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光學穩像技術范文1
紀明（以下簡稱紀）：直升機光電系統的發展可追溯到上世紀70年代，即第一代專用武裝直升機進入成熟應用階段時。隨著武裝直升機作為空中殺手得到空前發展，為各種直升機武器系統配套的光電系統也應運而生。光電系統目前主要有瞄準線穩定系統（穩瞄系統）、偵察系統、夜間飛行導航系統、光電對抗系統等，其中穩瞄系統最為復雜，性能和精度最高。
記者：那么穩瞄系統主要由哪些設備組成，經歷了一個怎樣的發展歷程？
紀：現代武裝直升機的穩瞄系統通常裝備有熱像儀、電視攝像機、激光指示，測距機、激光光斑跟蹤器等光電傳感器。根據需要，某些武裝直升機可能只需裝備一些基本傳感器，如熱像儀、電視攝像機、激光測距機等。隨著光電傳感器的技術發展，攻擊型直升機的穩瞄系統，除裝備上述傳感器外，還可選裝激光標識器（pointer）、激光照明器、短波紅外/多光譜相機等。直升機穩瞄系統按性能和時間，大致分為三代。
第一代主要在上世紀70年代末至80年代初裝備使用，如美軍的AH-1“眼鏡蛇”直升機的M65，法國“小羚羊”直升機的M397等。這一階段主要是白天型，全部采用直視光學通道觀察瞄準。
第二代在上世紀90年代初裝備使用。這一時期武裝直升機獲得了飛速發展，一大批著名型號，如美國的AH-64“阿帕奇”、OH-58D“基奧瓦”，意大利的A-129“貓鼬”，南非的AH-2A“茶隼”，蘇聯的米-28“浩劫”和卡-50“黑鯊”等相繼面世。與此同時，紅外技術也獲得飛速發展，因此這些直升機的穩瞄系統均加裝了紅外熱像儀，形成晝夜兩用型。
第三代穩瞄系統主要從上世紀90年代后期開始使用。隨著紅外、激光技術與信息處理技術的飛速發展，先進國家紛紛在第二代穩瞄技術的基礎上進行更新換代，主要特點是采用三代大面陣熱像儀、連續變倍光學系統、半導體泵浦雙模激光指示/測距儀、多目標跟蹤、信息融合等先進技術。如AH-64D“長弓阿帕奇”武裝直升機的“箭頭”，AH-IZ“蝰蛇”的TSS等。
RAH-66“柯曼奇”是美國研制的最新型武裝偵察直升機，雖然已下馬，但其裝備的EOSS穩瞄系統裝有當前最高水平的各種光電傳感器，而且它的總線技術，信息處理與融合、隱身、一體化穩定平臺等技術，都代表著當前最高技術水平。
記者：從這幾型武裝直升機看，光電轉塔有幾種安裝位置，比如在機頭下方或上方，駕駛艙頂部，旋翼上方。這幾個位置各有什么優缺點？
紀：這幾種布置分別叫鼻錐式、頂棚式、桅桿式，還有側掛式等幾種。它們之間的優缺點并不算很明顯，主要還是與主機設計有關。
桅桿式穩瞄具安裝位置最高，從理論上說可讓直升機隱蔽在障礙物后探測，生存力較高。但直升機的桅桿不適應大載重，有的在頂部裝了毫米波雷達，因此裝不了桅桿瞄具。頂棚式目前相對少見，主要是因為頂棚強度較差，對飛行員安全是個威脅。大多穩瞄系統還是安裝在鼻錐處，當然這也和直升機鼻錐處有什么其它設備有關。
記者：光電穩瞄設備，在坦克、步兵反坦克導彈系統、固定翼戰斗機等其它方面也需要。那么和這些平臺相比，直升機平臺對光電穩瞄系統有什么特殊影響？比如武裝直升機和坦克上的振動，會有所區別吧？
紀：直升機的旋翼振動很厲害，旋翼的葉片數和轉速確定了直升機的主振頻率。坦克穩瞄難以抑制的是低頻搖擺，直升機穩瞄難以抑制的是振動。由于直升機穩瞄系統作用距離更遠，需要精確制導，因此它的穩定精度通常要比地面車輛上用的高。后者穩定精度一般為100微弧度，武裝直升機上的穩瞄系統則要達到20-50微弧度，最新一代直升機穩瞄系統甚至要求達到5-10微弧度（1微弧度的穩定精度對應10千米距離晃動1厘米）。
記者：那為了實現這種穩定精度，武裝直升機光電穩瞄系統的穩定設備。經歷了怎樣的發展階段，用什么樣的技術實現穩定？
紀：我們已經說過，武直光電穩瞄系統的發展基本分三代。第一代還沒有熱像儀，光路單一、作用距離有限。它們采用反射鏡穩定方式，或陀螺直接穩定，或兩軸兩框架陀螺穩定平臺，已能滿足要求，精度在50-100微弧度。
第二代裝備了掃描型熱像儀，晝夜使用；第三代大多采用大面陣凝視型熱像儀，而且加上了各種圖像處理和其它先進技術。目前裝備應用的光電產品大多屬第三代。
后兩代武直光電穩瞄系統，大多采用兩軸四框架穩定平臺，其目的是有效隔離擾動，提高穩定精度，其精度范圍可達20-40微弧度。未來更高精度（5-10微弧度）的穩定方法，我個人認為還得依靠粗精組合穩定來實現。
記者：什么是兩軸四框架穩定平臺？
紀：陀螺穩定平臺通?？煞€定三個軸，但直升機等用于瞄準的穩瞄系統通常只需穩定方位和俯仰兩個軸，橫滾方向不需要穩，即所謂“兩軸”。四框架是指方位和俯仰各有內、外框架共四個框架。多個框架的目的主要是隔離風阻和減小平臺軸上的干擾力矩。
記者：您剛才提到的粗精組合穩定技術，發展現狀怎樣？技術難點主要在哪里？
