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光学稳像技术范文1
纪明（以下简称纪）：直升机光电系统的发展可追溯到上世纪70年代，即第一代专用武装直升机进入成熟应用阶段时。随着武装直升机作为空中杀手得到空前发展，为各种直升机武器系统配套的光电系统也应运而生。光电系统目前主要有瞄准线稳定系统（稳瞄系统）、侦察系统、夜间飞行导航系统、光电对抗系统等，其中稳瞄系统最为复杂，性能和精度最高。
记者：那么稳瞄系统主要由哪些设备组成，经历了一个怎样的发展历程？
纪：现代武装直升机的稳瞄系统通常装备有热像仪、电视摄像机、激光指示，测距机、激光光斑跟踪器等光电传感器。根据需要，某些武装直升机可能只需装备一些基本传感器，如热像仪、电视摄像机、激光测距机等。随着光电传感器的技术发展，攻击型直升机的稳瞄系统，除装备上述传感器外，还可选装激光标识器（pointer）、激光照明器、短波红外/多光谱相机等。直升机稳瞄系统按性能和时间，大致分为三代。
第一代主要在上世纪70年代末至80年代初装备使用，如美军的AH-1“眼镜蛇”直升机的M65，法国“小羚羊”直升机的M397等。这一阶段主要是白天型，全部采用直视光学通道观察瞄准。
第二代在上世纪90年代初装备使用。这一时期武装直升机获得了飞速发展，一大批著名型号，如美国的AH-64“阿帕奇”、OH-58D“基奥瓦”，意大利的A-129“猫鼬”，南非的AH-2A“茶隼”，苏联的米-28“浩劫”和卡-50“黑鲨”等相继面世。与此同时，红外技术也获得飞速发展，因此这些直升机的稳瞄系统均加装了红外热像仪，形成昼夜两用型。
第三代稳瞄系统主要从上世纪90年代后期开始使用。随着红外、激光技术与信息处理技术的飞速发展，先进国家纷纷在第二代稳瞄技术的基础上进行更新换代，主要特点是采用三代大面阵热像仪、连续变倍光学系统、半导体泵浦双模激光指示/测距仪、多目标跟踪、信息融合等先进技术。如AH-64D“长弓阿帕奇”武装直升机的“箭头”，AH-IZ“蝰蛇”的TSS等。
RAH-66“柯曼奇”是美国研制的最新型武装侦察直升机，虽然已下马，但其装备的EOSS稳瞄系统装有当前最高水平的各种光电传感器，而且它的总线技术，信息处理与融合、隐身、一体化稳定平台等技术，都代表着当前最高技术水平。
记者：从这几型武装直升机看，光电转塔有几种安装位置，比如在机头下方或上方，驾驶舱顶部，旋翼上方。这几个位置各有什么优缺点？
纪：这几种布置分别叫鼻锥式、顶棚式、桅杆式，还有侧挂式等几种。它们之间的优缺点并不算很明显，主要还是与主机设计有关。
桅杆式稳瞄具安装位置最高，从理论上说可让直升机隐蔽在障碍物后探测，生存力较高。但直升机的桅杆不适应大载重，有的在顶部装了毫米波雷达，因此装不了桅杆瞄具。顶棚式目前相对少见，主要是因为顶棚强度较差，对飞行员安全是个威胁。大多稳瞄系统还是安装在鼻锥处，当然这也和直升机鼻锥处有什么其它设备有关。
记者：光电稳瞄设备，在坦克、步兵反坦克导弹系统、固定翼战斗机等其它方面也需要。那么和这些平台相比，直升机平台对光电稳瞄系统有什么特殊影响？比如武装直升机和坦克上的振动，会有所区别吧？
纪：直升机的旋翼振动很厉害，旋翼的叶片数和转速确定了直升机的主振频率。坦克稳瞄难以抑制的是低频摇摆，直升机稳瞄难以抑制的是振动。由于直升机稳瞄系统作用距离更远，需要精确制导，因此它的稳定精度通常要比地面车辆上用的高。后者稳定精度一般为100微弧度，武装直升机上的稳瞄系统则要达到20-50微弧度，最新一代直升机稳瞄系统甚至要求达到5-10微弧度（1微弧度的稳定精度对应10千米距离晃动1厘米）。
记者：那为了实现这种稳定精度，武装直升机光电稳瞄系统的稳定设备。经历了怎样的发展阶段，用什么样的技术实现稳定？
纪：我们已经说过，武直光电稳瞄系统的发展基本分三代。第一代还没有热像仪，光路单一、作用距离有限。它们采用反射镜稳定方式，或陀螺直接稳定，或两轴两框架陀螺稳定平台，已能满足要求，精度在50-100微弧度。
第二代装备了扫描型热像仪，昼夜使用；第三代大多采用大面阵凝视型热像仪，而且加上了各种图像处理和其它先进技术。目前装备应用的光电产品大多属第三代。
后两代武直光电稳瞄系统，大多采用两轴四框架稳定平台，其目的是有效隔离扰动，提高稳定精度，其精度范围可达20-40微弧度。未来更高精度（5-10微弧度）的稳定方法，我个人认为还得依靠粗精组合稳定来实现。
记者：什么是两轴四框架稳定平台？
纪：陀螺稳定平台通常可稳定三个轴，但直升机等用于瞄准的稳瞄系统通常只需稳定方位和俯仰两个轴，横滚方向不需要稳，即所谓“两轴”。四框架是指方位和俯仰各有内、外框架共四个框架。多个框架的目的主要是隔离风阻和减小平台轴上的干扰力矩。
记者：您刚才提到的粗精组合稳定技术，发展现状怎样？技术难点主要在哪里？
