光电成像系统：建模、仿真、测试与评估 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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王晓蕊 著

图书标签:

• 光电成像
• 成像系统
• 建模仿真
• 测试评估
• 光学工程
• 图像处理
• 系统设计
• 传感器技术
• 精密仪器
• 光电子学

出版社： 西安电子科技大学出版社

ISBN：9787560645711

版次：1

商品编码：12208899

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-10-01

用纸：胶版纸

内容简介

　　本书系统介绍了光电成像系统全寿命周期研制主要环节:建模、仿真、测试与评估的基础理论和技术,涉及光电成像系统基本类型和新原理、全链路光电成像物理效应模型、三维光学场景高真实感仿真、全链路光电成像仿真及应用、系统性能评估理论与遥感图像质量评价方法、复杂背景图像杂波量化理论与方法、系统静态性能指标体系及测试方法、半实物仿真测试等核心内容。
　　本书可作为光学工程、电子科学与技术、遥感科学、电子信息工程、精密仪器等相关专业高年级本科生和研究生的教材,也可作为从事光电系统工程、光电装备、光学遥感、侦察测绘、光电信息处理、仿真试验鉴定与评估工作的科技工作者的参考书。

前言/序言

　　近二十年来,作为信息感知科学与技术的重要分支,光电成像技术获得快速发展,并在空间光学遥感、军事侦察、监视预警、成像制导、交通监控、医学影像、天文观测、水下勘探、机器人视觉、工业诊断与检测等军事和民用领域获得广泛应用。光电成像技术促成了人类视觉探测领域的时、空、谱多维度的延伸和扩展,已成为光电子技术发展水平的重要标志。��
　　光电成像系统是光、机、电、算、控、热、力、磁等多种学科技术集成的产物。光电成像系统多学科技术协同优化设计、复杂环境中工作性能的测试与评估,始终是光电成像系统发展历程中所要面临的关键技术问题。而要解决该关键技术问题,需要对全链路光电成像系统各组成模块环节进行深入分析,建立多物理场耦合作用成像信号退化理论模型,构建全链路多维度信息传递链路成像仿真平台或性能模型,形成光电成像系统高置信度一体化成像仿真平台,实现复杂环境、光电成像系统各专业模块设计参量与系统综合性能指标的有机统一。��
　　依据国际光电成像系统的最新发展趋势,以及光电成像系统全寿命周期的数字化设计革新理念,光电成像系统建模、仿真、测试与评估理论及应用正向着广度和深度方向发展。本书是作者在整理、精选和融合课题组近15年来承担多项国家自然科学基金和多项国防科研项目研究成果,以及所承担研究生课程“光电成像系统:建模、仿真、测试与评估”教学讲义的基础上,吸收和引入国际光电成像领域前沿的建模理论、仿真方法、测试新思路、评估应用(如GPU物理效应渲染、背景杂波量化、NVThermIP性能评估模型、TOD性能评估模型、国家图像质量解译尺度NIIRS、全链路总体优化设计理念、动态性能评估等)而写成的。
　　本书综合集成了军用光电成像系统全寿命周期研制的主要环节:总体论证、系统方案设计、系统研制、试验鉴定与评估所涉及的基础理论、关键技术及实例应用等内容。具体来讲,针对国际主流光电成像系统装备和新体制光电成像系统,立足于全链路光电成像建模、仿真和总体优化设计思想,将目标—背景—环境干扰—辐射传输—成像传感器—图像处理—载体平台—通信传输—地面处理作为完整成像链路进行系统理论阐述,主要包括光电成像系统全链路成像质量退化机理、物理效应基本建模理论、工程经验模型构建、全链路光电成像仿真方法及应用、光电图像质量度量、静态/动态性能指标体系及测试方法、性能评估理论等核心内容。本书相关理论与技术可服务于目标及其环境光学特性理论与实测数据的集成应用、光电成像武器装备的模型驱动协同设计、图像算法效能检测、复杂环境光电成像武器装备作战能力考核评估等任务目标,可提升我国光电成像装备全寿命周期研制的数字化水平。
　　全书共九章:第一章介绍了光电成像系统建模、仿真、测试与评估的背景需求、基本概念、图像质量与性能影响因素、发展趋势等;第二章介绍了传统和新体制光电成像系统成像转换机理及其组成,给出了光电成像系统各模块的基本参数;第三章阐述了光电成像转换过程的多维信息链路物理效应建模与仿真方法及准确度验证;第四章阐述了新体制光电成像系统建模理论与仿真方法;第五章主要阐述了全链路光电成像系统数字建模与仿真思路、一体化成像仿真软件开发以及课题组所研发的全链路光电成像仿真软件的应用实例;第六章系统地阐述了光电成像系统性能模型的发展历程,重点讲述基于周期靶标的光电成像系统性能评估模型和图像质量解译尺度;第七章系统地介绍了光电成像系统TOD性能评估方法;第八章介绍了光电图像复杂背景杂波量化度量方法,以及在光电成像系统性能评估中的应用;第九章介绍了光电成像系统性能测试原理和测试装置,论述了实验室静态性能测试方法与外场动态性能评估方法。
　　本书的第一、二、三、四、六、九章由王晓蕊独立撰写,第五章由王晓蕊、黄曦合作撰写,第七章由王晓蕊、刘鑫合作撰写，第八章由王晓蕊、杨翠、刘鑫合作撰写。全书由王晓蕊统合定稿。
　　在本书撰写过程中,得到西安电子科技大学出版社和西安电子科技大学物理与光电工程学院教师、同学的支持及帮助,在此一并表示感谢。另外,对于本书作者家人的理解与支持也表示衷心的谢意。
　　由于编著者水平有限,且书中部分内容涉及光电成像系统建模、仿真、测试与评估的新领域和新方向,难免有不足之处,热诚希望读者和同行专家批评指正。
　　王晓蕊
　　2017年3月