紀：粗精組合穩定技術問題，我在上世紀90年代初就提出并發表過多篇論文。不過當時對直升機穩瞄的高精度需求還不迫切，加上當時快速驅動的反射鏡技術（FSM）還不成熟，撓性結構支承技術還存在負載能力和伺服帶寬上不去等問題，因此國內一直未引起關注。
近年來隨著微驅動技術的快速發展，國外在機載穩瞄和IRST（紅外搜索跟蹤系統）、激光通信、戰術激光武器等方面，已開始大量采用粗精組合穩定技術。FSM的特點是高帶寬、微位移、體積小、重量輕（約200克），將其與陀螺穩定平臺進行組合，可以補償瞄準線的殘余誤差，提高瞄準線穩定精度。根據目前的技術成果，可以在振動環境下將瞄準線穩定在5微弧度。
記者：除了剛才提到的穩定精度，直升機光電穩瞄系統和地面車輛、單兵使用的相比。還有哪些區別？
紀：武裝直升機上的光電穩瞄系統，功能更復雜，傳感器種類更多，重量要求更輕。其次是，它的光電傳感器的作用距離要更遠，比如激光照射距離通常要達到6-8干米，而單兵使用。的光電系統，只需2-3千米。
另外，裝甲車輛上的光電穩瞄系統以潛望式為主，直升機的則以球形吊艙或轉塔為主，結構更復雜。
記者：與固定翼戰斗機相比，它們又有什么區別？比如直升機飛行高度低，固定翼飛機的光電系統有時還考慮對空探測，這會對光電穩瞄系統的性能要求產生哪些區別？
紀：固定翼飛機對空搜索和預警的IRST，主要用于空中預警，傳感器主要是紅外和激光測距。而且紅外主要是采用點源成像，以發現目標為主，因此作用距離通?？蛇_幾十千米。
固定翼飛機的光電吊艙，則多以對地偵察和攻擊為主，和直升機穩瞄系統功能類似，所裝傳感器也非常近似。不同的是固定翼飛機上要考慮高速飛行摩擦，因此光電吊艙通常要采取環控，以保證內部溫度恒定。至于性能上，雖然飛行高度差別很大，但5000米以上能見度非常好，對地目標識別主要還是取決于5000米以下的能見度，因此兩者的性能基本相當。
固定翼飛機的吊艙通常為“長筒”形，易于外掛。目前的發展趨勢是類似F-35的EOTS，采用“半埋”式。
記者：武裝直升機上的光電轉塔，是否也能移植到自行反坦克車、攻擊機等其它武器平臺上？
紀：從原理上講，直升機穩瞄系統與很多其它武器平臺的穩瞄系統相似，包括固定翼飛機的光電吊艙，因此能相互移植。比如著名的“阿達茨”導彈系統，其穩瞄系統就是以AH-64“阿帕奇”的TADS/PNVS的一個增強性能版本為基礎。以色列也把戰斗機掛載的AA0-28吊艙的頭部移植到直升機上，FLIR公司則把他們的AN/AAQ-22穩瞄系統（已被用于ARH-70偵察直升機和MO-SB無人直升機）用到了偵察車上。當然，各種武器平臺的使用環境和安裝位置，以及對體積和重量要求均有所不同，移植時需要做相應改進。
記者：F-35戰斗機的光電系統，特別是分布式孔徑系統，是一亮點。既然機載光電系統與直升機的光電系統有很多共同之處，那這種分布式孔徑技術能否應用到武裝直升機上？
紀：分布式孔徑光電系統可廣泛應用機、坦克、艦船等，應該是未來光電系統的發展方向。它可以結合光電傳感器和圖像處理技術，實現諸如探測、跟蹤、瞄準和飛行導航等功能。但目前受限于很多因素，其應用還有一定局限性，比如遠距離和寬視場的矛盾，傳感器分辨率、圖像處理的速度等，限制了它的很多功能和性能。在固定翼飛機上，它目前還主要用于空中預警、飛行導航和防撞，能形成360°視覺包絡，也即所謂透明座艙。
我認為在武裝直升機上應用，目前和固定翼飛機還有較大區別，主要取決于直升機對空中預警的需求有多大。作為直升機駕駛員夜間飛行和著陸系統應用，就目前技術來看，還是可行的。至于能否替代直升機穩瞄系統，受限于上述因素，短期內還不可能。
記者：您已經介紹過，武裝直升機的光電系統中需要多種傳感器。我們平?？此墓怆娹D塔，也經常會看到兩三個窗口，尺寸、顏色各不同。這種尺寸、顏色區別，應該與紅外、激光等不同設備的工作波段有關吧？
紀：對，窗口色彩就是因為采用不同波段的材質和膜層造成的。目前熱像儀采用最多的是3-5微米的中波和8-12微米的長波，其中長波熱像儀的光窗，通常采用硫化鋅或鍺玻璃，中波熱像儀通常采用氟化鎂、藍寶石和尖晶石等。它們能讓紅外線通過，卻不易讓可見光通過，因此這些窗口在我們肉眼看來經常是不透明的。激光或電視光窗通常采用石英玻璃，透明，但它們經常要根據需要鍍制各種膜層，如增透膜、硬碳膜等。紅外傳感器的窗口也常鍍膜。因此，不同材料和膜層結合起來，就讓這些光窗有不同的顏色，比如棕紅、黃色、白色、藍色等。熱像儀的光窗看起來就像一面鏡子，而且一般是最大的，因為光學孔徑越大，接收的能量越多，作用距離也越遠。
記者：不同光電傳感器的工作波長不同，那在熱像儀上是不是無法看到可見光波段的激光光斑，這對激光指示器、瞄準等是否會有影響？
紀：激光測距機、指示器大多工作在在1.06或1.54/1.57微米，和紅外傳感器的3-5微米、8-12微米波段不兼容。因此我們在直升機的顯示器上看電視或紅外圖像時，一般看不見激光光斑。不過這不會影響制導精度，因為電視、紅外和激光光軸是嚴格校準的，十字線壓住的目標，激光光斑也必然會照在瞄準點上。當然，制導誤差取決于準直、瞄準、跟蹤等各種誤差的綜合。
