最新刊期
2024年第32卷第22期
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高灵敏度、高精度的光栅应变传感系统 AI导读
“在应变测量领域，研究人员搭建了基于色散增强的光载微波干涉应变测量系统，验证了色散增强技术可显著提高系统灵敏度，为弱物理量测量提供参考方法。”摘要：为了实现对应变的高灵敏、高分辨率测量，本文搭建了基于色散增强的光载微波干涉（Optical Carrier Microwave Interferometer， OCMI）应变测量系统。首先，根据双边带调制理论推导了OCMI应变传感系统的传递函数，得到了光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）光学波长漂移量与微波频率之间的映射关系；接着，搭建了应变传感系统，通过监测高频频率对比不同色散组合下系统的灵敏度，表明反向接入线性啁啾光纤布拉格光栅（Linearly Chirped Fiber Bragg Grating， LCFBG）能够有效增强灵敏度，且LCFBG的色散量越大，系统的灵敏度越高。实验结果表明：采用色散增强的应变传感系统的灵敏度可达43.75 kHz/μɛ，是无LCFBG系统灵敏度的42倍。本文提出的方案具有高的稳定性和测量分辨率，这为弱物理量的测量提供了一种参考方法。关键词：光纤光栅;光载微波干涉;线性啁啾布拉格光栅;应变传感;高灵敏度73|14|0更新时间：2025-02-20 -
相衬光学相干层析的薄膜全场力学测量方法 AI导读
“最新研究突破，采用相衬光学相干层析技术，实现亚毫米级薄膜全场力学性能高灵敏测试，为薄膜材料力学特性研究提供新方法。”摘要：聚合物薄膜的力学特性对于其优化设计、制备和应用具有重要意义，但现有方法普遍难以对其厚度方向进行有效测量。为此，本文提出相衬光学相干层析的薄膜全场力学性能表征方法。利用相衬光学相干层析成像对全场位移的高灵敏特性，结合薄膜拉伸、压缩加载装置，实现了亚毫米级薄膜厚度方向的层析应变全场测量。并结合弹性力学原理，可以从全场应变结果中分别计算材料的弹性模量和泊松比。通过搭建基于相衬光学相干层析的薄膜层析力学测量系统，首先对厚度为0.6 mm的单层硅橡胶薄膜进行了压缩、拉伸加载下的定量表征，测得其弹性模量为2.461 Mpa，泊松比为0.470；随后，分别对由硅橡胶及玻璃胶制作的三层薄膜进行了压缩、拉伸加载下的全场测量，观察到了深度方向各层薄膜的力学差异，测得玻璃胶薄膜的弹性模量为1.005 Mpa，泊松比为0.450。通过本文所述方法可以测量微变形的亚毫米级薄膜厚度方向的全场应变及局部应力，进而测得弹性模量、泊松比这两个力学参数，即可以实现薄膜厚度方向力学特性的高灵敏测试，是一种研究薄膜材料力学性能的新的有效手段。关键词：相衬光学相干层析;应变测量;弹性模量;泊松比;力学特性表征41|13|0更新时间：2025-02-20 - “在无人机导航领域，专家引入偏振光传感器组合导航，构建级联式航姿解算算法，提高了无人机在运动加速度下的姿态解算精度。”摘要：针对无人机受大运动加速度影响时，组合导航中加速度计输出信息关于有效重力加速度的占比减少，偏振光传感器会产生抖动现象，对姿态角求解模型的准确建立进行研究。首先，引入偏振光传感器组合导航，介绍了偏振光导航的定向原理。然后，以双矢量高斯牛顿法和Sage-Husa Kalman （SHKF）算法构建级联式航姿解算算法，在多传感器的基础上观测无人机的姿态信息。最后，在分析运动加速度影响下加速度计测量结果准确性的基础上，提出信任因子解决运动加速度对姿态解算的影响，该算法可以抑制高速运动的无人机体产生的运动加速度产生的影响。为了验证该算法的可行性，基于偏振光/微型惯性测量单元（Miniature Inertial Measurement Unit，MIMU）组合导航平台进行实验，结果表明静态和动态环境中所提出算法相较于PI，EKF算法有30%左右的提升，运动加速度影响下抑制了由于非重力加速度的加入导致的姿态偏移。提高了无人机在运动加速度下的情况下的姿态解算精度，保证了无人机的正常飞行。关键词：偏振光传感器;运动加速度抑制;航姿解算;无人机;组合导航23|12|0更新时间：2025-02-20