纪：粗精组合稳定技术问题，我在上世纪90年代初就提出并发表过多篇论文。不过当时对直升机稳瞄的高精度需求还不迫切，加上当时快速驱动的反射镜技术（FSM）还不成熟，挠性结构支承技术还存在负载能力和伺服带宽上不去等问题，因此国内一直未引起关注。
近年来随着微驱动技术的快速发展，国外在机载稳瞄和IRST（红外搜索跟踪系统）、激光通信、战术激光武器等方面，已开始大量采用粗精组合稳定技术。FSM的特点是高带宽、微位移、体积小、重量轻（约200克），将其与陀螺稳定平台进行组合，可以补偿瞄准线的残余误差，提高瞄准线稳定精度。根据目前的技术成果，可以在振动环境下将瞄准线稳定在5微弧度。
记者：除了刚才提到的稳定精度，直升机光电稳瞄系统和地面车辆、单兵使用的相比。还有哪些区别？
纪：武装直升机上的光电稳瞄系统，功能更复杂，传感器种类更多，重量要求更轻。其次是，它的光电传感器的作用距离要更远，比如激光照射距离通常要达到6-8干米，而单兵使用。的光电系统，只需2-3千米。
另外，装甲车辆上的光电稳瞄系统以潜望式为主，直升机的则以球形吊舱或转塔为主，结构更复杂。
记者：与固定翼战斗机相比，它们又有什么区别？比如直升机飞行高度低，固定翼飞机的光电系统有时还考虑对空探测，这会对光电稳瞄系统的性能要求产生哪些区别？
纪：固定翼飞机对空搜索和预警的IRST，主要用于空中预警，传感器主要是红外和激光测距。而且红外主要是采用点源成像，以发现目标为主，因此作用距离通常可达几十千米。
固定翼飞机的光电吊舱，则多以对地侦察和攻击为主，和直升机稳瞄系统功能类似，所装传感器也非常近似。不同的是固定翼飞机上要考虑高速飞行摩擦，因此光电吊舱通常要采取环控，以保证内部温度恒定。至于性能上，虽然飞行高度差别很大，但5000米以上能见度非常好，对地目标识别主要还是取决于5000米以下的能见度，因此两者的性能基本相当。
固定翼飞机的吊舱通常为“长筒”形，易于外挂。目前的发展趋势是类似F-35的EOTS，采用“半埋”式。
记者：武装直升机上的光电转塔，是否也能移植到自行反坦克车、攻击机等其它武器平台上？
纪：从原理上讲，直升机稳瞄系统与很多其它武器平台的稳瞄系统相似，包括固定翼飞机的光电吊舱，因此能相互移植。比如著名的“阿达茨”导弹系统，其稳瞄系统就是以AH-64“阿帕奇”的TADS/PNVS的一个增强性能版本为基础。以色列也把战斗机挂载的AA0-28吊舱的头部移植到直升机上，FLIR公司则把他们的AN/AAQ-22稳瞄系统（已被用于ARH-70侦察直升机和MO-SB无人直升机）用到了侦察车上。当然，各种武器平台的使用环境和安装位置，以及对体积和重量要求均有所不同，移植时需要做相应改进。
记者：F-35战斗机的光电系统，特别是分布式孔径系统，是一亮点。既然机载光电系统与直升机的光电系统有很多共同之处，那这种分布式孔径技术能否应用到武装直升机上？
纪：分布式孔径光电系统可广泛应用机、坦克、舰船等，应该是未来光电系统的发展方向。它可以结合光电传感器和图像处理技术，实现诸如探测、跟踪、瞄准和飞行导航等功能。但目前受限于很多因素，其应用还有一定局限性，比如远距离和宽视场的矛盾，传感器分辨率、图像处理的速度等，限制了它的很多功能和性能。在固定翼飞机上，它目前还主要用于空中预警、飞行导航和防撞，能形成360°视觉包络，也即所谓透明座舱。
我认为在武装直升机上应用，目前和固定翼飞机还有较大区别，主要取决于直升机对空中预警的需求有多大。作为直升机驾驶员夜间飞行和着陆系统应用，就目前技术来看，还是可行的。至于能否替代直升机稳瞄系统，受限于上述因素，短期内还不可能。
记者：您已经介绍过，武装直升机的光电系统中需要多种传感器。我们平常看它的光电转塔，也经常会看到两三个窗口，尺寸、颜色各不同。这种尺寸、颜色区别，应该与红外、激光等不同设备的工作波段有关吧？
纪：对，窗口色彩就是因为采用不同波段的材质和膜层造成的。目前热像仪采用最多的是3-5微米的中波和8-12微米的长波，其中长波热像仪的光窗，通常采用硫化锌或锗玻璃，中波热像仪通常采用氟化镁、蓝宝石和尖晶石等。它们能让红外线通过，却不易让可见光通过，因此这些窗口在我们肉眼看来经常是不透明的。激光或电视光窗通常采用石英玻璃，透明，但它们经常要根据需要镀制各种膜层，如增透膜、硬碳膜等。红外传感器的窗口也常镀膜。因此，不同材料和膜层结合起来，就让这些光窗有不同的颜色，比如棕红、黄色、白色、蓝色等。热像仪的光窗看起来就像一面镜子，而且一般是最大的，因为光学孔径越大，接收的能量越多，作用距离也越远。
记者：不同光电传感器的工作波长不同，那在热像仪上是不是无法看到可见光波段的激光光斑，这对激光指示器、瞄准等是否会有影响？
纪：激光测距机、指示器大多工作在在1.06或1.54/1.57微米，和红外传感器的3-5微米、8-12微米波段不兼容。因此我们在直升机的显示器上看电视或红外图像时，一般看不见激光光斑。不过这不会影响制导精度，因为电视、红外和激光光轴是严格校准的，十字线压住的目标，激光光斑也必然会照在瞄准点上。当然，制导误差取决于准直、瞄准、跟踪等各种误差的综合。