記者：這些不同傳感器的窗口能合并或減少嗎？
紀：這些窗口可以合并，即所謂“共窗口”或“共光路”。比如MO-9無人機最新的MTS-B穩瞄系統，固定翼飛機的“狙擊手”吊艙，采用了共窗口。這是一種發展趨勢，但目前有一定難度，主要是因為需要寬光譜材料。另外還涉及分光、共光路等復雜的光學設計和膜系設計等一系列問題。
記者：除了共窗口，圖像融合也是現代光電系統的一個發展趨勢。這種技術已經在哪些武裝直升機上應用了？
紀：在“阿帕奇”的M-TADS/PNVS“箭頭”穩瞄系統，以及目前多款新一代穩瞄系統（如FLIR公司的系列產品）中，圖像融合技術已經獲得應用。
記者：這項技術是為了綜合利用中波、長波紅外，微光、電視，甚至雷達等各種傳感器采集的信息，互相彌補它們的缺點。您能否說說這些傳感器各有哪些優缺點？
紀：各種傳感器的優缺點要詳細述說，過于專業了，只能簡單說明一下。
成像雷達如SAR（合成孔徑雷達）還主要用于無人機、衛星等載體，并且采用的是推掃成像，目前還難以與光電成像進行圖像融合，尤其是適時融合。
微光電視和熱像儀的原理不同，是借助星光或月光的，直觀的看，圖像細節要比熱像儀豐富。但受氣候限制。目前其探測距離等還比不上熱像儀。
熱像儀能看到微光電視難以分辨的細節，如煙霧遮擋以及叢林中發熱的物體和人員等。這其中，長波和中波紅外相比。敏感的大氣窗口不同。通常在高熱高濕地區，中波紅外比長波紅外有更好的探測能力。但長波紅外有更好的透煙霧能力。中波、長波紅外孰優孰劣，目前還是一個爭論的課題，需要在不同的環境條件下通過大量的實驗對比。
圖像融合，就是上述成像特征的互補。
記者：看您的論文介紹說，圖像融合主要是像素級的。這種融合是把缸外、電視等圖像疊加在一起，還是在一個屏幕上分別切換？
紀：目前能夠進入工程應用的主要還是像素級的圖像融合，是將兩幅性質不同的視頻圖像通過圖像處理，合成一幅圖像，集中反映兩幅圖像的特征，如紅外和電視、紅外和微光等。當然，這些圖像是可以相互切換的，需要融合時可以通過開關切換。兩幅圖像的重疊在技術上稱為圖像配準。圖像融合涉及軟硬件技術，目前的主要技術難點在于圖像的快速配準和圖像融合算法，以及圖像處理的實時性。
記者：您前面曾提到，直升機光電系統中，除了最復雜的穩瞄系統，還有光電對抗系統，這也對保障直升機生存能力至關重要。現在直升機已開始采用定向紅外干擾系統，它與以前的干擾設備，比如早期“阿帕奇”用的ALQ-144相比，在原理、結構、技術上有什么區別？
紀：ALQ-144是一種對抗老式導彈的紅外干擾系統，通過調制紅外源來誘騙干擾導彈導引頭。目前該系統已為大多數用戶所廢棄。定向紅外干擾系統目前已趨于向集成式發展，和過去的光電對抗相比，將告警系統、紅外捕獲與跟蹤系統、激光干擾系統、高速數據處理系統等綜合集成在一個吊艙內，可掛載在直升機或飛機的兩側形成全方位包絡。
記者：最后對于我國光電穩瞄系統的發展，您有哪些建議，比如武裝直升機的光電系統如何盡量通用化？
紀：光電穩瞄系統目前除軍事應用外，在民用領域和準軍事領域的應用也日趨廣泛，如森林防護、電力巡視、環境監測、空中攝影、治安巡邏、搜救等。但由于它的技術復雜性和高成本，目前在國內應用還受到一定限制。
我個人認為，光電穩瞄技術推廣應用的關鍵，目前是急需開發出低成本、模塊化、開放式結構的產品，包括光電傳感器，以適應國內外民用和準軍事應用的需求。其次是光電傳感器尤其是熱像儀，提高性能、降低成本是一個推廣應用的重要因素。在這點上，只有從上至下形成共識，才可能引起重視并加大投入。
光學穩像技術范文2
【關鍵詞】光子學；光子計算機；光子元件；集成光路
Talking about the photonic computer
YANG Yan-ni LIU Peng LI Chuan-jiang
（Xinjiang Institute of Engineering， Urumqi Xinjiang 830091， China）
【Abstract】The speed of the computer industry for more than expected rapid development， at present has been used in all stages of human society. This article discuss the computer operation speed is restricted by various factors， this paper introduces the overview of the photonic computer， research situation and the light of the photonic computer devices and optical path， the characteristics of the photonic computer.