《光学测量原理与技术》 图书简介 在现代科学与工程的众多领域中，精确的光学测量扮演着至关重要的角色。从基础物理学的微观粒子探测，到天文学的宏伟宇宙探索，再到工业制造的精密质量控制，以及生物医学的无损诊断，光学测量技术无处不在，并持续推动着人类文明的进步。本书《光学测量原理与技术》旨在为读者系统、深入地介绍光学测量的基本原理、核心技术、关键方法及其在实际应用中的部署与优化。本书不涉及光电成像系统的建模、仿真、测试与评估，而是聚焦于测量过程本身的光学物理基础、信号获取与处理、以及系统性能的量化与校准。 第一章：光的波动性与干涉 本章将从光的本质属性——波动性出发，为理解所有光学测量技术奠定理论基础。我们将详细阐述光的电磁波模型，包括其波长、频率、相位、偏振等基本参数，并介绍惠更斯原理，用以解释光的传播和衍射现象。 核心内容将聚焦于光的干涉现象。我们将深入探讨相干性的概念，包括时间相干性和空间相干性，以及它们在光学测量中的重要性。经典的双缝干涉、多缝干涉和薄膜干涉等实验将作为引入，帮助读者理解干涉条纹的形成机制和特点。在此基础上，我们将介绍干涉仪的基本结构和工作原理，例如迈克尔逊干涉仪、萨尼亚克干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪等，并分析它们在测量长度、折射率、表面形貌等方面的应用。此外，本章还将讨论相干光在全息术中的作用，虽然全息术本身是成像技术，但其成像过程依赖于对干涉波前的精确记录和再现，因此理解干涉原理是掌握相关技术的基础。 第二章：光的衍射与衍射光学 衍射是光波在遇到障碍物或孔缝时发生的偏离直线传播的现象，它与干涉共同构成了光的波动性的重要体现。本章将详细介绍夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射，分析不同形状障碍物（如单缝、双缝、圆孔、圆盘）的衍射图样特点，以及衍射级次和衍射角之间的关系。 本章还将深入探讨衍射光学在测量中的应用。我们将介绍衍射光栅作为一种重要的光学元件，分析其结构、衍射条件（光栅方程）以及在光谱分析中的应用。夫琅禾费衍射在分析光学系统的分辨率极限方面也扮演着重要角色，我们将讨论瑞利判据，理解衍射对成像清晰度的根本制约。此外，本章还将介绍衍射光学元件（DOE）的基本设计原理，例如衍射透镜、衍射光栅等，以及它们在改变光束传播方向、实现特定光场调控方面的潜力。 第三章：光的偏振与偏振测量 光的偏振是描述光波电场矢量振动方向的物理量。本章将系统介绍线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光等不同类型的偏振光，并阐述产生和改变偏振态的方法，包括反射、折射、散射、双折射效应以及使用偏振片、波片等光学元件。 偏振测量技术在许多领域具有广泛应用。我们将介绍斯托克斯参数和穆勒矩阵等描述偏振态的数学工具，并详细阐述各种偏振测量仪器的工作原理，例如椭偏仪。椭偏仪通过测量偏振光的反射或透射后偏振态的变化，可以高精度地测量材料的表面形貌、薄膜厚度、折射率等光学参数。此外，本章还将讨论偏振在光学传感、液晶显示、生物显微成像等领域的应用，以及如何利用偏振信息来识别和表征物质的 Optical anisotropy。 第四章：光的吸收、散射与荧光 除了波动性，光与物质的相互作用还体现在吸收、散射和荧光等现象上。