最新刊期
2025年第33卷第11期
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提升多次反射腔增强拉曼气体检测灵敏度 AI导读
“在拉曼光谱检测领域，专家通过优化光路增强信号强度，提升了检测灵敏度，为气体检测提供新方案。”摘要：针对拉曼散射面积小，从而导致拉曼信号弱和检测灵敏度低的问题，通过优化光路有效增强了拉曼散射信号强度，并提升了检测灵敏度。在腔内不同反射模式和收集系统角度的研究基础上，探讨了入射光的偏振状态和双路收集系统对拉曼散射信号的影响。基于优化后的参数构建了一套多次反射腔体，以空气中氧气和氮气的拉曼光谱作为参考信号。实验结果表明，P偏振入射光的信号强度比S偏振提升了1.3倍，收集系统升级为双路后，增加了总的散射光收集量，提升了拉曼散射收集效率，双路收集系统的信噪比较A路提升了1.5倍，较B路提升了1.7倍。优化后的装置可以实现对空气中二氧化碳的检测。信号强度与气体浓度之间良好的线性关系表明此装置具有定量分析的能力。关键词：光谱学;拉曼光谱;气体检测;腔增强;近共心腔40|3|0更新时间：2025-07-23 -
磁浸没热场发射电子枪 AI导读
“在提高扫描电镜设备性能领域，专家设计了磁浸没式热场发射电子枪，有效提升发射束流，为设备性能提升提供新方案。”摘要：为了提高扫描电镜等设备的探针束流，设计了磁浸没式热场发射电子枪，可对电子枪阴极发射电子进行有效收集，提高有效的发射束流。对磁浸没热场发射电子枪的电子光学特性进行了理论分析，仿真对比了单极靴、双极靴轴向间隙、双极靴径向间隙3种结构的磁透镜性能。基于双极靴轴向间隙结构的透镜设计了磁浸没式电子枪，仿真分析了束斑、束流、角束流密度、亮度等参数随浸没透镜的变化情况。基于实验平台对浸没透镜的磁场分布与磁浸没式电子枪的有效发射束流进行了测试。实验结果表明：浸没透镜磁场实际分布值与仿真值基本一致；在相同光阑尺寸下，磁浸没式电子枪的有效发射束流在3.3 kV低加速电压下为44.97 nA，23.5 kV高加速电压下为638.12 nA，与普通热场发射电子枪相比提高了约4倍。关键词：电子光学;热场发射电子枪;磁浸没透镜;双极靴透镜15|6|0更新时间：2025-07-23 -
多运动组共轨型紧凑变焦光学系统 AI导读
“在光学系统领域，专家提出了一种多运动组共轨型紧凑变焦光学系统模型，有效解决了传统变焦系统体积大、质量重的问题，为实现变焦光学系统的小型化设计提供了新路径。”摘要：传统变焦系统广泛运用的机械补偿型变焦结构在一定程度上存在总长较大、结构笨重的问题，难以符合小型化设备对光学系统体积和质量的严格约束。为了解决上述问题，讨论了多运动组变焦系统稳定成像原理，提出了一种基于多运动组共轨型结构的紧凑变焦光学系统模型，以五组元变焦系统为设计载体，详细阐述了从设计指标制定到高斯解分析再到优化方案的完整设计流程，并通过性能评估验证了设计结果的有效性。设计结果表明：该系统采用3片玻璃透镜与7片塑料透镜组合，用69 mm总长实现了23~69 mm三倍连续变焦，其中F数为2.4~4.5，像高为8.49 mm，工作波段为435~650 nm，系统质量控制在30 g以内，全视场全焦段成像质量优良，变焦曲线平滑无拐点。该多运动组共轨型紧凑变焦光学系统设计模型在固定行程条件下扩大了单个运动组元的有效移动范围，在压缩变焦系统轴向尺寸的同时，保障了连续变焦过程中的像质稳定性，为实现变焦光学系统的紧凑型设计目标提供了有效路径。此外，通过透镜材料玻塑混合配置方案实现了系统的轻量化。关键词：光学设计;连续变焦;多运动组;紧凑型光学系统21|5|0更新时间：2025-07-23 -
基于透射率限制修正的水下偏振图像恢复 AI导读