【Key words】Photonic； Photonic computer； Photonic components； Integrated optic
0 引言
目前，世界上技術先進的國家正在大力開發第五代計算機，其中一個重要的動向是加緊研制光子計算機。科學家認為，第五代計算機要求具有高得多的運算速度和更加豐富的邏輯處理系統，而光子計算機可以較好地滿足這些要求[1-2]。
20世紀40年代，美國賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）第一臺電子計算機產生以后，此后幾十年間，計算機制造工藝在不斷的變革中高速發展。計算機系統的歷史主要有以下發展階段電子管時期、晶體管時期、集成電路時期和超大規模集成電路時期。
1 電子計算機受到的制約
隨著信息技術的不斷發展，計算機已經在人類社會的各行各業不斷應用著，在計算機技術的不斷前進的進程中，計算機產業的發展速度超出了人們預料。在人類社會各行各業的不斷應用中，對計算機性能提出了越來越高的要求，例如復雜系統模擬、海量數據挖掘、人工智能、精確制導系統等，其對運算速度的要求達到1012次以上，對數據量的要求非常大[3-4]。電子計算機的以下這些特點，限制了電子計算機的運算速度：
（1）馮?諾依曼（John von Neumann）的串行“瓶頸”問題，造成數據輸入與處理需要耗費大量的時間，使電子計算機的計算處理速度不能進一步提升，就像一個小口瓶里面的水，只能從瓶口慢慢地流出。
（2）帶寬有限問題，對信息傳輸系統來說載波頻率和信號頻率帶寬之比為100：1，微波頻段內，電信號的頻率范圍在103兆赫茲-104兆赫茲，因而，傳輸信息時它的頻率帶寬是10兆赫茲-102兆赫茲。為了改善電子計算機的處理速度，我們讓信號脈沖的間隔盡可能小，需要把每個脈沖脈寬變窄，才不致于使信號相互重合而分不開。由于脈寬越窄，頻率帶寬會變寬，電子計算機的頻帶寬度不是無限的，要求信號的脈寬不能過窄，同時在傳輸過程中脈沖將會展寬，使得電子計算機的運算速度提高是困難的。
（3）時鐘歪斜問題，這是由于超大規模集成電路的元器件數量大，各部件同步時鐘到各元件的距離差異比較大，到達的信號需要等候未到達的信號，聯接距離一大，時間就變得很長。
（4）電阻電容電路問題，由于電阻電容電路的響應時間τ-RC，通常為10-9秒，這就阻礙了我們的核心元件―雙穩態觸發器的轉換速度，使傳輸速度和處理速度不能提高。
由于電子計算機以上這些阻礙運算速度的缺點，這些年，研究新的結構的計算機――光子計算機的專家不斷涌現。
2 光子計算機
2.1 光子計算機概述
光子計算機是靠光而不是靠電來運行的，而光子運動的速度要比電子快得多。光子計算機速度非?？欤纫阎圃斓母咚匐娮佑嬎銠C（每秒13億次）快上千倍。從理論上說，電子運動的速度可以接近光子，即每秒30萬公里，但在硅芯片上電子的實際速度還不到光速的1%。光子計算機是一種通過光信號來進行信息存儲、處理、運算、操作的新型計算機。1969年，研究光子計算機這一偉大征程由美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）的研究者拉開了序幕，第一臺光子計算機在1984年6月制造出來，這是由國際商用機器公司研發的，是一臺能夠正常工作的光子計算機，只是它必須工作在接近絕對零度的環境下。貝爾實驗室在1990年制造了一臺光子計算機，它由棱鏡、透鏡和激光器等元器件完成，貝爾實驗室走出了光子計算機的關鍵步伐。由歐盟的幾個高校合作，已開發完成的光子計算機，處理速度是電子計算機的1000倍。光子計算機主要有三大類：光模擬信號計算機（也叫光模擬機）、全光數字信號計算機（也叫光數字機）、光智能形式計算機，光子計算機起始于模擬機，模擬機具有并行快速計算和大信息容量的特點，在光學信息領域（如光編碼測距）獲得應用[6]。1990年至今，我們設計的全光子計算機，結構基本都是按照電子的傳統的計算機來設計的，它用光控制器、光存儲器和光運算器組合而成，相互之間和各自內部以光互連這種方式來通信?，F在全光數字計算機處在研究過程中，要用到的相關技術難題已經有了答案，主要問題是如何開發更高利用率的光學元器件。光神經網絡計算機處理研究中，它具有人工智能的系列優點，帶給研究人員極大興趣，光神經網絡計算機的研究同時取得了非常好的進展[7]。但是理論模型還需要進一步細化，要研制出利用率更高的空間調制器和性能更好的光開關列陣，其實真正實用的光子計算機還有很多路要走。當前全光數字計算機與光電混合計算機正在不斷發展，數字光計算的研究將成為所需要的光電器件的重要支撐。
2.2 光子計算機的研究狀況
光學器件是通過光子的運動進行工作的器件，通過調整光的參數，比如，相位、偏振、振幅、強度或波長，來制造出光子晶體管、光邏輯元件、光子存儲器件、光子探測器件、光空間調制器件等功能元器件，如光存儲器件―光學雙穩器件發展也很迅速，有一種半導體量子阱制成的雙穩器件，這是很有可能成為光邏輯和光存儲器件的，已經制造了光邏輯運算和存儲陣列，它在將有望實現光高速運算。1970年以后，使用非線性闊值特性器件來作邏輯門，使用光雙穩器件作存儲器，美國南加州大學（University of Southern California）研制的液晶光閥構建了具有組合邏輯結構功能的系統，能夠實現各種邏輯運算。通過多國的研究者們的努力，一種能夠將光放大和具有光開關功能的光晶體管，先后在赫羅特-瓦特大學（Heriot-Watt University）、京都大學（Kyoto University）還有貝爾實驗室制造出來。