本章将深入探讨光的吸收过程，介绍比尔-朗伯定律，以及不同物质的光谱吸收特性。我们将讨论基于吸收光谱的定量分析方法，例如比色法，以及其在化学分析、环境监测等领域的应用。 散射现象方面，我们将介绍瑞利散射和米氏散射，分析散射光与入射光波长、粒子大小和折射率的关系。米氏散射理论对于理解光在复杂介质（如雾、云、悬浮颗粒）中的传播特性至关重要。本章还将重点介绍拉曼散射，这是一种非弹性散射现象，可以提供物质的分子振动信息，是重要的化学成分和结构分析手段，广泛应用于材料科学、化学、生物学等领域。 荧光现象是物质吸收光能后以较低能量的光辐射出来的一种发光过程。我们将介绍荧光的产生机理、激发与发射光谱，以及荧光寿命等参数。荧光测量技术在生物标记、医学诊断、环境监测、材料鉴定等方面具有不可替代的作用，例如利用荧光探针进行细胞成像和分子检测。 第五章：几何光学基础与成像 尽管本章关注的是几何光学，它为理解更复杂的光学系统提供了基础，我们将避免深入到成像系统的具体建模与仿真。本章将聚焦于光的直线传播、反射和折射定律，以及它们在透镜、反射镜等光学元件中的应用。我们将介绍焦距、物距、像距等基本概念，并通过高斯成像公式和马克斯韦尔光线方程，定性地描述光线如何通过光学元件传播。 本章将讨论成像的基本要素，例如成像的形成，但将不涉及成像系统的详细设计、参数优化或性能评估。我们将简要介绍理想成像的条件，并为理解后面章节中更复杂的非理想光学现象（如像差）奠定基础。我们将侧重于理解透镜和反射镜如何改变光线的传播方向，以及它们在简单的光学仪器（如放大镜、显微镜的基本光学原理，但不深入其成像质量的评价）中的作用。 第六章：光学干涉与衍射在精密测量中的应用 本章将进一步深化对干涉和衍射在精密测量中应用的探讨。我们将介绍更复杂的干涉测量技术，例如等倾干涉、等差干涉，以及它们在测量平面度、表面粗糙度等方面的应用。激光器作为一种高度相干的光源，在干涉测量中发挥着关键作用，我们将简要介绍激光器产生相干光的基本原理，并分析激光干涉在精密位移测量、角度测量中的优势。 衍射的应用将体现在衍射测量方面。我们将讨论衍射在测量小尺寸物体、光栅常数等方面的原理。例如，利用激光照射小孔或狭缝产生的衍射图样来测量其尺寸。本章还将涉及光栅方程在测量波长、光栅参数等方面的应用。此外，本章将介绍光学干涉和衍射在光学测量领域中解决“测量什么”的问题，而不是“如何建模、仿真、测试和评估一个成像系统”。 第七章：光学传感技术 本章将把前面章节介绍的光学原理转化为实际的传感应用。我们将介绍基于不同光学效应的光学传感器，例如： 光电导传感器： 利用半导体材料对光的响应特性进行测量，如光敏电阻、光电二极管等，用于测量光强、检测信号。 光纤传感器： 将光学信号通过光纤传输，并利用光纤对外界环境参数（如温度、压力、应变、化学物质）的敏感性进行测量。我们将介绍基于光强度、光相位、偏振、光谱等原理的光纤传感技术。 表面等离子体共振（SPR）传感器： 利用金属表面等离子体的共振特性对表面折射率的变化敏感，广泛应用于生物分子检测、化学传感等领域。 其他光学传感器： 包括基于LED、激光二极管、CCD/CMOS等器件的传感器，它们利用光的发射、接收和特定光学效应来实现传感功能。 本章重点在于传感器的工作原理、测量参数、灵敏度和选择性，以及它们在不同应用场景下的集成与部署，而非成像系统的性能。 第八章：光学测量系统的标定与校准 任何测量系统都离不开准确的标定与校准，以确保测量结果的可靠性与准确性。