记者：这些不同传感器的窗口能合并或减少吗？
纪：这些窗口可以合并，即所谓“共窗口”或“共光路”。比如MO-9无人机最新的MTS-B稳瞄系统，固定翼飞机的“狙击手”吊舱，采用了共窗口。这是一种发展趋势，但目前有一定难度，主要是因为需要宽光谱材料。另外还涉及分光、共光路等复杂的光学设计和膜系设计等一系列问题。
记者：除了共窗口，图像融合也是现代光电系统的一个发展趋势。这种技术已经在哪些武装直升机上应用了？
纪：在“阿帕奇”的M-TADS/PNVS“箭头”稳瞄系统，以及目前多款新一代稳瞄系统（如FLIR公司的系列产品）中，图像融合技术已经获得应用。
记者：这项技术是为了综合利用中波、长波红外，微光、电视，甚至雷达等各种传感器采集的信息，互相弥补它们的缺点。您能否说说这些传感器各有哪些优缺点？
纪：各种传感器的优缺点要详细述说，过于专业了，只能简单说明一下。
成像雷达如SAR（合成孔径雷达）还主要用于无人机、卫星等载体，并且采用的是推扫成像，目前还难以与光电成像进行图像融合，尤其是适时融合。
微光电视和热像仪的原理不同，是借助星光或月光的，直观的看，图像细节要比热像仪丰富。但受气候限制。目前其探测距离等还比不上热像仪。
热像仪能看到微光电视难以分辨的细节，如烟雾遮挡以及丛林中发热的物体和人员等。这其中，长波和中波红外相比。敏感的大气窗口不同。通常在高热高湿地区，中波红外比长波红外有更好的探测能力。但长波红外有更好的透烟雾能力。中波、长波红外孰优孰劣，目前还是一个争论的课题，需要在不同的环境条件下通过大量的实验对比。
图像融合，就是上述成像特征的互补。
记者：看您的论文介绍说，图像融合主要是像素级的。这种融合是把缸外、电视等图像叠加在一起，还是在一个屏幕上分别切换？
纪：目前能够进入工程应用的主要还是像素级的图像融合，是将两幅性质不同的视频图像通过图像处理，合成一幅图像，集中反映两幅图像的特征，如红外和电视、红外和微光等。当然，这些图像是可以相互切换的，需要融合时可以通过开关切换。两幅图像的重叠在技术上称为图像配准。图像融合涉及软硬件技术，目前的主要技术难点在于图像的快速配准和图像融合算法，以及图像处理的实时性。
记者：您前面曾提到，直升机光电系统中，除了最复杂的稳瞄系统，还有光电对抗系统，这也对保障直升机生存能力至关重要。现在直升机已开始采用定向红外干扰系统，它与以前的干扰设备，比如早期“阿帕奇”用的ALQ-144相比，在原理、结构、技术上有什么区别？
纪：ALQ-144是一种对抗老式导弹的红外干扰系统，通过调制红外源来诱骗干扰导弹导引头。目前该系统已为大多数用户所废弃。定向红外干扰系统目前已趋于向集成式发展，和过去的光电对抗相比，将告警系统、红外捕获与跟踪系统、激光干扰系统、高速数据处理系统等综合集成在一个吊舱内，可挂载在直升机或飞机的两侧形成全方位包络。
记者：最后对于我国光电稳瞄系统的发展，您有哪些建议，比如武装直升机的光电系统如何尽量通用化？
纪：光电稳瞄系统目前除军事应用外，在民用领域和准军事领域的应用也日趋广泛，如森林防护、电力巡视、环境监测、空中摄影、治安巡逻、搜救等。但由于它的技术复杂性和高成本，目前在国内应用还受到一定限制。
我个人认为，光电稳瞄技术推广应用的关键，目前是急需开发出低成本、模块化、开放式结构的产品，包括光电传感器，以适应国内外民用和准军事应用的需求。其次是光电传感器尤其是热像仪，提高性能、降低成本是一个推广应用的重要因素。在这点上，只有从上至下形成共识，才可能引起重视并加大投入。
光学稳像技术范文2
【关键词】光子学；光子计算机；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，世界上技术先进的国家正在大力开发第五代计算机，其中一个重要的动向是加紧研制光子计算机。科学家认为，第五代计算机要求具有高得多的运算速度和更加丰富的逻辑处理系统，而光子计算机可以较好地满足这些要求[1-2]。
20世纪40年代，美国宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）第一台电子计算机产生以后，此后几十年间，计算机制造工艺在不断的变革中高速发展。计算机系统的历史主要有以下发展阶段电子管时期、晶体管时期、集成电路时期和超大规模集成电路时期。
1 电子计算机受到的制约
随着信息技术的不断发展，计算机已经在人类社会的各行各业不断应用着，在计算机技术的不断前进的进程中，计算机产业的发展速度超出了人们预料。在人类社会各行各业的不断应用中，对计算机性能提出了越来越高的要求，例如复杂系统模拟、海量数据挖掘、人工智能、精确制导系统等，其对运算速度的要求达到1012次以上，对数据量的要求非常大[3-4]。电子计算机的以下这些特点，限制了电子计算机的运算速度：