2.3 光子計算機中的光器件與光路
電子是電子計算機中信息的傳輸的媒介，計算機的部件相互通信利用內部或外部連線作為信號傳輸媒介，快信息流在傳輸時就會產生瓶頸阻塞效應。改用光子來傳輸信息，就不用考慮瓶頸阻塞效應。光子計算機有可能改變目前電子計算機的兩進位制的計算和處理方式，創造出更加豐富的邏輯系統。在光子計算機中，通過光子元件的激光亮度不斷增加而又有間隔，形成光脈沖串，在此基礎上可以創造出更加豐富的邏輯處理系統?？茖W家預言，將從光學中產生全能的計算方式，光子互連具有高速度、大的時間帶寬和空間帶寬等眾多優勢，光路能夠相互交叉通過但互相不受干擾，光互連的方式有自由空間的光互連、光纖和波導互連。根據集成電路的思想，科學家設想將多種光電元器件集中做到在一塊芯片上，制造集成光路[7]。隨著集成光路的發展，從1970年開始，在光學范疇產生了一個叫做集成光學的新興學科[8]。這幾年通過光通信、光交換、光信息處理技術的發展，已經成功開發了各種各樣的光子集成器件。實現了把光存儲器、光開關、光源、光波導制做在一塊芯片上的整體系統。研究者把偏振器、濾光片、光放大器、光調制器、透鏡、棱鏡、光柵、光衰減器等這些光學元件組成薄膜造在一塊母板上，大大縮小了光路所占據的空間，制成了微集成光路，用來進行光信號高速傳輸與處理，實現了低功耗、高性能、便捷化、高效率[9]。
2.4 光子計算機的特點
把光子作為媒介的光子計算機有這些優勢[12]：
（1）非?？斓倪\算處理速度，因為光子的速度是3×108米/秒，電子的速度遠遠低于光子速度，光子計算機的運算處理速度將會比電子計算機快1000倍。
（2）光子器件具有非常寬的時間域帶，光波頻率大約是電信號頻率的104-105倍，以光波為載波，信號帶寬就會展寬，可以達到106兆赫茲-107兆赫茲，將擁有非常多的通道數量，而且光脈沖極窄，這樣就通過增大數據傳輸率實現了大量的高速傳輸。
（3）光子計算機在空間上的域帶寬是非常寬的，信息傳輸與處理能力非常強；一個光波導中并行傳輸許多波長各異或偏振態有差的光波，彼此可以不受干擾，功能不同的元器件能夠在一個光波導中完成，同時傳輸多種信息。
（4）光子計算機的抗干擾效果非常好，因為光路可以交叉互連。
（5）直接使用光信號進行運算處理，避免了電子計算機將光信號轉換成電信號處理然后轉換為光信號可能的錯誤，能夠智能識別文字、圖像、手勢和聲音。
（6）信息容量大，沒有時鐘歪斜現象，處理精度高，由于光子速度是3×108米/秒，多種互連長度帶來的延時差極小，不會引起時鐘歪斜。
（7）具有較強的容錯性，光子計算機中單個元件失零，不會影響最后的運算處理。
（8）能夠采用不同進制，運算速度成倍提高。利用光學雙穩態元件進行二進制的光計算，利用多穩態光學元件可以進行四進制計算和三進制計算。
3 光子計算機的未來
毫無疑問，光子計算機一旦研制成功，將對當前的新技術革命產生不可低估的影響[13]。美國科學家認為光子計算機是未來的總趨勢，他們預言五年之內就可以制造出光子計算機。光子計算機的很多工作現在還處于實驗室之中，但是我們相信通過研究者們的不斷進取，這個偉大夢想必然能夠實現[14-15]。伴隨著電子計算機的瓶頸，光子時代即將到來，科學家已經斷言了的。由于光學相關理論的研究和光子元器件制造等重點技術的進展，光子計算機一定會走向世界的舞臺，就像美國著名的科學家比爾?沃爾什（Walsh Bill）所說：“光子計算機必將逐步替代電子計算機?！?/p>
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光學穩像技術范文3
關鍵詞:信息安全;密碼學;混沌加密;數字圖像;多混沌系統
中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)36-10238-02
Research on Digital Image Encryption Algorithm Based on Multi-Chaos
LU Jing1,2, JIANG Li3
(1.School of Computer Science and Technology, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2.Lianyungang Teacher's College, Lianyungang 222006, China; 3.The Department of Computer Science and Information Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 200235, China)
Abstract: Based on the cryptology theory, we carry out an in-depth research on the chaotic encryption technology. a digital image encryption algorithm based on multistage chaotic is proposed. According to the characters of digital image, different chaotic models are used to generate diffusion and confusion matrixes. And then, digital image is encrypted with these matrixes.