- “在三维测量领域，研究者提出了一种改进的高动态范围三维测量方法，有效提升了测量准确性和完整性，实现了高鲁棒、高效率、高精度三维测量。”摘要：面对具有非朗伯表面的被测物体，条纹结构光三维测量技术往往由于图像过饱和或条纹对比度过低等测量动态范围不足的问题而无法获取完整、有效的三维形貌数据。为进一步提升结构光三维测量技术的适应性，本文提出一种改进的高动态范围三维测量方法。使用相较于正弦条纹更具鲁棒性的线移条纹作为编码图案，构建互补线移条纹序列的对比度模型，通过彩色相机各个颜色通道的强度响应差异，在单次曝光时间下依据最佳对比度自适应检测合成新的线移图像，排除由于动态范围不足引入的无效或误差数据。进一步利用背景归一化统一合成图像的不同通道分量的背景，进而通过互补线移条纹对线条位置进行精确定位，解调出准确的线移条纹编码信息进行三维重建。实验结果表明，与多曝光方法相比，图像采集时间减少了82%，总重建时间减少了59%。所提出的方法能够获取表面反射特性复杂的金属工件的线条编码信息，提升高动态范围三维测量的准确性和完整性，实现高鲁棒、高效率、高精度三维测量。关键词：非朗伯表面;高动态范围;彩色图像合成;互补线移条纹;三维测量35|21|0更新时间：2025-02-20
现代应用光学
- “在磁悬浮高速电机领域，专家提出了并联双输入SOGI-FLL方法，有效抑制谐波电流，为系统稳定运行提供解决方案。”摘要：转子质量不平衡和位移传感器误差是磁悬浮转子系统谐波电流的主要来源，准确检测转速是谐波电流抑制的前提。为解决无转速传感器条件下磁悬浮高速电机转子系统谐波电流抑制问题，提出一种并联双输入二阶广义积分锁频环（Second- order Generalized Integrator Frequency-Locked Loop， SOGI-FLL）方法。首先建立了系统转子动力学模型并分析谐波电流产生机理。然后，为提高转速识别精度、提升动态性能，利用X，Y两方向信号正交特性，采用双输入SOGI-FLL方法自适应估计转速。在此基础上，并联双输入SOGI环节以抑制系统谐波电流。为保证系统宽转速范围内稳定运行，根据系统相频特性设计了相位补偿。实验结果表明，该方法能快速准确识别转速，转速信号跟踪误差保持在±0.8 Hz范围内；一、三和五次谐波电流分量分别减少86.20%，84.65%和81.89%，可以准确有效抑制谐波电流。关键词：高速电机;磁悬浮转子;谐波电流抑制;二阶广义积分锁频环;位移传感器误差;转速估计25|11|0更新时间：2025-02-20
- “在压电定位平台领域，专家提出了一种鲁棒干扰观测器控制策略，有效提高了系统抗扰性能和定位精度。”摘要：压电定位平台的负载变化严重限制了其快速定位时的精度。为此，视负载变化为外界干扰，提出了一种鲁棒干扰观测器控制策略。首先，在MPI迟滞逆模型线性化的基础上，根据实验数据辨识出压电定位平台的线性动态特性。其次，将系统辨识误差归结为模型的不确定性，在频域内建立了保守性更小的上界。然后，考虑模型不确定性及负载扰动对系统稳定性及性能的影响，设计了基于μ综合的鲁棒干扰观测器。最后，实验结果表明，提出方法的抗扰带宽为114 Hz，相较于传统的DOB方法提高了109%，相较于H∞DOB提高了86%。对于70 Hz正弦轨迹的跟踪，提出方法在带载与空载情况下的相对误差平均变化为0.001 3，相较于传统DOB方法降低了91.1%，相较于H∞DOB降低了77.2%，证明了提出方法的有效性及优越性。关键词：压电定位平台;负载扰动;模型不确定性;μ综合;干扰观测器47|28|0更新时间：2025-02-20
