最新刊期
      2024 年 第 32 卷 7 期

        现代应用光学

      • 杨慧哲,张贞钰,刘进,梁永辉
        2024, 32(7): 945-955. DOI: 10.37188/OPE.20243207.0945
        摘要：为了解决星地自由空间光学通信系统中的提前角问题，采用了一种基于光强传输的新型波前探测技术——投影光瞳面分布（Projected Pupil Plane Pattern，PPPP），并通过实验室实验验证了该技术的可行性。PPPP基于TIE光强传输公式，根据不同传输距离下光强分布的变化反解出大气湍流引起的波前畸变。由于PPPP采用的是上行通信激光本身的后向瑞利散射，其测量的大气湍流方向与通信卫星方向一致，因此可以有效解决星地激光通信中的提前角问题。实验模拟了1 m口径的地基望远镜作为上行激光发射装置和后向散射光斑成像设备，通过等效高度分别为10 km和17 km的上行激光后向散射光斑图像来实现对10 km以下大气湍流的波前探测。实验采用的波前畸变模拟装置包括空间光调制器和透明塑料片，实验结果表明，对不同的波前畸变PPPP和通用的夏克-哈特曼波前探测器可以实现相似的波前重构，两者重构相位的残差约为初始相位的30%。  
        关键词：自适应光学;星地激光通信;波前探测器;投影光瞳面分布;提前角   
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        发布时间：2024-04-22
      • 李兆宇,刘子豪,王瑶莹,邱丽荣,杨帅
        2024, 32(7): 956-965. DOI: 10.37188/OPE.20243207.0956
        摘要：针对半导体晶圆厚度的高精度非接触测量问题与需求，提出了基于激光共焦的高精度晶圆厚度测量方法。该方法利用高分辨音圈纳米位移台驱动激光共焦光探针轴向运动扫描，利用激光共焦轴向响应曲线的峰值点对应物镜聚焦焦点的特性，分别对被测晶圆上下表面进行高精度瞄准定位；通过光线追迹算法精确计算出晶圆表面每个采样点的物理坐标，实现了晶圆厚度的高精度非接触测量。基于该方法构建了激光共焦半导体晶圆厚度测量传感器，实验和分析表明，该传感器的轴向分辨力优于5 nm，轴向扫描范围可达5.7 mm，6种晶圆厚度测量重复性均优于100 nm，单次测量时长小于400 ms。将共焦定焦技术有效地应用于半导体测量领域，为晶圆厚度的高精度、无损在线测量提供了一种新技术。  
        关键词：激光共焦;厚度测量;半导体晶圆;光线追迹;高精度;无损测量   
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        发布时间：2024-04-22
      • 殷亮,邢志明,朱科,苗玉,姜萌,单新治,高秀敏
        2024, 32(7): 966-975. DOI: 10.37188/OPE.20243207.0966
        摘要：为了实现对烷烃气体浓度的大范围灵活检测，提出一种基于卡塞格林系统的中红外遥测遥感的方法。对该光学系统的发射模块、接收模块和探测模块进行整体设计研究，基于卡塞格林系统结合3 464 nm的中红外光源完成对烷烃浓度遥测遥感光学系统的设计。该光学系统需要实现对25~100 m大范围内目标的测量，设计了25 cm口径的光学遥测系统。针对卡塞格林系统存在光信号丢失的问题，采用透射式非球面准直结构，可以实现对不同距离目标的调焦；针对口径过大引起的视差问题，采用发射接收同轴的方式来消除较大的视差。实验结果表明，本系统能够对25~100 m的目标进行测量。主镜和次镜镀有中红外增强金膜，使系统的稳定性得到了显著提升。经过测试，系统的总体发射效率为86%，接收效率为75.8%。烷烃遥测遥感系统能够在大范围远距离上遥测气体浓度，使用方便、测量迅速，测量人员面对的风险低，能够保证整体光学系统的稳定性及作业检测的安全性。  
        关键词：遥测遥感;烷烃浓度测量;中红外光;卡塞格林系统   
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        发布时间：2024-04-22
      • 高豆豆,董登峰,邱启帆,崔成君,王博
        2024, 32(7): 976-986. DOI: 10.37188/OPE.20243207.0976
        摘要：针对我国高端制造业对高精度空间六自由度测量系统的迫切需求，提出一种面向激光跟踪测量的基于单目视觉的大范围全自动高精度姿态测量方法。阐述了面向激光跟踪测量的姿态测量系统构成、合作靶标硬件设计，并建立了姿态测量数学模型；其次，分析了自适应清晰成像的姿态测量模块特性，基于光学畸变模型与张正友标定法建立了实时相机成像模型，动态校正特征点像素坐标模型，提升了特征点的提取精度；之后，结合合作靶标几何特性、EPnP算法、SoftPOSIT算法提出一种改进的姿态测量方法，建立了姿态测量系统的自动监测纠错机制，实现测量范围内任意动态位姿的自动测量。最后，利用二维精密转台搭载合作靶标对激光跟踪测量的姿态测量系统进行精度测试。实验结果表明：在3~10 m，方位角/俯仰角为±30°、滚动角为±180°内，适配有14个特征点的合作靶标，姿态测量精度优于0.049°；适配有10个特征点的合作靶标，姿态测量精度优于0.065°。此方法普适性强，对合作靶标特征点布局约束较小，可以满足高端制造业激光跟踪测量的精密测量需求。  