本章将重点介绍光学测量系统标定的基本原则和方法。我们将讨论如何选择合适的标准件（如已知尺寸的量块、已知折射率的介质、已知光谱的光源等）进行校准。 标定过程通常涉及建立测量值与真实值之间的数学模型，并确定模型的参数。我们将介绍一些常用的标定技术，例如线性回归、多项式拟合等。对于具有复杂非线性特性的测量系统，我们将介绍更高级的标定方法。此外，本章还将讨论校准的周期性、校准不确定度的评估，以及如何通过校准来溯源至国家计量基准。本章强调的是测量仪器本身的“度量”能力的建立，而不是“成像”能力的评估。 第九章：光学测量在材料科学与工程中的应用 本章将展示光学测量技术在材料科学与工程领域的实际应用案例。我们将探讨如何利用光学测量技术来表征材料的宏观与微观特性。 表面形貌测量： 介绍白光干涉、激光扫描、原子力显微镜（AFM）等技术在测量材料表面粗糙度、形貌和缺陷方面的应用。 光学显微技术（非成像系统评价）： 介绍光学显微镜（如明场、暗场、相差、微分干涉）的基本原理，用于观察材料的微观结构，但不会深入到其成像系统的MTF、畸变等参数的评估。 光谱分析在材料成分与结构鉴定中的应用： 介绍基于吸收、反射、透射、拉曼散射、荧光光谱的技术，用于确定材料的化学成分、晶体结构、分子取向等。 光学无损检测： 介绍如何利用光学方法检测材料内部的缺陷、裂纹、应力等，例如光弹性应力分析、超声成像中的光学辅助技术等。 材料的光学常数测量： 介绍如何测量材料的折射率、消光系数、反射率、透射率等，以及这些参数对材料性能的影响。 本章侧重于“测出什么”以及“测量的意义”，而不是“如何对成像系统进行优化和评估”。 第十章：光学测量在生物医学领域的应用 生物医学领域是光学测量技术应用的另一个重要前沿。本章将介绍光学测量在生命科学研究与医学诊断中的广泛应用。 生物分子检测与定量分析： 介绍基于荧光、吸收、拉曼散射等技术，用于检测和定量分析生物分子（如蛋白质、核酸、糖类）的浓度和分布。 细胞与组织成像（测量层面）： 介绍光学显微技术在观察细胞形态、结构、动态过程方面的作用，以及流式细胞术等技术在细胞参数测量上的应用。本章将侧重于“测量得到的信息”，而非成像系统的成像质量。 生物医学传感： 介绍基于光纤、SPR等技术开发的生物传感器，用于血糖、pH、离子浓度、病原体等生物标志物的检测。 无损诊断与成像（测量原理）： 简要介绍光学相干层析成像（OCT）等技术，它基于干涉原理，用于获得组织内部的横截面图像，但本章的重点在于其“测量深度”和“分辨率”的原理，而不是对OCT成像系统的仿真和评价。 光学治疗中的测量： 简要提及光学治疗（如光动力疗法）中，对光剂量、组织光学参数的测量如何指导治疗。 本章将聚焦于光学测量如何在生物医学领域提供“信息”和“数据”，从而促进研究和诊断。 结论 《光学测量原理与技术》一书，通过对光的波动性、衍射、偏振、吸收、散射以及其与物质相互作用等基本原理的深入剖析，系统介绍了各类光学测量技术的核心内容。本书强调的是如何利用这些光学原理来精确地“测量”物理量、表征物质特性、进行定量分析，并在材料科学、生物医学等领域实现广泛的应用。全书力求从基础原理出发，循序渐进地引导读者掌握各种光学测量方法的精髓，理解其在实际问题解决中的价值。本书的重点在于“测量”本身的光学基础、方法与应用，不涉及对光电成像系统进行具体的建模、仿真、测试和评估。