- “在精密测量领域，专家基于光场式时栅结构特征，提出了辅助装配调校系统，有效降低传感器测量误差至±1.3 μm，为精密测量提供解决方案。”摘要：位移传感器的装配精确性直接决定了传感器的测 量精度，而辅助调校系统是实现精确装配的关键。本文基于光场式时栅结构特征与测量原理，分析其输出信号的空间调制函数与装配的关系，提出了一种以传感器输出测量信号为安装指标的辅助装配调校系统。根据光场式时栅传感器测量原理，结合实际装配结构，研究了动定尺安装姿态对测量误差的影响，确定以滚转角校准为安装姿态校准的主要目标；建立滚转角与测量信号相关的数学模型，基于该函数模型设计利用原始测量信号获得校准指标的辅助装配调校系统。实验表明：该系统能够直观地给出滚转角调校参数，帮助用户装配校准，能够将光场时栅传感器的原始误差降低至±1.3 μm，具备环节简单、易于集成的优点。关键词：时栅;光栅;装配误差;滚转角23|10|0更新时间：2025-02-20
微纳技术与精密机械
- “在机器人领域，专家提出了一种低成本、高效率的2D激光雷达手眼标定方法，通过垂直角特征标定装置，优化了标定过程，显著提高了标定精度和收敛速度。”摘要：现有的机器人与2D激光雷达手眼标定方法中一般存在标定装置制造成本高、采样过程要求严格等缺点，针对这些问题，提出一种利用垂直角特征标定装置进行标定的方法。标定过程中保持标定装置与机器人基坐标系相对位置不变；控制搭载2D激光雷达的机器人在某位姿下扫描标定装置，雷达扫描平面与三个标定平面上形成三条直线特征，利用它们之间存在的几何约束，解算出雷达坐标系与标定坐标系间的变换关系；通过变换机器人位姿重复扫描，建立机器人工具坐标系与雷达坐标系间变换矩阵的约束方程；求解约束方程得到变换矩阵的估计结果。同时提出一种基于平面特征的手眼标定优化算法，该算法是一个三阶段迭代过程，避免了垂直角特征制作精度对标定结果的不良影响。实验结果表明该方法在激光雷达扫描误差2 mm水平时，通过10次迭代就可将旋转矩阵的欧拉角误差降到小于0.01°、平移矩阵的距离误差小于1.0 mm。相比同等标定条件下的其他方法在收敛速度上具有优势，在初值选择上也更客观合理。关键词：机器人;2D激光雷达;手眼标定;角特征34|21|0更新时间：2025-02-20
- “在高光谱遥感图像解混领域，研究者提出了一种新的空间-光谱重加权的稀疏多层非负矩阵分解算法，有效降低噪声影响，提升解混性能。”摘要：针对多层非负矩阵分解不能充分利用高光谱遥感图像的空间-光谱特征，以及高光谱图像中普遍存在的噪声问题，本文提出一种新的空间-光谱重加权的稀疏多层非负矩阵分解的解混算法。首先，采用子空间聚类算法构建高光谱图像的空间特征空间权重。其次，使用超像素分割算法对高光谱图像进行超像素分割，并计算超像素之间的相似度，使用KMEANS++算法对超像素进行聚类，接着在超像素内部计算像素级相似度，以此构建出光谱权重。将空间权重和光谱权重融合，融合之后的空间-光谱权重用于表征高光谱图像的空间-光谱信息。然后，使用SUnSAL算法计算稀疏降噪权重，可以有效降低噪声对解混性能的影响。最后，通过
- “在点云配准领域，研究者设计了一种重叠点云配准网络，有效提高了配准性能和抗噪能力。”摘要：现有部分重叠点云配准算法在重叠边界区域的感知以及非重叠点的去除上存在不足，限制了部分重叠点云配准算法性能的进一步提高。针对以上问题，本文设计了一种基于两阶段的重叠分数与匹配矩阵驱动的部分重叠点云配准网络。首先在位姿估计模块采用邻域一致特征作为输入来估计初始位姿，以提高初始对齐准确度；接着设计一种通道空间感知Transformer模块来感知两点云重叠区域，以保持对重叠边界区域的精确感知；然后提出一种基于Transformer的特征编码器来编码初始对齐后点云的特征，以挖掘特征图全局和显著通道特征；最后采用离群点去除方法将余弦相似度矩阵转换为匹配矩阵，以去除非重叠点并正确匹配点间对应关系。