最新刊期
2025年第33卷第4期
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光纤光栅穿戴指套及手指运动监测 AI导读
“最新研究报道，科研团队开发出三种规格的光纤布拉格光栅穿戴式多关节指套，可屏蔽温度影响，精确监测手指各关节运动角度灵敏度和运动情况，适用于不同人群。”摘要：根据手指尺寸的不同，设计出三种规格的光纤布拉格光栅（FBG）穿戴式多关节指套，该指套可以屏蔽温度对FBG的影响。它具有良好的固定耦合性和抗蠕变的能力。建立了多关节手指运动模型；将三种指套穿戴到手指模型和志愿者1、志愿者2的手指上进行了关节运动角度标定实验；使用惯性测量单元（IMU）传感器和光纤光栅感知单元进行了人体食指、中指、环指角速度监测的对比实验；利用指套监测三种不同的手势，并结合反向传播（BP）神经网络进行了预测分析。模型食指灵敏度对比理论分析的食指灵敏度误差小于7.7%。手指模型相应关节的“正行程”和“反行程”的平均灵敏度大于5.3 pm/°，两名志愿者手指相应关节“正行程”和“反行程”的平均灵敏度大于3.8 pm/°。标定实验研究表明，该指套可以精确监测手指不同关节的运动灵敏度，且可适用于不同人群，指套装置可以屏蔽人体温度的影响。利用Bland-Altman分析方法对对比试验监测的数据进行分析，得到二者的监测结果具有一致性，证明了光纤光栅感知单元可以对食指、中指、环指的运动进行有效监测。利用指套监测手势，并利用BP神经网络对两名志愿者进行预测分析得到均方误差分别为0.000 04和0.000 002。综合上述实验研究表明，FBG多关节指套可以精确地监测手指各关节运动角度灵敏度和运动情况，可以利用BP神经网络对其进行预测。关键词：光纤布拉格光栅;穿戴式多关节指套;关节运动灵敏度;手势监测2|0|0更新时间：2025-03-31 - “在光电精确制导领域，专家建立了基于数据驱动的多模复合光电制导导引头数据层融合方法，大幅提升了制导精度和抗干扰能力，满足实际应用需求。”摘要：为了提高光电精确制导导引头的制导精度和抗干扰能力，建立了基于数据驱动的多模复合光电制导导引头数据层融合方法。首先，分析激光/毫米波雷达/红外多模复合光电精确制导数据融合与物理结构的关系。接着，采用拉格朗日插值法和坐标变换实现多模制导数据配准。最后，提出了基于新型卷积增强Transformer模型的多模复合制导信息融合方法，实现了多模复合制导导引头的数据层融合和干扰识别。为了验证所提方法的有效性，构建了导引头挂飞实验系统。实验结果表明：多模复合制导信息融合方法可以实现多模制导在数据层的融合，与互协方差融合法相比，均方根误差降低22%以上，受干扰时的捕获概率从71%提升至91%，大幅提升了多模制导精度和抗干扰能力，可满足多模复合光电精确制导实际应用需求。关键词：多模复合制导;深度学习;数据融合;目标跟踪2|0|0更新时间：2025-03-31
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小行星地形探测激光雷达接收光学系统设计 AI导读
“在小行星地形探测领域，研究人员提出了一种新型接收光学系统，成功解决了激光雷达在极端环境下的应用难题，为小行星探测提供了新方案。”摘要：为使激光雷达满足小行星地形探测时的温度范围以及真空环境要求，解决存在探测盲区、探测范围小以及照明阵列和像素阵列难以精确对准等技术难题，本文从任务需求出发，提出了一种基于透反镜、多曲率球面透镜以及平板玻璃的接收光学系统。通过45°放置具有80%反射率的透反镜实现了发射光学系统和接收光学系统的共光轴。利用多曲率球面透镜不同口径区域具有不同曲率半径的特点避免了探测盲区，同时实现了超宽的探测范围。通过镜片材料以及镜片间距公差的优化实现了光学系统的热不敏特性以及畸变和焦距的精确控制。测试结果表明，接收光学系统可实现Ø1.91°的视场，30~300 m的超宽工作距离，具备0~40 ℃的工作温度范围，可适应真空和常压两种工作环境，已成功应用于小行星地形探测激光雷达。关键词：激光雷达;接收光学系统;光学设计;多曲率球面透镜2|0|0更新时间：2025-03-31
现代应用光学
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基于球面光投影成像的直线位移测量系统 AI导读