“在水下偏振图像恢复领域，专家提出了基于透射率限制修正的方法，有效提升了图像信息熵和对比度。”摘要：为了在主动照明条件下进行有效的水下偏振图像恢复，需要获取后向散射偏振度及无穷远的光强值参量。如果对上述两种参量进行粗略估计，会导致透射率估计错误，使恢复后的图像出现大量噪声以及造成部分像元饱和等问题。针对透射率估计错误的问题，提出了一种基于透射率限制修正的水下偏振图像恢复方法，该方法从抑制噪声的角度出发，对透射率参数进行了粗修正，从而减少噪声干扰目标成像的问题，并从提高对比度的角度对透射率参数进行精修正，用以正确地估计透射率，再将透射率代入水下传输模型中获得输出图像。自主搭建了水下主动照明成像实验装置，分别对不同的目标在不同浓度的浑浊水体中进行了图像恢复实验。实验结果表明，提出的方法所恢复后的图像相对于原图像在信息熵和对比度指标上分别平均提升了33.89%和69.01%，并在平均梯度、信噪比、信息熵等指标中普遍高于对比算法，在不同浓度的浑浊水体中目标细节特征得到了明显的恢复。关键词：偏振成像;主动照明;水下目标图像恢复;透射率估计23|5|0更新时间：2025-07-23
现代应用光学
- “在高精度光学元件加工领域，专家提出了基于频域滤波的离子束加工收敛率优化方法，有效提升了细束径去除函数的误差修正能力，为全频段误差一致性收敛提供了解决方案。”摘要：为提升细束径去除函数对空间波长接近其特征尺寸的面形误差的修正能力，开展了毫米级束径离子束加工收敛率分析及优化研究，提出基于多频段面形“贝壳纹”加工程度的修形能力分析方法，通过分析均方根密度的频域分布特性与各频段的收敛率、不同周期面形幅值的加工结果，量化评估细束径去除函数的跨频段误差修正能力。在此基础上通过分析制定加工补偿策略，提出了一种基于频域滤波进行驻留时间补偿的收敛率优化提升方法，提高了可修正频段的收敛率，并通过仿真和实验进行验证。实验结果表明：以加工“贝壳纹”的方式可以实现去除函数多频段面形误差修正能力的高效分析，驻留时间补偿方法可有效提升细束径去除函数可修正频段内的单轮收敛率。针对2 mm半宽去除函数收敛能力发生转折的关键频段（0.186~0.385 mm-1），实际平均收敛率从76.4%提升至91.7%。该方法有助于实现单束径去除函数加工时的全频段误差一致性收敛，适用于高精度光学元件加工。关键词：超精密加工;离子束修形;驻留时间;收敛率;细束径去除函数;修形能力12|2|0更新时间：2025-07-23
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基于双特征槽工件的旋转轴几何误差辨识 AI导读
“在五轴机床误差辨识领域，专家提出了基于双特征槽的旋转轴位置误差辨识方法，显著降低了材料去除量，提高了辨识精度和可靠性。”摘要：本文提出了一种基于双特征槽的五轴机床旋转轴位置相关几何误差的辨识方法。该方法通过在立方体工件上依次加工两种特征槽，并设计了4种测量模式，实现了旋转轴几何误差的高精度辨识。与现阶段主流特征工件相比，本文提出的特征工件对槽的加工深度和长度无严格要求，只显著减少了材料去除量，同时最大限度地降低了切削力、热变形以及平动轴误差对测量结果的干扰。所提出的辨识模型可以有效放大角度误差的影响，从而降低了测量不确定度对辨识精度的影响，进一步提高了辨识结果的可靠性。最后，通过与T型块辨识方法的对比实验验证，位移误差辨识结果的最大偏差为2.7 μm，角度误差辨识结果的最大偏差为-2.3″，两者辨识结果的平均吻合度达到93.6%，证实了本文方法的准确性。关键词：五轴机床;旋转轴;几何误差;误差辨识;特征工件;在机测量16|2|0更新时间：2025-07-23 -
石英预制棒深孔加工测力夹具设计及实验研究 AI导读
“在熊猫保偏光纤生产领域，专家设计了石英预制棒深孔加工力在线测量系统，验证了切削力随刀具磨损状态变化的趋势，为提高加工质量提供解决方案。”摘要：在熊猫保偏光纤生产中，石英预制棒的深孔加工质量至关重要，但其硬脆特性导致加工时刀具易过度磨损，工件易断裂。考虑到预制棒安装结构的特殊性以及切削力与刀具磨损状态之间的密切关系，设计并实现了一种石英预制棒深孔加工力在线测量系统。该系统利用钻孔过程中以轴向力为主导的特点，提出了基于双导轨设计屏蔽倾覆力矩和其他方向力的方法，利用单向压电测力传感器实现了低成本实时的切削力测量。为了验证系统的有效性，进行了多组实验，使用不同磨损状态的刀具进行石英预制棒深孔加工，并分析了切削力随刀具磨损状态加剧而呈现的变化趋势。实验结果表明，在使用直径为12.8 mm的刀具对熊猫保偏光纤预制棒进行加工过程中，当切削力在150 N附近时，纤芯容易发生断裂。关键词：深孔加工;石英预制棒;切削力;在线测量13|2|0更新时间：2025-07-23
