 且只考虑径向畸变。第一步先利用RAC (径向一致约束) 条件求解除外的其他像机外参数, 第二步求解内部参数, 如果摄像机无透镜畸变, 可由一个超定线性方程解出。如果存在一个以二次多项式近似的径向畸变, 则可以用一个三变量的优化搜索求解。

该方法的精度比较高, 适用于精密的测量, 但它对设备的要求也很高, 不适用于简单的标定, 仅考虑了径向畸变, 不能应用于精度要求较高的场合。

2.3 平面模板定标法

由于两步法不够灵活, 因此结合自定标的思想, 一些研究人员提出了一类基于平面模板的简单且具有较好精度的方法。

张正友首先提出了一种使用已知特征点位置信息的平面模板定标方法[5]。他将世界坐标系设在平面模板上, 即设ZW=0, 再设内参数矩阵为A, 结合旋转矩阵的正交性, 则有:

首先通过线性模型分析计算得出摄像机单应性矩阵H的初值, 接着利用式 (9) 可以求出内参数的初值, 进而可求出外参数和径向畸变系数初值, 最用最大似然法进行非线性求精。这种标定方法既具有较好的鲁棒性, 又不需昂贵的精制标定块, 很有实用性。不足之处是仅考虑了径向畸变, 所以在广角镜头畸变比较大的情况下, 校正效果偏差比较大。其次定标的精度部分取决于平面模板的制作精度, 当模板的精度较低或者模板平面不够平整时, 定标的精度也会相应较低。最后, 如果模板和摄像机之间的相对运动为纯平移或者纯旋转, 或者模板仅在世界坐标系的xy平面上运动, 将只能得出无意义的解。

孟晓桥、胡占义提出的平面圆定标法[6]也是使用的二维模板, 与张的方法相比, 定标过程相似, 不同点是所用的模板不同, 且该方法基于曲线拟合, 不需要任何匹配, 因此该方法鲁棒性较好, 它的不足之处是只能求出部分外参数。

2.4 双平面定标法

为了能更精确的描述摄像机的成像情况, 研究人员提出了许多新的与针孔模型不同的成像模型, 双平面模型就是其中的一种。

双平面定标法[7]使用双平面模型定标。双平面模型与针孔模型的基本区别在于, 双平面模型不像针孔模型那样要求所有投射到面像平面上的光线必须经过光心, 给定成像平面上的任意一个图像点, 便能够计算出两个定标平面上的相应点, 从而确定了投射到成像平面上产生该图像点的光线, 每一个定标平面可利用一组定标点建立彼此独立的插值公式。这种方法可以用线性方法求出所有的参数, 但存在过分参数化的倾向, 需要求解较多的参数。如果是线性插值, 需要求解12或者18个参数, 二次插值则需要求解24或者36个参数。

2.5 基于Kruppa方程的定标方法

基于二次曲线或者绝对二次曲面的定标方法是自定标方法中的一大类, 而Kruppa方程是它们的核心内容。

基于Kruppa方程的定标方法[8,9]是一种自定标方法, 给定在两个不同位置上所拍摄的两幅图像 (假设摄像机的内参数保持不变) , 根据两幅图像中绝对二次曲线的像 (IAC) 之间的对极几何关系, 可以推导出如下公式:

其中C=AAT, s是未知的正比例因子, F和e&apos;是两幅图像间的基本矩阵以及第二幅图像中的极点, 矩阵[t]×称为对应于向量t= (t1, t2, t3) 的反对称矩阵。给定多个空间点和一个连续的图像序列, 则可以求解摄像机的内参数矩阵。

基于Kruppa方程的定标方法的缺点是计算复杂, 对初值选取的要求较高, 鲁棒性较差。改进的定标方法一般均需要对摄像机内参数作一些假设, 而且当图像噪声较大时, 此类方法的标定精度和鲁棒性并不是十分理想, 在真正实用过程中还存在着比较大的局限性。