“在数字化位移测量领域，研究者设计了基于球面光投影成像的直线位移测量系统，实现了高分辨力直线位移测量，为减小系统体积提供技术依据。”摘要：基于图像识别算法的图像式位移测量具有较高的鲁棒性和容错性，是一种新型数字化位移测量技术。为了减小测量系统体积，同时实现高分辨率直线位移测量，设计基于球面光投影成像的直线位移测量系统。首先，采用球面光投影的放大作用，设计球面光投影成像放大光路，并根据光波平面模型对图像传感器采集到的像素灰度值进行补偿。接着，为了在单码道上实现绝对位置测量与编码元素区分，设计伪随机序列的编码方式及基于宽度阈值的译码方法。然后，为实现亚像素级直线位移测量并提高系统精度，设计直线位移细分算法与多质心融合算法。最后，设计实验装置对所提出的方法进行实验验证。所设计的实验装置测量光路高度仅有5 mm。实验结果表明，所提出的方法能在250 mm的量程范围内，实现理论分辨力为5 nm，误差范围为-3.3~3.6 μm，补偿后误差范围为-0.6~1 μm的直线位移测量。所做的研究，可在减小系统体积的同时实现高分辨力直线位移测量，为开展高分辨力直线位移测量研究提供技术依据。关键词：球面光投影成像;图像式直线位移测量;高鲁棒性;高容错性;高分辨力2|0|0更新时间：2025-03-31 -
扰动观测器在惯性参考单元位置校准中的应用 AI导读
“在视轴稳定技术领域，专家分析了IRU系统多源异质扰动抑制效果，为提高系统鲁棒性提供解决方案。”摘要：基于惯性参考单元（Inertial Reference Unit，IRU）的视轴稳定技术是克服运动载体角振动干扰，实现高精密跟瞄的主要技术手段。IRU系统面临机械谐振、传感噪声、驱动器扰动、基座扰动等多源异质扰动，不同扰动间通过加性、乘性或隐性的方式影响系统稳定性能。扰动观测器（Disturbance observer，DOB）能够在不影响系统稳定性的前提下，提升系统的鲁棒性。本文在分析IRU系统内外部扰动来源及特征的基础上，对比分析了经典DOB、噪声观测器（Noise Observer，NOB）和降噪扰动观测器（Noise Reduction Disturbance Observer，NRDOB）三种结构对IRU系统中多源异质扰动的抑制效果，推导了经典DOB、NOB和NRDOB对输入指令信号和系统多源异质扰动的传递特性，得出了扰动估计器的设计需求，设计了仿真和实验平台，对比分析了三种结构的正弦跟踪能力和对多源异质扰动的抑制能力。结果表明：DOB和NRDOB两种结构的扰动抑制能力和跟踪精度均优于NOB结构，20 Hz，0.2 mrad基座扰动作用下，两种结构对15 Hz，0.1 mrad正弦输入信号的跟踪误差为19.2 μrad，相较NOB结构降低了39.43%。关键词：光电跟瞄系统;惯性参考单元;扰动观测器;扰动抑制2|0|0更新时间：2025-03-31 -
回转体零件内部误差工业CT图像测量 AI导读
“在回转体零件误差测量领域，专家利用工业CT图像，建立了三维点云分割和几何模型优化体系，为提高测量精度提供新方案。”摘要：针对回转体零件内部误差测量难题，利用工业CT无损、可检测内部结构的优势，由工业CT图像实现了回转体零件内部误差的测量。首先，计算回转体轴线参数，并将轴线参数和罗德里格公式引入区域生长法中，提升了三维点云分割精度。然后，建立几何模型的目标函数，采用最小二乘线性拟合获得几何模型的初始参数，进一步采用Levenberg-Marquart非线性拟合求解几何模型的最优参数。最后，根据建立的几何模型计算零件内部的形位误差。实验结果表明，本文提出的点云分割方法精度优于其他方法；表面重建方法相比RANSAC算法稳定性更好；形位误差计算精度相比商用VG软件精度更高，圆柱度提高8.5%，同轴度提高21.1%，垂直度提高4.1%，圆锥公差计算结果都在设计值范围内，满足误差测量工程需求。关键词：计算机断层成像;点云分割;表面重建;误差测量2|0|0更新时间：2025-03-31 -
低盲区三轴矢量原子磁力仪的研制 AI导读
“在磁场测量领域，研究人员采用标量抽运-检测型原子磁力仪，有效降低三轴矢量原子磁力仪的测量盲区，使其适用于可驻停或缓慢运动的平台。实验结果表明，该矢量原子磁力仪具有动态连续测量、测量范围宽和测量盲区小的技术特征。”摘要：为了降低三轴矢量原子磁力仪对运动平台姿态控制范围的要求，在磁场旋转调制法矢量原子磁力仪技术方案中选用测量盲区较小的标量抽运-检测型原子磁力仪，有效降低三轴矢量原子磁力仪的测量盲区，使其有潜力应用于可驻停或缓慢运动的平台。首先，介绍磁场旋转调制法矢量原子磁力仪的工作原理；其次，分析标量原子磁力仪选用自激振荡型Mx光泵磁力仪或抽运-检测型原子磁力仪时磁场旋转调制法矢量原子磁力仪的测量盲区分布情况；最后，在地磁场附近验证低盲区三轴矢量原子磁力仪的技术指标。实验结果表明：当三轴矢量原子磁力仪测量40 000 nT附近的矢量磁场时，其总场测量灵敏度小于1 nT/Hz1/2（@0.1 Hz），角度测量灵敏度小于0.1°/Hz1/2（@0.1 Hz），空间立体角测量盲区占比低于12%。本文所述矢量原子磁力仪具有动态连续测量、测量范围宽和测量盲区小的技术特征。关键词：矢量原子磁力仪;抽运-检测;磁场旋转调制法;测量盲区2|0|0更新时间：2025-03-31