Key words: information security; cryptology; chaotic encryption; digital image; multi-chaos
隨著計算機硬件的發展,計算機的運算速度不斷提高,對很多加密算法的抗破譯能力提出了挑戰。經研究證明原有的一些加密方法在現有技術條件下己經不具備足夠的安全性[1],因此繼續研究加密技術和設計新型有效的加密算法已經成為迫切的需要。一些新興的密碼技術如量子密碼技術、混沌密碼技術、基于生物特征的識別理論與技術相繼出現[2],這其中混沌現象以其獨特的動力學特征在現代密碼技術被廣泛應用。
1 混沌圖像加密算法設計
目前常用的一維混沌系統有Logistic系統、Rossler系統.、Tent系統、 lorenz系統等。在對一維混沌加密系統進行簡單的變換加密后,會轉化為一種平凡混沌加密系統,難以保障其安全性 [3-5]。
針對這種情況,本文提出一種基于多混沌的數字圖像加密算法,其基本思想是利用三個不同的混沌模型,在加密算法中實現不同的功能。第一個混沌模型經過多次迭代,產生置換矩陣,對原始圖像作置亂變換;第二個模型則決定各像素被修改的次序;第三個混沌模型迭代產生密鑰流,依照第二個模型決定的修改次序,對置換后圖像中各像素的值進行修改。
1.1 算法中用到的混沌模型
首先介紹算法中使用的三個混沌映射模型[6]。
1) 第一個混沌映射模型
該模型選用了混合光學雙穩模型,其迭代方程為:
Xn+1=ASin2(Xn-B)(1)
當A=6,B=3時,已知該模型處于混沌狀態。本論文的加密算法中,該模型用來產生置換矩陣,以便對輸入的明文進行初始置換。
2) 第二個混沌映射模型
該模型選用了分段線性混沌映射:
(2)
當0
3) 第三個混沌映射模型
該混沌映射模型采用了目前應用最為廣泛的Logistic映射:
Xn+1=μXn(1-Xn)(3)
該映射在3.5699456
1.2 圖像像素位置置亂算法
考慮一幅大小為M×N ,具有S 級灰度的圖像,設(i,j) 為像素P 所處的坐標,(i',j') 為經過置亂后,像素P 所處的坐標。其中1≤i≤M ,1≤j≤N ;1≤i'≤M ,1≤j'≤N 。圖像像素位置置亂算法即要求設計映射f ,使得:
映射f 同時應該滿足以下條件:?坌(i1,j1),(i2,j2) ,若(i1,j1)≠(i2,j2) ,則(i1',j1')≠(i2',j2') 。其中(i1,j1)=(i2,j2)表示i1=i2 并且j1=j2。這個條件表明,圖像像素置亂算法應該是一一映射的。本文利用混沌模型1,迭代產生圖像置亂算法。
1.3 圖像像素值替代算法
對一幅大小為M×N,具有S 級灰度的圖像,設rij 為經過置亂后坐標(i,j) 處的像素值,其中1≤i≤M ,1≤j≤N 。r'ij 為執行完替代操作后,坐標(i,j) 處的圖像像素值。圖像像素值替代算法即要求設計映射T ,使得:
本文利用混沌模型2和3,迭代產生圖像像素值替代算法。替代算法分為兩步,首先利用混沌模型2產生圖像像素的替代次序矩陣;然后利用混沌模型3生產密鑰流,按照替代次序矩陣對圖像的每一個像素加密。
2 多級混沌圖形加密算法的實現
2.1 加密算法的密鑰設計
本文提出的加密算法綜合使用了上述3種混沌模型,每一種混沌模型的初始值和參數(共7個)都可以作為密鑰。但是為了保證算法中采用的映射模型處于混沌狀態,定義混合光學雙穩模型中的參數A=6,B=3,定義Logistic映射中的參數μ=4,剩余的4個值作為算法的初始密鑰,由用戶輸入。所以初始密鑰K是一個4元組,包含4個子密鑰:
K=(X,P,Y,Z)。
其中:
X:模型(4-1)的初值,要求0
P:模型(4-2)的參數,要求0
Y:模型(4-2)的初值,要求0
Z:模型(4-3)的初值,要求0
2.2 加密算法的實現步驟
多級混沌加密算法的實現步驟描述如下:
1) 輸入密鑰K(X,P,Y,Z)。
2) 打開待加密的圖形。
3) 根據像像素位置置亂算法f ,對圖像進行置亂處理。
4) 根據圖像像素值替代算法T ,對圖像像素值進行替換操作。
5) 輸出加密后的圖形。
2.3 加密算法的原理圖
總體上講,上述加密算法由三個操作完成,分別是:擴展、置換和異或。其中擴展是將16位初始明文擴展為32位信息。置換是將擴展后的32位信息根據置換矩陣P進行置換,以達到“混亂”的目的;其中用到的置換矩陣由混沌模型(1)生成。異或是將置換后的結果與密鑰流Keyi(i=1,2,3,……)進行異或操作,生成最終的密文;其中密鑰流是通過混沌模型(2)和(3)的聯合作用產生的。
初始密鑰K包含4個子密鑰X,P,Y,Z,分別對應3個混沌模型的初始值與參數,加密時由用戶輸入。
算法的原理如圖1所示。
2.4 算法的實現細節討論
該多級混沌加密算法用C++語言設計,對算法的具體實現作如下討論:
2.4.1 算法中,對3個混沌模型的迭代分別得到不同的混沌序列
為了獲得更好的偽隨機性,可以舍棄初始若干次迭代所得的值,而選取第k次以后的迭代值。在本算法具體實現時,取k的值為20,即舍棄初始20次迭代的值,選取從第21次開始的迭代結果保存并使用。