2.6 基于主动视觉的自定标方法

基于主动视觉的摄像机自标定方法是摄像机自标定方法中的一个重要分支, 主动视觉系统是指摄像机被精确的安装在可以控制的平台上, 通过主动控制摄像机作特殊的运动获得多幅图像, 利用图像和可控制的摄像机运动参数来确定摄像机的内外参数。其代表性的方法是马颂德[10]提出的基于两组三正交运动的线性方法, 在一组三正交运动中, 假设一空间点对应的像素坐标为 (ui, vi) (i=1~3) , 则有基本方程:

若能得到多个空间点和像点的对应关系, 并将上式变换为线性方程, 则可以通过求解超定线性方程组求出内参数。

后来杨长江, 李华[11,12]等提出了改进的方案, 分别基于4组平面正交以及5组平面正交运动, 利用图像中的极点信息来线性标定摄像机参数。此种自标定法算法简单, 可以获得线性解, 不足之处在于必须有可以精确控制的摄像机运动平台, 无法自由灵活的移动。

3、结语

传统的摄像机定标方法利用一个标准参照物与其图像的对应约束关系, 来求解摄像机的内外参数, 对于高精度的应用还需求解畸变系数。当前, 对传统摄像机定标技术的研究集中在如何有效地、合理地确定非线性畸变校正模型的参数。传统的摄像机定标方法定标精度较高, 但鲁棒性不高, 对设备和周围环境都有较高的要求, 求解的算法较复杂, 实时性不好。如何提高定标的鲁棒性和精度, 降低对设备的要求, 是今后传统的摄像机定标方法的主要研究方向。

自定标方法较传统的摄像机定标方法灵活, 仅利用从图像序列中得到的约束关系来计算摄像机模型的参数, 这就使在线地、实时地校准摄像机模型参数成为可能, 但自定标的精度与传统的摄像机定标方法相比, 存在明显的差距;有些自定标方法的解不稳定, 存在多解的情况, 特别在图像含有一定噪声的情况下, 实际解与期望解的差别非常大。如何提高解的稳定性和精度, 是自定标研究的重要方向。

摘要：首先介绍了摄像机定标的意义、成像模型以及分类。然后具体分析了常用的定标方法, 评价了各种方法的优缺点, 最后提出今后有待进一步研究的方向。

干涉成像光谱仪的定标技术 篇7

干涉成像光谱仪作为能同时获取地物影像和光谱信息的新一代的光学遥感器, 和传统的色散型成像光谱仪相比, 它具有高通量、多通道、高光谱分辨率等优点, 在军事及民用领域都有着广泛的应用前景[1]。

干涉成像光谱仪通过获取目标的影像和光谱信息, 构成数据立方体。由于成像过程中诸多因素的影响, 原始的光谱成像数据仅能十分粗略地反映目标的辐射和光谱特性, 要得到能够比较真实反映目标特征的数据立方体, 必须对干涉成像光谱仪进行定标。

按阶段分, 干涉成像光谱仪的定标包括实验室定标、校正场定标和星上定标三类。每一类定标可根据具体的仪器要求和定标环境选择不同的定标方法[2]。本文在干涉成像光谱仪的原理、特点及对定标内容的要求的基础上, 研究了实验室条件下定标的内容和方法, 并通过实验获得相应的校正系数, 将校正系数应用到图像的校正中, 获得真实反映目标特征的数据立方体。

1原理及实验装置

该干涉成像光谱仪是在一个普通的照相系统中加入横向剪切干涉仪实现的, 它由以下几个部分组成:横向剪切干涉仪、成像透镜、CCD信号采集处理系统。光线从入光面进入横向剪切干涉仪, 在分束面上经反射和透射后分束为两束相干光线从出射面射出, 经后面的成像透镜成像到CCD面阵列上。由于干涉仪的对称性, 入射光和入射法线的夹角与出射光和出射面法线的夹角相等。当这个夹角不为零时, 出射光线的等光程面和成像透镜的等光程面不重合, 会聚到CCD阵列上同一点的两束光就具有光程差, 从而发生干涉。这样面阵CCD上接收到的图像是受到干涉条纹调制的目标像。