        关键词：激光跟踪测量;单目视觉;自适应测量;姿态测量   
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        发布时间：2024-04-22

        微纳技术与精密机械

      • 邵亚楠,李博文,高世博,邓永波
        2024, 32(7): 987-997. DOI: 10.37188/OPE.20243207.0987
        摘要：在无线通信领域，电磁波传播和极化方向调控对特定信号的识别与接收具有重要意义。提出了一种基于液态金属材质的跨X（8~12 GHz）和Ku（12~18 GHz）波段超宽带极化转换电磁超表面，具有宽频带、高极化转换率、体积小、无机械疲劳损伤、易共形、成本低等优点。该超表面能够实现从7.595 GHz到17.712 GHz超宽带范围内交叉极化转换或宽带圆极化转换的功能。当阶梯状液态金属结构宽度为1.6 mm时，在相对带宽为79.9%的7.595~17.712 GHz频带上，超表面极化转换率优于90%，具有共极化向交叉极化转换的功能。当阶梯状液态金属结构宽度为0.3 mm时，在相对带宽为12.30%的10.864~12.288 GHz频带上，超表面具有线极化向圆极化转换的功能；在相对带宽为3.54%的7.328~7.592 GHz频带上，超表面的极化转换率优于90%，具有共极化向交叉极化转换的功能。样品制备及其极化转换特性测试结果表明：实验结果与仿真结果的相对误差为4.20%，理论设计与实验验证结果一致，进而验证了的跨X和Ku波段超宽带极化转换电磁超表面的多功能性和有效性。  
        关键词：超表面;液态金属;极化转换;超宽带   
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        发布时间：2024-04-22
      • 邱志成,刘一鸿,李旻
        2024, 32(7): 998-1010. DOI: 10.37188/OPE.20243207.0998
        摘要：为了解决航天器上用于供能的太阳帆板类柔性薄板结构的振动问题，针对一种移动柔性铰接板系统构建了双目视觉系统的振动测控实验平台，采用双目立体视觉方法来检测振动，并设计了自回归小波神经网络控制器（Self-Recurrent Wavelet Neural Network Controller， SRWNNC）来抑制振动。对双目视觉系统进行了标定，基于视差原理和图像处理算法，通过解算标志点的三维坐标来获取振动信号。建立了系统的有限元模型，并通过辨识得到校正后的系统模型参数。基于辨识得到的模型在仿真环境中训练SRWNNC，用于实验系统的振动主动控制。分别针对移动柔性铰接板系统固定基座和平移轨迹运动两种情况，进行了双目视觉振动检测和振动控制仿真和实验研究。仿真和实验结果表明，双目视觉传感器对振动信号的检测精度小于0.1 mm，SRWNNC也展现出比大增益PD控制器更好的抑振效果，验证了双目视觉振动检测和SRWNNC抑制振动的准确性和有效性。  
        关键词：双目视觉;移动柔性铰接板;自回归小波神经网络;振动抑制   
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        发布时间：2024-04-22
      • 吴剑,欧屹,周长光,冯虎田,钱超群
        2024, 32(7): 1011-1022. DOI: 10.37188/OPE.20243207.1011
        摘要：为了实现滚珠丝杠滚道法向截面的快速、精确和无损检测，建立基于光学测微计的滚珠丝杠滚道法向截面测量系统。基于滚珠丝杠滚道法向截面测量原理设计了检测装置，对原有滚道法向截面数据处理算法进行优化，提出了角度划分圆弧方法、圆弧数据均匀化方法。对检测装置中传感器安装误差、水平移动平台直线度误差、传感器误差进行分析，并进行误差补偿。最后，通过实验验证检测装置和优化后的算法组成的整个检测系统的精度。实验结果表明：算法优化后检测系统测得的滚道法向截面参数，随着划分圆弧的角度增加最终收敛。算法优化后检测系统测得的圆弧半径和接触角与厂家提供的误差最大值分别为3.6 μm和19′31″，相对算法优化前提升率分别为64.36%和53.46%；测得的圆弧半径和接触角标准偏差最大值分别为1.56 μm和2′41″，相对算法优化前提升率分别为22.77%和56.67；测得的圆弧半径和接触角的A类不确定度最大值分别为0.63 μm和1′6″，相对于算法优化前分别降低56%和70%。滚道法向截面检测系统的精度、重复性和不确定度均满足测量要求。  