（1）冯・诺依曼（John von Neumann）的串行“瓶颈”问题，造成数据输入与处理需要耗费大量的时间，使电子计算机的计算处理速度不能进一步提升，就像一个小口瓶里面的水，只能从瓶口慢慢地流出。
（2）带宽有限问题，对信息传输系统来说载波频率和信号频率带宽之比为100：1，微波频段内，电信号的频率范围在103兆赫兹-104兆赫兹，因而，传输信息时它的频率带宽是10兆赫兹-102兆赫兹。为了改善电子计算机的处理速度，我们让信号脉冲的间隔尽可能小，需要把每个脉冲脉宽变窄，才不致于使信号相互重合而分不开。由于脉宽越窄，频率带宽会变宽，电子计算机的频带宽度不是无限的，要求信号的脉宽不能过窄，同时在传输过程中脉冲将会展宽，使得电子计算机的运算速度提高是困难的。
（3）时钟歪斜问题，这是由于超大规模集成电路的元器件数量大，各部件同步时钟到各元件的距离差异比较大，到达的信号需要等候未到达的信号，联接距离一大，时间就变得很长。
（4）电阻电容电路问题，由于电阻电容电路的响应时间τ-RC，通常为10-9秒，这就阻碍了我们的核心元件―双稳态触发器的转换速度，使传输速度和处理速度不能提高。
由于电子计算机以上这些阻碍运算速度的缺点，这些年，研究新的结构的计算机――光子计算机的专家不断涌现。
2 光子计算机
2.1 光子计算机概述
光子计算机是靠光而不是靠电来运行的，而光子运动的速度要比电子快得多。光子计算机速度非常快，要比已制造的高速电子计算机（每秒13亿次）快上千倍。从理论上说，电子运动的速度可以接近光子，即每秒30万公里，但在硅芯片上电子的实际速度还不到光速的1%。光子计算机是一种通过光信号来进行信息存储、处理、运算、操作的新型计算机。1969年，研究光子计算机这一伟大征程由美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的研究者拉开了序幕，第一台光子计算机在1984年6月制造出来，这是由国际商用机器公司研发的，是一台能够正常工作的光子计算机，只是它必须工作在接近绝对零度的环境下。贝尔实验室在1990年制造了一台光子计算机，它由棱镜、透镜和激光器等元器件完成，贝尔实验室走出了光子计算机的关键步伐。由欧盟的几个高校合作，已开发完成的光子计算机，处理速度是电子计算机的1000倍。光子计算机主要有三大类：光模拟信号计算机（也叫光模拟机）、全光数字信号计算机（也叫光数字机）、光智能形式计算机，光子计算机起始于模拟机，模拟机具有并行快速计算和大信息容量的特点，在光学信息领域（如光编码测距）获得应用[6]。1990年至今，我们设计的全光子计算机，结构基本都是按照电子的传统的计算机来设计的，它用光控制器、光存储器和光运算器组合而成，相互之间和各自内部以光互连这种方式来通信。现在全光数字计算机处在研究过程中，要用到的相关技术难题已经有了答案，主要问题是如何开发更高利用率的光学元器件。光神经网络计算机处理研究中，它具有人工智能的系列优点，带给研究人员极大兴趣，光神经网络计算机的研究同时取得了非常好的进展[7]。但是理论模型还需要进一步细化，要研制出利用率更高的空间调制器和性能更好的光开关列阵，其实真正实用的光子计算机还有很多路要走。当前全光数字计算机与光电混合计算机正在不断发展，数字光计算的研究将成为所需要的光电器件的重要支撑。
2.2 光子计算机的研究状况
光学器件是通过光子的运动进行工作的器件，通过调整光的参数，比如，相位、偏振、振幅、强度或波长，来制造出光子晶体管、光逻辑元件、光子存储器件、光子探测器件、光空间调制器件等功能元器件，如光存储器件―光学双稳器件发展也很迅速，有一种半导体量子阱制成的双稳器件，这是很有可能成为光逻辑和光存储器件的，已经制造了光逻辑运算和存储阵列，它在将有望实现光高速运算。1970年以后，使用非线性阔值特性器件来作逻辑门，使用光双稳器件作存储器，美国南加州大学（University of Southern California）研制的液晶光阀构建了具有组合逻辑结构功能的系统，能够实现各种逻辑运算。通过多国的研究者们的努力，一种能够将光放大和具有光开关功能的光晶体管，先后在赫罗特-瓦特大学（Heriot-Watt University）、京都大学（Kyoto University）还有贝尔实验室制造出来。
2.3 光子计算机中的光器件与光路