定标实验装置如图1, 它主要由大口径积分球光源、光谱辐射度计、干涉成像光谱仪及数据采集处理系统组成。

实验采用LABSPHERE公司的USS—6500型积分球, 以 20只卤钨灯为光源, 总功率3 000 W。积分球直径1.65 m, 分二十档能量输出。光谱辐射度计采用美国分析光谱仪器公司的10°视场角的Fieldspace®Pro VNIR型光谱辐射度计。光谱范围350 nm～1 050 nm, 光谱分辨率3 nm, 光谱辐射度测量精度3%。大口径积分球光源具有良好的朗伯性和面均匀性, 用做定标光源可实现全孔径、全视场的光谱辐射度定标。积分球出口中心对准LASIS的光轴, 数据采集处理系统采集仪器输出的有明暗相间干涉条纹的图像。

2 定标实验

2.1 图像的均匀性校正

假定系统的输入为无限均匀面光源。在理想情况下, 像平面内任一行的输出信号都均匀分布。但在实际情况下, 行输出信号的均匀性存在一定偏差。影响其均匀性的因素主要有:面光源并非无限均匀, 存在一定的非均匀性;像面辐照度随视场角的增大会严重降低;干涉成像光谱仪的一些光学透镜和镀膜不均匀, 在一定光谱范围内滤光片透过率的不均匀;CCD探测器各光敏元光电响应度不均匀性;这些缺陷可以通过图像的均匀性校正来改善。图像的均匀性校正是对CCD探测器的输出信号按行进行均匀性校正。

积分球的能量输出可从1级依次变化到20级, 在CCD的有效动态范围内, 选取CCD的平均曝光量达到50%时对应的积分球能级。采集十次CCD探测器所有像元的输出信号 (为了消除CCD的随机噪声和外部环境的影响) , 取平均值, 得到各像元的输出信号Vi, j, 再去除暗电流的影响, 以行为单位对各光敏元输出数据作平均, 得到光敏元各行输出信号的平均值。

(1) 式中Vi, j为各光敏元的输出信号, $\overline{V}$i为光敏元第i行输出信号的平均值, Ni, j为各光敏元的暗电流输出信号, M为光敏元的列数。

得到各光敏元均匀性校正的校正系数为

将各光敏元的校正系数与输出信号相乘完成均匀性校正。图2为CCD探测器输出的原始的干涉图像。由图2可看出CCD探测器两个通道的输出图像存在明显的不均匀性, 其行均匀性误差可达22%。图3为经过均匀性校正的干涉图像。

2.2 光电响应的线性度

光电响应的线性度[3]是系统重要的特征参数, 定义为系统输入、输出信号的关系接近线性的程度。可用输入输出的关系曲线来表示, 并可进行线性回归分析, 求出线性相关度和回归表达式。

在CCD的有效动态范围内, 积分球的能量输出从1级依次变化到20级, 用光谱辐射度计测仪器入光口处的光谱辐亮度, 并计算得到仪器工作波段内的总的输入辐亮度, 同时采集CCD探测器的输出数据, 利用这些数据进行线性拟合, 得到仪器输入辐亮度与输出信号的线性关系曲线, 图4 (图中Y轴为灰度值表示的输出信号, X轴为仪器的输入辐亮度) 为在探测器上选取的三行探测单元的光电响应的线性拟合曲线。通过对仪器光电响应线性度的分析可以建立积分球光源输入辐亮度与仪器输出信号之间的定量关系, 确定目标辐射的绝对值。

由图4可看出原始的干涉图像经过行均匀性校正后, 探测器上各行的线性拟合曲线较接近, 即像元响应的均匀性较好。表1为三条线性拟合曲线的方程及线性相关系数。

2.3 绝对光谱辐射度定标

图像的均匀性校正和光电响应的线性度检测是对干涉成像光谱仪输出的干涉图的标定, 而绝对光谱辐射度定标是在均匀性定标基础上的对复原的光谱图的标定。亦即建立复原的光谱图在工作波段内与目标的光谱辐亮度曲线的定量关系。

以积分球为光源, 采集CCD探测器输出的干涉图像, 对干涉图作均匀性校正、滤波、相位修正和切趾处理, 然后采用快速Fourier变换等算法, 复原得到光谱图。将复原得到的光谱曲线与光谱辐射度计测得的光谱辐亮度曲线做对比, 确定绝对光谱辐射度定标的系数。