        关键词：光学测微计;滚珠丝杠;滚道法向截面;角度划分圆弧方法;圆弧数据均匀化方法   
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        发布时间：2024-04-22

        信息科学

      • 付鹏,万振华,王琨锋,赵开春
        2024, 32(7): 1023-1033. DOI: 10.37188/OPE.20243207.1023
        摘要：为了解决视觉惯性组合导航系统绝对航向信息缺失与姿态发散的问题，进一步提升系统定位精度，设计并实现了针对未知磁场环境下的自适应视觉惯性地磁紧耦合定位系统。基于常用的三轴磁力计内外参数联合标定原理，提出了一种地磁信息全局及帧间约束残差构建方法。通过磁强度差异动态调整融合权重，利用非线性优化方法设计视觉/惯性/地磁紧耦合系统实现自身运动状态估计。最后，在校园环境下开展户外实验。实验结果表明：该系统能够在部分建筑及车辆磁场干扰环境下稳定运行，定位精度均优于0.8%（RMSE），相比于VINS位置误差平均降低了约24%，且具有良好的实时性。磁力计及自适应融合方法的引入可以有效改善现有视觉惯性导航系统的定位性能，为无人系统提供高可靠性的实时定位结果。  
        关键词：组合导航;地磁场;自适应系统;非线性优化   
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        发布时间：2024-04-22
      • 林建军,王骧予涵,班晓军,黄显林
        2024, 32(7): 1034-1044. DOI: 10.37188/OPE.20243207.1034
        摘要：为了解决远距离场景下基于非机动单站的目标跟踪问题，提出了一种基于三维到达角信息且具有渐进无偏特性的目标跟踪算法。以相对运动模型为研究对象，在速率先验已知的条件下，建立基于非机动单站的运动模型与观测模型，并对系统可观测性进行了分析。为了解决伪线性最小二乘算法的有偏性问题，提出了一种具有渐进无偏性能的约束总体最小二乘法，并证明了该方法的无偏性。仿真结果表明，在百公里级别的三维到达角跟踪中，角测量标准差分别为0.1°，0.2°，0.3°时，约束总体最小二乘法50~100 s内的时均相对距离误差能达到6%，12%，21%，时均绝对位置误差达到9，19，35 km；而初始距离为70，140，280 km时50~100 s内的时均相对距离误差能达到1%，6%，30%，时均绝对位置误差为0.7，9，30 km，100 s时的相对距离误差均能降到10%以内，精度提升效果最明显，且算法运行速度与伪线性最小二乘法在同一个量级。约束总体最小二乘法收敛速度快、定位精度高，且具有较快的运行效率，受测角误差与初始距离的影响较小，能够为远距离场景下的非机动单站三维到达角目标跟踪提供有效方法。  
        关键词：目标跟踪;三维到达角;伪线性;渐进无偏估计   
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        发布时间：2024-04-22
      • 高云龙,李建鹏,郑兴莘,邵桂芳,祝青园,曹超
        2024, 32(7): 1045-1058. DOI: 10.37188/OPE.20243207.1045
        摘要：传统的模糊C均值算法直接基于原始数据进行聚类，数据的内在结构可能会被噪声、异常值或其他因素破坏，因此聚类性能会受到影响。为提升FCM算法的鲁棒性，提出了一种基于自适应近邻信息的模糊C均值聚类算法。近邻信息指的是一种基于数据点之间相似度的度量，每个数据点都可以看作其他数据点的近邻，但是不同数据点之间的相似度是不同的。将样本点的近邻信息GX和类中心点的近邻信息GV融入基础FCM模型中，为聚类过程提供更多的数据结构信息，用于指导聚类算法中的簇划分过程，以提升算法的稳定性，并提出了3个迭代算法求解本文提出的聚类模型。与其他先进聚类算法对比，在部分基准数据集上聚类性能有10%以上的提升，同时还从参数敏感性、收敛性、消融实验等方面对算法进行评价。实验结果可以充分显示本文提出的聚类算法的可行性与有效性。  
        关键词：模糊C均值聚类;自适应近邻;算法鲁棒性;迭代算法   
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        发布时间：2024-04-22
      • 林森,查子月
        2024, 32(7): 1059-1074. DOI: 10.37188/OPE.20243207.1059