本文算法在ModelNet40，ShapeNetCore.v2和Stanford Bunny数据集上进行了验证，在ModelNet40数据集上，相对次优算法GeoTransformer，本文算法的平均各向同性误差MIE（R）和平均绝对误差MAE（R）分别下降12.79%和9.78%；在ShapeNetCore.v2数据集上，相对次优算法MGFPCR，本文算法的均方根误差RMSE（R）和平均绝对误差MAE（R）分别下降42.00%和61.66%；在Stanford Bunny数据集上，相比次优算法ROPNet，本文算法的均方根误差RMSE（R）和平均绝对误差MAE（R）分别下降25.53%和5.58%。实验结果表明，本文算法在泛化性能和抗噪性能上相比其他算法均有较好表现。关键词：图像处理;点云配准;重叠分数预测;通道空间感知;松弛变量26|10|0更新时间：2025-02-20
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场景切换感知的地基成像系统电子稳像技术 AI导读
“在地基实况测量望远镜领域，专家提出了支持场景切换感知的电子稳像技术，有效提升了目标稳定性和观测质量。”摘要：在地基实况测量望远镜中，通常包含捕获和成像两组光学系统。望远镜使用捕获系统对目标闭环跟踪时，由于视场较大，跟踪精度低，可明显感受成像系统的视频抖动，不利于目标实时观察和相关科学实验。为解决上述问题，本文提出一种支持场景切换感知的电子稳像技术。首先，目标未出现时，通过最大连通区域法对每帧图像尝试提取目标特征区域，直至成功提取。接着，对于每帧图像，使用核相关滤波器对上一帧训练模型进行特征匹配，并更新训练模型。其次，使用最小二乘法拟合目标运动轨迹，通过误差分析判断目标真伪。最后，根据目标真伪判断结果，决定当前图像的裁剪是否使用抖动补偿。实验结果表明：经过该技术处理的视频，目标稳定性具有较大提升，相邻图像特征区域抖动幅度最大值从±10 pixels降低至约±1 pixel，使用前50帧图像作为参考帧的峰值信噪比平均提升4.62 dB；同时算法能够感知目标进入和离开视场；算法处理时间小于2 ms，满足实时处理需求。实现连续观测多目标的稳像流程自动化功能，提升相关科学实验的质量和成功率。关键词：闭环跟踪;电子稳像;核相关滤波;最小二乘法;误差分析33|21|0更新时间：2025-02-20 - “在人群计数领域，提出了一种新方法，有效提高了计数性能，降低了误差。”摘要：针对人群计数中背景干扰、人群尺度变化剧烈，导致计数效果不佳的问题，提出了一种密集连接注意力与尺度感知重组增强的人群计数方法。首先，设计密集连接注意力机制的特征提取网络，通过使用膨胀卷积改进的VGG19网络作为模型粗特征提取网络，并嵌入密集连接双通道注意力机制，增强人群计数特征，抑制背景干扰。然后，设计尺度感知重组上采样和软掩膜特征增强及传递结构，实现从浅层到深层不同尺度人群特征信息的充分利用，克服人群尺度变化剧烈导致计数性能不佳的问题。其次，提出多分辨率融合模块，增强多分辨率信息间交互，降低不同分辨率之间的语义差距，提高人群计数的准确度。最后，在ShanghaiTech，UCF-QNRF，JHU＿CROWD++等人群数据集上对比实验，结果表明所提方法均优于对比算法，相较于DM-Count人群计数算法，MAE、MSE误差分别下降了15.98%，14.52%，所提方法具有更高的计数性能。关键词：人群计数;密集连接注意力;尺度感知重组;多尺度增强;多分辨率融合30|19|0更新时间：2025-02-20
信息科学
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