设光谱辐射度计测得的干涉成像光谱仪入光口处的光谱辐亮度为B (λ) , 积分球光源发出的均匀平行光进入干涉成像光谱仪, 对输出的干涉图作均匀性定标后, 输出信号的干涉强度分布为

像面上复原的光谱强度分布为B′ (λ) 。则绝对光谱辐射度定标的系数R (λ) 为

由此可标定出像元点在不同光谱通道的辐射响应度。

如图5、图6分别为积分球实际测得的光谱曲线和复原的光谱曲线。

3 误差分析

对干涉成像光谱仪定标的过程中, 因涉及光源、检测设备等诸多环节, 必然会引入部分误差源, 并在一定程度上影响仪器的定标精度[4]。

(1) 积分球光源输出的均匀性和稳定性作为影响仪器定标精度的主要因素之一, 在定标实验开始前必须做检测, 以确定用此积分球做光源的可行性。经检测, USS—6500型积分球系统输出的平面均匀性达0.5%, 角度均匀性达1.5%。

(2) 光谱辐射度计的精度, 光谱辐射度计主要用来探测目标光源的光谱幅亮度曲线, 并以此光谱幅亮度曲线作为参考标准。所以光谱辐射度计的精度也是影响仪器定标精度的主要因素。经权威检测部门检测, 光谱辐射度计的精度为3%。

(3) 噪声的影响, 噪声包括光子噪声、暗电流噪声、复位噪声和放大器噪声等。

(4) 光谱复原精度, 光谱图是由目标的干涉图像经过一定的算法反演得到的, 光谱复原的精度亦即复原算法的精度。

(5) 杂散光和偏振对仪器定标精度有影响。

4 结论

由以上对干涉成像光谱仪实验室定标内容的分析可知:

(1) 定标的精度直接影响遥感数据的准确程度。通过图像的暗电流校正、均匀性校正、绝对光谱辐射度定标等实验环节, 可得到相应的校正系数, 再将校正系数应用到遥感图像的处理中, 进而可提高遥感数据的准确性。

(2) 由于定标的精度受到诸如:积分球光源的精度、光谱辐射度计的精度、噪声、仪器输出漂移、光谱复原精度、杂散光、偏振等因素的影响, 故提高定标设备精度、工艺装配及复原算法的精度在一定程度上可保证定标的精度。

摘要：针对干涉成像光谱仪的原理、特点及对定标内容的要求, 从图像的均匀性定标、光电响应的线性度及绝对光谱辐射度定标几个方面研究了实验室条件下定标的内容与方法, 得出了光电响应的线性拟合曲线方程, 以及均匀性定标的校正系数和绝对光谱辐射度定标的系数, 并将校正系数应用于图像数据的处理;分析了影响干涉成像光谱仪定标精度的主要因素, 以此确定仪器的绝对光谱辐射度定标精度。

关键词：干涉,定标,辐射度定标,误差分析

参考文献

[1]相里斌, 计忠瑛, 黄-, 等.空间调制干涉成像光谱仪定标技术研究.光子学报, 2004;33 (7) :850—853

[2]Lucey P G, Winter E M.Requirements for calibration of focal plane arrays for imaging spectrometers.Proc SPIE, 1998;3498:305—310

[3]郭文阁, 姚胜利, 高风, 等.CCD图像采集处理系统性能评价.光子学报, 1998;27 (9) :851—854

直线加速器输出剂量的定标 篇8

放射治疗作为治疗恶性肿瘤的主要手段之一, 包括二维放疗、三维适形放疗和调强适形放疗。由于三维适形放疗和调强适形放疗对肿瘤周围正常组织器官有非常突出的保护效果, 近年来在我国发展迅速, 有很多医院陆续添置了开展三维适形放疗和调强放疗必备的设备———直线加速器。直线加速器射线束流是经过加速器的束流形成系统产生的, 束流形成系统包括注入系统、射频功率发生系统、加速波导管、辅助系统、束流输运系统、治疗射线准直与监测系统, 因而直线加速器射线束流的稳定性会受到很多方面的影响。所以即使加速器在出厂前已经做过剂量标定, 在投入使用前也必须对加速器的输出剂量进行再次标定。