电子是电子计算机中信息的传输的媒介，计算机的部件相互通信利用内部或外部连线作为信号传输媒介，快信息流在传输时就会产生瓶颈阻塞效应。改用光子来传输信息，就不用考虑瓶颈阻塞效应。光子计算机有可能改变目前电子计算机的两进位制的计算和处理方式，创造出更加丰富的逻辑系统。在光子计算机中，通过光子元件的激光亮度不断增加而又有间隔，形成光脉冲串，在此基础上可以创造出更加丰富的逻辑处理系统。科学家预言，将从光学中产生全能的计算方式，光子互连具有高速度、大的时间带宽和空间带宽等众多优势，光路能够相互交叉通过但互相不受干扰，光互连的方式有自由空间的光互连、光纤和波导互连。根据集成电路的思想，科学家设想将多种光电元器件集中做到在一块芯片上，制造集成光路[7]。随着集成光路的发展，从1970年开始，在光学范畴产生了一个叫做集成光学的新兴学科[8]。这几年通过光通信、光交换、光信息处理技术的发展，已经成功开发了各种各样的光子集成器件。实现了把光存储器、光开关、光源、光波导制做在一块芯片上的整体系统。研究者把偏振器、滤光片、光放大器、光调制器、透镜、棱镜、光栅、光衰减器等这些光学元件组成薄膜造在一块母板上，大大缩小了光路所占据的空间，制成了微集成光路，用来进行光信号高速传输与处理，实现了低功耗、高性能、便捷化、高效率[9]。
2.4 光子计算机的特点
把光子作为媒介的光子计算机有这些优势[12]：
（1）非常快的运算处理速度，因为光子的速度是3×108米/秒，电子的速度远远低于光子速度，光子计算机的运算处理速度将会比电子计算机快1000倍。
（2）光子器件具有非常宽的时间域带，光波频率大约是电信号频率的104-105倍，以光波为载波，信号带宽就会展宽，可以达到106兆赫兹-107兆赫兹，将拥有非常多的通道数量，而且光脉冲极窄，这样就通过增大数据传输率实现了大量的高速传输。
（3）光子计算机在空间上的域带宽是非常宽的，信息传输与处理能力非常强；一个光波导中并行传输许多波长各异或偏振态有差的光波，彼此可以不受干扰，功能不同的元器件能够在一个光波导中完成，同时传输多种信息。
（4）光子计算机的抗干扰效果非常好，因为光路可以交叉互连。
（5）直接使用光信号进行运算处理，避免了电子计算机将光信号转换成电信号处理然后转换为光信号可能的错误，能够智能识别文字、图像、手势和声音。
（6）信息容量大，没有时钟歪斜现象，处理精度高，由于光子速度是3×108米/秒，多种互连长度带来的延时差极小，不会引起时钟歪斜。
（7）具有较强的容错性，光子计算机中单个元件失零，不会影响最后的运算处理。
（8）能够采用不同进制，运算速度成倍提高。利用光学双稳态元件进行二进制的光计算，利用多稳态光学元件可以进行四进制计算和三进制计算。
3 光子计算机的未来
毫无疑问，光子计算机一旦研制成功，将对当前的新技术革命产生不可低估的影响[13]。美国科学家认为光子计算机是未来的总趋势，他们预言五年之内就可以制造出光子计算机。光子计算机的很多工作现在还处于实验室之中，但是我们相信通过研究者们的不断进取，这个伟大梦想必然能够实现[14-15]。伴随着电子计算机的瓶颈，光子时代即将到来，科学家已经断言了的。由于光学相关理论的研究和光子元器件制造等重点技术的进展，光子计算机一定会走向世界的舞台，就像美国著名的科学家比尔・沃尔什（Walsh Bill）所说：“光子计算机必将逐步替代电子计算机。”
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光学稳像技术范文3
关键词:信息安全;密码学;混沌加密;数字图像;多混沌系统
中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号: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
随着计算机硬件的发展,计算机的运算速度不断提高,对很多加密算法的抗破译能力提出了挑战。经研究证明原有的一些加密方法在现有技术条件下己经不具备足够的安全性[1],因此继续研究加密技术和设计新型有效的加密算法已经成为迫切的需要。一些新兴的密码技术如量子密码技术、混沌密码技术、基于生物特征的识别理论与技术相继出现[2],这其中混沌现象以其独特的动力学特征在现代密码技术被广泛应用。
1 混沌图像加密算法设计
目前常用的一维混沌系统有Logistic系统、Rossler系统.、Tent系统、 lorenz系统等。在对一维混沌加密系统进行简单的变换加密后,会转化为一种平凡混沌加密系统,难以保障其安全性 [3-5]。
针对这种情况,本文提出一种基于多混沌的数字图像加密算法,其基本思想是利用三个不同的混沌模型,在加密算法中实现不同的功能。第一个混沌模型经过多次迭代,产生置换矩阵,对原始图像作置乱变换;第二个模型则决定各像素被修改的次序;第三个混沌模型迭代产生密钥流,依照第二个模型决定的修改次序,对置换后图像中各像素的值进行修改。
1.1 算法中用到的混沌模型
首先介绍算法中使用的三个混沌映射模型[6]。
1) 第一个混沌映射模型
该模型选用了混合光学双稳模型,其迭代方程为:
Xn+1=ASin2(Xn-B)(1)