微纳技术与精密机械
- “在无人机影像点云和三维激光点云配准领域，提出了一种新的算法，有效提高了点云数据精度和三维地形重建的精度，满足了国家规范要求。”摘要：针对植被覆盖、地形起伏较大区域的无人机影像点云和三维激光点云密度差异大、空间分布不均匀以及特征不明显等现象，提出了一种点云数据关键坡面特征增强的采样一致性初始配准（Sample Consensus Initial Alignment， SAC-IA）与迭代最邻近点（Iterative Closest Point， ICP）组合配准算法。首先，分别对两源点云数据进行预处理，再基于随机抽样一致（Random Sample Consensus， RANSAC）算法对预处理后面特征弱的点云区域进行拟合，增强点云的面特征并构建多个关键坡面；进而，组合SAC-IA与ICP算法对两源点云进行配准，再进行冗余和重叠点消除处理，实现了两源点云的融合；最后，选取渐近加密不规则三角网滤波（Progressive Triangulated Irregular Network， PTIN）算法对融合后的点云提取地面点，利用反距离加权（Inverse Distance Weighted， IDW）算法进行三维地形重建，生成数字高程模型（Digital Elevation Model， DEM）。利用实测数据进行验证表明：与传统的SAC-IA与ICP组合算法相比，本文算法配准后的点云数据精度（均方根误差值）降低了3.325 m；利用融合后点云数据重建的DEM点位精度（用平均绝对误差和均方根误差表示）值分别降低了0.18 m和0.14 m。本文算法生成的DEM满足1：500比例尺国家规范要求，DEM更能反映地形细部特征。关键词：随机抽样一致;坡面拟合;点云配准;数字高程模型;三维重建2|0|0更新时间：2025-03-31
- “在结直肠癌病理图像半监督语义分割领域，专家提出了伪标签置信度调控方法，实现了高质量多类别分割，为结直肠癌病理图像分析提供算法支持。”摘要：为了改善结直肠癌病理图像半监督语义分割任务中存在的低置信度伪标签利用不充分、高置信度伪标签准确性亟需优化和伪标签类别不平衡等问题，本文提出了一种伪标签置信度调控方法，旨在实现结直肠癌病理图像的高质量多类别半监督语义分割。首先，基于教师-学生模型的半监督语义分割框架，提出在一致性正则化中嵌入类别置信度调控，通过对未训练教师模型生成的低置信度伪标签中的混淆类别进行移除以增强确定性，从而提升低置信度伪标签的贡献率。其次，提出对训练后教师模型生成的伪标签进行先筛选后细化的操作范式，通过对筛选后的高置信度伪标签进行基于条件随机场的细化操作，以改善高置信度伪标签中边界模糊和缺乏语义信息的问题。最后，为缓解伪标签数据中的类别不平衡，设计了一种基于伪标签类别数判定的自适应随机级联强数据增强的方法。通过自建结直肠癌病理图像数据集以及公开的多类别病理图像数据集进行实验验证，本文方法实现了74.09%的结直肠癌病理图像四个类的平均分割精度，相比于基准网络提高6.43%，为结直肠癌病理图像半监督语义分割提供有力的算法支持。关键词：结直肠癌病理图像;半监督语义分割;教师-学生模型;一致性正则化;条件随机场;数据增强2|0|0更新时间：2025-03-31
- “在遥感图像道路提取领域，专家基于SwinUnet网络提出了多尺度上下文感知网络，有效提升了提取精度和性能。”摘要：针对深度神经网络在遥感图像道路提取中面临的局部特征丢失和提取精度低的问题，本文基于SwinUnet网络提出了一种面向遥感图像道路提取的多尺度上下文感知网络。首先，在编码器中设计了一个具有上下文聚合模块的分支，以增强上下文信息提取，并缓解因遮挡引起的语义模糊问题。其次，为了解决编解码器之间语义信息不匹配的问题并提高模型的空间信息提取能力，在跳跃连接中引入了空间特征提取模块，取代了SwinUnet中直接复制编码器特征的方法。最后，在下采样阶段设计了一个特征收缩模块，以减少编码器中信息丢失并增强网络的分割能力。在Massachusetts道路数据集上进行测试结果显示，该方法在F1，IoU，Pr和Re指标上分别达到了80.91%，69.40%，78.03%和65.20%。与主流方法UNet和SwinUnet相比，IoU分别提高了4.45%和2.72%，证明了所提算法通过全局建模、上下文增强和信息匹配优化，有效提升了遥感图像道路提取的精度和性能。关键词：遥感图像;道路提取;语义分割;SwinUnet3|0|0更新时间：2025-03-31