首次标定加速器时, 必须与所使用的计划系统的剂量参数要求一致。因为现在新安装加速器治疗患者的计划基本上都是通过各种各样的计划系统产生的, 每个野需要的机器量也是通过计划系统计算出来的, 只有与计划系统的要求一致通过计划系统计算出来的机器跳数才是正确的。

现在我国国标要求, 对加速器输出剂量进行校准使用的是IAEA277号报告光子与电子束吸收剂量测量中的方法, 本文将根据IAEA277号报告并结合实例找出一套较为简单实用的校准加速器输出剂量的方法和步骤。

1 ND值的确定

先将现场使用的指型电离室连同剂量仪一起送交国家级基准实验室 (PSDL) 或次级标准实验室 (SSDL) , 在60Coγ射线辐射场中测量剂量仪读数M (div) 与照射量的标准值X (C/kg) 则照射量校准因子NX值:

式中, W/e是在空气中形成一个电子电荷的离子对消耗射线的平均能量, W/e=33.97 J/C;Katt是电离室材料 (包括平衡帽) 对60Coγ射线吸收和散射的校正因子;Km是电离室及平衡帽材料对空气不完全等效的校正因子, Katt·Km的值可在IAEA TRS277表ⅩⅧ中查出。

若PSDL或SSDL给出的是空气比释动能校准因子NK, 则:

2 吸收剂量的确定

水模体中校准深度处的吸收剂量为:

式中, M是经温度和气压校正后的剂量仪读数;Sw, air是校准深度处水对空气的阻止本领比;Pu是电离室的扰动修正因子, 对室壁厚度0.5 mm左右的电离室, Pu值可根据IAEA277号报告图14确定。对于其他厚度或合成材料的电离室, 则必须按以下公式计算才能获得好的精度[1]:

式中, α是由电离室壁产生的电子占空腔内空气总电离的份额, 可在IAEA277号报告图16查出;阻止本领比Swall, air、Sw, air可分别在IAEA277号报告的表ⅩⅩ和表ⅩⅢ中查出;质能吸收系数 (μen/ρ) w, wall可以在IAEA277号报告的表ⅩⅨ中查得;Pcel是电离室中心收集极空气等效不完全的校正因子, 中心电极为铝材料的电离室的Pcel可在IAEA TRS277表ⅩⅨ中查得。

由此, 水中最大剂量深度处的吸收剂量为:

式中, M为经过温度和气压校正后的剂量仪读数;USF=ND·Sw, air·Pu·Pcel/PDD (deff) 为用户因子, 这样可使计算简单化。

3 所需器材的准备

所需仪器和材料:已通过PSDL或SSDL校准过的指型电离室和剂量仪、标准水箱、温度计、气压计、足量的水 (测量前1 d放在治疗室内) 。

首先按要求连接好指型电离室和剂量仪, 将标准水箱放在治疗床上, 把指型电离室放入标准水箱插孔固定好或带上防水套固定在水模体中, 调整治疗床使射野中心轴位于电离室的几何中心上, 然后将前1 d准备好的水缓缓倒入标准水箱内, 分别调整标准水箱的4个脚使其水平。由于指型电离室的有效测量点并不在它的几何中心上, 因此, 测量高能X线时, 保持眼睛平视, 通过目测使水的表面到电离室中心的距离为deff+0.6 (测量电子线时水的表面到电离室中心的距离应为deff+0.5r) 注意由于水面和有机玻璃之间的张力, 形成约1.5 mm高的亮线, 水表面的实际高度为亮线的下沿[3]。最后将放射源到水表面的距离调为所测加速器的标准源皮距SSD, 并按测量要求调整照射野。标准水箱、电离室及水的深度如图1所示 (其中SC为放射源到电离室几何中心的距离、deff为校准深度) 。

4 剂量测量及数据分析

把温度计和气压计的读数输入剂量仪, 让加速器出100 MU, 然后测量本底。校准加速器时必须参照计划系统的剂量参数要求, 一般计划系统要求参考条件下加速器出1 MU, 则最大剂量深度处的剂量为1 c Gy, 选一能量, 让加速器出100 MU后, 记录剂量仪读数M, 测量几次取平均, 则与100 c Gy之间的误差不应超过±2%。