微纳技术与精密机械
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空间碰撞碎片云探测识别与快速编目能力评估 AI导读
“天地一体化空间监测技术进步，使新碎片快速编目成为可能。COSMOS-2251/Iridium-33碰撞事件分析显示，天基光学监测星座能在一天内对70%以上碰撞新碎片进行轨道编目。”摘要：随着天地一体化空间监测技术的发展，监测覆盖范围扩大、目标重访间隔缩短，较短时间内有可能获得新碎片的多个观测弧段，使新碎片的快速编目成为可能。因此，本文对天基光学监测碎片云的探测和快速轨道编目能力进行了评估。以COSMOS-2251/Iridium-33卫星碰撞事件为例，基于美国空间目标编目库二行根数，分析COSMOS-2251/Iridium-33卫星碰撞新碎片的可识别分离和快速编目可能性。实验结果表明，采用光学监测手段，对于COSMOS-2251和 Iridium-33碎片，在碰撞20 min后，能够有效识别出99%以上的新碎片。选择COSMOS-2251和 Iridium-33的各100个新碎片，基于24颗卫星组成的天基光学监测星座，碰撞后一天内81%的COSMOS-2251和87%的Iridium-33新碎片有至少10个可测弧段。采用一天内的观测弧段进行新目标编目，70%的COSMOS-2251新碎片和73%的Iridium-33新碎片可成功编目。由此表明，基于合理设计的天基光学监测星座，有能力在一天内对70%以上碰撞新碎片进行轨道编目。关键词：空间碰撞;碎片云;目标识别;轨道编目;天基光学监测24|10|0更新时间：2025-07-23 -
月球熔岩管点云的曲率优化表面重建 AI导读
“在月球探测领域，提出了点云法向量欧氏距离与曲面投影表面重建方法，能实现更高精度的表面重建，适用于自然熔岩管点云的表面重建，可用于高精度月球熔岩管三维模型的构建。”摘要：点云表面重建是月球探测领域的关键技术之一，其效果受到点云质量的影响，为了提高点云精度，同时增强重建表面的细节特征，避免过度平滑，提出了点云法向量欧氏距离与曲面投影表面重建方法。首先，采用主成分分析法在无结构点云上进行法向量估计并归一化处理，使用体素滤波方法进行数据预处理，去除数据中的离群。接着，使用基于各向异性权重函数的移动最小二乘法进行点云投影，得到平滑且局部几何特征保持的点云数据。最后，使用泊松算法实现隐式表面重建并构建三角网格。分析了印第安熔岩管形态参数，并研究了算法参数对重采样和表面重建的影响。结果表明，在投影半径为30 mm、法向量差异阈值为5°时，重采样精度最高，点云均方根误差小于13.9 mm，在投影半径为40 mm、法向量差异阈值为5°时，表面重建效果最优，重建表面均方根误差小于67.6 mm。与最远点采样、法向空间采样、均匀采样和体素采样法相比，该方法能实现更高精度的表面重建，适用于自然熔岩管点云的表面重建，可用于高精度月球熔岩管三维模型的构建。关键词：激光雷达;点云表面重建;月球探测;熔岩管;重采样15|4|0更新时间：2025-07-23 -
高速CMOS图像数据的光纤传输系统 AI导读