当A=6,B=3时,已知该模型处于混沌状态。本论文的加密算法中,该模型用来产生置换矩阵,以便对输入的明文进行初始置换。
2) 第二个混沌映射模型
该模型选用了分段线性混沌映射:
(2)
当0
3) 第三个混沌映射模型
该混沌映射模型采用了目前应用最为广泛的Logistic映射:
Xn+1=μXn(1-Xn)(3)
该映射在3.5699456
1.2 图像像素位置置乱算法
考虑一幅大小为M×N ,具有S 级灰度的图像,设(i,j) 为像素P 所处的坐标,(i',j') 为经过置乱后,像素P 所处的坐标。其中1≤i≤M ,1≤j≤N ;1≤i'≤M ,1≤j'≤N 。图像像素位置置乱算法即要求设计映射f ,使得:
映射f 同时应该满足以下条件:?坌(i1,j1),(i2,j2) ,若(i1,j1)≠(i2,j2) ,则(i1',j1')≠(i2',j2') 。其中(i1,j1)=(i2,j2)表示i1=i2 并且j1=j2。这个条件表明,图像像素置乱算法应该是一一映射的。本文利用混沌模型1,迭代产生图像置乱算法。
1.3 图像像素值替代算法
对一幅大小为M×N,具有S 级灰度的图像,设rij 为经过置乱后坐标(i,j) 处的像素值,其中1≤i≤M ,1≤j≤N 。r'ij 为执行完替代操作后,坐标(i,j) 处的图像像素值。图像像素值替代算法即要求设计映射T ,使得:
本文利用混沌模型2和3,迭代产生图像像素值替代算法。替代算法分为两步,首先利用混沌模型2产生图像像素的替代次序矩阵;然后利用混沌模型3生产密钥流,按照替代次序矩阵对图像的每一个像素加密。
2 多级混沌图形加密算法的实现
2.1 加密算法的密钥设计
本文提出的加密算法综合使用了上述3种混沌模型,每一种混沌模型的初始值和参数(共7个)都可以作为密钥。但是为了保证算法中采用的映射模型处于混沌状态,定义混合光学双稳模型中的参数A=6,B=3,定义Logistic映射中的参数μ=4,剩余的4个值作为算法的初始密钥,由用户输入。所以初始密钥K是一个4元组,包含4个子密钥:
K=(X,P,Y,Z)。
其中:
X:模型(4-1)的初值,要求0
P:模型(4-2)的参数,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 加密算法的实现步骤
多级混沌加密算法的实现步骤描述如下:
1) 输入密钥K(X,P,Y,Z)。
2) 打开待加密的图形。
3) 根据像像素位置置乱算法f ,对图像进行置乱处理。
4) 根据图像像素值替代算法T ,对图像像素值进行替换操作。
5) 输出加密后的图形。
2.3 加密算法的原理图
总体上讲,上述加密算法由三个操作完成,分别是:扩展、置换和异或。其中扩展是将16位初始明文扩展为32位信息。置换是将扩展后的32位信息根据置换矩阵P进行置换,以达到“混乱”的目的;其中用到的置换矩阵由混沌模型(1)生成。异或是将置换后的结果与密钥流Keyi(i=1,2,3,……)进行异或操作,生成最终的密文;其中密钥流是通过混沌模型(2)和(3)的联合作用产生的。
初始密钥K包含4个子密钥X,P,Y,Z,分别对应3个混沌模型的初始值与参数,加密时由用户输入。
算法的原理如图1所示。
2.4 算法的实现细节讨论
该多级混沌加密算法用C++语言设计,对算法的具体实现作如下讨论:
2.4.1 算法中,对3个混沌模型的迭代分别得到不同的混沌序列
为了获得更好的伪随机性,可以舍弃初始若干次迭代所得的值,而选取第k次以后的迭代值。在本算法具体实现时,取k的值为20,即舍弃初始20次迭代的值,选取从第21次开始的迭代结果保存并使用。
2.4.2 图像像素值替代算法T 中第5步,对密钥和置乱后的图形像素值进行了异或操作
对于具有S 级灰度的图像,置乱后的图形像素值是S 位的二进制代码。为了使混沌系统产生的实数密钥能够和S 位像素值进行异或操作,以二进制代码的形式读取密钥矩阵,并取其低S 位进行异或操作。实验中,S 取值为8或者16。
2.5 解密过程
在解密过程中,密钥X,P,Y,Z与加密时的密钥完全一致。密钥X仍然用于生成置换矩阵,密钥P,Y,Z分别是另外2个混沌模型的初始值和参数,经过混沌迭代后,产生替换次序矩阵和密钥矩阵,用于解密。密文图形经过与密钥矩阵的异或,再进行反向置换操作,可以正确地恢复成明文图形。
3 结论
本文提出一种基于多混沌的数字图像加密算法,利用三个不同的混沌模型对数字图像进行多次置换、置乱,实现对数字图像的加密。该加密算法具有实现简单、加密速度快、安全性较高的特点。同时本算法是对称加密算法,解密时根据初始密钥进行加密过程的逆操作,就能够实现正确的解密,恢复原始信息。
参考文献:
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[6] 姜丽.多级混沌加密算法的研究与应用[D].华东理工大学硕士学位论文,2003.