5 应用举例

(1) 电离室IBA FC65-G (中心为铝收集极, 所以Pcel=1) , 电离室 (连同剂量仪) 的照射量校准因子NX=102.9 R/div, 1 R=2.58×10-4C/kg, W/e=33.97 J/C, Katt=0.992, Kam=0.995。

(2) 条件如上, SSD=100 cm, FSZ=10 cm×10 cm, 测量治疗室内气压为95.2 kPa, 水模体温度为26.5℃, 将气压和水温的值输入剂量仪, 然后让加速器出6 MV X线100 MU, 连续测量3次, 剂量仪读数的平均值为0.88 div。

以TPR20/10为0.664的6 MV X线为例, 校准深度5 cm, 由此可以查出Sw, air=1.121, Pu=0.994, 校准深度处的百分深度剂量PDD (5 cm) =86.21%。

故当SSD=100 cm, FSZ=10 cm×10 cm, 6 MV X线出100 MU时, 最大剂量深度处的剂量Dm=0.88×1.150=1.012 Gy=101.2 cGy。

(3) 注意, 若未将温度和气压的值输入剂量仪, 还应乘以温度和气压校正因子KTP, 也可以同时把用户因子输入剂量仪, 这样剂量仪的示数只要在1±0.02的范围内即可。对加速器进行首次校准后, 在每周的剂量校准过程中, 如果剂量超过±2%, 应首先检查剂量仪、射野大小、源皮距、deff等, 确认所有条件都无误后才可调整加速器的相关参数。

6 结论

本文详细描述了测量吸收剂量的理论, 通过对测量步骤的详细介绍及应用实例举证, 清楚地解答了在加速器投入临床使用前如何标定加速器输出剂量的方法、步骤以及标定过程中的注意事项。

首次标定加速器时, 应注意以下几点:

(1) 所使用的指型电离室和剂量仪必须已经通过PSDL或SSDL校准。

(2) 必须确保所使用参数的准确性。

(3) 若测量结果与要求的数值偏差较大时, 应首先复核测量的射野参数、源皮距、仪器摆放位置、计算中所使用的参数等是否正确, 确保一切正确无误后方可调整机器。

(4) 加速器的校准必须与所使用的计划系统的剂量参数要求一致。

摘要：目的:确定投入临床使用前标定加速器输出剂量的方法。方法:根据IAEA第277号技术报告光子与电子束吸收剂量测量中的相关内容, 将剂量校准中所用到的多个因子简化成用户因子。结果:结合自身经验及应用实例, 得出了校准加速器输出剂量的方法及步骤。结论:依照此方法可以快捷地对加速器输出剂量进行测量与校准。

关键词：加速器,输出剂量,测量

参考文献

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长波红外探测器的辐射定标 篇9

文中对长波红外探测器进行辐射定标,建立辐射定标数学模型。为充分了解探测器响应的输出性能,采用长波红外热像仪和高温黑体炉进行定标实验,分析探测器响应灰度值与黑体辐射、积分时间的关系。提出综合考虑两者的简化定标计算方法,即利用该模型只需选取两个不同积分下的三个定标点即可完成定标过程。根据探测器响应输出的饱和点,得到该热像仪的理论测温范围。处理定标数据进行黑体温度反演,给出测温误差。实验证明该定标模型不仅能够满足辐射定标精度要求,而且具有简便、快捷和低成本等优点。

1 辐射定标数学模型

1.1 探测器定标模型

辐射定标的目标是确立探测器的每个探测单元像元响应与目标辐射能量之间的对应关系。因此在运用红外探测器进行辐射定标时,需要提供高精度、温度可调的黑体作为辐射源,同时还需考虑环境参量和相机光学系统透过率等参数的影响。定标数据与辐射能量的传递过程可描述为:标准黑体辐射源发出热辐射,辐射在大气传输过程中根据大气透过率进行衰减,最终被探测器接收到的热辐射,利用探测器响应度、探测器积分时间和光学系统透过率等数据确定的探测器与热辐射的耦合值进行数据耦合,最后根据获取的图像得到像元灰度值。定标数据传递过程如图1所示。对红外系统进行实验室定标时,环境参量(温度、湿度和气压等参数)保持在一个理想状态,由于测量距离较近,因此不考虑大气衰减过程,即设定大气透过率为1。