“在高速CMOS图像数据传输领域，专家研制了光纤传输系统，解决了传输线缆多和链路损耗大的问题，为高速图像数据传输提供解决方案。”摘要：为解决高速CMOS图像数据传输线缆多及链路损耗大等问题，研制了高速CMOS图像数据的光纤传输系统。明确高速光纤传输的限制条件，从光纤模块传输链路的损耗特性出发，确定电信号链路为传输的关键环节。根据发送器全温度范围下的发送能力与接收器稳定工作的最小信号幅度，得到电传输链路可容许的最大插损；基于传输链路的插损模型，确定受介电常数、介质损耗正切值制约的可靠传输距离。结合光纤模块高速信号的交流耦合需求和小封装镍电极材料电容在高可靠航天项目中的限用，提出了大封装耦合电容和过孔引起链路阻抗失配的补偿方法。针对GTX模块中的aurora64b66b协议，提出利用缓存FIFO的空标志信号恢复数据流中的行边界，在RS编码（里德-所罗门编码器）与加扰间添加行头、行尾标识符及同步头等标志信息，减少存储器资源消耗。仿真结果表明：在10 Gb/s的传输速率下，线路板的回波插损为-10.243 2 dB，优于OIF-CEI-04.0和PCIe4.0协议标准要求，信号传输质量良好；插入损耗为-1.477 65 dB，优于链路需求。通过测试，连续48 h下的误码率为5.789×10-16，系统稳定可靠。与旧协议相比，新协议接口方法可节约3.6%的FPGA存储资源。关键词：高速CMOS图像数据;光纤传输系统;插损模型;回波和插入插损;GTX模块;aurora64b66b协议14|4|0更新时间：2025-07-23 -
面向自主水下机器人的深海污染物检测 AI导读
“在海洋环境治理领域，专家建立了轻量级检测模型Debris-yolo，提高了深海垃圾检测的准确性和实用性。”摘要：海洋垃圾是全球性环境问题的主要组成部分，自主水下机器人可以在一定程度上清理深海垃圾。为了能够快速准确地检测深海垃圾，利用深度学习的方法建立了一个轻量级检测模型（Deep-sea debris yolo，Debris-yolo）。基于全球海洋学数据中心（GODAC）推出的Deep-sea debris数据库创建了深海垃圾数据集。引入改进的BiFPN特征融合网络，减少模型参数数量，提高模型区分背景的能力。然后，设计了轻量级检测头，降低了计算复杂度，提高了深海垃圾检测模型的实用性和可部署性。最后，提出Wise-DIoU （Wise Distance Intersection over Union）损失函数，抑制低质量的样本对模型的干扰，使模型能够更准确地定位深海垃圾。在训练过程中，采用数据增强和自适应色彩均衡水下复原对训练数据集进行增强。实验结果表明，与YOLOv8n相比，本文提出模型Debris-yolo的mAP0.5和mAP0.5∶0.95分别提高了1.3%和1.6%，参数量和GFLOPS分别减少了48.2%和36%。关键词：计算机视觉;目标检测;水下机器人;深海垃圾16|4|0更新时间：2025-07-23 -
融合三重注意力机制的板材焊缝缺陷在线检测 AI导读
“在工业缺陷检测领域，YOLO-TR算法通过改进模型结构和损失函数，实现了焊缝缺陷的高效在线检测，精确率和召回率均有所提升。”摘要：针对现有的焊缝缺陷检测算法存在的小尺度检测不准确、实时性差以及参数量大的问题，提出了一种改进的焊缝缺陷在线检测算法YOLO-TR，实现了对烧糊、烧穿、夹渣、未熔和错边5种常见焊缝缺陷的在线检测。采用三重注意力机制结合YOLOv5特征提取网络算法以提升模型的特征提取能力；颈部网络采用动态上采样模块，提升特征图分辨率，实现高精度检测的要求；通过添加分布式焦点检测头，在降低模型参数量的前提下，增强模型对尺度变化的稳定性；采用Shape-IoU损失函数提升回归精度与模型收敛速度。为验证算法的有效性，采用消融实验和对比实验，对YOLO-TR算法的综合性能进行评估。实验结果表明，YOLO-TR算法的精确率为92.5%，较原网络提升了3.6%；召回率为88.8%，较原网络提升了2.1%；全类型平均精度（mAP@0.5）较原网络提升了0.8%；模型参数量仅提升4.4%。本文算法能够实现焊缝缺陷的高效在线检测，具有良好的稳定性和泛化能力，且验证了YOLO-TR算法对工业缺陷检测领域的有效性。关键词：缺陷检测;YOLOv5;三重注意力机制;分布式焦点检测头;动态上采样21|5|0更新时间：2025-07-23
信息科学
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