- “在图像加密领域，专家提出了双超混沌系统结合压缩感知和Fibonacci变换的彩色图像加密算法，有效保护图像安全性和完整性。”摘要：为了解决现有混沌图像加密算法中低维混沌系统混沌性质弱、安全性低，高维混沌系统传输成本高、存储空间大以及压缩感知技术中传统测量矩阵占用空间大、传输成本高等问题，本文提出一种双超混沌系统结合压缩感知和Fibonacci变换的彩色图像加密算法。首先，通过Lorenz超混沌系统优化Arnold算法，提高安全性。其次，利用6D超混沌系统改进压缩感知的测量矩阵，减少空间资源和传输成本。再次，采用具有大密钥空间和高安全性的6D超混沌系统进行置乱，提高安全性。最后，利用Fibonacci Q矩阵分块扩散，增强不可预测性。此外，在图像重建中引入2D投影梯度嵌入解密算法，与传统重建算法相比，具有更高的安全性和计算效率。实验结果表明：信息熵均超过7.999，更接近理想值8，相关系数接近0，像素数变化率和统一变化率接近理想值99.609 4%和33.463 5%。在有效保护图像安全性和完整性的同时，具有很强的抗统计攻击和差分攻击能力以及更好的鲁棒性。关键词：图像加密;混沌系统;压缩感知;Fibonacci Q矩阵3|0|0更新时间：2025-03-31
- “在Micro-LED芯片检测领域，提出了基于聚类思想的显微图像拼接方法，有效提升了拼接速度和准确率，具有实际工程应用价值。”摘要：针对现有Micro-LED芯片的显微图像由于存在大量相似且整齐排列的LED而导致算法拼接速度慢及准确率低的问题，本文提出了一种基于聚类思想的Micro-LED芯片显微图像拼接方法。首先使用最大类间方差法对图像进行预处理，随后使用自适应面积拓展相位相关算法对相邻两幅图像的重叠区域进行峰值计算以求得初步配准的偏移量，接着使用图像分块联合差异值哈希算法的优化配准策略得到优化后的偏移量，最后引入基于密度的噪声应用空间聚类对可能存在的错误偏移量进行自动筛出和处理。实验结果表明本文算法平均耗时为64 ms，满足拼接实时性的需求，拼接正确率达到99.4%，配准精度控制在1个pixel之内，融合处理后在主观上可以达到完美的拼接效果，为错误偏移量导致的整体错位问题也提供了新的解决思路。本文算法有效解决了晶圆级Micro-LED芯片检测中显微图像拼接的关键环节，并可推广应用于具有重复特征且高精度要求的其他机器视觉自动化领域，具有较高的实际工程应用价值。关键词：图像拼接;Micro-LED芯片显微图像;相位相关;差异值哈希;聚类思想;缺陷检测1|0|0更新时间：2025-03-31
- “在视觉跟踪领域，研究者提出了基于知识蒸馏的Transformer跟踪器，有效提升了跟踪精度和速度。”摘要：针对复杂深度模型在运算资源受限条件下难以实现高精度、高帧率跟踪的问题，本文提出了一种基于知识蒸馏的Transformer视觉跟踪器。该视觉跟踪器通过引入图像动态校正模块，将当前帧搜索图像与基于光流的预测图像进行动态融合，能有效应对目标快速移动、运动模糊等挑战。为了降低模型复杂度，本文采用知识蒸馏学习策略对模型进行压缩，并将同方差不确定性融入损失函数中，通过学习可得到不同子任务的损失权重，从而避免手动调参的繁琐与困难。同时，在训练过程中，采用随机模糊策略以增强模型的鲁棒性。本文提出了两种不同复杂度的跟踪框架：KTransT-T和KTransT，并在五个公开数据集上与12种算法进行了对比实验。实验结果表明：KTransT-T算法有效提高了跟踪精度和成功率，KTransT则在保证较低模型复杂度的同时，达到了与主流算法相当的跟踪精度，其跟踪速度可达158 frame/s，满足实时跟踪的需求。关键词：计算机视觉;目标跟踪;Transformer;知识蒸馏;同方差不确定性2|0|0更新时间：2025-03-31
信息科学
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