黑体辐射源的热辐射量可根据普朗克公式进行计算。假设黑体设定的温度为T,黑体表面辐射出射度为Lb,则红外系统接收辐射量可表示为:

式(1)中:c1和c2分别表示第一辐射常数和第二辐射常数,εb为黑体发射率,λ1和λ2表示探测器接收辐射量的波段范围。

通常情况下,在探测器响应波段范围内,探测器响应灰度值Gi,j可表示为[6,7]:

式(2)中:Gi,j为探测器响应图像上坐标为(i,j)的像元灰度值,k定义为线性响应率,b为响应截距。响应截距主要来源于红外系统内部自身辐射和噪声引起的偏置输出等因素引起的像元灰度响应。

1.2 辐射定标实验

实验室进行辐射定标的步骤如下:

(1)根据需要标定的温度范围选择适宜量程范围的黑体辐射源。

(2)调整探测器位置使之与黑体辐射中心位置准直,保证黑体辐射面充满红外系统视野,并且成像清晰。

(3)设置定标的探测器积分时间,调节黑体的温度至定标点,待温度稳定后记录红外系统的灰度值。然后按照一定的温度梯度将黑体升温,重复进行上述实验。

1.2.1 响应灰度值与辐射出射度的关系

实验选择定制的GH—G003型红外热像仪,波长范围为:7.7~12.6μm,帧频:40 Hz,探测器响应目标图像大小为384×288。红外镜头焦距为100mm,光圈F为1.0,视场角为:13.7°×10.6°。黑体辐射源选择美国MIKRON公司生产M390C—2型高温黑体炉,工作温度范围为600~3 000℃,发射率为0.99,温度分辨率为0.1℃。

保持定标时探测器积分时间固定,设定黑体温度为600℃,待黑体温度稳定后记录系统响应灰度值,然后以某一温度间隔进行升温,重复进行实验。实验结果如图2所示。

从实验结果可知,总体看来响应曲线的斜率随积分时间变长而增大。在积分时间相同时,黑体辐出度与灰度值响应曲线不太一致:6μs和12μs基本上为正相关,24μs分为线性区和非线性区。根据以上实验结论,在线性响应区间内,针对上述3组实验数据进行灰度值与黑体辐射亮度的线性拟合。拟合结果如表1所示。

表1中,确定系数R-square表征拟合效果的好坏程度。R-square定义为预测数据与原始数据均值之差的平方和与原始数据与均值之差的平方和的比值。当确定系数越接近1,表示拟合效果越好,即拟合曲线越接近探测器实际的响应曲线。由拟合方程可以看出,不同积分时间下的线性响应率变化与积分时间呈现正相关。响应截距变化比较大,分析其原因可能是由于黑体温度升高后,导致背景黑体温度升高,背景黑体辐射反射引起探测器像元响应[8]。

响应曲线的非线性区域的产生极有可能是由于人为因素造成的。为避免这种因素的干扰,在相同的黑体温度下,重复进行多组实验,实验结果中灰度值很稳定,与人为因素无关。分析其原因应该是探测器进入饱和状态,输出的响应灰度值保持不变[9]。

1.2.2 响应灰度值与积分时间的关系

为避免探测器饱和造成的测温误差,进行实验以便进一步的了解探测器的响应特性。保持定标时环境温度不变的情况下,设定黑体温度,待黑体温度稳定后,以一定的时间间隔设定探测器积分时间并记录系统响应灰度值,然后改变黑体温度,重复进行实验。实验结果如图3所示。

从实验结果可知,响应曲线的斜率随目标温度增大而增大。当黑体在合适的温度范围内时,积分时间与响应灰度值近似线性关系。因此,应用红外热像仪进行测温时,根据目标温度范围匹配合适的探测器积分时间可以有效地减小测温误差。