2.4.2 圖像像素值替代算法T 中第5步,對密鑰和置亂后的圖形像素值進行了異或操作
對于具有S 級灰度的圖像,置亂后的圖形像素值是S 位的二進制代碼。為了使混沌系統產生的實數密鑰能夠和S 位像素值進行異或操作,以二進制代碼的形式讀取密鑰矩陣,并取其低S 位進行異或操作。實驗中,S 取值為8或者16。
2.5 解密過程
在解密過程中,密鑰X,P,Y,Z與加密時的密鑰完全一致。密鑰X仍然用于生成置換矩陣,密鑰P,Y,Z分別是另外2個混沌模型的初始值和參數,經過混沌迭代后,產生替換次序矩陣和密鑰矩陣,用于解密。密文圖形經過與密鑰矩陣的異或,再進行反向置換操作,可以正確地恢復成明文圖形。
3 結論
本文提出一種基于多混沌的數字圖像加密算法,利用三個不同的混沌模型對數字圖像進行多次置換、置亂,實現對數字圖像的加密。該加密算法具有實現簡單、加密速度快、安全性較高的特點。同時本算法是對稱加密算法,解密時根據初始密鑰進行加密過程的逆操作,就能夠實現正確的解密,恢復原始信息。
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信息化視聽雜志社舉辦的信息化視聽行業高峰論壇暨綠葉獎評選活動已有數屆，我認為這項活動不僅對提高企業知名度、創建名牌起了很大作用，而且對推動整個行業發展也起了較大作用，我們希望這項活動越辦越好，更好地促進行業健康發展。
信息化視聽雜志是專業視頻行業主要刊物。視頻設備是信息技術的終端，視頻技術是我們終身研究的課題，視頻產業是我們終身從事的事業。國務院近日《關于促進信息消費擴大內需若干意見》，提出要鼓勵智能終端產品創新發展，以提升智能終端產品發展水平。作為主要視頻終端產品的大屏幕顯示向什么方向發展呢。最近我們邀請了中科院與工程院院士、大學教授等業內專家二十余人及二十多家企業代表在山東省煙臺市福山賓館舉辦了投影式激光顯示論壇，在《論壇》上大家取得了共識，認為投影式激光顯示是未來主要顯示技術；顯示技術的發展方向是高保真圖像的再現。高保真圖像三大特征：即高清（幾何+顏色人眼極限）、全色（色域覆蓋率100%）、三維（全息真三維）。投影式激光顯示是實現高保真圖像最好的顯示技術。是我們未來顯示技術的主要發展方向，同時也是我們當前開拓潛在市場所要解決的難題。
當前大屏幕投影顯示行業發展較好，固體光源（LED光源、激光光源、混合激光光源）研發成功，并在一些整機中得到應用；LCoS微顯示器已有兩家試制成功并投入批量生產；超短焦光學引擎已在教育等行業中得到應用，這些都為投影式激光顯示產業大發展奠定了基礎，創造了條件。
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關鍵詞：航空相機 自動調焦系統 設計
中圖分類號：V245.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（a）-0021-01
對于我們日常中使用的相機來說，自動調焦是一項非常簡單的工作，設置完成之后馬上就可以進行拍攝，我們只需要考慮外界陽光的強度以及曝光程度。而對于航空相機上調焦系統的設計將是該文要探討的內容。
1 航空相機的發展歷史
航空相機被稱為是一種安裝在航空器上的光學攝影儀器。1914年7月28日，歷史上第一次世界大戰爆發，英國皇軍為了得到有關德國軍隊更多軍情信息，耗費大量的人力物力進行航空事業的研究，利用高科技的攝影技術通過航空飛機進行俯拍以此來取得德國軍情信息。在此后的戰爭中，英國軍人再次加大了在航空相機方面的研究。從此，航空相機的自動變焦系統也在發生著一定的研究和改革。
2 航空相機的安裝程序
航空相機的安裝程序需要遵循一定的前后順序，零件的正反面要看清楚，包括相機英制螺絲、相機的主鏡頭和次鏡頭等零件的先后順序。如果不小心就會造成相機的成像力度，更嚴重的還會導致相機反饋給主機臺的信息錯誤。相機的安裝程序大致如此，安裝者需要確保相機電源的足夠充足，電源對相機來說是最起碼的保障。而后工作需要交換機的相互對接，使相機支架與螺絲的位置保持一定的統一性，然后就是相機鏡頭的保護，在相機的鏡頭上一定要涂上大量的消毒藥水，保障相機的濕潤程度，確保拍攝到的畫面清晰。為相機的安裝加上強有力的紅外線支持，因為航空相機距離地面的距離太遠，中間還需要考慮諸多不確定的外界自然因素。所以說，安裝紅外線儀器支持是非常有必要的。在紅外線的選擇上，一定要偵測紅外線的最遠穿射力度和最近穿射力度，這樣才能使紅外線與相機的拍攝形成統一的拍攝角度，做到時間上的統一和地點上的統一。最后對于防護罩的選擇非常重要，防護罩最大的作用就是保護相機的鏡頭不被破壞，因為在外界自然空間中，大量的飛鳥對于相機而言是非常危險的。所以說防護罩的選擇必須謹慎和認真，保證防護罩有足夠的堅固性，有保護相機鏡頭的專業抗壓力。以此來保證航空相機拍攝的順利進行。另外航空相機的拍攝一定要提前注意天氣情況的變化，如果不注意天氣情況，不僅不能夠按時的完成拍攝任務，嚴重的還會危及到航空司機的安全。所以說，航空相機安裝的程序尤為重要，但航空相機的拍攝條件選擇更加重要。
3 影響對焦度的因素