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信息化视听杂志社举办的信息化视听行业高峰论坛暨绿叶奖评选活动已有数届，我认为这项活动不仅对提高企业知名度、创建名牌起了很大作用，而且对推动整个行业发展也起了较大作用，我们希望这项活动越办越好，更好地促进行业健康发展。
信息化视听杂志是专业视频行业主要刊物。视频设备是信息技术的终端，视频技术是我们终身研究的课题，视频产业是我们终身从事的事业。国务院近日《关于促进信息消费扩大内需若干意见》，提出要鼓励智能终端产品创新发展，以提升智能终端产品发展水平。作为主要视频终端产品的大屏幕显示向什么方向发展呢。最近我们邀请了中科院与工程院院士、大学教授等业内专家二十余人及二十多家企业代表在山东省烟台市福山宾馆举办了投影式激光显示论坛，在《论坛》上大家取得了共识，认为投影式激光显示是未来主要显示技术；显示技术的发展方向是高保真图像的再现。高保真图像三大特征：即高清（几何+颜色人眼极限）、全色（色域覆盖率100%）、三维（全息真三维）。投影式激光显示是实现高保真图像最好的显示技术。是我们未来显示技术的主要发展方向，同时也是我们当前开拓潜在市场所要解决的难题。
当前大屏幕投影显示行业发展较好，固体光源（LED光源、激光光源、混合激光光源）研发成功，并在一些整机中得到应用；LCoS微显示器已有两家试制成功并投入批量生产；超短焦光学引擎已在教育等行业中得到应用，这些都为投影式激光显示产业大发展奠定了基础，创造了条件。
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关键词：航空相机 自动调焦系统 设计
中图分类号：V245.6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（a）-0021-01
对于我们日常中使用的相机来说，自动调焦是一项非常简单的工作，设置完成之后马上就可以进行拍摄，我们只需要考虑外界阳光的强度以及曝光程度。而对于航空相机上调焦系统的设计将是该文要探讨的内容。
1 航空相机的发展历史
航空相机被称为是一种安装在航空器上的光学摄影仪器。1914年7月28日，历史上第一次世界大战爆发，英国皇军为了得到有关德国军队更多军情信息，耗费大量的人力物力进行航空事业的研究，利用高科技的摄影技术通过航空飞机进行俯拍以此来取得德国军情信息。在此后的战争中，英国军人再次加大了在航空相机方面的研究。从此，航空相机的自动变焦系统也在发生着一定的研究和改革。
2 航空相机的安装程序
航空相机的安装程序需要遵循一定的前后顺序，零件的正反面要看清楚，包括相机英制螺丝、相机的主镜头和次镜头等零件的先后顺序。如果不小心就会造成相机的成像力度，更严重的还会导致相机反馈给主机台的信息错误。相机的安装程序大致如此，安装者需要确保相机电源的足够充足，电源对相机来说是最起码的保障。而后工作需要交换机的相互对接，使相机支架与螺丝的位置保持一定的统一性，然后就是相机镜头的保护，在相机的镜头上一定要涂上大量的消毒药水，保障相机的湿润程度，确保拍摄到的画面清晰。为相机的安装加上强有力的红外线支持，因为航空相机距离地面的距离太远，中间还需要考虑诸多不确定的外界自然因素。所以说，安装红外线仪器支持是非常有必要的。在红外线的选择上，一定要侦测红外线的最远穿射力度和最近穿射力度，这样才能使红外线与相机的拍摄形成统一的拍摄角度，做到时间上的统一和地点上的统一。最后对于防护罩的选择非常重要，防护罩最大的作用就是保护相机的镜头不被破坏，因为在外界自然空间中，大量的飞鸟对于相机而言是非常危险的。所以说防护罩的选择必须谨慎和认真，保证防护罩有足够的坚固性，有保护相机镜头的专业抗压力。以此来保证航空相机拍摄的顺利进行。另外航空相机的拍摄一定要提前注意天气情况的变化，如果不注意天气情况，不仅不能够按时的完成拍摄任务，严重的还会危及到航空司机的安全。所以说，航空相机安装的程序尤为重要，但航空相机的拍摄条件选择更加重要。
3 影响对焦度的因素
对焦度是一个相机最基本的功能，如果不能做到正确的对焦，拍摄任何画面都无从谈起。这对于航空相机的要求更为重要，航空相机拍摄时对角度主要受大气压力的影响，大气压力受大气温度的直接影响。对角度要考虑到司机运行飞机时的熟练程度，要考虑到大气压力、风力等等。如果飞机在遇到强气流时遇到颠簸就会造成对焦度的严重虚光，这将直接导致画面成形力度的模糊。另外一个影响对角度的就是相机本身的设置问题，操作者在进行航空飞机设置时，应以全局的眼光进行把控，根据航空相机的相关条例规定，认真核对相机设置的每一步，在相机的设置问题上，要严格把控相机的熟练性和操作性，确定相机拍摄的自由流通进行。确定航空燃料的准时准点，在航空燃油的选择时，要注重航空燃料的选择，把航空燃料的选择作为首要的任务。在选择燃料时，一定要通过专业机器的检测，确保燃料无任何杂乱脂质，如此才能确保航空飞机的顺利飞行和拍摄。总体来说，影响对角度的因素是多种多样的，如何找到一种更好的方式阿狸防止对角度的变化以及不对称，是航空相机工作者必须严格执行的任务和而研究学习的目标。