1.3 定标模型的数学表达式

综合实验结论,在线性响应区间内,定标模型的数学表达式可表示为:

式(3)中:Gi,j为探测器响应图像上坐标为(i,j)的像元灰度值,t为积分时间,k为线性响应率,b为响应截距,Lb为黑体辐射亮度,Gc为背景黑体辐射反射引起探测器像元响应。

从公式(3)的定标模型表达式可以看出,其中只有线性响应率、背景黑体辐射反射引起探测器像元响应和响应截距为未知数,因此定标时只需要设定两个不同的积分时间读取黑体不同温度的三个图像即可,该过程大大简化了常规的定标过程。

1.4 热像仪的理论测温范围确定

热像仪的测温范围与探测器的响应特性相关。利用实测的定标响应曲线中非线性区的起始点作为探测器饱和状态的阈值,代入公式(3)中,给定积分时间,就可以反演出该积分时间下的最高可探测温度。

2 实验数据处理

由于红外探测器每个像元的响应率不同,导致红外图像的非均匀性甚至盲元(噪点)的出现对定标误差的影响很大。实验过程中采取一定的策略降低非均匀性和随机噪声的干扰,即在黑体温度稳定后,随机采集20帧图像,选择并读取图像中黑体中心位置15×15区域内的灰度值,然后求平均值作为当前定标点的像元灰度值。计算公式如下所示:

式(4)中:k为帧序号,Gi,j,k为第k帧中所选区域i行j列的像元灰度值。

在每帧中选取(201,126)到(216,141)的像素点作为样本值,根据公式(4)计算可得平均灰度值。本文的辐射定标数据如表2所示。

依据本文的定标模型进行定标实验只需从表2随机抽取三个定标数据即可。定标点选择积分时间为12μs和24μs,黑体温度分别为1 700℃和1 900℃。取三组数据代入公式(4),就可以计算得出定标数学表达式。计算结果为:

确定定标响应曲线后,可根据像元响应值和热像仪的积分时间反演出黑体温度Tfy。通过比较黑体实际温度To和计算温度Tfy,可以得出热像仪的测温误差。本文采用绝对定标误差指标作为评价标准。评价公式如式(6)所示:

温度反演计算方法:首先根据像元响应值和相对应的积分时间,代入公式(5)反推出目标黑体辐射亮度;然后运用普朗克公式由辐射亮度反推黑体温度。由于普朗克公式[公式(1)]为超越方程,解析解难以求出,因此采用数值逼近的算法进行计算得出T’fy代替解析解Tfy。为保证计算精度,逼近误差控制在10-5以下。逼近算法具体实现过程如图4所示。以表2定标数据为例,进行误差分析,计算结果如表3所示。

由表3黑体反演结果可知,利用该方法反演黑体温度的最大误差为2.72%,测量结果最大温差为40.75℃。绝对定标误差存在差异性,且具有较大的随机性。根据任务需求,辐射定标的指标要求绝对定标的误差小于8%。实验结果证明:在误差允许范围内,利用简化的定标模型可以快速、有效地进行长波红外探测器对高温黑体的辐射定标,测量误差在3%以内。

根据图2的定标曲线可知,选取积分时间为24μs时,1 700℃的响应作为探测器饱和阈值,通过计算可知热像仪的测温范围(表4)。

3 结论

文中对长波红外探测器的辐射特性进行研究。通过定标实验讨论探测器响应灰度值与黑体辐射和积分时间的关系,得出简化的定标计算方法,即利用该模型只需选取两个不同积分下的三个定标点即可完成定标过程。根据定标响应曲线非线性区域的起始位置作为探测器响应输出的饱和点,结合定标公式,得到该热像仪的理论测温范围。经过实验数据处理对该方法进行验证。实验结果显示,反演黑体温度的误差在3%以内,满足任务需求。根据理论测温范围可知:红外热像仪测温没有范围上限,但是由于不同积分时间下,探测器的像元响应度存在差异性,直接影响测温结果的精度。因此,在实际应用时应首先根据需求选择适宜的积分时间进行测量。实验结果证明该方法满足应用需求,不仅能够快速、有效地完成辐射定标,而且对实际的应用过程具有一定的指导意义。

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