對焦度是一個相機最基本的功能，如果不能做到正確的對焦，拍攝任何畫面都無從談起。這對于航空相機的要求更為重要，航空相機拍攝時對角度主要受大氣壓力的影響，大氣壓力受大氣溫度的直接影響。對角度要考慮到司機運行飛機時的熟練程度，要考慮到大氣壓力、風力等等。如果飛機在遇到強氣流時遇到顛簸就會造成對焦度的嚴重虛光，這將直接導致畫面成形力度的模糊。另外一個影響對角度的就是相機本身的設置問題，操作者在進行航空飛機設置時，應以全局的眼光進行把控，根據航空相機的相關條例規定，認真核對相機設置的每一步，在相機的設置問題上，要嚴格把控相機的熟練性和操作性，確定相機拍攝的自由流通進行。確定航空燃料的準時準點，在航空燃油的選擇時，要注重航空燃料的選擇，把航空燃料的選擇作為首要的任務。在選擇燃料時，一定要通過專業機器的檢測，確保燃料無任何雜亂脂質，如此才能確保航空飛機的順利飛行和拍攝?？傮w來說，影響對角度的因素是多種多樣的，如何找到一種更好的方式阿貍防止對角度的變化以及不對稱，是航空相機工作者必須嚴格執行的任務和而研究學習的目標。
4 自動對焦系統的設計
自動對焦實際是一個非常專業而嚴密的過程，工作人員在進行安裝時，之前必須經過一定的數據、氣溫、濕度等因素的測量以及記錄，確保對焦系統的前期工作完整。
在進行航空相機的對焦系統設計時，設計人員應仔細的觀察和研究之前對焦系統的設計圖紙以及實驗裝備，仔細觀察和核算對焦數據的準確性。對之前參與過航空相機的研究人員要進行認真的專業問題的請教和記錄，與他們進行數據的完整規劃和核算，在原有的基礎上設計出更加完整和準確的相機自動對焦效果。
在自動對焦的過程中，必須嚴格把控設計的方方面面，確保堆積搜過程的完整實施和順利進行。自動變焦的設計需要用計算機完整的計算出自動變焦程序的每一步，自動變焦的時間順序必須經過嚴格的時間限制，控制好變焦步驟的完整實施。在變焦過程的設置中，應該在原來的基礎上進行盡可能多的創新和變化，使自動變焦的過程在復雜中中顯現動作的流利性和順成性。自動變焦的過程應考慮到自然界方方面面因素的影響，自動變焦受外界因素影響最重的就是大氣厚度以及陽光的照射度。大氣的厚度嚴重影響自動變焦的拍攝角度和拍攝質感，要想拍出更加有質感清晰度的畫面，需要加上紅外線強大的拍攝工具，將紅外線與自動變焦的鏡頭做到雙重和的對焦效果，保障紅外線與自動變焦的同步性和及時性，使自動變焦與紅外線形成完整的統一效果。在自動變焦回應主機臺的過程中，應加強主體臺與自動變焦的主體聯合性，使自動變焦成像傳達給主機臺的信息保證一定的準確性和真實感。
5 結語
綜上所述，航空相機的自動變焦過程在時間的選擇上和實施上具有一定的空間性。航空相機自動調焦系統的設計需要考慮多種多樣自然環境。對于航空相機的自動變焦設計需要設計者不斷的創新和挑戰，需要進行不斷的研究和探討。航空相機自動調焦系統的設計是一項專業，充滿高技術含量的研究和開發工作。工作人員在設計時必須進行嚴格的把控和時間限制上的控制力度。確保航空變焦系統的準確運行。確保我國航空攝影事業快速平穩的發展，為航空相機自動變焦系統的設計做好安全有利的保障，
參考文獻
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光學穩像技術范文6
輕小機身，單反之用
奧林巴斯E-M5是一款格外小巧的“無反相機”，相信經歷過膠片時代的朋友都對奧林巴斯的OM系列單反相機印象深刻，而OM-D系列的E-M5正是OM相機在數碼時代的精神傳承。E-M5高度集成的電子化機身格外小巧，精致的做工令人愛不釋手，拿在手上仿佛回到了使用手動對焦單反相機的時代。高聳的機頂額頭里是144萬像素的OLED電子取景器，顯示效果精細，可以像單反相機一樣進行眼平取景。
外形復古的E-M5在性能上也是讓人暗暗叫絕。首先是對焦速度，已經與高端的單反相機沒有什么差別，某些場景下甚至速度更快。其次是成像質量，1605萬有效像素已經可以滿足大16開雜志的跨頁印刷要求，而機內JPEG直出的效果之好更是出乎意料。再有是有豐富的小功能，比如“長時間曝光預覽”、“多重曝光”等功能，都對攝影創作有非常直接的幫助。
五軸防抖，全天無憂
E-M5的防抖性能值得單獨拿出來一提。以往使用的單反相機大都使用鏡頭防抖技術，如果鏡頭不防抖，那就只能自己端穩點或者上三腳架。但E-M5采用了機身五軸防抖技術，不但讓所有鏡頭都具有了防抖特性，還能做到鏡頭防抖所不具備的旋轉防抖。
經過使用，我發現防抖效果非常明顯，只要有一定基本功，可以達到4擋左右的防抖效果，對手持拍攝非常有利，大大提高了機動性。另外，機身的防塵防淋濺設計也很不錯，這對經常在戶外拍攝的我來說格外重要。都說壞天氣是攝影師的好天氣，越是極端的天氣環境下越容易出片，E-M5在雨雪環境下依舊能正常工作，稱得上是真正的專業級相機。
瑞光鏡頭，品質保證
30多年前，奧林巴斯構建了一套龐大的OM系統，而今天，E-M5的背后也有一個豐富鏡頭、附件體系。特別是幾只高素質的M.Zuiko Digital鏡頭，表現相當不錯。這次使用的12mm和75mm兩只鏡頭，無論做工還是成像，都可稱得上是頂級，可謂濃縮了奧林巴斯90多年光學制造經驗的精華。
經過使用，我認為奧林巴斯E-M5是一款優秀的專業級相機，它改變了人們對“專業級”相機一定是又沉又大又復雜的刻板印象，以輕小的機身帶給我們專業級的使用體驗。