4 自动对焦系统的设计
自动对焦实际是一个非常专业而严密的过程，工作人员在进行安装时，之前必须经过一定的数据、气温、湿度等因素的测量以及记录，确保对焦系统的前期工作完整。
在进行航空相机的对焦系统设计时，设计人员应仔细的观察和研究之前对焦系统的设计图纸以及实验装备，仔细观察和核算对焦数据的准确性。对之前参与过航空相机的研究人员要进行认真的专业问题的请教和记录，与他们进行数据的完整规划和核算，在原有的基础上设计出更加完整和准确的相机自动对焦效果。
在自动对焦的过程中，必须严格把控设计的方方面面，确保堆积搜过程的完整实施和顺利进行。自动变焦的设计需要用计算机完整的计算出自动变焦程序的每一步，自动变焦的时间顺序必须经过严格的时间限制，控制好变焦步骤的完整实施。在变焦过程的设置中，应该在原来的基础上进行尽可能多的创新和变化，使自动变焦的过程在复杂中中显现动作的流利性和顺成性。自动变焦的过程应考虑到自然界方方面面因素的影响，自动变焦受外界因素影响最重的就是大气厚度以及阳光的照射度。大气的厚度严重影响自动变焦的拍摄角度和拍摄质感，要想拍出更加有质感清晰度的画面，需要加上红外线强大的拍摄工具，将红外线与自动变焦的镜头做到双重和的对焦效果，保障红外线与自动变焦的同步性和及时性，使自动变焦与红外线形成完整的统一效果。在自动变焦回应主机台的过程中，应加强主体台与自动变焦的主体联合性，使自动变焦成像传达给主机台的信息保证一定的准确性和真实感。
5 结语
综上所述，航空相机的自动变焦过程在时间的选择上和实施上具有一定的空间性。航空相机自动调焦系统的设计需要考虑多种多样自然环境。对于航空相机的自动变焦设计需要设计者不断的创新和挑战，需要进行不断的研究和探讨。航空相机自动调焦系统的设计是一项专业，充满高技术含量的研究和开发工作。工作人员在设计时必须进行严格的把控和时间限制上的控制力度。确保航空变焦系统的准确运行。确保我国航空摄影事业快速平稳的发展，为航空相机自动变焦系统的设计做好安全有利的保障，
参考文献
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轻小机身，单反之用
奥林巴斯E-M5是一款格外小巧的“无反相机”，相信经历过胶片时代的朋友都对奥林巴斯的OM系列单反相机印象深刻，而OM-D系列的E-M5正是OM相机在数码时代的精神传承。E-M5高度集成的电子化机身格外小巧，精致的做工令人爱不释手，拿在手上仿佛回到了使用手动对焦单反相机的时代。高耸的机顶额头里是144万像素的OLED电子取景器，显示效果精细，可以像单反相机一样进行眼平取景。
外形复古的E-M5在性能上也是让人暗暗叫绝。首先是对焦速度，已经与高端的单反相机没有什么差别，某些场景下甚至速度更快。其次是成像质量，1605万有效像素已经可以满足大16开杂志的跨页印刷要求，而机内JPEG直出的效果之好更是出乎意料。再有是有丰富的小功能，比如“长时间曝光预览”、“多重曝光”等功能，都对摄影创作有非常直接的帮助。
五轴防抖，全天无忧
E-M5的防抖性能值得单独拿出来一提。以往使用的单反相机大都使用镜头防抖技术，如果镜头不防抖，那就只能自己端稳点或者上三脚架。但E-M5采用了机身五轴防抖技术，不但让所有镜头都具有了防抖特性，还能做到镜头防抖所不具备的旋转防抖。
经过使用，我发现防抖效果非常明显，只要有一定基本功，可以达到4挡左右的防抖效果，对手持拍摄非常有利，大大提高了机动性。另外，机身的防尘防淋溅设计也很不错，这对经常在户外拍摄的我来说格外重要。都说坏天气是摄影师的好天气，越是极端的天气环境下越容易出片，E-M5在雨雪环境下依旧能正常工作，称得上是真正的专业级相机。
瑞光镜头，品质保证
30多年前，奥林巴斯构建了一套庞大的OM系统，而今天，E-M5的背后也有一个丰富镜头、附件体系。特别是几只高素质的M.Zuiko Digital镜头，表现相当不错。这次使用的12mm和75mm两只镜头，无论做工还是成像，都可称得上是顶级，可谓浓缩了奥林巴斯90多年光学制造经验的精华。
经过使用，我认为奥林巴斯E-M5是一款优秀的专业级相机，它改变了人们对“专业级”相机一定是又沉又大又复杂的刻板印象，以轻小的机身带给我们专业级的使用体验。