评分☆☆☆☆☆

这本书绝对是我近期读过的最令人印象深刻的科技著作之一！它不仅仅是一本关于光电成像系统的理论堆砌，更像是一本实践指南，为那些希望深入了解并掌握这一复杂领域的研究者和工程师提供了宝贵的知识和方法。从最基础的光学原理，到复杂的传感器技术，再到最终的图像处理算法，作者都做了极为细致和深入的阐述。尤其让我赞赏的是，书中对于“建模”部分的讲解，它并没有停留在概念层面，而是提供了多种实用的建模方法和工具，并且结合了大量的仿真实例，让我能够清晰地看到理论是如何转化为实际应用的。书中对各种仿真软件的使用技巧和注意事项也进行了详细介绍，这对于初学者来说简直是福音，能够有效避免走弯路。我尤其喜欢其中关于噪声模型和失真建模的部分，这对于理解实际成像过程中可能出现的各种问题至关重要。总而言之，这本书为我提供了一个系统而全面的框架，让我能够更自信地面对光电成像系统的设计和优化挑战。

评分☆☆☆☆☆

这本书在“测试与评估”这个环节的深入程度，是我在同类书籍中前所未见的。它不仅仅停留在理论知识的层面，更重要的是提供了大量的实际操作指导和案例分析。我特别对书中关于成像系统性能的量化评估部分印象深刻，比如对于信噪比（SNR）、动态范围、空间分辨率等关键指标的测试方法和数据处理流程，都有非常详细的介绍。作者还探讨了不同测试环境下可能遇到的问题以及相应的解决方法，这对于在实际工作中进行准确的系统评估非常有帮助。书中还涉及了一些先进的测试技术，如主动式测试、全息测试等，这些内容让我大开眼界，也为我提供了进一步研究和探索的方向。这本书为我提供了一个非常全面的评估框架，让我能够更系统、更科学地对光电成像系统进行性能评价。

评分☆☆☆☆☆

这是一本非常有启发性的读物，它将光电成像系统这一看似枯燥的技术领域，通过生动形象的语言和丰富的实例，展现出了其独特的魅力。作者在“仿真”部分的叙述方式非常吸引人，他没有采用过于抽象的数学推导，而是通过一步步的引导，让我理解了如何利用计算机仿真来预测和优化成像系统的性能。书中涉及的各种仿真软件，如MATLAB/Simulink、Zemax等，都有详细的使用教程和技巧分享，这对于我这样刚开始接触仿真领域的研究生来说，简直是雪中送炭。我印象最深刻的是书中关于杂散光、衍射效应等复杂成像现象的仿真分析，通过这些仿真，我能够更深入地理解这些物理现象对成像质量的影响，并学会如何通过参数调整来规避这些不利因素。这本书让我认识到，仿真不仅仅是模拟，更是一种强大的设计工具和分析手段。

评分☆☆☆☆☆

这本书的深度和广度着实令人惊叹，它几乎覆盖了光电成像系统从设计到验证的整个生命周期。作者在“测试与评估”部分的讲解尤其突出，这一点在我看来是很多同类书籍所欠缺的。书中详细介绍了各种测试方法，包括客观评价指标和主观评价方法，并对每种方法的优缺点进行了深入分析。我特别关注了书中关于MTF（调制传递函数）测试和点扩散函数（PSF）分析的部分，这些是衡量成像系统性能的关键指标，作者不仅给出了理论推导，还提供了实际操作的步骤和注意事项。书中还涉及了大量的实际案例，通过这些案例，我能够直观地理解如何应用这些测试和评估方法来诊断系统问题，优化成像效果，并最终确保产品质量。它提供的不仅仅是知识，更是一种解决实际问题的思维方式和方法论。对于任何需要在光电成像领域进行产品开发或性能评估的工程师来说，这本书都是一本不可或缺的参考书。

评分☆☆☆☆☆

作为一名长期从事光学仪器研发的工程师，我一直在寻找一本能够系统梳理光电成像系统理论知识，并结合实际应用的专业书籍，这本书无疑满足了我的需求。它在“建模”部分对各种光学元件和成像系统的数学模型进行了详尽的介绍，并深入探讨了不同模型之间的适用性和局限性。我尤其欣赏书中关于相机模型、镜头模型以及目标模型等内容的论述，这些是构建完整成像系统模型的基础。作者通过大量的图表和公式，清晰地阐述了如何建立准确的模型，并利用这些模型来预测成像效果。同时，书中关于模型验证和误差分析的部分也做得非常出色，这对于确保模型的可靠性至关重要。读完这本书，我感觉自己对光电成像系统的整体架构和各个组成部分有了更深刻的认识，也掌握了更多进行系统设计和优化的方法。