        摘要：针对复杂成像环境下，水下图像存在颜色失真、细节模糊以及对比度低的问题，提出结合色彩补偿与双背景光融合的水下图像复原方法。通过分析光在水中的吸收衰减特性，提出改进的水下成像模型，基于Retinex理论与白平衡算法引入色彩补偿分量，降低水体背景颜色影响；根据背景光强度和颜色分布特性，提出双候选背景光融合方法，准确估计全局背景光；不依赖任何水体环境参数，根据背景颜色与散射系数的内在关系，采用引导-高通滤波，优化并增强各通道透射率；最后，逆求解成像模型复原水下图像。实验结果表明，在4个不同的水下数据集上与经典及新颖方法对比，所提方法恢复的图像颜色更自然，纹理细节更丰富清晰；色差值改善幅度达5.4%，UCIQE及FDUM指标提升幅度分别达8.3%和4.5%。所提方法在定性和定量实验中更具优势，能够显著提高水下图像质量。  
        关键词：水下图像复原;色彩补偿;背景光融合;透射率估计   
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        发布时间：2024-04-22
      • 林珊玲,彭雪玲,王栋,林志贤,林坚普,郭太良
        2024, 32(7): 1075-1086. DOI: 10.37188/OPE.20243207.1075
        摘要：针对轻量级目标检测算法在钢表面缺陷检测任务中识别精度低的问题，提出一种多尺度增强特征融合的钢表面缺陷目标检测算法。该算法采用提出的自适应加权融合模块为不同层级特征自适应计算融合权重，将深层语义与浅层细节进行加权融合，使得浅层特征在不丢失细节信息的同时获得丰富的深层语义。利用提出的空间特征增强模块从3个独立方向强化融合特征，通过引出残差旁路增强网络结构的稳定性，使卷积过程能够挖掘到更多的关键信息。根据先验框与真实框的整体交并程度为模型选择更为合适的训练样本。实验结果表明，该算法的检测精度达到80.47%，相比原始算法提升6.81%。该算法的参数量为2.36 M，计算量为952.67 MFLOPs，能快速且高精度检测钢材表面的缺陷信息，具有较高的应用价值。  
        关键词：缺陷检测;单发多框检测器;增强特征融合;自适应加权融合;空间特征增强   
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        发布时间：2024-04-22
      • 吴海滨,戴诗语,王爱丽,岩堀祐之,于效宇
        2024, 32(7): 1087-1100. DOI: 10.37188/OPE.20243207.1087
        摘要：针对高光谱图像（hyperspectral images， HSI）与LiDAR数据多模态分类任务中的跨模态信息表达和特征对齐等问题，提出一种基于对比学习CNN-Transformer高光谱和LiDAR数据协同分类网络（Contrastive Learning based CNN-Transformer Network， CLCT-Net）。CLCT-Net通过由ConvNeXt V2 Block构成的共有特征提取模块，获得不同模态间的共性特征，解决异构传感器数据之间语义对齐的问题。构建了包含空间-通道分支和光谱上下文分支的双分支HSI编码器，以及结合频域自注意力机制的LiDAR编码器，以获取更丰富的特征表示。利用集成对比学习进行分类，进一步提升多模态数据协同分类的精度。在 Houston 2013 和 Trento 数据集上的实验结果表明，相较于其他高光谱图像和LiDAR数据分类模型，本文所提模型获得了更高的地物分类精度，分别达到了92.01%和98.90%，实现了跨模态数据特征的深度挖掘和协同提取。  
        关键词：高光谱图像;激光雷达数据;Transformer;卷积神经网络;对比学习   
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      • 龙志亮,邓月明,谢竞,王润民
        2024, 32(7): 1101-1110. DOI: 10.37188/OPE.20243207.1101
        摘要：为解决弱光环境下的红外与可见光图像的融合结果存在对比度低、细节纹理不足、融合耗时长的问题，提出了一种改进多尺度结构化融合的方法。在图像融合前，采用动态范围压缩算法对弱光下的可见光图像进行增强，再通过多尺度结构化分解将增强后的可见光图像和红外图像分解成低频和高频信息；在融合过程中，提出一种基于均方根误差系数的方法对低频信息进行融合，提出一种基于信息熵自适应调整权重的策略对初步融合的高频信息进行二次优化融合，再通过多尺度结构化分解的逆变换重构出融合图像；最后，提出一种基于灰度分类的区域像素增强算法来提高融合后图像的对比度。将提出方法与9种常用的融合方法进行了定性和定量的分析比较，在TNO和CVC-14数据集上的实验结果表明，该方法在平均梯度、交叉熵、边缘强度、标准差和空间频率指标上取得了更好的客观评价结果，整体视觉效果也要优于对比方法。本方法的融合结果具有丰富的细节纹理、较高的清晰度和对比度，且融合耗时短。  
        关键词：图像处理;多尺度结构化融合;动态范围压缩;均方根误差;信息熵;对比度   
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